Nature: 电池供电飞机的机遇及技术挑战

电池驱动飞行的梦想已有一百多年的历史。1884年，52米长的飞艇La France在巴黎附近起飞，由重达435公斤的锌氯电池提供动力，这是历史上第一架完成受控、动力往返飞行的飞行器。飞机及航空生态系统受到技术要求、经济和环境问题之间复杂交易的影响，所有这些都建立在安全的基础上。

图1. 飞行所用的能量和动力

在此，美国卡内基梅隆大学Venkatasubramanian Viswanathan和麻省理工学院Alan H. Epstein等人探讨了电池供电飞机的要求以及有望实现这些要求的化学物质，突出了飞行和陆地需求和化学之间的差异。作者首先列出了飞机需要实现进步时影响电池性能的因素，出于经济考虑，电动（电池驱动）飞行的可行性需要考虑比能量、功率、重量、成本和安全性。

此外，由于效率、重量和体积的差异，为相同任务（有效载荷、航程和速度）配置的电动和燃料飞机所需的能量可能存在很大差异。除了考虑飞行动力，飞机还必须携带应急储备以应对天气、拥堵等。当前电动飞机面临的主要挑战是电池的能量密度低，而且对于较大的飞机，与燃气机相比，电力驱动的重量要高得多。

图2. 在电池水平上实际实现的比能量的各种损失的图示

同时，实用的航空电池需要在较宽的温度范围内运行，并提供较长的循环和日历寿命、充足的倍率和快速充电能力及安全性，然而同时实现这些会导致理论上可用的比能量显著降低。作者从理论性能指标的第一性原理推理开始，目的是确定一组值得在航空应用中进一步研究的化学选项。最终，作者确定了几种具有高能量密度的候选化学物质，以满足具有挑战性的电动航空目标。

基于这一分析，作者假设能够加速进展的新工具（如表征和计算）得到充分利用且研发投资充足，预计在未来十年（2030年前后）能够实现航空用电池性能指标，即适合飞行的电池组应具有接近600 Wh/kg的比能量。

图3. 当前基于插层的锂离子电池和未来可能基于转换的电池机制差异

The challenges and opportunities of battery-powered flight, Nature 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04139-1

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