如果說讓飛行汽車工作是一項挑戰(zhàn)的話，那么電動飛行汽車就是一個更難解決的問題，因為它需要承載電池的重量，以及它們輸出能量的速度有多快。動力電池作為電動飛行汽車的心臟，成為制約其商業(yè)化運行的最主要瓶頸，其相關(guān)的研究卻十分有限。但鋰離子電池的一個新的轉(zhuǎn)變可能有助于將這一切成為現(xiàn)實。

電動垂直起降飛行器（eVTOL）在城市空中機動服務(wù)中引起了越來越多的關(guān)注，它可以打開城市的空中走廊供人們出行。通過將直升機在本地起降時的便利性與飛機的高效空氣動力飛行以及電動汽車的低噪音和環(huán)境影響結(jié)合起來，電動飛行汽車可能有助于城市減少交通擁堵。事實上，德國慕尼黑的管理咨詢公司Roland Berger在2020年的一份報告中，確定了全球正在進行的95個eVTOL項目。

然而，為電動飛行汽車開發(fā)電池一直是一個挑戰(zhàn)。研究人員不得不擔(dān)心其重量。當飛行器在起飛和著陸過程中垂直移動時，它們必須提供非常高的功率。它們還需要高能量密度才能在空中停留一段時間。

此外，由于eVTOL飛行器的商業(yè)模式最初可能會涉及空中出租車服務(wù)，因此它們的電池需要快速且經(jīng)常充電，以便在高峰時間賺取高額收入。這項研究的資深作者，賓夕法尼亞州立大學(xué)電化學(xué)發(fā)動機中心主任Chao-Yang Wang說，飛行汽車主要是為了緩解城市的交通擁堵狀況，其主要工作于早高峰 （ 600 ） 和晚高峰 （ 1600 ） 。

因此，在兩次行程的短暫間隔內(nèi) （ 約 5-10 分鐘，用于交換乘客 ） 給電池充入足夠的能量，是保證飛行汽車在早晚高峰中連續(xù)運行從而實現(xiàn)營收最大化的關(guān)鍵。他同時指出，這些令人滿意的特征中有許多相互矛盾。例如，快速充電通常會減少可能的充電循環(huán)次數(shù)，而高能量密度會降低充電速度。

現(xiàn)在Wang和他的同事已經(jīng)開發(fā)出了電池原型設(shè)計，他們表示可以支持80公里的eVTOL旅行，能量密度為每公斤271瓦時。這些鋰離子電池在其使用壽命內(nèi)可維持2000多次快速充電循環(huán)，充電時間僅為5到10分鐘?！暗谝淮姵氐纳虡I(yè)可行性飛行器現(xiàn)在是可用的，”Wang說。

科學(xué)家們依靠他們?yōu)闃藴孰妱悠囬_發(fā)的技術(shù)，在電池中加入10微米薄的鎳箔，幫助電池快速加熱到60攝氏度。研究人員使用鎳箔加熱使電池迅速達到60攝氏度。分析結(jié)果顯示，高溫快充可避免電池析鋰，同時縮短電池的高溫工作時間以避免電池材料的過快老化。而且，加熱電池可以快速釋放電池中的能量，以保證汽車的起飛和降落。

加熱還可以幫助電動飛行器解決一個問題，即它們的電池在運行時永遠不能完全放電，因為它們總是要保留一些電荷才能在空中停留和著陸。當電池電量耗盡時，其充電電阻很低，但剩余電量越高，充電越慢。加熱eVTOL原型電池可以幫助它們快速釋放剩余能量，這樣它們就可以快速充電。

“我們的自加熱技術(shù)的加熱速度為每秒1到5攝氏度，每升高10攝氏度，只消耗0.8%的電池能量，”Wang說，“同時，嵌入的鎳箔增加了不到1.5%的重量和體積，成本也不到基準電池的0.3%?！?/p>

Wang和他的同事們花了大約10年的時間，從偶然發(fā)現(xiàn)加熱電池的想法到“將其應(yīng)用到今天的各種電池原型上并加以演示和完善”。他們面臨的一個巨大挑戰(zhàn)是盡可能降低這些自熱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性——“簡單是我們最復(fù)雜的任務(wù)，”他補充道。

研究人員現(xiàn)在正將他們的策略應(yīng)用于能量密度更大的電池化學(xué)。他們正在開發(fā)的下一代電池的目標是達到每公斤350至400瓦時的能量密度，并將成本降至每千瓦時50美元，同時保持5至10分鐘的充電時間。希望該論文能讓人們相信，我們不需要再花費20年才能得到這些飛行汽車了。

編輯：jq