有了超清锂硫电池，电动飞机可以飞了！-技术圈

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来源：IEEE.spectrum

编译：肥恬儿、lin

电动飞机风靡一时，从无人机到客机，各种尺寸的原型机都在研发中。但是这项技术尚未起步，原因之一是：缺少合适的电池。

对于一架大型客机来说，如果在携带着重达数千公斤的电池的同时，还想要起飞，滑行，在空中翱翔，并降落在数百公里之外，这根本是行不通的，因为对于飞机来说太重了。其次，即使对于相对较小的飞机（比如说两座教练机），电池的绝对重量也限制了飞机的有效载重，从而限制缩小了飞机的飞行范围。减轻电池重量不仅对航空业，对其他电动汽车（例如汽车，卡车，公共汽车和轮船）都是一个优势，所以电池的能量与重量的比例与这些应用的性能都是紧紧相关的。

在这些应用上，现在的选择一般是用锂离子电池，因为它在几年前就已经是一个成熟的技术，而且每次技术的更新都能设计出一个更小的尺寸。但是对于现在的技术来说，如果想要革新，当务之急则是寻找一种新的化学物质。

从2004年以来， Oxis Energy公司一直在研究一种领先于其他技术的化学物质-锂硫。这种技术能使电池变得极其轻巧，而在最新的研发中，锂硫电池所达到的能量密度是锂离子电池的两倍以上。硫磺锂还能够提供航空所需的所需功率，不仅耐用，最重要的是，它足够安全。毕竟，一旦飞机遇到突如其来的大火或其他灾难时，总不能随便拉到路边修理。

新技术的研发虽然用了很长的时间，但是随着第一阶段的飞行试验已经完成，标志着等待的过程已经结束！

锂硫电池大致由以下四个组件组成：

正电极（阴极）一般是在放电过程中吸收电子，并且连接着一个涂有碳和硫的混合物的铝箔集电器。硫是参与电化学反应的活性材料，但因为这是一种电绝缘体，因此由碳（一种导体）负责将电子传递到需要的地方。为了确保碳和硫可以与阴极结合在一起，其中还添加了少量的粘合剂。
负电极（阳极）则在放电过程中释放电子，并连接到纯锂箔。锂在这里充当集电器，同时也是参与电化学反应的活性材料。
多孔隔膜，用来防止两个电极接触并引起短路。隔板浸入含有锂盐的电解质中。
电解质，促进离子在两个电极之间移动从而产生电化学反应。

这些组件被连接并包装在铝箔袋中，电池则依次串联和并联连接在一起，并包装在20安培小时，2.15伏的电池组中。对于如飞机这样的大型交通工具，只需连接了数十个电池组，就能创造出一个能在数百伏特的情况下提供数十或数百安培小时的电池。

锂硫电池的不寻常之处在于，它们在放电时会经历多个阶段，每次形成一个截然不同的锂和硫分子。当电池放电时，电解质中的锂离子迁移到阴极，在阴极与硫和电子结合形成多硫化物Li2S8。同时，在阳极，锂分子释放电子以形成带正电的锂离子。这些释放的电子然后通过外部电路（即负载）移动，这会将它们带回到阴极。在电解液中，新产生的Li2S8立即与更多的锂离子和更多的电子反应，形成新的多硫化物Li2S6。该过程继续进行，逐步通过其他多硫化物Li2S4和Li2S2，最终成为Li2S。在每个步骤中，更多的能量被释放并传递给负载，直到最后该单元的能量耗尽。

充电时则会颠倒以上顺序：施加的电流迫使电子朝相反的方向流动，从而使硫电极或阴极断绝电子，从而将Li2S转换为Li2S2。多硫化物继续逐步添加硫原子，直到在阴极生成Li2S8。每次释放电子时，都会产生锂离子，然后锂离子扩散通过电解质，并与锂电极上的电子结合形成锂金属。当所有的Li2S都转换为Li2S8时，电池便已充满电。

以上过程只是一个简化的描述，发生在电解质中和阳极处的实际反应其实更加冗杂。事实上，在许多充放电循环中，正是这些副反应导致了锂硫电池的降解。只有通过选择合适的材料和电池配置，将这些问题最小化，这才是生产长寿命高效电池所必须解决的根本性基础和挑战。

电池的构造解析

左图介绍了锂硫电池在放电时经历的阶段。在每个阶段中，电解质中的锂离子都会流向阴极，在阴极中它们会形成具有更高硫与锂比的多硫化物。充电可以逆转这一过程。电池与电池管理设备链接在一起，电池组本身可装入外壳中。

锂离子和锂硫技术的一大挑战是：由重复充电和放电的循环而引起，导致阳极退化的趋势。就锂离子而言，到达该电极的离子通常会找到能够把自己塞进去的金属中的间隙，此过程称为嵌入。但是有时离子会在表面镀覆，形成一个原子核，并且会在其上积累更多的镀层。在许多周期中，灯丝或树枝状晶体可能会生长，直到到达相对电极并使电池短路，从而以无法修复的方式损坏电池的热能激增。如果一个单元格像这样分解，它可以触发相邻的单元格进行同样的操作，从而产生一种称为热失控反应的多米诺效应，也就是火灾。

对于锂硫电池，锂金属阳极的降解也是一个问题。但是，这又是另外一个完全不同的机制，并且不涉及树突的形成。在锂硫电池中，随着电池的充电和放电，阳极表面上不均匀的电流密度会导致锂电镀和剥离不均匀。随着时间的流逝，这种不均匀的电镀和剥离会在阳极上引起苔藓状的沉积物，这种沉积物会与电解质中的硫化物和多硫化物反应。这些长满苔藓的沉积物与大块阳极电断开连接，剩下的阳极表面可用于化学反应。最终，随着这种降解的进行，阳极将无法工作，从而阻止了电池接受电荷。

开发这种降解问题的解决方案，最关键的是生产可以在许多充放电循环中以较高水平运行的电池。Oxis一直致力于一项有前景的解决方案，即在锂金属阳极上覆盖一层薄薄的陶瓷材料，以防止降解。这样的陶瓷材料需要具有高的离子传导性并且是电绝缘的，以及能够在机械和化学反应过程中保持稳固的状态。陶瓷层允许锂离子不受阻碍地通过，并结合到下面的块状锂金属中。

Oxis目前与Pulsedeon和Leitat两家公司的合作，并一起进行这项在阳极添加保护层的工作。Oxis认为这将大大增加电池的充放电次数。同时，Oxis与阿科玛（Arkema）合作以改善阴极，从而增加电池的功率和能量密度。

确实，锂离子电池优于其先前产品的主要优势以及锂硫优于锂离子的主要优势在于，电池可以在很轻巧的体型中储存大量的能量。在汽车中启动内燃机的铅酸启动器电池每公斤可存储约50瓦时（watt-hours per kilogram 或 Wh/kg）。典型的锂离子则取决于其他性能特征，例如峰值功率或长寿命，以保持100至265 Wh/kg的能量。Oxis最近开发了一种原型锂硫袋式电池，该电池容量为470 Wh / kg，但是他们希望在一年内可以提高到500 Wh / kg。同时，由于这项技术仍然是新技术并且还有改进的空间，因此，预计在2025，该电池可以达到600 Wh / kg。

当电池制造商提到能量密度指数时，他们通常是指，在恒定的低功率放电的情况下电池的可用能量。在某些应用中，这样低的速率是可以的，但是对于许多可以垂直起飞的电动飞机，必须以更高的功率速率传递能量。这种高功率功则须要以较低的总储能容量为代价。

Bye航空航天公司的eFlyer 2（上图一）是为训练飞行员而设计的。Bye正在与Oxis能源公司合作开发锂硫电池，该电池有望增加飞机的航程。这是一个由硫磺制成的正极卷轴，正被涂在一个集电极上（上图二）。

此外，单个电池所能达到的能量密度可能比由许多这样的电池组成的电池所能达到的能量密度要大得多。能量密度不能直接从电池单元转换到电池，因为电池单元需要封装——容器，电池管理系统，连接，也许还有冷却系统。重量必须得到控制，因此，我们公司正在使用先进的复合材料来研制轻巧、坚固、防爆的外壳。

如果包装正确，电池的能量密度可以保持在电池单元的80%：额定功率为450Wh/kg的电池单元可以在最终的电池中以超过360Wh/kg的功率包装。我们希望通过整合电池与飞机来更好达成，例如，让机翼空间兼做电池外壳的双重任务。我们预计这样做将使这个数字达到90%。

为了在不影响安全性的前提下优化电池性能，我们首先依靠电池管理系统(BMS)，这是一种控制和保护电池的软硬件组合。它还包括测量电池剩余能量的算法，以及在充电过程中最小化能量浪费的算法。

与锂离子电池单元一样，锂硫电池单元彼此之间也略有不同。这些差异，以及电池在电池组中的位置差异，可能会导致一些电池单元始终比其他电池单元更热。随着时间的推移，这些高温会慢慢降低性能，因此将电池与电池之间的功率差异最小化是很重要的。这通常是通过一个简单的平衡方案来实现的，即几个电阻并联在一个单元上，所有电阻都由BMS中的软件控制。

即使充放电率保持在安全范围内，任何电池仍可能产生过热。因此，通常需要一个专用的热管理系统。电动汽车可以使用液体冷却，但在航空领域，空气冷却更受青睐，因为它增加的重量更小。当然，电池可以放置在空气自然流过飞机表面的位置，比如机翼。如有必要，空气可以通过导管分流到电池中。在Oxis，我们正在使用计算模型来优化这种冷却。例如，当我们在一个小型固定翼飞机的项目中引入这项技术时，它使我们能够设计一个有效的热管理系统，如果没有这个系统，电池将在完全放电前达到其温度极限。

如上所述，电池组通常与单元同时并联和串联布置。然而，电池单元的排列还有很多问题。当然，电池是电子飞机的关键部件，所以你需要冗余，以增强安全性。例如，你可以把电池设计成相等的两部分，这样，如果有一半出现故障，它可以被断开，让飞机至少有足够的能量来控制下降和着陆。

BMS中的另一个软件组件是电荷状态算法。想象一下，你要驾驶一辆油表的测量误差相当于油箱容量的25%的汽车。你不会为了确保汽车不会突然刹车而让指示灯降到25%。你的实际行驶里程只有汽车实际行驶里程的四分之三。为了避免这种浪费，Oxis非常重视电荷状态算法的发展。

在锂离子电池中，你可以通过简单的测量电压来估计电量，电压随着能量水平的下降而下降。但对于锂硫电池来说就没那么简单了。回想一下，在锂硫电池中，不同的聚硫化物在电解过程中在不同的时间充放电。结果是，电压并不能很好地代表电荷的状态，更复杂的是，充电和放电的电压曲线是不对称的。所以跟踪电荷状态所需的算法要复杂得多。我们和英格兰的克兰菲尔德大学合作，使用统计技术，包括卡尔曼滤波和神经网络，开发了我们自己的算法。我们可以精确地估计电荷的状态，精确度达到误差几个百分点内，我们还在努力做得更好。

所有这些设计选择都涉及到权衡取舍，这对于不同的飞机来说是不同的。我们通过不同的方式来管理这些权衡，以便为以下三种不同类型的飞机定制电池设计：

高空伪卫星(High-altitude pseudo satellite, HAPS)是指飞行在15,000至20,000米高空的飞机。希望是能够一次飞行数月;目前的纪录是26天，由空中客车的西风之神在2018年创造。白天，这些飞机使用太阳能电池板为发动机提供动力，为电池充电;到了晚上，它们靠电池供电飞行。因为24小时的充放电周期只需要很少的电力，你可以设计一个轻电池，从而允许一个大的有效负荷。它的轻盈也使得这种飞机更容易飞离赤道，因为赤道的黑夜更长。
电动垂直起降(eVTOL)飞机正被开发为飞行出租车。德国的Lilium和Uber Elevate等公司已经在进行此类项目。同样，重量是关键，但这里的电池不仅要轻，而且要有动力。因此，Oxis开发了两种不同版本的电池化学。高能量版本在电池设计的许多方面进行了优化，以使重量最小化，但它仅限于相对低的功率;它最适合于HAPS应用程序。高功率版本更重，但仍明显低于性能相当的锂离子电池;它非常适合像eVTOL这样的应用。
轻型固定翼飞机：对飞行员的需求日益增长，而培训飞行员的成本却很高；全电动教练机将大大降低运营成本。一个关键因素是更长的飞行时间，这是由更轻的电池助力实现的。科罗拉多州的拜航空航天公司(Bye Aerospace)就是这类飞机的领先者。此外，其他公司，如易捷航空(EasyJet)与莱特电气(Wright electric)的合作伙伴，也在计划使用全电动商用客机进行2小时短途飞行。

三个因素将决定锂硫电池最终的成败。首先是成功地将电池集成到多种机型上，以证明这一原理。其次是电池化学的不断改进。三是单位成本的持续降低。这里的一个优点是硫的价格和材料一样便宜，所以我们有理由希望通过批量生产，单位成本将低于锂离子电池设计的成本，这将是商业成功的必要条件。

Oxis已经生产了数万个电池，目前正在扩大两个新项目的规模。现在，它正在威尔士的塔尔伯特港建立一个生产电解液和阴极活性材料的制造厂。随后，锂硫电池的实际批量生产将在位于巴西米纳斯吉拉斯州的梅赛德斯-奔驰巴西分公司开始。

这个最先进的工厂应该在2023年投入使用。如果规模经济得到证明，如果电动飞机的需求如我们预期的那样增长，那么锂硫电池将开始在该领域取代锂离子电池。在空气中起作用的，在地面上也应该起作用。