Благодаря тому, что электрические учебно-тренировочные самолеты уже находятся в эксплуатации, а первые модели eVTOL вот-вот пройдут сертификацию, литий-ионные аккумуляторы сделали ставку на еще одной отрасль для электрификации. Литий-ионные батареи могут не предложить ту энергию и мощность, который жаждет авиационная промышленность, но это не помешало разработчикам следовать своим мечтам об электрической авиации и строить работающие на аккумуляторах воздушные суда.
Для отрасли передовой воздушной мобильности доступные сегодня батареи достаточны для небольших аппаратов, выполняющих короткие рейсы, но масштабирование технологии на более крупные воздушные суда с большей дальностью полета потребует прорыва в технологии аккумуляторов. Что именно может повлечь за собой этот прорыв, еще предстоит увидеть, но в то же время новые и улучшенные батареи могут оказаться ближе, чем вы думаете, и они могут не сильно отличаться от батарей, которые мы уже используем сегодня.
Мощность против энергии
Одной из основных проблем, с которой сталкиваются разработчики аккумуляторов, является взаимосвязь между мощностью и энергией. Более высокая плотность энергии означает, что аккумулятор может хранить больше энергии на единицу объема, тогда как плотность мощности (удельная отдача энергии) определяет, как быстро аккумулятор может отдавать свою энергию. В идеале аккумуляторы, питающие электрические летательные аппараты, должны обеспечивать как высокую энергию, так и плотность мощности, но, к сожалению, эти два качества плохо сочетаются друг с другом.
Электрические воздушные суда, особенно новые модели eVTOL, нуждаются в аккумуляторах с высокой плотностью мощности, чтобы обеспечить достаточную подъемную силу во время взлета и посадки. В то же время им требуется достаточная плотность энергии, чтобы поддерживать требуемую дальность, а также запас энергии. FAA не приняло решение о требованиях к запасу энергии для eVTOL, но текущие правила требуют, чтобы коммерческие самолеты имели запаса энергии на 30 или 45 минут полета в дневных или ночных условиях VFR соответственно, тогда как вертолеты должны иметь 20 минут.
Учитывая, что большинство eVTOL, находящихся сегодня в разработке, предназначены для полетов на короткие расстояния между городами, около 20 миль или менее, существующие требования к запасу энергии в два или даже в три раза превышают планируемый вес аккумуляторов. Сектор eVTOL лоббирует подход, основанный на производительности, а не на традиционном требовании, основанном на времени, чтобы помочь максимизировать и без того ограниченную дальность полета eVTOL и сделать технологию более экономически жизнеспособной.
Хотя плотность энергии важна для дальности, плотность мощности особенно важна для eVTOL во время взлета и посадки. Аккумуляторы электромобилей разряжаются с относительно постоянной скоростью, но для eVTOL требуются короткие всплески высокой мощности для взлета и посадки. Аккумуляторы серии EV (для автотранспорта) не оптимизированы для переменной выходной мощности eVTOL. Воздушные суда также имеют гораздо более строгие ограничения по весу, что является еще одной причиной того, что аккумуляторы EV не идеальны для применения в eVTOL.
Альтернативы не за горами?
Технология литий-ионных аккумуляторов, возможно, еще недостаточно развита для поддержки дальних перелетов, но на данный момент они остаются лучшим решением. Однако это может скоро измениться; в исследовательских институтах уже появились новые подходы к химии аккумуляторов и нашли свое применение в некоторых коммерческих продуктах.
Примерами новых химических составов аккумуляторов, которые могут быть перспективными для применения в авиации, являются твердотельные аккумуляторы и литий-серные аккумуляторы, оба из которых могут предложить более высокую плотность энергии, необходимую для обеспечения полетов на большие расстояния. Ученые и инженеры уже продемонстрировали, что такие альтернативные химические составы аккумуляторов технологически осуществимы, но они далеки от того, чтобы стать экономически жизнеспособными и сертифицированными для использования в электрических воздушных судах.
Твердотельные аккумуляторы стали потенциально наиболее перспективной альтернативой литий-ионным батареям, когда речь идет об авиационном применении, и автомобильная промышленность уже тестирует эту технологию в батареях электромобилей (EV). В августе Samsung объявила о начале пилотного производства и тестирования твердотельной батареи для электромобилей, которая, по ее словам, обеспечит запас хода в 600 миль, сверхбыструю зарядку и более длительный срок службы.
«Но они все еще находятся на начальной стадии, и пройдет несколько лет, прежде чем мы сможем хотя бы судить о том, как они будут вести себя в этих суровых условиях эксплуатации eVTOL», - рассказал AIN Илиас Белхаруак, специалист по аккумуляторам из Национальной лаборатории Оук-Ридж Министерства энергетики США (ORNL) в Теннесси. Будучи главой отдела электрификации в ORNL, Белхаруак возглавляет группу исследователей, сосредоточенных на развитии технологий аккумуляторов, а также процессов их производства.
Ранее в этом году Белхаруак и его коллеги опубликовали исследование, в котором оценивали, как различные батареи электромобилей будут работать в условиях эксплуатации eVTOL. Они обнаружили, что требования к мощности и производительности для полета eVTOL снижают производительность и долговечность батареи, подчеркивая необходимость в индивидуальных решениях для аккумуляторов, основанных на производительности. Прежде чем любой новый тип батареи будет сертифицирован для использования в электрических силовых установках летательных аппаратов, «его необходимо протестировать в соответствии с этими очень специализированными протоколами или в условиях нагрузки, а затем мы должны решить, будут ли они ценными или нет», - сказал Белхаруак.
Твердотельные аккумуляторы
Твердотельные аккумуляторы, которые многие считают «святым Граалем» решений для хранения энергии, постепенно прокладывают себе путь на рынок электромобилей и, по всей видимости, являются наиболее вероятным претендентом на следующее поколение авиационных батарей. В то время как литий-ионные аккумуляторы обычно содержат жидкие или гелевые полимерные электролиты, твердотельные батареи имеют твердые электролиты. Они имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем традиционные литий-ионные батареи, и, как правило, считаются более безопасными, что делает их идеальным кандидатом для применения в авиации.
Литий-ионные аккумуляторы склонны к тепловому разгону — неконтролируемому перегреву, который может привести к возгоранию или взрыву — отчасти потому, что они содержат легковоспламеняющиеся жидкие электролиты, обычно состоящие из органических растворителей, смешанных с солями лития и другими добавками. В случае короткого замыкания или другого физического повреждения легковоспламеняющиеся электролиты в литий-ионных аккумуляторах могут воспламениться, потенциально ухудшая и без того плохую ситуацию.
В твердотельных батареях легковоспламеняющиеся жидкие электролиты заменяются твердыми ионными проводниками, которые не воспламеняемы. По сравнению с литий-ионными батареями твердотельные обладают лучшей термической стабильностью и могут эффективно работать в более широком диапазоне температур. Благодаря более высокой плотности энергии они также уменьшают общий вес батарей, что позволяет осуществлять более длительные полеты более крупных воздушных судов и большей полезной нагрузкой.
Исследователи экспериментировали с различными типами твердых электролитов в течение десятилетий. Все они, как правило, сталкивались с одними и теми же проблемами: низкой ионной проводимостью, высоким поверхностным сопротивлением на границе электрод-электролит и плохой механической стабильностью с хрупкими твердыми веществами. Более высокое сопротивление и более низкая проводимость препятствуют потоку электричества через аккумулятор, ограничивая его производительность и снижая общую энергоэффективность.
По этим причинам твердотельные батареи на коммерческом рынке до сих пор ограничивались небольшими электронными устройствами, включая некоторые слуховые аппараты, кардиостимуляторы и носимые фитнес-трекеры. Однако, как и литий-ионные батареи развивались на протяжении многих лет, технология, лежащая в основе твердотельных батарей, постоянно совершенствуется и становится все более актуальной для более широкого спектра применений.
Прорывы в области литий-ионных аккумуляторов
В то время как автомобильная промышленность с нетерпением ждет появления твердотельных аккумуляторов для электромобилей, авиационная отрасль молится о прорыве, достойном Нобелевской премии, который когда-нибудь сделает возможными дальние путешествия на самолетах с электрическими аккумуляторами. Тем временем прагматичные ученые все еще работают над улучшением литий-ионных аккумуляторов, которые многие давно хотели заменить.
Помимо увеличения мощности и энергии, исследователи стремятся сделать литий-ионные аккумуляторы более выносливыми и увеличить срок их службы, тем самым сократив частоту замены батарей.
Белхаурак считает, что решение по оптимизации литий-ионных аккумуляторов для применения в eVTOL сводится к электролиту. Он и его команда в ORNL разрабатывают и тестируют новые жидкие и гелевые электролиты, которые могут проводить ионы лития быстрее и эффективнее, чем традиционные электролиты, используемые в современных аккумуляторах. Белхаурак и другие исследователи аккумуляторов также изучают альтернативные материалы для катодов и анодов.
Тем временем пионер электрических двигательных систем MagniX недавно вышел на сектор хранения энергии с планами по производству батарей специально для авиации. Объявляя о своем шаге 24 июня, MagniX заявила, что ее новая линейка батарей Samson будет обеспечивать 300 Вт·ч/кг и иметь срок службы более 1000 циклов полной глубины разряда. Компания из Эверетта, штат Вашингтон, намерена внедрить батареи Samson в свое семейство электрических двигательных систем с номинальной мощностью от 350 до 650 киловатт. MagniX предлагает двигательные системы в качестве модернизации для устаревших самолетов, включая Cessna Caravan и DHC-2 Beaver.
