Поскольку электрическая авиация все еще находится в зачаточном состоянии, разработчики eVTOL в основном полагаются для своих воздушных судов на те же литий-ионные аккумуляторы, которые используются в электрических наземных транспортных средствах (EV). Хотя эффективность таких аккумуляторов в электромобилях хорошо изучена, их применение в авиационной отрасли относительно не изведано, и пока неясно, как эти аккумуляторы выдержат суровые условия, которым они будут подвергаться во время полетов eVTOL.
Чтобы лучше понять ситуацию, ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) в Теннесси провели исследование влияния профиля полета eVTOL на аккумуляторы электромобилей после многократного использования, имитируя типичные операции воздушного такси. Исследовательская группа обнаружила, что требования к мощности и производительности для полета eVTOL снижают производительность и срок службы батареи, что потенциально может представлять угрозу безопасности. Это также может увеличить стоимость обслуживания воздушных судов, поскольку батареи будут нуждаться в частой замене.
Когда eVTOL выполняет вертикальный взлет, «количество опасностей, которым могут подвергнуться батареи, будет не похоже ни на что, что мы видели раньше», - сказал изданию AIN Илиас Белхаруак, сотрудник ORNL, принимавший участие в исследовании. «Поскольку аккумуляторы eVTOL будут подвергаться «очень суровым условиям», они могут быть подвержены преждевременному и непредвиденному повреждению и коррозии».
Белхаруак и его команда стремятся смягчить эту проблему, развивая технологию литий-ионных аккумуляторов и оптимизируя аккумуляторные элементы для полетов eVTOL. Но чтобы найти лучшие решения, им сначала нужно было тщательно определить проблему. В этом исследовании команда стремилась точно определить, что происходит с батареями на субэлементном уровне, когда они подвергаются высоким требованиям к мощности во время полетов eVTOL с многократно повторяющимися циклами. Полученные результаты помогут в поиске новых материалов, особенно электролитов элементов питания, которые могут привести к повышению производительности и выносливости.
Требования к высокой мощности
Хотя литий-ионные аккумуляторы были тщательно протестированы и проверены для использования в электромобилях, условия, в которых они работают во время работы eVTOL, не сравнимы с нормальными условиями вождения. Аккумуляторы электромобилей обычно разряжаются с постоянной скоростью, тогда как eVTOL требуют коротких всплесков высокой мощности, особенно во время взлета и посадки.
Электрические аккумуляторы для воздушных такси также будут подвергаться более частой и быстрой зарядке и разрядке, чем наземные транспортные средства. Например, Tesla может ездить несколько часов с полностью заряженной батареей, а для ее зарядки требуется около 45 минут с помощью быстрого зарядного устройства, а большинству пользователей не требуется подзарядка более одного раза в день. Между тем, полеты первых воздушных такси eVTOL, как ожидается, будут иметь продолжительность около 10 минут, затем последует зарядка около 10 минут и повторный цикл. «Их действительно нужно очень быстро заряжать и очень быстро разряжать… что создает большую нагрузку на эти батареи», - сказал Белхаруак.
Белхаруак и его команда из ORNL провели смоделированные испытания батареи eVTOL с использованием технологии типичных батарей, которые они изготовили на заводе по производству аккумуляторов Министерства энергетики. Они следили за производительностью батареи во время циклирования, а затем оценивали ее компоненты на наличие коррозии и других химических или структурных изменений с помощью сканирующего электронного микроскопа.
«Ваша батарея — это не просто емкость по истечению 1000 циклов. Именно то, что происходит в течение цикла, говорит вам, будет ли ваша система работать или выйдет из строя», - заявил Марм Диксит, ведущий исследователь ORNL. «И ставки здесь гораздо выше, потому что вы спрашиваете, насколько безопасно подниматься в воздух. Это вопрос, на который мы пока не знаем ответа».
Для моделирования исследователи использовали высокую скорость разряда 15С в течение 45 секунд, что, по их словам, представляет собой среднюю потребность в высокой мощности для типичного взлета eVTOL, а затем низкую скорость разряда для имитации крейсерского полета. Скорость разряда 15С означает, что с такой скоростью батарея разрядит всю свою емкость 15 раз за час.
«Примечательно, что во время этой предварительной оценки ячейка продемонстрировала многообещающее поведение, достигнув своей первоначальной емкости и показав хорошее сохранение. Это наблюдение предполагает, что потеря емкости, произошедшая после импульсного теста 15C, не была необратимой, и электрохимические возможности элемента были частично восстановлены в условиях низкой скорости разряда», - заявили исследователи в отчете, который был опубликовано 12 февраля в ACS Energy Letters.
Однако при последующих импульсных испытаниях высокой мощности после периода восстановления с низкой скоростью разряда аккумуляторная батарея продемонстрировала «явно пониженную устойчивость». С помощью сканирующего электронного микроскопа исследователи обнаружили на аноде следы остаточного отложения — скопления атомов лития, которые превращаются в металл. Согласно исследованию, этот результат указывает на разрушение материала электролита.
«Наличие литиевого отложения может привести к образованию дендритов — иголоподобных структур, которые растут из анода и могут пробить сепаратор, — вызывая короткие замыкания и ставя под угрозу общую безопасность и срок службы батареи», - говориться в исследовании. «Обнаружение отложения на аноде подчеркивает проблемы, связанные с быстрыми скачками напряжения, типичными для операций eVTOL. Чрезвычайные требования, предъявляемые к аноду во время интенсивных разрядов, могут вызвать эти явления отложения, что подчеркивает необходимость в современных анодных материалах или инновационных подходах к проектированию для смягчения этой проблемы и повышения циклической долговечности батареи для использования в eVTOL».
Хотя электролит и анодные компоненты аккумуляторной батареи демонстрировали признаки деградации, исследователи обнаружили, что катод оставался устойчивым к повторяющимся разрядам высокой мощности. «Сохранившаяся целостность материала катода позволяет предположить, что даже при интенсивных высокоскоростных разрядах структурная стабильность и электрохимическая активность катода остаются относительно неизменными».
Электролиты
В конечном счете, разработка альтернативного литий-ионному аккумулятору химического состава, обеспечивающего как более высокую плотность энергии, так и удельную мощность, может оказаться «Святым Граалем» для электрической авиации. Но до тех пор, пока кто-то не сделает открытие, достойное Нобелевской премии, литий-ионные аккумуляторы останутся повсеместными.
Между тем, в технологии литий-ионных аккумуляторов еще есть много возможностей для совершенствования. Исследователи постоянно ищут способы повысить производительность и срок службы батарей, используя различные материалы для их компонентов, включая аноды, катоды и электролиты. Например, производитель аккумуляторов Amprius использует аноды из кремниевых нанопроволок в батареях, которые он предлагает для электроавиации.
Белхаруак и его команда считают, что решение сделать литий-ионные батареи более подходящими для операций eVTOL лежит в электролите, среде между катодом и анодом батареи, через которую ионы лития проходят во время зарядки и разрядки. «Большинство этих проблем можно решить с помощью растворов электролитов», - сказал Белхаруак. «И эти электролиты будут переносить ионы лития очень быстро по сравнению с обычными электролитами».
Команда ORNL тестирует новые растворы электролитов, разработанные в лаборатории в рамках исследования аккумуляторов eVTOL. Одним из решений является среда с высокой проводимостью, которую они создали путем модификации солей в электролите. Они также изучают решения, использующие гель в качестве электролита, который обычно является жидкостью. По мнению исследователей, электролиты, разработанные ORNL, работали лучше, чем современные батареи, и сохраняли большую емкость на самых энергоемких этапах полета.
Примеры новых химических составов аккумуляторов, которые могут быть многообещающими для применения в авиации, включают твердотельные аккумуляторы, в которых жидкий или гелеобразный электролит заменяется твердым материалом, или литий-серные аккумуляторы, оба варианта которых могут обеспечивать более высокую плотность энергии, необходимую для обеспечения полетов на большие расстояния.
Белхаруак подчеркнул, что любой тип аккумуляторов, предназначенных для использования eVTOL, «необходимо понимать и осмысливать на основе набора протоколов, которым они будут подвергаться, а не только на основе плотности энергии и удельной мощности».
