Литий-ионные аккумуляторы отлично подходят для питания смартфонов, ноутбуков и даже автомобилей, но электрический полет представляет некоторые уникальные проблемы для этого популярного решения хранения энергии. Ученые продемонстрировали новый тип литиевой батареи, в которой используется инновационная технология высокотемпературной зарядки, чтобы дать ей достаточно энергии для значимых воздушных путешествий всего за 5-10 минут.
Причина, по которой использование электрических силовых агрегатов и аккумуляторов для полета так сложно по сравнению, скажем, с приводом автомобиля в движение по шоссе, заключается в том, что все это тяжелое оборудование необходимо поднять в воздух. Существуют ограничения на то, сколько энергии может хранить аккумулятор и при этом оставаться достаточно легким для взлета самолета, что бледнеет по сравнению с плотностью энергии, обеспечиваемой традиционным топливом для реактивных двигателей на основе керосина.
Обеспечение способности этих батарей переносить больше энергии на килограмм — одна из ключевых задач, стоящих перед электроэнергетической авиационной отраслью, хотя есть и другие факторы, которые следует учитывать. К ним относятся быстрая зарядка, позволяющая держать транспортные средства в движении и избегать неэффективной замены аккумуляторов, а также оснащение этих аккумуляторов способностью обеспечивать необходимое количество энергии.
«Аккумуляторы для летающих автомобилей требуют очень высокой плотности энергии, чтобы вы могли оставаться в воздухе», — говорит Чао-Ян Ван, инженер-механик из Университета штата Пенсильвания и автор исследования. «И им также нужна очень большая мощность во время взлета и посадки. Требуется большая мощность, чтобы летать вертикально вверх и вниз».
Новая технология, продемонстрированная Ван и его коллегами, на самом деле основана на экспериментальной батарее, которую они разработали пару лет назад. Традиционно литиевые батареи могут безопасно работать только в определенном диапазоне температур. Слишком холодно, и на аноде образуются шипы в процессе, известном как покрытие литием, а при слишком высокой температуре батарея быстро разлагается.
Исследователи смогли найти способ обойти это с помощью уникальной конструкции, в которой используется тонкая никелевая фольга, прикрепленная к отрицательной клемме, которая может быстро нагреть аккумулятор до 60 ° C (140 ° F) за 30 секунд. Батарея остается при этой температуре только в течение 10 минут, прежде чем снова быстро охладиться.
Этого достаточно, чтобы воспользоваться преимуществами более высокой эффективности зарядки, обеспечиваемой более высокими рабочими температурами, но избежать деградации и литиевого покрытия. В 2019 году ученые продемонстрировали это, построив прототип аккумулятора, который мог заряжать электромобиль за 10 минут, чтобы обеспечить дальность действия до 480 км, и теперь они адаптировали технологию для eVTOL (электрический вертикальный взлет и посадка) самолет.
Команда заявляет, что новые экспериментальные батареи имеют необходимую плотность для питания самолета eVTOL на расстояние 50 миль (80 км), но их можно перезарядить за 5-10 минут благодаря технологии высокотемпературной зарядки. Продемонстрировав долговечность конструкции, команда также показала, что эту производительность можно поддерживать в течение 2000 циклов быстрой зарядки.
«В нормальных условиях три атрибута, необходимые для батареи eVTOL, работают друг против друга», — говорит Ван. «Высокая плотность энергии снижает быструю зарядку, а быстрая зарядка обычно сокращает количество возможных циклов перезарядки. Но мы можем сделать все три в одной батарее».
«Я надеюсь, что работа, которую мы проделали в этой статье, даст людям твердое представление о том, что нам не нужно еще 20 лет, чтобы наконец получить эти возможности», — говорит Ван. «Я считаю, что мы продемонстрировали коммерческую жизнеспособность eVTOL».
Исследование было опубликовано в журнале Joule .
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК