鋰硫電池能否解決電子航空電池的局限性

王楠/唐山駿楠貿易有限公司，河北省 唐山市 063000

鋰硫電池的能量密度是鋰離子電池的兩倍，但是其功率系數和循環壽命仍需改進。鋰硫電池的研發將大大推進航空電池技術的進步，并帶來深刻影響。

制造商們正在驗證，設計實用的全電動飛行器是可行的，但只有當電池能夠突破目前對其性能的嚴重局限性，才能放松對其尺寸和航程的限制。

電池領域通常都會虛報數據，但一些下一代產品設計正處于商業化的早期階段，它們提供的能量密度要高于目前的鋰離子電池——這是飛機的一個關鍵參數。

備受青睞的選項中包括用固態電池取代鋰離子中的液體電解質，使電池更安全，能量密度更高。豐田和其他汽車制造商正在致力于從事固態電池的研究，因為固態電池的高體積能量密度將使電池體積更小。另一種方法是鋰金屬，它用鋰金屬代替鋰離子中的石墨陽極來增加能量密度。

另一種很有前途的電池化學物質鋰硫(Li-S)正受到關注，因為英國電池初創企業Oxis Energy公司與美國電動飛機制造商Bye Aerospace公司達成協議，將合作開發應用于飛機的鋰硫電池技術。Bye Aerospace公司已經在開發一種使用鋰離子電池的雙座訓練機，即eFlyer 2，并致力于將鋰硫電池應用到大型飛機上。

總部位于英國阿賓敦的Oxis Energy公司成立于2004年，電池開發主管馬克·克里滕登表示，該公司已將鋰硫電池的能量密度提高至每千克400Wh以上，明年初將達到每千克500Wh。相比之下，目前最好的鋰離子電池的能量密度大約為250Wh/g。

這一性能也超過了Sion Power公司生產的鋰硫電池350Wh/g的能量密度，2015年Qinetiq公司(現已被空客收購)Zephyr太陽能高空無人機使用了該電池，創下了11天的飛行續航時間紀錄。Zephyr隨后的一次飛行超過25天，但使用了一種不同的電池技術。

圖1 Bye Aerospace公司正在尋找用于比雙座eFLyer 2更大的電動飛機的鋰硫電池。(圖片來源：Bye Aerospace公司)

對于電池來說，細節是關鍵，能量密度并不是唯一的關鍵參數。功率系數、充放電速率、安全性和循環壽命也是影響因素。“選擇正確的市場很重要，”馬克·克里滕登說。

鋰硫是一種高能量，但它的功率并不高——意思是它釋放儲存能量的速度。像Zephyr這樣的高空偽衛星需要高能量，但只需要非常低的放電或充電速率。電動垂直升降飛行器在起飛和降落過程中放電率高，因此需要高能量密度和高功率系數。

“對于電動垂直升降來說，關鍵指標不僅僅是能量密度達到400Wh/kg，還要能夠達到2-3 C的高放電速率。”馬克·克里滕登說，“現在還沒有達到這個速度，但我們認為這是一個可以提高鋰硫性能的領域。這是我們的目標之一。”

例如，Bye公司正在研制的傳統固定翼飛機，其飛行任務屬于通用航空，只在起飛和爬升時才需要高功率，因為持續時間相對較短，限制了所需的放電速度。“對于通用航空來說，我們有一個在高充電速率下的短起飛階段，在低充電速率下的巡航階段，然后在著陸時充放電速率會真正下降。”馬克·克里滕登說，“我們可以應付這一情況。”

就像許多替代電池的化學成分一樣，鋰硫電池的另一個關注點是循環壽命，這阻礙了該技術的發展。 Oxis公司的鋰硫電池的循環壽命大概是200次，這遠遠少于鋰離子可能的數千次循環。例如，優步正計劃在1300次充電后更換其電動升降飛行器的鋰電池，屆時鋰電池的容量將達到85%，隨后會將其銷售到穩定的電力市場，在那里，鋰電池預計將有更長的使用壽命周期。

“這是我們正在尋求改進的領域。”馬克·克里滕登說，“過去10年我們的重點是能源密度，與鋰離子電池相比，取得了較好的效果。現在我們希望通過提高功率系數和循環壽命來擴大鋰硫電池的應用。”Oxis公司的目標是在兩年內至少達到500次的循環壽命。

鋰硫電池相對于鋰離子電池的一個優點是成本更低。馬克·克里滕登說，這有兩種方式來實現。一是生產電池的材料成本較低，因為硫比鋰離子電池中使用的鈷和其他稀有元素便宜得多；其次是能產生更高的能源密度。“只需要更少的材料來儲存同樣的能量，”他說，“兩倍的能量密度意味著一半數量的電池。”

另一個優點是安全。鋰離子電池中鋰的枝狀生長可能導致短路和破壞性的熱失控，需要精心設計以防止鋰離子電池中鋰的擴散。這導致了重量和尺寸方面的局限性，使飛機上減少大約25%的能量密度。

“鋰硫電池不會形成枝狀生長。”馬克·克里滕登說，“當鋰耗盡時，形成的任何小的碰撞都會在下一個循環中被削弱。”其結果是“苔蘚狀”生長，而不是像在鋰離子中形成枝狀，連接陽極和陰極導致短路。他說：“鋰硫電池不會以一種有問題的方式退化。”

Oxis公司已經進行了聯合國標準的UN/DOT 38.3測試，該測試是鋰電池安全運輸所必需的，包括釘子和子彈的穿透和增壓。馬克·克里滕登說：“鋰硫電池的性能非常好。”

這家英國公司現在正準備投產——比最初計劃的要晚——在威爾士的塔爾伯特港建立一個生產陰極和電解質的工廠，并在巴西建立一個軟包電池組裝工廠。第一階段的商業化計劃將于2022年上線，擁有“每年幾百萬個電池”的生產能力，相比之下，Oxis公司的原型工廠每年可以生產1萬塊左右。

至于市場方面，Oxis公司計劃發揮鋰硫電池的優勢。馬克·克里滕登說，目標是“把該電池投放到哪些領域”的應用，并回報以更高的能量密度。其中包括：電動公共汽車，其中的電池組可以重達數噸；應用到防御的便攜和可穿戴電源；航空航天。“我們的早期客戶正在他們的集群中測試我們的電池，我們也為其他客戶構建了概念驗證集群”，馬克·克里滕登表示。

關于鋰硫電池在航空領域的潛力，Oxis公司已與一家未透露身份的歐洲飛機制造商合作，來展示其性能。這包括對使用鋰離子電池的飛機進行飛行剖面圖的記錄，然后通過鋰硫電池組進行分析。

馬克·克里滕登說:“鋰硫電池更輕，所以我們能夠在飛機上安裝更大的電池。”電池越大，起飛所需的放電速率就越低。他說:“所需的功率和電池的尺寸降低了充放電速率，這對我們有利。”鋰硫電池更高的能量密度延長了巡航階段，使得續航時間“顯著改善”。