电动飞机距离我们有多远?这可能取决于电池的发展

· Jun 02, 2017

(本文由黄晚编译自 Wired, 封面图来源于 NASA)

关于未来飞行的设想总是离不开电动飞机,现在的飞机跨越大洋,而它们则像空中的士一样来回穿梭于摩天大厦之间,至于化石燃料,在那时恐怕早已退出历史舞台。

美好的设想总是让人激动不已,但是,回到现实,电动飞机的概念依然阻力重重,其中最主要的就是电池。飞行需要耗费巨大的能量,而电力飞行则意味着现有的电池技术必须取得重大的突破性进展,或者说,要有奇迹发生。

目前的问题是,短期内,现有的电池技术无法提供使电力飞行具有可行性的功率重量比,而且成本高。即使技术的进步使得特斯拉 Model S 的续航里程达到了 335 英里,但对电力飞行来说仍然微不足道。所以,现在的情形就是一方面电动汽车的业务正开展地如火如荼,另一方面电动飞机则依然停留于试验阶段。

那么,电力飞行的能量需求到底如何呢?

安伯瑞德航空大学飞行研究中心的安德森(Richard Pat Anderson)表示:「关注电动汽车的人会理所当然的认为电动飞机的发展也会差不多, 但是它们对电池有着不同的要求。电动汽车主要考虑电池的成本和体积,电动飞机则不然,电动飞机考虑电池的重量。」

在不牺牲续航里程或功率的前提下减轻重量的要求使能量密度成了电动飞机领域关注的重点。目前,同等重量的电池和液态燃料相比较,电池的能量仅仅是液体燃料的 2%。考虑到电动动力系统和内燃机的效率,这一比例将接近 7%。因此,1000 磅燃料产生的能量约为 1000 磅电池产生的能量的 14 倍之多。

当然,电池技术一直都在进步,电池的能量密度正在以每年 2%到 3%的速度增长。而且,电池本身并不需要完全达到液体燃料那样的能量密度。阿贡交通研究中心的主要负责人希勒布兰德(Don Hillebrand)表示,如果电池的能量密度能增至现在的 5 倍(即每千克 1000 瓦时),它就可以被用于小规模的商业航空了。他还预计,这一天将于 2045 年到来。

不过,也有人试图寻找捷径。卡耐基梅隆大学的电池专家维斯瓦纳坦(Venkat Viswanathan)认为,电力推进系统将改变飞机的设计结构,「未来的电动飞机会和现在的飞机看上去完全不一样,得益于分布式电动机和阻力减小,它们将能够以更少的能量(低至每千克 400 瓦时)飞行。我们将围绕着电动机重新设计飞机。」但是,鉴于飞机的发展通常需要数十年的积累,维斯瓦纳坦的设想也许会落后于每千克 1000 瓦时的电池。Lilium-Jet-Silver-Side-with-gear-TA

那么,如何才能提升电池的能量密度呢?

最具可行性的方案就是用新的电池技术来代替现在通用的锂电池。镁电池的能量密度比锂电池大,但是技术还不成熟,还远未达到商用的程度。固态锂电池不易燃,看起来似乎是不错的选择,但循环寿命是它的致命弱点。钠离子电池有很高的循环寿命,但能量密度又不行。

维斯瓦纳坦认为,下一步的选择将是锂金属电池。因为电池在充电和放电的过程中会产生树枝石(dendrite),而树枝石会引起短路,并导致起火。但是,研究人员已经在减少树枝石方面取得了进步,一旦这个问题得到解决,其他的一些材料(如硫磺和氧)也将能够被用到电池技术中来。维斯瓦纳坦和他的同事们目前就正致力于锂氧电池方面的研究,其关键之处在于使氧在位于电池阴极和阳极之间的电解质里分解,使电解质在苛刻的充电和放电过程中保持稳定。但是,技术上的可行性和商业应用之间毕竟还是存在着差距,任何一项技术从实验室走向市场都是需要时间的。

电池技术必须取得重大的突破性进展,只有这样电动飞机的概念才能离实现更进一步。但是,目前,电池技术的研发工作分散在各个大学实验室和企业研究机构,缺乏集体的努力和协作,导致取得突破性进展尤为困难,且不利于与市场保持同步。不过,即使这样,也有理由相信,人们在电池技术上的付出终将会取得回报。


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