垂直起降机载电动汽车电池

美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员正在通过为垂直起降的机载电动汽车创建和评估新型电池，实现更清洁的空中交通。

这些飞机通常称为 eVTOL，范围从送货无人机到城市空中出租车。它们被设计成像直升机一样升到空中，并像飞机一样利用机翼升力飞行。与直升机相比，电动垂直起降飞机通常使用更多的旋翼以较低的速度旋转，使其更安全、更安静。

机载电动汽车不仅仅是飞行汽车，橡树岭国家实验室的研究人员得出结论，电动垂直起降电池不能只是从电动汽车电池改造而来。到目前为止，这一直是该技术的主要方法，主要处于建模阶段。橡树岭国家实验室的研究人员采取了不同的策略，评估锂离子电池在极高功耗下的表现。

指导这项研究的 ORNL 企业研究员 Ilias Belharouak 表示：“eVTOL 项目为创造一种全新类型的电池提供了独特的机会，其要求和功能与我们以前见过的电池截然不同。”

研究人员正在开发新的能量密集材料，了解这些材料在极端条件下如何降解，并开发电池控制系统。Belharouak 表示：“这要求我们回答有关电池安全性、循环寿命和高温稳定性之间相互作用的问题，同时平衡短时高功率爆发的需求与长途飞行的能量储备。”

ORNL 正在进行的一项广泛的 eVTOL 研究项目的第一个主要结论是，对 eVTOL 电池的功率和性能要求会显着降低其寿命和耐用性。

与通常以稳定速率消耗的电动汽车电池不同，eVTOL 电池在爬升、悬停和下降等飞行阶段需要不同数量的电力，其中某些阶段需要高突发电力。

ORNL 首席研究员 Marm Dixit 表示：“现在我们对 eVTOL 电池的要求有了更多了解，我们需要以不同的方式设计系统来实现这一目标。” “操作条件？我们正在尝试找出现有电池化学成分的局限性，然后调整电池以弥补这一差距。”

橡树岭国家实验室团队在位于橡树岭国家实验室的美国能源部电池制造工厂制造锂离子电池，并在电动垂直起降飞机的模拟爬升阶段运行它们。科学家们研究了电池在循环过程中发生的情况，包括在要求严格的起飞阶段可以快速获得多少能量，然后测试电池材料的腐蚀和其他化学或结构变化。

将实际飞行曲线与实时物理电池操作联系起来的系统研究很少见。然而，这是开发新电池化学物质以实现安全飞行性能的关键基础。

该研究结合了对橡树岭国家实验室开发的新型电解质（一种电极交换离子的材料）的测试，与当前锂离子电池中使用的最先进版本进行比较。使用 eVTOL 任务曲线，ORNL 电解质表现更好，在最耗电的飞行阶段保留更多容量。

迪克西特说，这些结果表明需要使电池性能的测量方式多样化。“你的电池不仅仅是 1,000 次循环结束时的容量。它是一个循环内发生的情况，可以告诉你你的系统是否会正常工作或崩溃。这里的风险要高得多，因为你要问它的安全性如何。飞到空中。这是一个我们还不知道答案的问题。”

研究团队的成员正在致力于进一步改进电解质和其他电池组件，以突破电池功率、有效负载和安全性的工程极限。最近的实验涉及从实验室园区上空的无人机飞行中收集真实世界的数据，然后使用该信息来开发定制的负载概况并利用电池。随后，橡树岭国家实验室制造的电池进行了相同的循环。

该项目的资金由美国陆军作战能力发展指挥研究实验室通过多功能战术动力和推进基础研究计划提供。ORNL 的研究人员 Anuj Bisht 和 Ruhul Amin 以及前 ORNL 研究员 Rachid Essehli 为这项研究做出了贡献，该研究还利用了 ORNL 的 DOE 科学办公室用户设施纳米相材料科学中心。