几十年前的生物学技术揭示了延长电动飞机电池寿命的关键

最近的一项研究表明，通过生物科学技术确定的一种突破性电解质溶液，使电动飞机所用电池的循环寿命延长了四倍。说到要弄清为什么电动飞机电池会随着时间的推移而失去动力，人们通常不会想到求助于生物学家用来研究生物体各组成部分结构和功能的已有几十年历史的方法。然而，帮助科学家揭开人类基因组秘密的组学（omics），不久也将在实现无碳航空旅行方面发挥关键作用。

能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的研究小组在《焦耳》杂志上发表的一项新研究中，利用组学研究了电动飞机电池的阳极、阴极和电解液之间错综复杂的相互作用。其中最重要的发现之一是，在电池电解液中混入的某些盐类在阴极颗粒上形成了一层保护膜，使其具有更强的抗腐蚀能力，从而延长了电池的使用寿命。

研究小组成员包括来自加利福尼亚大学伯克利分校、密歇根大学的科学家，以及行业合作伙伴 ABA 公司（加利福尼亚州帕洛阿尔托）和 24M 公司（马萨诸塞州剑桥），他们利用新的电解质溶液设计并测试了一种电动飞机电池。与传统电池相比，这种电池在维持电动飞机飞行所需的功率-能量比的循环次数上提高了四倍。项目的下一步将是该团队为预计 2025 年的试飞制造足够的电池（总容量约为 100 千瓦时）。

该研究的通讯作者、伯克利实验室分子铸造厂的资深科学家布雷特-赫尔姆斯（Brett Helms）说："包括航空在内的重型运输部门在电气化方面一直未得到充分探索。我们的工作重新定义了什么是可能的，推动了电池技术的发展，实现了更深层次的去碳化。"

分子铸造厂资深科学家布雷特-赫尔姆斯（Brett Helms）与博士后研究员高英敏（Youngmin Ko）在一起。图片来源：Jeremy Demarteau

与优先考虑长距离持续能量的电动汽车电池不同，电动飞机电池面临着独特的挑战，即起飞和着陆需要高功率，而长时间飞行又需要高能量密度。

伯克利实验室分子铸造厂博士后研究员、本研究的第一作者 Youngmin Ko 说："在电动汽车中通常关注的是容量随时间的衰减。但对于飞机来说，功率衰减才是关键--即持续实现高功率起飞和着陆的能力。"

Ko 认为，传统的电池设计在这方面存在不足，主要原因是对电解质、阳极和阴极之间的界面缺乏了解。这正是组学方法发挥作用的地方，这种方法借鉴了生物科学的方法，可以从复杂系统中化学特征的变化中解读出规律。

"生物学家使用全息技术来研究基因表达和DNA结构之间的复杂关系，"赫尔姆斯说。"因此，我们想了解能否使用类似的方法来检查电池组件的化学特征，并确定导致功率衰减的反应及其发生的位置。"

研究人员重点分析了含有镍、锰和钴的高电压、高密度层状氧化物的锂金属电池。以前的研究通常认为，功率衰减问题是电池阳极发生故障造成的，与此相反，研究小组观察到，功率衰减主要源于阴极一侧。随着时间的推移，这里的颗粒会出现裂纹和腐蚀，从而阻碍电荷移动，降低电池效率。此外，研究人员还发现，特定的电解质可以控制阴极界面的腐蚀速度。

"这是一个非显而易见的结果，"Ko 说。"我们发现，在电解液中混合盐类可以抑制典型活性物种的反应性，从而形成一层稳定的抗腐蚀涂层"。

在开发出新型电解质后，研究人员在大容量电池中对其进行了测试。在电动垂直起降的实际任务中，它显示出了出色的功率保持能力。研究小组希望能在今年年底前生产出电池，用于四家电动垂直起降（eVTOL）合作伙伴制造的飞机原型进行预计 2025 年的飞行测试。展望未来，Helms 和 Ko 表示，该团队及其合作者计划在电池研究中扩大全息技术的应用，探索各种电解质成分的相互作用，以进一步了解和调整电池的性能，满足交通和电网领域当前和新兴的使用情况。

编译自/ScitechDaily