什么才是航空动力电池的未来发展方向？

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（本文预计在《国际航空》2024年第十期发表）

PREFACE

汽车的电气化革命为航空动力电池的发展提供了极大助力，但汽车和飞机对电池性能的不同追求使得二者的发展方向出现了分歧，业界必须思考属于航空的动力电池技术将走向何方。

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前言

自从航空业开始使用汽车以及其他新能源产业的成熟电池技术以来，我们就预料到各行业对电池性能的需求将产生分歧。汽车电池技术在发展到一定高度之后，电池能量密度已经可以满足汽车的绝大多数使用场景，电池供应商和整车企业会转而追求更低的生产成本和其他提升用户体验的方面，丧失进一步提高电池能量密度的动力。这个临界值可能是400Wh/kg、500Wh/kg或者600Wh/kg，但肯定是低于航空器对电池的性能水平需求。目前汽车电池的主流技术方案是三元锂和磷酸铁锂电池，还有一部分成本更低的铅酸电池和钠电池。航空动力电池应该选择什么样的技术路线？是完全依靠汽车行业提供成熟产品和技术，还是根据自身需求研发与主流方案不同的其他技术路线，这些都是业界必须思考的问题。

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航空电池的基本概述

电池由阴极和阳极组成，电极材料浸泡在电解质中，电解质有液态、固态和凝胶态等不同形态，阳极的金属离子在阳极和阴极之间流动产生电力，不同的电池材料使得电池具有不同的性能。常见的电池阳极材料有三元锂、磷酸铁锂，此外还有锂金属、铝-空气电池、钠离子和镁离子电池等等。

能量密度

能量密度、充放电倍率、循环寿命是电池最核心的三个性能参数。单体能量密度指的是电芯（也叫做电池单元）的能量密度，此外还有电池模块的能量密度（多个电池单元串联或并联）以及电池包的能量密度（在电池模块的基础上还包括BMS、热管理系统、外壳框架以及其它非电池模块）。我们一般用单体能量密度和电池包能量密度（也叫系统能量密度）两个参数衡量电池的储能效率。

电池单元、电池模块和电池包的区别

航空对电池能量密度的要求较高，单体能量密度需要达到300-500Wh/kg才能较好地满足eVTOL等中小型电动航空器的应用场景需求，如果是大型的商用飞机，对电池能量密度的要求会更高。美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）在2023年启动了“推进-1K”（PROPEL-1K）项目，目标是开发1000kWh/kg系统级能量密度的航空动力电池。2024年2月，“推进-1K”项目向12家研究团队授予了1500万美元的研究经费，涉及的技术方案包括铝空气电池、锂空气电池、碱金属氢氧化物三相液流电池（3PFB）、氢燃料电池、氟化物电池等。

美国能源部“推进-1K”计划

充放电倍率

充放电倍率指的是电池充放电电流（A）和额定容量（Ah）之间的比值，单位为C。汽车在大部分工况下的电池放电倍率不会超过1C，而电动航空器对电池放电倍率的要求远高于汽车。以eVTOL航空器为例，NASA认为电池的最大放电倍率必须达到3到5C才能满足eVTOL在起降或者悬停时的动力系统功率需求。实际上eVTOL的电池放电倍率要求可能会更高，eVTOL在降落过程中如果遇到侧风、障碍物等突然情况，快速拉起和姿态调整所需的电池瞬时放电倍率将达到7C。

与充放电倍率密切相关的另一个参数是电池的功率密度（也叫比功率），表示单位质量或体积电池输出的功率，单位W/kg或kW/kg。功率密度在数值上等于电池的能量密度×放电倍率。

循环寿命

电池循环寿命指的是电池衰减到一定程度时的完全充放电次数，业界一般以80%可用容量作为寿命测试的终止标准。考虑到经济性等因素，电动飞机所需的电池循环寿命应尽量在1000次以上。能量密度、充放电倍率、循环寿命三个指标在电池的设计过程中是相互平衡的，追求更高的放电倍率会对电池的能量密度造成影响，反之亦然。高能量高功率电池的循环寿命一般不会太高。但近些年一些新技术和新工艺的应用也让电池性能显著提升的同时不会对其他指标造成过多影响。

此外，安全性也是航空动力电池必须关注的问题，任何发生在航空器上的电池事故都是灾难性的。正是因为航空业对电池各方面的性能都有着远超其他行业的要求，为了实现电动航空器的规模化商业应用，我们必须对动力电池的技术发展有更高的关注。后文将重点分析几种有望提高航空动力电池性能水平的技术方案，并阐述它们目前的发展状况。

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硅阳极电池

硅材料容纳的锂离子数量是石墨材料的10倍，可以将电池的能量密度提高20%到50%，同时具备更高的功率密度、充放电倍率、循环寿命和更低的成本。但硅材料在充电过程中的膨胀幅度是石墨材料的30倍，易导致阳极开裂。国内外的多家企业正在开发针对硅材料膨胀问题的解决方案，硅阳极电池有望5年内在高端电动汽车平台上得到应用。

我国台湾地区的电池制造商Molicel为多家eVTOL企业提供电池产品（包括美国Archer和英国Vertical Aerospace），目前的240Wh/kg电池采用镍钴锰酸锂阳极材料，最新的260Wh/kg电池则使用了美国Group14公司开发的硅阳极材料。Group14公司制造了微米级的多孔碳颗粒，并在孔隙内沉积非晶硅，从而构成稳定的硅碳复合阳极，可以与石墨混合或完全替代石墨材料。

Molicel为英国Vertical Aerospace公司

开发的圆柱锂电池

美国的航空动力电池制造商Electric Power System（EPS）为波音、NASA、Bye Aerospace、Joby、Archer、巴航工业等多家整机企业提供电池产品，EPS也是全球第一家向FAA提交航空动力电池适航审批的企业，该公司已宣布其下一代模块化电池系统EPiC 2.0将采用硅阳极材料。EPS的发言人声称，EPiC 1.0电池预计在2025年初取得FAA认证，EPiC 2.0电池预计在2027年取得FAA认证。从EPiC 1.0到EPiC 2.0，电池系统的能量密度将从205 Wh/kg提高到265 Wh/kg，提升幅度30%到40%，循环寿命突破2000次，对应的eVTOL飞行时间将从60分钟提高到90分钟。

EPS公司的EPiC 2.0硅阳极电池

另一家著名的电池制造商Amprius也在关注硅阳极电池，Amprius公司的工艺是直接在金属集流器中培养纳米级硅线，纳米级硅线应对膨胀的效果要优于硅粒子，硅线之间的距离既可以容纳体积膨胀，也可以为离子和电子提供导电路径，从而提供更高的功率密度。Amprius公司目前的SiMaxx电池单体能量密度为350-500Wh/kg，循环寿命仅为300次左右。空客子公司Aalto的Zephyr HAPS高空平台使用了SiMaxx的500Wh/kg电池，如果是对功率密度需求更高的eVTOL航空器，SiMaxx电池对应的能量密度为380Wh/kg。与之相比，采用硅阳极材料的SiMaxx电池单体能量密度为400Wh/kg，循环寿命高达1200次。

据消息人士称，Lilium公司在2023年10月向Amprius订购了400Wh/kg的硅阳极电池，将用于eVTOL整机的供电。

Lilium正在使用的硅阳极软包电池

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锂硫电池

锂硫电池理论上可以将锂电池的实际能量密度提高两倍以上，同时还能降低50%以上的原材料成本，用储量丰富且价格较低的硫取代镍作为阴极材料，并用高容量的锂金属取代石墨作为阳极材料。硫本身不导电，因此必须添加导电材料。锂硫电池面临的问题包括阴极产生的多硫化物穿过电解液直接与阳极反应导致循环寿命降低（穿梭效应）、阳极上形成锂枝晶导致短路等。

尽管面临诸多挑战，国内外的电池企业和科研院所仍在不断研究锂硫电池，以期实现它的商业应用。美国电池初创企业Lyten正在开发用于汽车和航空器的锂硫电池，该电池采用金属锂阳极和3D石墨烯-硫复合材料阴极。Lyten公司声称，锂硫电池到2027年的单体能量密度可以达到600 Wh/kg，循环寿命超过800次。如果采用固态电解质，单体能量密度甚至可以突破1000 Wh/kg。Lyten公司的锂硫电池已经在小型无人机上得到了应用，并开始在eVTOL上进行测试。Lyten的技术专家表示，锂硫电池在航空领域应用的另一个显著优势是高安全性，硫可以使电池的热失控钝化，镍钴锰酸锂阴极中的氧元素含量在20%到30%之间，而硫阴极中并不含氧元素，因此发生火灾时的危险程度更低。

Lyten使用3D石墨烯为硫阳极

提供导电性和稳定性

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锂金属电池

目前理论能量密度最高的阳极材料是锂金属，但锂金属电池的发展面临着巨大的挑战。就如前文所说，锂金属在充放电过程中会产生枝晶，长期生长容易导致隔膜破裂，影响电池寿命甚至造成短路。锂枝晶在全球范围内都属于难题，目前研究方向也仅仅是抑制或延缓锂枝晶的生长，另一种解决思路是使用固态电解质以避免锂枝晶刺破隔膜。此外，锂金属在充放电过程中会有明显的体积变化，对电池的结构设计也产生了挑战。

美国Cuberg公司正在开发一种航空锂金属电池，它采用高密度的金属氧化物阴极、锂金属阳极以及不易燃、热稳定的液态电解质，设计能量密度为295 Wh/kg。在2024年5月的一次测试中，4.7kWh电池模块的能量密度接近285 Wh/kg，模拟eVTOL任务剖面的692次循环后，剩余电池容量为80%。

但锂金属电池的开发仍是一个曲折的过程，瑞典电池制造商Northvolt在2021年收购了Cuberg公司，由于对其开发进度的不满，Northvolt在2024年2月罢免了Cuberg公司创始人Richard Wang的CEO职务，并将Cuberg的锂金属电池研究力量整合到瑞典的研发部门，整体发展形势并不明朗。

Cuberg开发的锂金属电池

韩国电池企业SES AI也在开发用于eVTOL的锂金属电池，使用高浓度液态电解质和保护涂层，该涂层可以稳定电解质与复合锂金属阳极之间的接触面，从而缓解锂枝晶的形成。电池的阴极材料使用镍，单体能量密度为400到500Wh/kg。SES AI的CEO胡启超表示，锂金属电池在典型的eVTOL任务剖面下可以实现1500次以上的循环寿命。2024年8月SES AI公司宣布在韩国忠州建立了首个面向城市空中交通应用场景的锂金属电池生产设施。

另一家美国的初创公司And Battery Aero也在开发液体电解质锂金属电池，号称单体能量密度可以达到400到420 Wh/kg，电池组能量密度可以达到300 Wh/kg以上。

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固态电池

固态电解质电池也被认为是航空领域的重要发展方向。固态电解质与锂金属结合在一起，可以实现更高的安全性、循环寿命、能量密度和功率密度。但由于技术问题和制造工艺的不成熟，固态电池的商业化之路还需要更多的时间。

NASA的SABERS项目正在开发一种单体能量密度超过500 Wh/kg的固态锂硫电池。SABERS电池包括掺杂硫硒的石墨烯阴极和锂金属阳极，并采用了轻质双极板堆叠设计。NASA认为，固态电池具有更高的耐损伤性，并消除了火灾的风险，能量密度和放电倍率远高于传统锂电池，是航空电推进系统的不二选择。

NASA的SABERS固态电池结构图

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钠/镁离子电池

随着电气化浪潮席卷乘用车、重型卡车、船舶以及各种航空器，锂电池在市场上的占比和规模逐年走高。但由于锂材料的价格和产能等问题，锂以外的电池材料也正受到越来越多的关注，例如钠离子电池和镁离子电池。钠的天然储量远比锂丰富，也更容易开采，成本仅为锂的数十分之一。但钠离子电池的能量密度较低，只有200Wh/kg，很难用在航空器上。钠离子电池在我国的储能和低成本电动汽车领域的应用非常广泛，仍然是航空产业值得关注的技术发展方向。

此外还有镁离子电池和钙离子电池，矿物储量和成本均优于锂离子电池，但也同样面临能量密度和循环寿命过低的问题。上述电池材料在航空领域的应用还需要进一步探索。

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总结

航空动力电池的发展水平在过去五年里发生了非常彻底的变化，能量密度、充放电倍率、循环寿命等核心参数实现了成倍增长。但我们必须认清一个事实，电池技术距离满足航空场景的商业需求仍有差距，航空业远超其他行业的性能需求也可能会造成独木难支的局面，我们将不得不依靠自己的力量突破电池的技术瓶颈。航空电池技术专家和工程师们还有很多问题需要解决，固态电池、锂金属电池、硅阳极电池或者其他的技术方案，究竟谁能代表航空动力电池的未来发展方向，我们拭目以待。

中国航空工业发展研究中心 纪宇晗

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