在科幻電影中，未來人類駕駛著可以飛行的汽車在高樓林立的城市中穿梭。隨著垂直起降飛行器（eVTOL）技術的成熟，這一場景正逐步走向現(xiàn)實。然而，動力電池作為電動飛行汽車的心臟，成為制約其商業(yè)化運行的最主要瓶頸，其相關的研究卻十分有限。

 

       6月7日，美國賓州州立大學王朝陽院士團隊在能源領域頂級期刊《焦耳》(Joule)發(fā)文，詳細探討了電動飛行汽車這一獨特的運行場景對動力電池各類性能參數(shù)的需求。研究發(fā)現(xiàn)，飛行汽車相對于傳統(tǒng)電動汽車幾乎在各個方面都對電池提出了更高的要求。而電池的快速充電能力是縮小飛行器和電池包尺寸（降低成本）同時又保證飛行汽車在早晚高峰間無間斷運行（最大化營收）的關鍵。鑒于此，王朝陽團隊利用熱調控技術，展示了兩種高比能電池(215Wh/和271Wh/kg)在飛行汽車應用場景下的5-10分鐘快速充電，并且擁有超過2000循環(huán)的使用壽命，為電動飛行汽車電池的研發(fā)設立了行業(yè)標桿。

 

       電動飛行汽車商用的前提是安全高效。其中飛機重量、飛機里程數(shù)、電池體積和循環(huán)次數(shù)的壽命是其關鍵因素。飛行汽車電池約90%的充電場景為快充，遠高于電動汽車電池(<10%)。此外，如此高頻率的運行使飛行汽車電池在一年內可完成約1600次滿充滿放循環(huán)，相當于一輛續(xù)航400公里的電動汽車一年內行駛64萬公里。因此，在快充能力與循環(huán)壽命兩個方面，飛行汽車對電池都提出了更為嚴格的需求。

 

       快速充電是電動飛行汽車實現(xiàn)商業(yè)化的關鍵

 

       該研究詳細分析了飛行汽車對電池能量和功率密度、快充、壽命和安全性的要求。相比于傳統(tǒng)電動汽車電池，飛行汽車電池要求在更高的放電倍率下釋放更大的比能量，并擁有更好的安全性。更為重要的是，飛行汽車主要是為了緩解城市的交通擁堵狀況，其主要工作于早高峰(6:00-10:00)和晚高峰(16:00-20:00)。因此，在兩次行程的短暫間隔內(約5-10分鐘，用于交換乘客)給電池充入足夠的能量，是保證飛行汽車在早晚高峰中連續(xù)運行從而實現(xiàn)營收最大化的關鍵。

       熱調控技術實現(xiàn)飛行汽車電池極速長壽命充電

 

       鑒于飛行汽車對電池快充的迫切需求，王朝陽院士團隊展示了一種熱調控快速充電技術，其核心思想是“高溫(60oC)充電，環(huán)境溫度放電”：高溫快充可避免電池析鋰，縮短電池在高溫工作的時間可避免電池材料的過快老化。該團隊利用該技術開展了eVTOL場景下的快充循環(huán)實驗，每個循環(huán)包括一次熱調控快充和一次模擬80公里飛行距離的放電。實驗顯示，對于一款215Wh/kg的電池，熱調控技術可在5分鐘內充滿80公里飛行距離所需的能量，且電池壽命可達到3800循環(huán)。對于另一款更高能量密度（271 Wh/kg）的電池，熱調控可實現(xiàn)10分鐘充電，且壽命達到2000循環(huán)。

 

       上述成果是目前為止全球范圍內所報道的關于電動飛行汽車電池快速充電的最好實驗結果，為該領域設立了行業(yè)標桿。