Oxis Energy design slibuje vynikající hustota energie, vyrobitelnost, a bezpečnost

Elektrická letadla jsou všechny vztek, s prototypy ve vývoji, v každé velikosti od doručení bezpilotní letadlo pro osobní dopravu. Technologie však ještě musí vzlétnout, a to z jednoho důvodu: nedostatek vhodné baterie.

Pro velké osobní letadlo vzlétnout, výletní, a země stovky kilometrů daleko by se baterie, které váží tisíc kilogramů—příliš těžká pro letadla, aby bylo možné se dostat do vzduchu v první řadě. I pro relativně malá letadla, jako jsou dvoumístné trenéry, samotná hmotnost baterií omezuje užitečné zatížení letadla, omezuje jeho dosah, a tím omezuje, kde může letadlo létat. Snižuje hmotnost baterie by být výhodou nejen pro letectví, ale i pro další elektrická vozidla, jako jsou automobily, nákladní automobily, autobusy a lodě, jejíž výkon je také přímo vázána na energii-k-hmotnostní poměr jejich baterie.

pro takové aplikace je dnešní volbou lithium-iontová baterie. Dospěla před lety, přičemž každé nové přírůstkové zlepšení bylo menší než to minulé. Potřebujeme novou chemii.

od roku 2004 pracuje moje společnost Oxis Energy v anglickém Oxfordshiru na jednom z předních uchazečů-lithiové síře. Naše technologie baterií je extrémně lehká: naše nejnovější modely dosahují více než dvojnásobné hustoty energie typické pro lithium-iontové baterie. Síra lithná je také schopna poskytnout požadované úrovně výkonu a trvanlivosti potřebné pro letectví, a co je nejdůležitější, je dostatečně bezpečná. Po všem, letadlo nemůže zvládnout náhlý požár nebo nějakou jinou kalamitu pouhým tahem na stranu silnice.

nová technologie již dlouho přichází, ale čekání je nyní u konce. První sada letových zkoušek již byla dokončena.

v zásadě se lithium-sírová buňka skládá ze čtyř složek:

• kladná elektroda, známá jako katoda, absorbuje elektrony během výboje. Je připojen k kolektoru proudu z hliníkové fólie potaženému směsí uhlíku a síry. Síra je aktivní materiál, který se účastní elektrochemických reakcí. Ale je to elektrický izolátor, takže uhlík, vodič, dodává elektrony tam, kde jsou potřebné. Přidá se také malé množství pojiva, aby se zajistilo, že uhlík a síra drží pohromadě v katodě.
• záporná elektroda nebo anoda uvolňuje elektrony během výboje. Je připojen k čisté lithiové fólii. Lithium také působí jako sběrač proudu, ale je také aktivním materiálem, který se účastní elektrochemické reakce.
• porézní separátor zabraňuje dotyku obou elektrod a způsobuje zkrat. Separátor se koupe v elektrolytu obsahujícím soli lithia.
• elektrolyt usnadňuje elektrochemickou reakci tím, že umožňuje pohyb iontů mezi oběma elektrodami.

tyto komponenty jsou spojeny a zabaleny do fólie jako váčková buňka. Buňky jsou pak spojeny dohromady—a to jak v sérii a paralelně—a zabalen do 20 ampér-hodiny, 2.15-volt baterie. Pro velké vozidlo, jako je letadlo, desítky balíčků jsou připojeny k vytvoření baterie schopné poskytovat desítky nebo stovky ampérhodin při několika stovkách voltů.

Lithium-sírové baterie jsou neobvyklé, protože při vybíjení procházejí několika fázemi, pokaždé tvoří jiný, odlišný molekulární druh lithia a síry. Když se buňka vybije, ionty lithia v elektrolytu migrují do katody, kde se kombinují se sírou a elektrony za vzniku polysulfidu, Li2S8. Na anodě, mezitím, lithium molekuly vzdát elektronů tvoří kladně nabité ionty lithia; tyto uvolněné elektrony pak se přesunout přes vnější obvod—zatížení—která je vezme zpět ke katodě. V elektrolytu, nově vyrobené Li2S8 okamžitě reaguje s více ionty lithia a více elektronů k vytvoření nové polysulfidové, Li2S6. Proces pokračuje, krokování dále polysulfides, Li2S4 a Li2S2, aby se nakonec stal Li2S. Na každém kroku více energie je dána a předány zatížení až nakonec buňka je vyčerpané energie.

Dobíjení obrátí pořadí: aplikovaná aktuální síly elektrony proudit v opačném směru, což způsobuje síra elektrody, nebo katody, aby se vzdali elektronů, konverze Li2S, aby Li2S2. Polysulfid pokračuje v přidávání atomů síry krok za krokem, dokud se v katodě nevytvoří Li2S8. A pokaždé, když jsou elektrony vzdal, ionty lithia jsou vyráběny, které pak difundují přes elektrolyt, který kombinuje s elektrony v lithiové elektrody tvoří kovové lithium. Když jsou všechny Li2S převedeny na Li2S8, buňka je plně nabitá.

tento popis je zjednodušený. Ve skutečnosti jsou reakce složitější a četnější a probíhají také v elektrolytu a na anodě. Ve skutečnosti v průběhu mnoha nabíjecích a vybíjecích cyklů způsobují tyto vedlejší reakce degradaci V lithium-sírové buňce. Minimalizaci těchto, přes výběr vhodných materiálů a uspořádáním buněk, je základní, základní výzvou, která musí být splněna, aby produkovat efektivní buňky s dlouhou životností.

u lithium-sírových článků je také problémem degradace lithium-kovové anody. K tomu však dochází prostřednictvím velmi odlišného mechanismu, který nezahrnuje tvorbu dendritů. V lithium-síry buněk, nerovnoměrné proudové hustoty na anodě povrchu, protože lithium je pozlacený a svlékl nerovnoměrně, jak je baterie nabitá a vybitá. V průběhu času toto nerovnoměrné pokovování a stripování způsobuje mosslike usazeniny na anodě, které reagují se sulfidem a polysulfidy v elektrolytu. Tyto mosslike vklady elektricky odpojen od sypké anody, takže méně povrchu anody k dispozici pro chemickou reakci. Nakonec, jak tato degradace postupuje, anoda nefunguje, brání buňce přijímat náboj.

vývoj řešení tohoto problému degradace je zásadní pro výrobu buňky, která může fungovat na vysoké úrovni v mnoha cyklech náboje a vybití. Slibná strategie stíháme v Oxis zahrnuje povlak lithium-kov anoda s tenkými vrstvami z keramické materiály, aby se zabránilo degradaci. Takové keramické materiály musí mít vysokou iontovou vodivost a musí být elektricky izolační, stejně jako mechanicky a chemicky robustní. Keramické vrstvy umožňují, aby ionty lithia procházely nerušeně a byly začleněny do sypkého lithiového kovu pod ním.

děláme tuto práci na ochranné vrstvě anody ve spolupráci s Pulsedeon a Leitat, a jsme optimističtí, že to dramaticky zvýší počet případů, kdy může být buňka vybitá a nabitá. A není to naše jediné partnerství. Spolupracujeme také s Arkema na zlepšení katody, abychom zvýšili výkon a hustotu energie baterie.

Opravdu, hlavní výhodou lithium-iontové baterie než jejich předchůdci—a lithium síry nad lithium-iontová—je velké množství energie do buňky může sbalit do malého množství hmoty. Olověná startovací baterie, která klikuje spalovací motor V autě, může uložit asi 50 watthodin na kilogram. Typické lithium-iontové konstrukce mohou obsahovat 100 až 265 Wh / kg, v závislosti na dalších výkonových charakteristikách, pro které byly optimalizovány, jako je špičkový výkon nebo dlouhá životnost. Oxis nedávno vyvinula prototyp lithium-síry pouzdro na mobil, které ukázali, že jsou schopni 470 Wh/kg, a očekáváme, že dosáhne 500 Wh/kg za rok. A protože technologie je stále nová a má prostor pro zlepšení, není nerozumné předvídat 600 Wh/kg do roku 2025.

Když mobilní výrobci citovat energie-hustota čísla, obvykle určit energii, která je k dispozici, když buňka je při vybíjení konstantní, nízké ceny energie. V některých aplikacích takové nízké ceny jsou fajn, ale pro mnohé představovala, elektrické letadlo, které bude startovat vertikálně, energie musí být dodáno na vyšší ceny energie. Taková funkce s vysokým výkonem musí být vyměněna za nižší celkovou kapacitu skladování energie.

Kromě toho, úroveň hustoty energie dosažitelné v jedné buňce může být podstatně větší, než to, co je možné v baterie se skládá z mnoha buněk. Hustota energie se nepřekládá přímo z článku na baterii, protože články vyžadují balení-Pouzdro—systém správy baterií a připojení a možná chladicí systémy. Hmotnost musí být udržována pod kontrolou, a proto naše společnost používá pokročilé kompozitní materiály k vývoji lehkých, silných, ohnivzdorných krytů.

abychom optimalizovali výkon baterie bez ohrožení bezpečnosti, spoléháme především na systém správy baterií (BMS), což je kombinace softwaru a hardwaru, který řídí a chrání baterii. Obsahuje také algoritmy pro měření zbývající energie v baterii a další pro minimalizaci zbytečné energie během nabíjení.

stejně jako lithium-iontové články se lithium-sírové buňky od sebe mírně liší. Tyto rozdíly, stejně jako rozdíly v poloze článků v akumulátoru, mohou způsobit, že některé články budou trvale žhavější než jiné. V průběhu času Tyto vysoké teploty pomalu snižují výkon, takže je důležité minimalizovat rozdíly v výkonu od buňky k buňce. To je obvykle dosaženo pomocí jednoduché vyrovnávání řešení, ve kterém několik rezistory jsou zapojeny paralelně s buňkou, vše je řízeno softwarem v BMS.

i když jsou rychlosti nabíjení a vybíjení udržovány v bezpečných mezích, může každá baterie stále vytvářet nadměrné teplo. Typicky je tedy nutný vyhrazený systém řízení tepla. Elektrické auto může používat kapalinové chlazení,ale v letectví je chlazení vzduchem mnohem výhodnější, protože zvyšuje hmotnost. Baterii lze samozřejmě umístit v místě, kde se vzduch přirozeně pohybuje po povrchu letounu—třeba křídle. Pokud je to nutné, může být vzduch posunut k baterii přes kanály. Ve společnosti Oxis používáme výpočetní modelování k optimalizaci takového chlazení. Například, když jsme zavedli tuto techniku v projektu pro malé pevné křídlo letadla, to nám umožnilo navrhnout efektivní tepelně-systém řízení, bez kterých baterie dosáhne své mezní hodnoty teploty před tím, než byla zcela vybita.

jak je uvedeno výše, akumulátor je obvykle uspořádán s články paralelně i sériově. Uspořádání buněk je však více. Baterie je samozřejmě důležitou součástí e-letadla, takže budete chtít redundanci, pro zvýšení bezpečnosti. Dalo by se například navrhnout baterii ve dvou stejných částech, takže pokud jedna polovina selže, může být odpojena, takže letadlo má alespoň dostatek energie pro řízení řízeného sestupu a přistání.

Další softwarovou komponentou v rámci BMS je algoritmus stavu nabití. Představte si, že musíte řídit auto, jehož palivoměr měl chybu měření odpovídající 25 procentům kapacity nádrže. Nikdy byste nenechali indikátor klesnout na 25 procent, jen abyste se ujistili,že auto nezastaví. Váš praktický dojezd by byl jen tři čtvrtiny skutečného dojezdu vozu. Aby se zabránilo takovému plýtvání, Oxis kladl velký důraz na vývoj algoritmů state-of-charge.

V lithium-iontové baterii můžete odhadnout náboj pouhým měřením napětí, které klesá stejně jako hladina energie. Ale není to tak jednoduché pro lithium-sírovou baterii. Připomeňme, že V lithium-sírové baterii figurují různé polysulfidy v elektrochemickém procesu v různých časech během nabíjení a vybíjení. Výsledkem je, že napětí není dobrým ukazatelem stavu nabití, a aby se věci ještě složitější, napětí křivka je asymetrická pro nabíjení a pro vybíjení. Algoritmy potřebné ke sledování stavu nabití jsou tedy mnohem sofistikovanější. Vyvinuli jsme naše S Cranfield University v Anglii pomocí statistických technik, mezi nimi Kalmanův filtr, stejně jako neuronové sítě. Můžeme odhadnout stav nabití na přesnost několika procent, a pracujeme na tom ještě lépe.

všechny tyto konstrukční možnosti zahrnují kompromisy, které se u různých letadel liší. Měníme způsob, jakým tyto kompromisy řídíme, abychom přizpůsobili naše návrhy baterií pro tři různé typy letadel.

• výškové pseudo satelity (HAPS) jsou letadla, která létají kolem 15 000 až 20 000 metrů. Je naděje, aby mohli létat po celé měsíce v době, současný rekord je 26 dnů, stanovené v roce 2018 podle Airbusu Zephyr S Tím, že den, tyto letouny použití solárních panelů k napájení motorů a dobíjení baterií; v noci, létají na baterii. Protože 24hodinová doba nabíjení a vybíjení vyžaduje jen malý výkon, můžete navrhnout lehkou baterii a umožnit tak velké užitečné zatížení. Lehkost také usnadňuje takovému letadlu létat daleko od rovníku, kde noc trvá déle.
• elektrická vertikální vzletová a přistávací letadla (eVTOL) jsou vyvíjena jako létající taxíky. Lilium, v Německu, a Uber Elevate, mimo jiné, již takové projekty probíhají. Hmotnost je opět kritická, ale zde musí být baterie nejen lehké, ale musí být také výkonné. Oxis proto vyvinul dvě verze své buněčné chemie. Vysokoenergetická verze je optimalizována v mnoha aspektech návrhu buněk, aby se minimalizovala hmotnost, ale je omezena na relativně nízký výkon; je nejvhodnější pro aplikace HAPS. Vysoce výkonná verze váží více, i když stále výrazně méně než lithium-iontová baterie srovnatelného výkonu; je vhodný pro takové aplikace, jako je eVTOL.
• lehká letadla s pevnými křídly: rostoucí poptávka po pilotech přichází proti vysokým nákladům na jejich výcvik; plně elektrický cvičný letoun by dramaticky snížil provozní náklady. Klíčovým faktorem je delší doba letu, kterou umožňuje lehčí baterie. Bye Aerospace, v Coloradu, je jednou společností, která vede cestu v takových letadlech. Dále, další společnosti—například EasyJet, partnerství s Wright Electric—plánují plně elektrické komerční osobní trysky pro krátké vzdálenosti, 2-hodinové lety.