Oksenergiens design lover enestående energitæthed, fremstillbarhed og sikkerhed

elektriske fly er alle raseri, med prototyper under udvikling i alle størrelser fra leveringsdroner til passagerfly. Men teknologien er endnu ikke startet, og af en grund: mangel på et passende batteri.

for et stort passagerfly at starte, cruise og lande hundreder af kilometer væk ville tage batterier, der vejer tusindvis af kilo—alt for tungt til, at flyet kunne komme i luften i første omgang. Selv for relativt små fly, såsom to-sæders trænere, begrænser batteriernes rene vægt flyets nyttelast, begrænser dets rækkevidde og begrænser således, hvor flyet kan flyve. At reducere batteriets vægt ville være en fordel ikke kun for luftfart, men for andre elektriske køretøjer, såsom biler, lastbiler, busser og både, hvis ydeevne også er direkte bundet til energi-til-vægt-forholdet mellem deres batterier.

til sådanne applikationer er dagens valg af batteri lithiumion. Det nåede modenhed år siden, med hver ny trinvis forbedring mindre end den sidste. Vi har brug for en ny Kemi.

siden 2004 har mit firma, Oksis Energy, i Oksfordshire, England, arbejdet på en af de førende kandidater—lithium svovl. Vores batteriteknologi er ekstremt let: vores nyeste modeller opnår mere end det dobbelte af energitætheden, der er typisk for lithium-ion-batterier. Lithium svovl er også i stand til at levere de nødvendige niveauer af kraft og holdbarhed, der er nødvendige for luftfart, og vigtigst af alt er det sikkert nok. Når alt kommer til alt kan et fly ikke håndtere en pludselig brand eller en anden ulykke ved blot at trække til siden af vejen.

den nye teknologi har længe været på vej, men ventetiden er nu forbi. Det første sæt flyveforsøg er allerede afsluttet.

grundlæggende er en lithium-svovlcelle sammensat af fire komponenter:

• den positive elektrode, kendt som katoden, absorberer elektroner under afladning. Den er forbundet med en aluminiumsfolie strømopsamler belagt med en blanding af kulstof og svovl. Svovl er det aktive materiale, der deltager i de elektrokemiske reaktioner. Men det er en elektrisk isolator, så kulstof, en leder, leverer elektroner til, hvor de er nødvendige. Der tilsættes også en lille mængde bindemiddel for at sikre, at kulstof og svovl holder sammen i katoden.
• den negative elektrode eller anode frigiver elektroner under afladning. Det er forbundet med ren lithiumfolie. Litiumet virker også som en nuværende samler, men det er også et aktivt materiale, der deltager i den elektrokemiske reaktion.
• en porøs separator forhindrer de to elektroder i at røre ved og forårsage en kortslutning. Separatoren bades i en elektrolyt indeholdende lithiumsalte.
• en elektrolyt letter den elektrokemiske reaktion ved at tillade bevægelse af ioner mellem de to elektroder.

disse komponenter er forbundet og pakket i folie som en posecelle. Cellerne er igen forbundet sammen—både i serie og parallelt—og pakket i en 20 ampere-timers 2,15 volt batteripakke. For et stort køretøj, såsom et fly, er snesevis af pakker forbundet for at skabe et batteri, der er i stand til at levere tiere eller hundreder af amp-timer ved flere hundrede volt.

Lithium-svovlbatterier er usædvanlige, fordi de gennemgår flere faser, når de udledes, hver gang de danner en anden, tydelig molekylær art af lithium og svovl. Når en celle udledes, migrerer lithiumioner i elektrolytten til katoden, hvor de kombineres med svovl og elektroner for at danne et polysulfid, Li2S8. Ved anoden opgiver lithiummolekyler i mellemtiden elektroner for at danne positivt ladede lithiumioner; disse frigjorte elektroner bevæger sig derefter gennem det eksterne kredsløb—belastningen—som fører dem tilbage til katoden. I elektrolytten reagerer den nyproducerede Li2S8 straks med flere lithiumioner og flere elektroner for at danne et nyt polysulfid, Li2S6. Processen fortsætter og går gennem yderligere polysulfider, Li2S4 og Li2S2, for til sidst at blive Li2S. ved hvert trin gives mere energi op og overføres til belastningen, indtil cellen endelig er udtømt af energi.

genopladning vender sekvensen: en anvendt strøm tvinger elektroner til at strømme i den modsatte retning, hvilket får svovlelektroden eller katoden til at opgive elektroner og konvertere Li2S til Li2S2. Polysulfid fortsætter med at tilføje svovlatomer trin for trin, indtil Li2S8 oprettes i katoden. Og hver gang elektroner gives op, produceres lithiumioner, der derefter diffunderer gennem elektrolytten og kombinerer med elektroner ved lithiumelektroden for at danne lithiummetal. Når alle LI2 ‘ erne er konverteret til Li2S8, er cellen fuldt opladet.

denne beskrivelse er forenklet. I virkeligheden er reaktionerne mere komplekse og talrige, der også finder sted i elektrolytten og ved anoden. Faktisk er det over mange ladnings-og afladningscyklusser disse bivirkninger, der forårsager nedbrydning i en lithium-svovlcelle. Minimering af disse gennem valg af passende materialer og cellekonfiguration er den grundlæggende, underliggende udfordring, der skal imødekommes for at producere en effektiv celle med lang levetid.

med lithium-svovlceller er nedbrydning af lithium-metalanoden også et problem. Dette sker imidlertid via en meget anden mekanisme, en der ikke involverer dannelsen af dendritter. I lithium-svovlceller forårsager ujævne strømtætheder på anodeoverfladen, at lithium bliver belagt og strippet ujævnt, når batteriet oplades og aflades. Over tid forårsager denne ujævne plettering og stripping mosslike aflejringer på anoden, der reagerer med sulfid og polysulfider i elektrolytten. Disse mosslike aflejringer bliver elektrisk afbrudt fra bulkanoden, hvilket efterlader mindre af anodeoverfladen tilgængelig til kemisk reaktion. Efterhånden som denne nedbrydning skrider frem, fungerer anoden ikke, hvilket forhindrer cellen i at acceptere ladning.

udvikling af løsninger på dette nedbrydningsproblem er afgørende for at producere en celle, der kan udføre på et højt niveau over mange ladningsudladningscyklusser. En lovende strategi, som vi har fulgt, omfatter belægning af lithium – metalanoden med tynde lag af keramiske materialer for at forhindre nedbrydning. Sådanne keramiske materialer skal have høj ionisk ledningsevne og være elektrisk isolerende såvel som mekanisk og kemisk robust. De keramiske lag tillader lithiumioner at passere uhindret og inkorporeres i bulk lithiummetal nedenunder.

vi laver dette arbejde på beskyttelseslaget for anoden i partnerskab med Pulsedeon og Leitat, og vi er optimistiske over, at det dramatisk vil øge antallet af gange, en celle kan udledes og oplades. Og det er ikke vores eneste partnerskab. Vi arbejder også med Arkema for at forbedre katoden for at øge batteriets strøm og energitæthed.

faktisk er den vigtigste fordel ved lithium-ion—batterier i forhold til deres forgængere—og af lithiumsvovl frem for lithiumion-den store mængde energi, cellerne kan pakke i en lille mængde masse. Bly-syre-startbatteriet, der drejer forbrændingsmotoren i en bil, kan opbevare omkring 50 vandtimer pr. Typiske lithium-ion-design kan rumme fra 100 til 265 Vægt/kg afhængigt af de andre ydeevneegenskaber, som det er optimeret til, såsom spidseffekt eller lang levetid. Vi har for nylig udviklet en prototype lithium-svovl pose celle, der viste sig i stand til 470 HH/kg, og vi forventer at nå 500 HH/kg inden for et år. Og fordi teknologien stadig er ny og har plads til forbedringer, er det ikke urimeligt at forudse 600 Vægt/kg inden 2025.

når celleproducenter citerer energitæthedstal, specificerer de normalt den energi, der er tilgængelig, når cellen udledes ved konstante, lave effekthastigheder. I nogle applikationer er sådanne lave priser fine, men for de mange forestillede elektriske fly, der starter lodret, skal energien leveres med højere effekthastigheder. En sådan højeffektfunktion skal handles ud for lavere samlet energilagringskapacitet.

desuden kan niveauet af energitæthed, der kan opnås i en enkelt celle, være betydeligt større end hvad der er muligt i et batteri bestående af mange sådanne celler. Energitætheden oversætter ikke direkte fra cellen til batteriet, fordi celler kræver emballage—sagen, batteristyringssystemet og forbindelserne og måske kølesystemer. Vægten skal holdes i skak, og derfor bruger vores firma avancerede kompositmaterialer til at udvikle lette, stærke, flammesikre kabinetter.

for at optimere batteriets ydeevne uden at gå på kompromis med sikkerheden er vi først og fremmest afhængige af et batteristyringssystem (BMS), som er en kombination af programmer og udstyr, der styrer og beskytter batteriet. Det inkluderer også algoritmer til måling af den resterende energi i et batteri og andre til minimering af den energi, der spildes under opladning.

ligesom lithium-ion-celler varierer lithium-svovlceller lidt fra hinanden. Disse forskelle, såvel som forskelle i cellernes position i batteripakken, kan medføre, at nogle celler konsekvent kører varmere end andre. Over tid nedbryder disse høje temperaturer langsomt ydeevnen, så det er vigtigt at minimere strømforskellene fra celle til celle. Dette opnås normalt ved hjælp af en simpel afbalanceringsløsning, hvor flere modstande er forbundet parallelt med en celle, alle styret af programmer i BMS.

selv når opladnings-og afladningshastighederne holdes inden for sikre grænser, kan ethvert batteri stadig generere overdreven varme. Så typisk er et dedikeret termisk styringssystem nødvendigt. En elbil kan bruge væskekøling, men inden for luftfart foretrækkes luftkøling meget, fordi den tilføjer mindre vægt. Selvfølgelig kan batteriet placeres på et punkt, hvor luft naturligt bevæger sig over flyets overflade—måske vingen. Om nødvendigt kan luft shuntes til batteriet gennem kanaler. Vi bruger beregningsmodellering til at optimere sådan køling. For eksempel, da vi introducerede denne teknik i et projekt til et lille fastvinget fly, tillod det os at designe et effektivt termisk styringssystem, uden hvilket batteriet ville nå sine temperaturgrænser, før det var helt afladet.

som nævnt ovenfor er en batteripakke typisk arrangeret med cellerne både parallelt og i serie. Der er dog mere til arrangementet af celler. Selvfølgelig er batteriet en missionskritisk komponent i et e-plan, så du vil have redundans for øget sikkerhed. Du kan for eksempel designe batteriet i to lige store dele, så hvis den ene halvdel fejler, kan den afbrydes, hvilket efterlader flyet med mindst nok energi til at styre en kontrolleret nedstigning og landing.

en anden programmelkomponent inden for BMS er state-of-charge-algoritmen. Forestil dig at skulle køre en bil, hvis brændstofmåler havde en målefejl svarende til 25 procent af tankens kapacitet. Du ville aldrig lade indikatoren falde til 25 procent, bare for at sikre, at bilen ikke ville sputter i stå. Din praktiske rækkevidde ville kun være tre fjerdedele af bilens faktiske rækkevidde. For at undgå sådant affald har vi lagt stor vægt på udviklingen af state-of-charge algoritmer.

i et lithium-ion batteri kan du estimere opladningen ved blot at måle spændingen, som falder som energiniveauet gør. Men det er ikke så enkelt for et lithium-svovlbatteri. Husk, at i lithium-svovlbatteriet figurerer forskellige polysulfider i den elektrokemiske proces på forskellige tidspunkter under opladning og afladning. Resultatet er, at spænding ikke er en god fuldmagt for ladningstilstanden, og for at gøre tingene endnu mere komplicerede er spændingskurven asymmetrisk for opladning og afladning. Så de algoritmer, der er nødvendige for at holde styr på ladningstilstanden, er meget mere sofistikerede. Vi udviklede Vores med Cranfield University, i England, ved hjælp af statistiske teknikker, blandt dem Kalman-filteret, såvel som neurale netværk. Vi kan estimere ladestatus til en nøjagtighed på et par procent, og vi arbejder på at gøre det endnu bedre.

alle disse designvalg involverer afvejninger, som er forskellige for forskellige fly. Vi varierer, hvordan vi håndterer disse afvejninger for at skræddersy vores batteridesign til tre forskellige typer fly.pseudosatellitter i høj højde (Hap ‘ er) er fly, der flyver omkring 15.000 til 20.000 meter. Håbet er at kunne flyve i flere måneder ad gangen; den nuværende rekord er 26 dage, sat i 2018 af Airbus S. om dagen bruger disse fly solpaneler til at drive motorerne og oplade batterierne; om natten flyver de på batteristrøm. Da 24-timers opladnings-og afladningsperioden kun kræver lidt strøm, kan du designe et let batteri og dermed give mulighed for en stor nyttelast. Letheden gør det også lettere for et sådant fly at flyve langt fra ækvator, hvor natten varer længere.elektrisk lodret start og landing (eVTOL) fly udvikles som flyvende biler. Lilium, i Tyskland og Uber Elevate, har blandt andet allerede sådanne projekter i gang. Igen er vægten kritisk, men her skal batterierne ikke kun være lette, men skal også være kraftige. Derfor har vi udviklet to versioner af vores cellekemi. Højenergiversionen er optimeret i mange aspekter af celledesignet for at minimere vægten, men den er begrænset til relativt lav effekt; det er bedst egnet til HAPS-applikationer. Den højeffektive version vejer mere, men stadig betydeligt mindre end et lithium-ion batteri med sammenlignelig ydeevne; det er velegnet til sådanne applikationer som eVTOL.

lette fastvingede fly: den stigende efterspørgsel efter piloter kommer op mod de høje omkostninger ved at træne dem; et helt elektrisk trænerfly ville dramatisk reducere driftsomkostningerne. En nøglefaktor er længere flyvetid, som aktiveres af det lettere batteri. Bye Aerospace, i Colorado, er et selskab, der fører vejen i sådanne fly. Desuden planlægger andre virksomheder—som EasyJet, der er indgået et samarbejde med Easyjet Electric—helelektriske kommercielle passagerfly til kortdistanceflyvninger på 2 timer.