Oxis Energyn design promises outstanding energy density, manufacturability, and safety

Sähkökoneet ovat kaikki raivoa, ja prototyyppejä on kehitteillä joka kokoluokassa jakelulennokeista matkustajakoneisiin. Teknologia ei kuitenkaan ole vielä lähtenyt lentoon, ja yhdestä syystä: sopivan akun puute.

suuren matkustajakoneen nousemiseen, risteilyyn ja laskeutumiseen satojen kilometrien päähän tarvittaisiin tuhansia kiloja painavia akkuja—aivan liian painavia, jotta kone ylipäätään pääsisi ilmaan. Jopa suhteellisen pienissä lentokoneissa, kuten kaksipaikkaisissa kouluttajissa, pelkkä akkujen paino rajoittaa koneen hyötykuormaa, rajoittaa sen kantamaa ja rajoittaa siten sitä, missä kone voi lentää. Akkujen painon vähentäminen olisi etu paitsi ilmailulle myös muille sähköajoneuvoille, kuten autoille, kuorma-autoille, linja-autoille ja veneille, joiden kaikkien suorituskyky on myös suoraan sidottu akkujen energia-paino-suhteeseen.

tällaisissa sovelluksissa tämän päivän akkuvalinta on litiumioni. Se saavutti kypsyyden vuosia sitten, ja jokainen uusi lisäparannus oli edellistä pienempi. Tarvitsemme uuden kemian.

vuodesta 2004 yritykseni Oxis Energy Oxfordshiressä Englannissa on työstänyt yhtä johtavaa haastajaa—litium-rikkiä. Akkuteknologiamme on erittäin kevyttä: uusimmissa malleissamme saavutetaan yli kaksinkertainen energiatiheys litiumioniakkuihin verrattuna. Litium-rikki pystyy myös tarjoamaan ilmailuun tarvittavat teho-ja kestävyystasot, ja mikä tärkeintä, se on riittävän turvallista. Kone ei loppujen lopuksi selviä äkillisestä tulipalosta tai muusta onnettomuudesta pelkästään ajamalla tien sivuun.

uutta tekniikkaa on ollut tulossa jo pitkään, mutta odotus on nyt ohi. Ensimmäiset lentokokeet on jo tehty.

pohjimmiltaan litium-rikkikenno koostuu neljästä komponentista:

• positiivinen elektrodi eli katodi absorboi elektroneja purkauksen aikana. Se on liitetty alumiini-folio nykyinen kerääjä päällystetty seos hiilen ja rikin. Rikki on aktiivinen aine, joka osallistuu sähkökemiallisiin reaktioihin. Se on kuitenkin sähköeriste, joten hiili, johdin, toimittaa elektroneja sinne, missä niitä tarvitaan. Siihen lisätään myös pieni määrä sideainetta, jotta hiili ja rikki pysyvät yhdessä katodissa.
• negatiivinen elektrodi eli anodi vapauttaa elektroneja purkauksen aikana. Se on liitetty puhtaaseen litiumfolioon. Litium toimii myös virran kerääjänä, mutta se on myös aktiivinen materiaali, joka osallistuu sähkökemialliseen reaktioon.
• huokoinen erotin estää kahta elektrodia koskettamasta ja aiheuttamasta oikosulkua. Erotin kylpee elektrolyytissä, joka sisältää litiumsuoloja.
• elektrolyytti helpottaa sähkökemiallista reaktiota sallimalla ionien liikkeen kahden elektrodin välillä.

nämä komponentit on liitetty ja pakattu folioon pussisoluksi. Kennot puolestaan kytketään toisiinsa-sekä sarjaan että rinnakkain—ja pakataan 20 ampeerituntia kestävään, 2,15 voltin akkupakkaukseen. Suureen ajoneuvoon, kuten lentokoneeseen, on kytketty kymmeniä pakkauksia, joiden avulla voidaan luoda akku, joka pystyy tuottamaan kymmeniä tai satoja ampeeria useita satoja voltteja.

litium-rikkiakut ovat epätavallisia, koska ne käyvät purkautuessaan läpi useita vaiheita muodostaen joka kerta erilaisen, toisistaan erottuvan litiumin ja rikin molekyylilajin. Solun purkautuessa elektrolyytin litiumionit siirtyvät katodille, jossa ne yhdistyvät rikin ja elektronien kanssa muodostaen polysulfidin, Li2S8. Anodilla litiummolekyylit puolestaan luovuttavat elektroneja muodostaen positiivisesti varautuneita litiumioneja; nämä vapautuneet elektronit liikkuvat sitten ulkoisen piirin—kuorman—läpi, joka vie ne takaisin katodille. Elektrolyytissä vastavalmistunut Li2S8 reagoi välittömästi useamman litiumionin ja useamman elektronin kanssa muodostaen uuden polysulfidin, Li2S6: n. Prosessi jatkuu, astuen edelleen polysulfidien, Li2S4: n ja Li2S2: n läpi, lopulta li2s: ksi. jokaisessa vaiheessa luovutetaan enemmän energiaa ja siirretään kuormalle, kunnes lopulta kennosta loppuu energia.

uudelleenlataus kääntää sekvenssin: sovellettu virta pakottaa elektronit virtaamaan vastakkaiseen suuntaan, jolloin rikkielektrodi eli katodi luovuttaa elektroneja, jolloin li2s muuttuu li2s2: ksi. Polysulfidi jatkaa rikkiatomien lisäämistä vaiheittain, kunnes katodissa syntyy Li2S8. Ja aina kun elektroneja luovutetaan, syntyy litiumioneja, jotka sitten diffuusioituvat elektrolyytin läpi yhdistyen litiumelektrodilla olevien elektronien kanssa litiummetalliksi. Kun kaikki li2s on muutettu li2s8: ksi, solu on täyteen ladattu.

tämä kuvaus on yksinkertaistettu. Todellisuudessa reaktiot ovat monimutkaisempia ja runsaslukuisempia, tapahtuen myös elektrolyytissä ja anodilla. Itse asiassa monien varaus-ja purkausjaksojen aikana juuri nämä sivureaktiot aiheuttavat hajoamista litium-rikkikennossa. Näiden minimoiminen sopivien materiaalien ja solukonfiguraation valinnan kautta on perustavanlaatuinen, taustalla oleva haaste, joka on kohdattava tehokkaan solun tuottamiseksi pitkällä elinkaarella.

litium-rikkikennoilla myös litiummetallianodin hajoaminen on ongelma. Tämä tapahtuu kuitenkin hyvin erilaisella mekanismilla, johon ei liity dendriittien muodostumista. Litium-rikkikennoissa anodipinnan epätasaiset virrantiheydet aiheuttavat litiumin pinnoituksen ja kuorinnan epätasaisesti akun latautuessa ja purkautuessa. Ajan myötä tämä epätasainen pinnoitus ja strippaus aiheuttaa anodille sammaleisia kerrostumia, jotka reagoivat elektrolyytin sulfidin ja polysulfidien kanssa. Nämä sammalimaiset kerrostumat irtoavat sähköisesti bulkkianodista, jolloin anodipinnasta jää vähemmän kemialliseen reaktioon. Lopulta tämän hajoamisen edetessä anodi ei toimi, mikä estää solua vastaanottamasta varausta.

ratkaisujen kehittäminen tähän hajoamisongelmaan on ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan tuottaa solu, joka voi toimia korkealla tasolla monien varausten purkautumisjaksojen aikana. Lupaavaan strategiaamme Oxisissa kuuluu litiummetallianodin päällystäminen ohuilla keraamisilla materiaaleilla hajoamisen estämiseksi. Tällaisilla keraamisilla materiaaleilla on oltava korkea ioninjohtavuus ja niiden on oltava sähköisesti eristäviä sekä mekaanisesti ja kemiallisesti kestäviä. Keraamiset kerrokset sallivat litiumionien kulkea esteettä läpi ja sulautua allaan olevaan irtotavarana olevaan litiummetalliin.

teemme tätä työtä anodin suojakerroksen parissa yhteistyössä Pulsedeonin ja Leitatin kanssa, ja olemme optimistisia, että se lisää dramaattisesti kennon purkautumisen ja latauksen määrää. Eikä se ole ainoa kumppanuutemme. Teemme myös yhteistyötä Arkeman kanssa parantaaksemme katodia akun tehon ja energiatiheyden lisäämiseksi.

litiumioniakkujen keskeinen etu edeltäjiinsä nähden-ja litium—rikin etu litiumioniin nähden—onkin se, kuinka paljon energiaa kennot pystyvät pakkaamaan pieneen massamäärään. Auton polttomoottoria kammottava lyijyhappoinen käynnistysakku pystyy varastoimaan noin 50 wattituntia kilolta. Tyypilliset litiumionimallit voivat kestää 100-265 Wh/kg riippuen muista suorituskykyominaisuuksista, joita varten se on optimoitu, kuten huipputehosta tai pitkästä käyttöiästä. Oxis kehitti hiljattain litium-rikkipussikennon prototyypin, joka osoittautui kykeneväksi 470 Wh/kg, ja odotamme saavuttavamme 500 Wh/kg vuoden kuluessa. Ja koska tekniikka on vielä uutta ja siinä on parantamisen varaa, ei ole kohtuutonta ennakoida 600 Wh/kg vuoteen 2025 mennessä.

kun kennovalmistajat lainaavat energiatiheyslukuja, ne yleensä määrittelevät energian, joka on käytettävissä, kun kennoa puretaan tasaisilla, pienillä tehonopeuksilla. Joissakin sovelluksissa tällaiset alhaiset hinnat ovat hienoja, mutta monissa kuvitelluissa sähköisissä lentokoneissa, jotka nousevat ilmaan pystysuoraan, energia täytyy toimittaa suuremmilla tehoilla. Tällainen suuritehoinen ominaisuus on vaihdettava pienempään energian kokonaisvarastokapasiteettiin.

lisäksi yksittäisessä kennossa saavutettavissa oleva energiatiheystaso saattaa olla huomattavasti suurempi kuin monista tällaisista kennoista koostuvassa paristossa. Energiatiheys ei käännä suoraan kennosta akkuun, koska kennot vaativat pakkaamista—kotelon, akun hallintajärjestelmän ja liitännät ja ehkä jäähdytysjärjestelmät. Paino on pidettävä kurissa, ja tästä syystä yrityksemme käyttää kehittyneitä komposiittimateriaaleja kehittääkseen kevyitä, vahvoja, tulenkestäviä koteloita.

optimoidaksemme akun suorituskyvyn turvallisuutta vaarantamatta turvaudumme ennen kaikkea akun hallintajärjestelmään (BMS), joka on yhdistelmä ohjelmistoa ja laitteistoa, joka ohjaa ja suojaa akkua. Se sisältää myös algoritmeja akun jäljellä olevan energian mittaamiseksi ja muita latauksen aikana tuhlatun energian minimoimiseksi.

litiumionikennojen tavoin litium-rikkikennot vaihtelevat hieman toisistaan. Nämä erot, kuten myös erot solujen sijainnissa akkupakkauksessa, voivat aiheuttaa sen, että jotkin solut käyvät jatkuvasti kuumempina kuin toiset. Ajan myötä nämä korkeat lämpötilat heikentävät hitaasti suorituskykyä, joten on tärkeää minimoida tehoerot solusta toiseen. Tämä saavutetaan yleensä yksinkertaisella tasapainotusratkaisulla, jossa soluun on kytketty rinnakkain useita vastuksia, joita kaikkia ohjataan BMS: n ohjelmistolla.

vaikka lataus-ja purkausnopeudet pidettäisiin turvallisissa rajoissa, mikä tahansa akku voi silti tuottaa liiallista lämpöä. Joten, tyypillisesti, oma lämmönhallintajärjestelmä on tarpeen. Sähköauto voi käyttää nestejäähdytystä, mutta ilmailussa ilmajäähdytystä suositaan paljon, koska se lisää vähemmän painoa. Akku voidaan tietysti sijoittaa kohtaan, jossa ilma luonnollisesti liikkuu lentokoneen pinnan yli—ehkä Siiven. Tarvittaessa ilma voidaan siirtää akkuun kanavien kautta. Oxis käyttää laskennallista mallinnusta optimoidakseen tällaisen jäähdytyksen. Esimerkiksi, kun otimme tämän tekniikan käyttöön pienen kiinteäsiipisen lentokoneen projektissa, se antoi meille mahdollisuuden suunnitella tehokkaan lämmönhallintajärjestelmän, jota ilman akku saavuttaisi lämpötilarajansa ennen kuin se olisi täysin tyhjennetty.

kuten edellä todettiin, akkupaketti on tyypillisesti järjestetty kennojen kanssa sekä rinnakkain että sarjoina. Solujen järjestelyyn liittyy kuitenkin muutakin. Akku on tietenkin e-koneen kriittinen osa, joten haluat varmuuden vuoksi redundanssin. Akun voisi esimerkiksi suunnitella kahteen yhtä suureen osaan, niin että jos toinen puolisko pettää, se voidaan irrottaa, jolloin ilma-alukselle jää vähintään riittävästi energiaa hallitun laskeutumisen ja laskun hallintaan.

toinen ohjelmistokomponentti BMS: ssä on lataustilan algoritmi. Kuvittele joutuvasi ajamaan autoa, jonka polttoainemittarissa oli mittausvirhe, joka vastasi 25 prosenttia säiliön tilavuudesta. Et antaisi indikaattorin pudota 25 prosenttiin, – vain varmistaaksesi, ettei auto pysähdy. Käytännön toimintasäde olisi vain kolme neljäsosaa auton todellisesta kantomatkasta. Tällaisen jätteen välttämiseksi Oxis on panostanut paljon lataustilan algoritmien kehittämiseen.

litiumioniakussa varauksen voi arvioida yksinkertaisesti mittaamalla jännitteen, joka laskee energiatason mukaan. Mutta se ei ole niin yksinkertainen litium-rikkiakku. Muista, että litium-rikkiakussa eri polysulfidit esiintyvät sähkökemiallisessa prosessissa eri aikoina latauksen ja purkauksen aikana. Lopputuloksena on, että jännite ei ole hyvä varaustilan mittari, ja jotta asiat olisivat vielä monimutkaisempia, jännitekäyrä on epäsymmetrinen varaukselle ja purkaukselle. Joten algoritmit, joita tarvitaan varaustilan seuraamiseen, ovat paljon kehittyneempiä. Kehitimme omamme Cranfieldin yliopiston kanssa Englannissa käyttäen tilastollisia tekniikoita, muun muassa Kalman-suodatinta, sekä neuroverkkoja. Voimme arvioida lataustilan muutaman prosentin tarkkuudella, ja pyrimme vielä parempaan.

kaikki nämä suunnitteluvalinnat sisältävät kompromisseja, jotka ovat erilaisia eri lentokoneissa. Meillä on erilaisia tapoja hallita näitä kompromisseja räätälöidäksemme akkumalleja kolmelle eri lentokonetyypille.

• korkean korkeuden pseudosatelliitit (HAPS) ovat lentokoneita, jotka lentävät noin 15 000-20 000 metrin korkeudessa. Toiveena on pystyä lentämään kuukausia kerrallaan; nykyinen ennätys on 26 päivää, jonka Airbus Zephyr s asetti vuonna 2018.päivisin nämä lentokoneet käyttävät aurinkopaneeleita moottoreiden ja akkujen lataamiseen; yöllä ne lentävät akkuvirralla. Koska 24 tunnin lataus – ja purkausaika vaatii vain vähän virtaa, voit suunnitella kevyen akun ja siten mahdollistaa suuren hyötykuorman. Keveys helpottaa myös tällaisen lentokoneen lentämistä kauas päiväntasaajalta, jossa yö kestää pidempään.
• sähköisiä pystysuoria lentoonlähtö-ja laskeutumiskoneita (eVTOL) kehitetään lentäviksi takseiksi. Muun muassa saksalaisella liliumilla ja Uber Elevatella on jo tällaisia hankkeita käynnissä. Jälleen paino on kriittinen, mutta tässä akkujen ei tarvitse olla vain kevyitä vaan myös tehokkaita. Oxis onkin kehittänyt solukemiastaan kaksi versiota. Suurenerginen versio on optimoitu monilla kennosuunnittelun osa-alueilla painon minimoimiseksi, mutta se rajoittuu suhteellisen pieneen tehoon; se sopii parhaiten HAPS-sovelluksiin. Suuritehoinen versio painaa enemmän, vaikkakin silti huomattavasti vähemmän kuin suorituskyvyltään vastaava litiumioniakku; se soveltuu hyvin esimerkiksi evtol-sovelluksiin.
• kevyet kiinteäsiipiset lentokoneet: lentäjien kasvava kysyntä kohtaa niiden koulutuksen kalleuden; kokonaan sähköllä toimiva trainer-Lentokone vähentäisi käyttökustannuksia huomattavasti. Keskeinen tekijä on pidempi lennon kesto, jonka kevyempi akku mahdollistaa. Bye Aerospace Coloradossa on yksi yritys, joka on edelläkävijä tällaisissa lentokoneissa. Lisäksi muut yritykset—kuten EasyJet, joka on yhteistyössä Wright Electricin kanssa-suunnittelevat kokonaan sähköisiä kaupallisia matkustajakoneita lyhyen matkan 2 tunnin lennoille.