az Oxis Energy tervezése kiemelkedő energiasűrűséget, gyárthatóságot és biztonságot ígér

az elektromos repülőgépek dühösek, prototípusok fejlesztés alatt állnak minden méretben, a szállító drónoktól az utasszállító repülőgépekig. De a technológia még nem indult el, egy okból: a megfelelő akkumulátor hiánya.

ahhoz, hogy egy nagy utasszállító repülőgép több száz kilométerre felszálljon, körutazzon és leszálljon, több ezer kilogramm súlyú akkumulátorokra lenne szükség—ez túl nehéz ahhoz, hogy a gép eleve képes legyen a levegőbe jutni. Még a viszonylag kis repülőgépeknél is, mint például a kétüléses oktatók, az akkumulátorok puszta súlya korlátozza a repülőgép hasznos terhelését, csökkenti a hatótávolságát, és így korlátozza a repülőgép repülési helyét. Az akkumulátor súlyának csökkentése nemcsak a repülés, hanem más elektromos járművek, például autók, teherautók, buszok és hajók számára is előnyt jelentene, amelyek teljesítménye szintén közvetlenül kapcsolódik az akkumulátorok energia-tömeg arányához.

ilyen alkalmazásokhoz a mai választott akkumulátor lítium-ion. Évekkel ezelőtt érte el az érettséget, minden új növekményes javulás kisebb, mint az utolsó. Új kémia kell.

2004 óta a cégem, az Oxis Energy, Oxfordshire—ben, Angliában dolgozik az egyik vezető versenyzőn-a lítium-kénen. Akkumulátor technológiánk rendkívül könnyű: legújabb modelljeink a lítium-ion akkumulátorokra jellemző energiasűrűség több mint kétszeresét érik el. A lítium-kén képes a repüléshez szükséges teljesítmény és tartósság biztosítására is, és ami a legfontosabb, elég biztonságos. Végül is egy repülőgép nem képes kezelni a hirtelen tüzet vagy más csapást azáltal, hogy egyszerűen az út szélére húzódik.

az új technológia már régóta jön, de a várakozásnak vége. Az első repülési kísérletek már befejeződtek.

alapvetően a lítium-kén sejt négy komponensből áll:

• a katód néven ismert pozitív elektróda elnyeli az elektronokat a kisülés során. Egy alumínium-fólia áramgyűjtőhöz van csatlakoztatva, amely szén és kén keverékével van bevonva. A kén az aktív anyag, amely részt vesz az elektrokémiai reakciókban. De ez egy elektromos szigetelő, így a szén, egy vezető, elektronokat szállít oda, ahol szükség van rájuk. Kis mennyiségű kötőanyagot is hozzáadunk, hogy biztosítsuk a szén és a kén összetartását a katódban.
• a negatív elektród vagy anód felszabadítja az elektronokat a kisülés során. Tiszta lítium fóliához van csatlakoztatva. A lítium is áramgyűjtőként működik, de aktív anyag is, amely részt vesz az elektrokémiai reakcióban.
• a porózus szeparátor megakadályozza, hogy a két elektróda összeérjen és rövidzárlatot okozzon. Az elválasztót lítium-sókat tartalmazó elektrolitban fürdik.
• az elektrolit megkönnyíti az elektrokémiai reakciót azáltal, hogy lehetővé teszi az ionok mozgását a két elektróda között.

ezek az összetevők össze vannak kötve és fóliába vannak csomagolva tasakcellaként. A cellákat egymás után—mind sorban, mind párhuzamosan—összekapcsolják, és 20 amper órás, 2,15 voltos akkumulátorba csomagolják. Egy nagy járműhöz, például repülőgéphez, rengeteg csomag van csatlakoztatva, hogy olyan akkumulátort hozzon létre, amely tíz vagy száz amp-órát képes biztosítani több száz Volton.

a lítium-kén akkumulátorok szokatlanok, mivel kisülésük során több szakaszon mennek keresztül, minden alkalommal más, különálló molekuláris fajt alkotnak lítium és kén. Amikor egy sejt kisül, az elektrolitban lévő lítiumionok a katódba vándorolnak, ahol kénnel és elektronokkal kombinálva poliszulfidot képeznek, Li2S8. Az anódnál eközben a lítiummolekulák feladják az elektronokat, hogy pozitív töltésű lítiumionokat képezzenek; ezek a felszabadult elektronok ezután áthaladnak a külső áramkörön—a terhelésen—, amely visszaviszi őket a katódba. Az elektrolitban az újonnan előállított Li2S8 azonnal reagál több lítiumionnal és több elektronnal, hogy új poliszulfidot, Li2S6-ot képezzen. A folyamat folytatódik, további poliszulfidokon, Li2S4-en és Li2S2-en keresztül lépve végül Li2S-vé válik. minden lépésben több energiát adnak fel, és átadják a terhelésnek, amíg végül a sejt kimerül.

az Újratöltés megfordítja a szekvenciát: az alkalmazott áram arra kényszeríti az elektronokat, hogy az ellenkező irányba áramoljanak, aminek következtében a kénelektród vagy katód feladja az elektronokat, átalakítva a Li2S-t Li2S2-re. A poliszulfid lépésről lépésre folytatja a kénatomok hozzáadását, amíg Li2S8 létrejön a katódban. Minden alkalommal, amikor elektronokat adnak fel, lítiumionok keletkeznek, amelyek aztán diffundálnak az elektroliton keresztül, kombinálva a lítium elektródon lévő elektronokkal, hogy lítium-fémet képezzenek. Amikor az összes Li2S átalakult Li2S8-ra, a cella teljesen fel van töltve.

Ez a leírás egyszerűsödik. A valóságban a reakciók összetettebbek és számosabbak, az elektrolitban és az anódban is zajlanak. Valójában sok töltési és kisülési ciklus során ezek a mellékreakciók okozzák a lítium-kén sejt lebomlását. Ezek minimalizálása a megfelelő anyagok kiválasztása és a cellakonfiguráció révén az alapvető, mögöttes kihívás, amelyet teljesíteni kell egy hatékony, hosszú élettartamú cella előállításához.

lítium-kéncellákkal a lítium-fém anód lebomlása szintén problémát jelent. Ez azonban egy nagyon eltérő mechanizmuson keresztül történik, amely nem jár dendritek képződésével. A lítium-kén cellákban az anódfelület egyenetlen áramsűrűsége miatt a lítium egyenetlenül van bevonva és lecsupaszítva, amikor az akkumulátor fel van töltve és lemerül. Idővel ez az egyenetlen bevonat és Sztrippelés Moss-szerű lerakódásokat okoz az anódon, amelyek reagálnak az elektrolitban lévő szulfiddal és poliszulfidokkal. Ezek a mohaszerű lerakódások elektromosan leválasztódnak az ömlesztett anódról, így az anód felületének kevesebb része áll rendelkezésre a kémiai reakcióhoz. Végül, ahogy ez a lebomlás előrehalad, az anód nem működik, megakadályozva, hogy a cella elfogadja a töltést.

ennek a lebomlási problémának a megoldása elengedhetetlen egy olyan sejt előállításához, amely sok töltés-kisülési ciklus alatt magas szinten képes teljesíteni. Egy ígéretes stratégia, amelyet az Oxis-nál folytatunk, magában foglalja a lítium-fém anód bevonását vékony réteg kerámia anyagokkal a lebomlás megelőzése érdekében. Az ilyen kerámia anyagoknak magas Ionos vezetőképességgel kell rendelkezniük, elektromosan szigetelőknek, valamint mechanikusan és kémiailag robusztusnak kell lenniük. A kerámia rétegek lehetővé teszik, hogy a lítiumionok akadálytalanul áthaladjanak, és beépüljenek az alatta lévő ömlesztett lítium fémbe.

ezt a munkát az anód védelmi rétegén végezzük a Pulsedeonnal és a Leitat-tal együttműködve, és optimisták vagyunk, hogy drámaian megnöveli a cellák lemerülésének és feltöltésének számát. És nem ez az egyetlen partnerünk. Az Arkema-val együtt dolgozunk a katód javításán is, hogy növeljük az akkumulátor energiasűrűségét és energiasűrűségét.

valójában a lítium-ion akkumulátorok legfontosabb előnye az elődeikkel szemben—a lítium—kén pedig a lítium-ionokkal szemben-az a nagy mennyiségű energia, amelyet a sejtek kis mennyiségű tömegbe tudnak csomagolni. Az ólom-sav indító akkumulátor, amely az autó belső égésű motorját forgatja, kilogrammonként körülbelül 50 wattórát képes tárolni. A tipikus lítium-ion kivitelek 100-265 Wh/kg-ig tarthatnak, attól függően, hogy milyen egyéb teljesítményjellemzőkre optimalizálták, például csúcsteljesítményre vagy hosszú élettartamra. Az Oxis nemrégiben kifejlesztett egy prototípus lítium-kén tasakcellát, amely bizonyítottan képes 470 Wh / kg – ra, és várhatóan egy éven belül eléri az 500 Wh/kg-ot. És mivel a technológia még mindig új, és van még mit javítani rajta, nem ésszerűtlen 600 Wh/kg-ra számítani 2025-re.

amikor a cellagyártók energiasűrűségi adatokat idéznek, általában meghatározzák azt az energiát, amely akkor áll rendelkezésre, amikor a cellát állandó, alacsony teljesítmény mellett ürítik ki. Egyes alkalmazásokban az ilyen alacsony árak rendben vannak, de a sok elképzelt elektromos repülőgép számára, amely függőlegesen felszáll, az energiát nagyobb teljesítménysebességgel kell szállítani. Egy ilyen nagy teljesítményű funkciót alacsonyabb teljes energiatároló kapacitással kell kereskedni.

ezenkívül az egyetlen cellában elérhető energiasűrűség szintje jelentősen nagyobb lehet, mint ami sok ilyen cellából álló akkumulátorban lehetséges. Az energiasűrűség nem közvetlenül a cellából az akkumulátorba kerül, mert a cellák csomagolást igényelnek—a tokot, az akkumulátorkezelő rendszert, a csatlakozásokat és talán a hűtőrendszereket. A súlyt kordában kell tartani, ezért cégünk fejlett kompozit anyagokat használ könnyű, erős, tűzálló burkolatok kifejlesztéséhez.

az akkumulátor teljesítményének a biztonság veszélyeztetése nélküli optimalizálása érdekében elsősorban egy akkumulátorkezelő rendszerre (BMS) támaszkodunk, amely szoftver és hardver kombinációja, amely vezérli és védi az akkumulátort. Tartalmaz algoritmusokat az akkumulátorban maradt energia mérésére, másokat pedig a töltés során elpazarolt energia minimalizálására.

mint a lítium-ion sejtek, a lítium-kén sejtek kissé eltérnek egymástól. Ezek a különbségek, valamint a cellák akkumulátorpozíciójának különbségei miatt egyes cellák folyamatosan melegebben működhetnek, mint mások. Idővel ezek a magas hőmérsékletek lassan rontják a teljesítményt,ezért fontos minimalizálni a cellák közötti teljesítménykülönbségeket. Ezt általában egy egyszerű kiegyensúlyozó megoldással érik el, amelyben több ellenállás van párhuzamosan csatlakoztatva egy cellával, mindezt a BMS szoftvere vezérli.

még akkor is, ha a töltési és kisütési sebességet biztonságos határokon belül tartják, az akkumulátor még mindig túlzott hőt termelhet. Tehát általában egy dedikált hőkezelő rendszerre van szükség. Az elektromos autó folyékony hűtést használhat, de a repülésben a léghűtés sokkal előnyösebb, mert kevesebb súlyt ad. Természetesen az akkumulátor elhelyezhető egy olyan ponton, ahol a levegő természetesen mozog a repülőgép felületén—talán a szárnyon. Szükség esetén a levegő a csatornákon keresztül az akkumulátorba kerül. Az Oxis-nál számítási modellezéssel optimalizáljuk az ilyen hűtést. Például, amikor bevezettük ezt a technikát egy kis rögzített szárnyú repülőgép projektjében, lehetővé tette számunkra, hogy hatékony hőkezelő rendszert tervezzünk, amely nélkül az akkumulátor eléri a hőmérsékleti határértékeket, mielőtt teljesen lemerülne.

mint fentebb megjegyeztük, az akkumulátor általában párhuzamosan és sorban van elrendezve a cellákkal. A sejtek elrendezésében azonban több van. Természetesen az akkumulátor az e-sík kritikus eleme, ezért redundanciát szeretne a fokozott biztonság érdekében. Például az akkumulátort két egyenlő részre lehet tervezni, hogy ha az egyik fele meghibásodik, akkor leválasztható legyen, így a repülőgépnek legalább annyi energiája marad, hogy irányítsa az ellenőrzött leereszkedést és leszállást.

egy másik szoftverkomponens a BMS-en belül a töltésállapot algoritmus. Képzelje el, hogy olyan autót kell vezetnie, amelynek üzemanyagmérőjének mérési hibája a tartály kapacitásának 25% – ának felel meg. Soha nem hagyná, hogy a mutató 25 százalékra csökkenjen, csak azért, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az autó nem áll meg. Gyakorlati hatótávolsága csak az autó tényleges hatótávolságának háromnegyede lenne. Az ilyen hulladék elkerülése érdekében az Oxis nagy hangsúlyt fektetett a töltésállósági algoritmusok fejlesztésére.

lítium-ion akkumulátorban a töltést egyszerűen a feszültség mérésével becsülheti meg, amely az energiaszinthez hasonlóan csökken. De ez nem olyan egyszerű a lítium-kén akkumulátor számára. Emlékezzünk arra, hogy a lítium-kén akkumulátorban különböző poliszulfidok jelennek meg az elektrokémiai folyamatban különböző időpontokban a töltés és a kisülés során. Az eredmény az, hogy a feszültség nem jó proxy a töltés állapotához, és hogy a dolgok még bonyolultabbá váljanak, a feszültséggörbe aszimmetrikus a töltéshez és a kisüléshez. Tehát a töltés állapotának nyomon követéséhez szükséges algoritmusok sokkal kifinomultabbak. A miénket az angliai Cranfield Egyetemmel fejlesztettük ki statisztikai technikák, köztük a Kálmán szűrő, valamint a neurális hálózatok felhasználásával. Néhány százalékos pontossággal meg tudjuk becsülni a töltésállapotot, és azon dolgozunk, hogy még jobban teljesítsünk.

ezek a tervezési lehetőségek kompromisszumokat tartalmaznak, amelyek különböznek a különböző repülőgépeknél. Mi változik, hogyan kezeljük ezeket a kompromisszumokat annak érdekében, hogy testre az akkumulátor tervez három különböző típusú repülőgép.

• a nagy magasságú ál-műholdak (HAPS) olyan repülőgépek, amelyek 15 000-20 000 méteren repülnek. A remény az, hogy képes legyen repülni hónapokig egy időben; a jelenlegi rekord 26 nap, meghatározott 2018-ban az Airbus Zephyr S. nappal, ezek a repülőgépek napelemek a hatalom a motorok és töltse fel az elemeket; éjszaka, repülnek az akkumulátor. Mivel a 24 órás töltési-kisütési időszak csak kevés energiát igényel, könnyű akkumulátort tervezhet, így nagy hasznos terhelést tesz lehetővé. A könnyedség megkönnyíti az ilyen repülőgépek repülését az egyenlítőtől, ahol az éjszaka hosszabb ideig tart.
• az elektromos függőleges felszálló és leszálló (eVTOL) repülőgépeket repülő taxiként fejlesztik. A németországi Lilium és többek között az Uber Elevate már folyamatban vannak ilyen projektek. Ismét a súly kritikus, de itt az akkumulátoroknak nemcsak könnyűnek, hanem erősnek is kell lenniük. Az Oxis ezért kifejlesztette sejtkémiájának két változatát. A nagy energiájú változatot a cella kialakításának számos aspektusában optimalizálták a súly minimalizálása érdekében, de viszonylag alacsony teljesítményre korlátozódik; a HAPS alkalmazásokhoz a legalkalmasabb. A nagy teljesítményű változat súlya nagyobb, bár még mindig lényegesen kevesebb, mint egy hasonló teljesítményű lítium-ion akkumulátor; jól alkalmazható olyan alkalmazásokhoz, mint az eVTOL.
• könnyű rögzített szárnyú repülőgépek: a pilóták iránti növekvő kereslet a képzés magas költségeivel szembesül; egy teljesen elektromos edző Repülőgép drasztikusan csökkentené az üzemeltetési költségeket. Kulcsfontosságú tényező a hosszabb repülési időtartam, amelyet a könnyebb akkumulátor engedélyez. Bye Aerospace, Colorado, az egyik cég vezető utat az ilyen repülőgépek. Ezenkívül más vállalatok—például az EasyJet, a Wright Electric-szel együttműködve-teljesen elektromos kereskedelmi utasszállító repülőgépeket terveznek rövid távú, 2 órás repülésekre.