Oxis Energyの設計は、優れたエネルharo

電気航空機は、配信ドローンから旅客機にすべてのサイズで開発中のプロトタイプで、すべての怒りです。 しかし、技術は離陸するためには至っていない、と一つの理由のために：適切なバッテリーが不足しています。

大型旅客機が離陸し、巡航し、数百キロ離れた場所に着陸するには、数千キロの重さのバッテリーがかかります—飛行機が最初に空気中に入ることがで 2座席のトレーナーのような比較的小さい航空機のために、電池の薄い重量は平面のペイロードを限り、範囲を削減し、こうして航空機が飛ぶことができる バッテリーの重量を減らすことは、航空だけでなく、自動車、トラック、バス、ボートなどの他の電気自動車にとっても利点であり、その性能は電池のエネルギー対重量比に直接結びついています。

このようなアプリケーションのために、選択の今日のバッテリーはリチウムイオンです。 それは数年前に成熟に達し、それぞれの新しい漸進的な改善は最後のものよりも小さくなりました。 新しい化学が必要だ

2004年以来、私の会社、Oxis Energyは、オックスフォードシャー、イギリスでは、主要な候補の一つに取り組んできました—リチウム硫黄。 私達の電池の技術は非常に軽量である:私達の最新モデルはリチウムイオン電池の典型的なエネルギー密度により二度多くを達成している。 リチウム硫黄はまた、航空に必要な電力と耐久性の必要なレベルを提供することができ、最も重要なのは、それは十分に安全です。 結局のところ、飛行機は、単に道路の側に引っ張ることによって突然の火災やその他の災害を処理することはできません。

新しい技術は長い時間が来ているが、待ち時間は今終わっています。 飛行試験の最初のセットはすでに完了しています。

基本的に、リチウム-硫黄電池は4つの成分で構成されています：

• 正極は、陰極として知られており、放電中に電子を吸収します。
  • 正極は、放電中に電子を吸収します。
    • これは、炭素と硫黄の混合物で被覆されたアルミニウム箔集電体に接続されている。 硫黄は、電気化学反応に関与する活物質である。 しかし、それは電気絶縁体なので、導体である炭素は、必要な場所に電子を送ります。 また、炭素と硫黄が陰極内で一緒に保持されるように、少量の結合剤が添加されています。
    • 負極または負極は、放電中に電子を放出する。
    • 放電中に電子を放出する。 それは純粋なリチウムホイルに接続されます。 リチウムもまた、集電体として作用するが、それはまた、電気化学反応に関与する活物質である。
    • 多孔質セパレータは、二つの電極が接触して短絡を引き起こすのを防ぎます。 セパレータは、リチウム塩を含む電解質に浸漬される。
    • 電解質は、二つの電極間のイオンの移動を可能にすることにより、電気化学反応を容易にする。

    これらのコンポーネントは、接続され、パウチセルとして箔に包装されています。 セルは順番に直列と並列の両方で一緒に接続され、20アンペア時間、2.15ボルトのバッテリーパックにパッケージ化されています。 飛行機のような大型車両の場合、パックのスコアは、数百ボルトで数十または数百アンペア時間を提供することができるバッテリーを作成するために

    リチウム-硫黄電池は、放電時に複数の段階を経て、毎回異なる異なる分子種のリチウムと硫黄を形成するため、珍しいものです。 セルが放電すると、電解質中のリチウムイオンは陰極に移動し、そこで硫黄および電子と結合して多硫化物Li2S8を形成する。 一方、陽極では、リチウム分子は電子を放棄して正に帯電したリチウムイオンを形成し、これらの解放された電子は外部回路（負荷）を通って移動し、陰極 電解質では、新たに生成されたLi2S8は、より多くのリチウムイオンおよびより多くの電子とすぐに反応して、新しいポリ硫化物Li2S6を形成する。 プロセスは続き、それ以上のpolysulfides、Li2S4およびLi2S2を通って最終的にLi2Sになるためにステップします。

    再充電はシーケンスを逆にします：印加された電流は電子を反対方向に流れさせ、硫黄電極または陰極は電子を放棄し、Li2SをLi2S2に変換します。 ポリスルフィドは、ｌｉ２Ｓ８が陰極内に生成されるまで、段階的に硫黄原子を添加し続ける。 そして、電子が放棄されるたびに、リチウムイオンが生成され、電解質を通って拡散し、リチウム電極で電子と結合してリチウム金属を形成する。 すべてのLi2SがLi2S8に変換されると、セルは完全に充電されます。この説明は簡略化されています。

    実際には、反応はより複雑で多数であり、電解質および陽極でも起こる。 実際、多くの充放電サイクルにわたって、リチウム-硫黄電池で劣化を引き起こすのはこれらの副反応です。 これらを、適切な材料および細胞構成の選択によって最小にすることは、長い寿命の有効な細胞を作り出すために会わなければならない基本的な、根本的な挑戦である。

    リチウムイオンとリチウム硫黄の両方の技術のための一つの大きな課題は、陽極を劣化させるために繰り返し充放電サイクルの傾向でした。 リチウムイオンの場合、その電極に到着するイオンは、通常、インターカレーションと呼ばれるプロセスである金属の隙間に収まる。 しかし、時にはイオンが表面をめっきし、さらなるめっきが蓄積する核を形成することがある。 多くの周期にフィラメント、か樹状突起は反対の電極および短絡に細胞に達するまで、回復不能に細胞を傷つける熱の形でエネルギーのサージを、引き起こ 1つの細胞がこのように分解すると、隣接する細胞が同じことをするように誘発し、熱暴走反応として知られるドミノ効果を開始することができま

    リチウム-硫黄電池では、リチウム-金属陽極の劣化も問題です。 しかし、これは非常に異なるメカニズム、樹状突起の形成を伴わないものを介して発生します。 リチウム硫黄電池では、陽極表面の不均一な電流密度により電池が満たされ、排出されると同時にリチウムはめっきされ、不均等に除去されます。 時間が経つにつれて、この不均一なめっきおよび剥離は、電解質中の硫化物および多硫化物と反応する陽極上の苔状の堆積物を引き起こす。 これらのmosslike沈殿物は化学反応のために利用できる陽極表面のより少しを残すバルク陽極から電気で切り離されるようになります。 最終的には、この劣化が進行するにつれて、陽極は動作しなくなり、セルが電荷を受け入れるのを妨げます。

    この劣化の問題に対する解決策を開発することは、多くの充放電サイクルにわたって高レベルで実行できるセルを製造するために重要です。 Oxisで追求してきた有望な戦略は、劣化を防ぐために、リチウム金属陽極にセラミック材料の薄い層をコーティングすることです。 このようなセラミック材料は、高いイオン伝導性を有し、電気的に絶縁性であり、機械的および化学的に堅牢である必要がある。 セラミック層は、リチウムイオンが妨げられずに通過し、下のバルクリチウム金属に組み込まれることを可能にする。私たちはpulsedeonとLeitatと協力して陽極の保護層についてこの作業を行っており、セルを放電して充電できる回数を劇的に増やすと楽観的です。

    そして、それは私たちの唯一のパートナーシップではありません。 また、Arkemaと協力して、電池の電力とエネルギー密度を高めるために陰極を改善しています。

    確かに、彼らの前任者の上にリチウムイオン電池の重要な利点-とリチウムイオンの上にリチウム硫黄の—細胞が質量の少量にパックすることがで 車の内燃機関をクランクする鉛酸の始動機電池はキログラムごとの約50ワット時間を貯えることができます。 典型的なリチウムイオン設計は、ピーク電力や長寿命など、最適化された他の性能特性に応じて、100〜265Wh/kgを保持することができます。 Oxisは最近470Wh/kgの能力が証明されたプロトタイプリチウム硫黄の袋の細胞を開発し、私達は年以内に500Wh/kgに達すると期待します。 また、この技術はまだ新しく、改善の余地があるため、600Wh/kgを2025年までに予測することは不合理ではありません。

    セルメーカーがエネルギー密度の数値を引用するとき、彼らは通常、セルが一定の低電力レートで放電されているときに利用可能なエネルギーを指定します。 ある適用ではそのような低率は良いですが、縦に離陸する多くの想像された電気航空機のために、エネルギーはより高い発電率で提供されなければ このような高電力機能は、総エネルギー貯蔵容量を低くするためにトレードオフする必要があります。

    

    さらに、単一のセルで達成可能なエネルギー密度のレベルは、そのような多くのセルからなるバッテリーで可能なものよりもかなり エネルギー密度は、ケース、バッテリ管理システム、接続、おそらく冷却システムなどのパッケージングが必要なため、セルからバッテリに直接変換されません。 重量は点検で保たれなければなりこのような理由で私達の会社は軽く、強い、防爆エンクロージャを開発するのに高度の複合材料を使用しています。包装が正しく行われれば、電池のエネルギー密度は電池のエネルギー密度の80％に保持することができます：450Wh/kgの定格セルは、最終的な電池で360Wh/kg以上 例えば、翼のスペースをバッテリーハウジングとして二重の義務にするなど、バッテリーを航空機に統合することで、より良いことを期待しています。 そうすることで、90％までの数字が得られると予想しています。

    安全性を損なうことなくバッテリーの性能を最適化するために、まず第一に、バッテリー管理システム（BMS）に依存しています。 それはまた充満の間に無駄になるエネルギーを最小にするための電池および他に残るエネルギーを測定するためのアルゴリズムを含んでいる。

    リチウムイオンセルと同様に、リチウム硫黄セルは互いにわずかに異なります。 これらの違いだけでなく、バッテリーパック内のセルの位置の違いは、いくつかのセルが一貫して他のものよりも熱く実行する可能性があります。 時間が経つにつれて、これらの高温はゆっくりと性能を低下させるので、セル間の電力差を最小限に抑えることが重要です。 これは通常、いくつかの抵抗がセルと並列に接続され、すべてがBMSのソフトウェアによって制御される単純なバランシングソリューションを使用して

    充電および放電速度が安全な制限内に保たれている場合でも、バッテリーは依然として過度の熱を発生させる可能性があります。

    充電および放電 そのため、通常は専用の熱管理システムが必要です。 電気自動車は液体冷却を使用することができますが、航空では、より少ない重量を追加するため、空冷がはるかに好まれます。 もちろん、バッテリーは、空気が飛行機の表面を横切って自然に移動している点、おそらく翼に配置することができます。 必要であれば、空気は管を通して電池に分流することができる。 Oxisでは、このような冷却を最適化するために計算モデリングを使用しています。 例えば、小型固定翼航空機のプロジェクトでこの技術を導入したとき、バッテリーが完全に放電される前にバッテリーが温度限界に達する効果的な熱上記のように、電池パックは、典型的には、セルを並列および直列の両方で配置される。

    上記のように、電池パックは、典型的には、セルを並列および直列 しかし、細胞の配置にはさらに多くのことがあります。 当然、電池はe平面の成果重視の部品である、従って高められた安全のための重複が、ほしいと思う。 たとえば、バッテリーを2つの等しい部分に設計して、半分が故障した場合に切断し、制御された降下と着陸を管理するのに十分なエネルギーを航空機に残

    BMS内の別のソフトウェアコンポーネントは、state-of-chargeアルゴリズムです。 燃料計がタンクの容量の25パーセントに相当する測定誤差を持っていた車を運転しなければならないことを想像してみてください。 あなただけの車が停止するスパッタしないことを確認するために、インジケータが25パーセントに低下させることはありませんでした。 あなたの実用的な範囲は、車の実際の範囲のわずか四分の三になります。 このような無駄を避けるために、Oxisは電荷状態アルゴリズムの開発に大きな重点を置いています。

    リチウムイオン電池では、単にエネルギーレベルのように落ちる電圧を測定することによって電荷を推定することができます。 しかし、それはリチウム硫黄電池のためにそれほど単純ではありません。 リチウム-硫黄電池では、充放電中の異なる時間に電気化学プロセスにおいて異なる多硫化物が存在することを思い出してください。 結論は、電圧が充電状態の良いプロキシではなく、物事をさらに複雑にするために、電圧曲線は充電と放電のために非対称であるということです。 したがって、電荷の状態を追跡するために必要なアルゴリズムは、はるかに洗練されています。 私たちは、カルマンフィルタとニューラルネットワークの間で統計的手法を使用して、英国のクランフィールド大学と私たちのものを開発しました。 我々は数パーセントの精度に電荷の状態を推定することができ、我々はまだより良いことをするために取り組んでいます。

    これらの設計の選択肢はすべて、異なる飛行機のために異なるトレードオフを伴います。 これらのトレードオフをどのように管理するかは、三つの異なるタイプの航空機のバッテリー設計を調整するために異なります。

    • 高高度擬似衛星（HAPS）は、約15,000〜20,000メートルで飛行する航空機です。 現在の記録は26日で、2018年にAirbus Zephyr Sによって設定されています。日中は、これらの航空機はソーラーパネルを使用してモーターに電力を供給し、バッテリーを充電します。夜にはバッテリーの電力で飛行します。 24時間の充放電期間はわずかな電力しか必要としないため、軽いバッテリを設計して大きなペイロードを可能にすることができます。 軽さはまた、そのような航空機が夜が長く続く赤道から遠くに飛ぶことを容易にする。
    • 電気垂直離着陸（eVTOL）航空機は、飛行タクシーとして開発されています。 ドイツのLilium、およびUber Elevateは、とりわけ、すでにそのようなプロジェクトが進行中です。 繰り返しますが、重量は重要ですが、ここでは電池は軽量である必要があるだけでなく、強力でなければなりません。 したがって、Oxisは、その細胞化学の2つのバージョンを開発しました。 高エネルギー版は細胞の設計の多くの面で重量を最小にするために最大限に活用されるが比較的低い電力に限られる;それはHAPSの適用に最も適する。 高性能版はまだ対等な性能のリチウムイオン電池よりかなりより少しが、多くを重量を量る;それはeVTOLのような適用のためにうってつけである。
    • 光固定翼航空機：パイロットの需要の増加は、それらを訓練する高コストに対して来ています; 全電動練習機は、運用コストを大幅に削減することができます。 主要因はより軽い電池によって可能になるより長い飛行持続期間である。 コロラド州のBye Aerospaceは、そのような航空機の道をリードする1つの会社です。 さらに、ライト—エレクトリックと提携しているイージージェットのような他の企業は、短距離、2時間のフライトのための全電動商用旅客ジェットを計画している。リチウム-硫黄電池が最終的に成功するか失敗するかを決定する3つの要因があります。

    まず、原理を証明するために、複数の航空機の種類に電池の成功した統合です。 第二は、細胞化学の継続的な洗練です。 第三は、単価の継続的な削減です。 ここでのプラスは、硫黄は材料が得るほど安いということですので、商業的成功に必要なように、量産では、単位コストがリチウムイオン設計のそれを下回ることを期待する理由があります。

    Oxisはすでに数万の細胞を生産しており、現在二つの新しいプロジェクトをスケールアップしています。 現在、ウェールズのポート-タルボットに電解質と正極活物質の両方を製造する製造工場を設立しています。 その後、ブラジルのミナスジェライス州にあるMercedes-Benz Brazilのサイトでリチウム-硫黄電池の実際の量産が開始されます。この最先端の工場は、2023年までに委託および運営する必要があります。

    規模の経済が証明され、我々が期待するように電気航空機の需要が上昇すれば、リチウム硫黄電池はこの分野でリチウムイオン電池に取って代わ そして、空気中で働くものは、同様に、地面に動作する必要があります。この記事は、2020年8月号に「電気飛行機用超軽量電池」として掲載されています。”

    著者について

    Mark Crittendenは、英国オックスフォードシャーのOxis Energyのバッテリー開発と統合の責任者です