Oxis Energys design lover enestående energitetthet, produserbarhet og sikkerhet

Elektriske fly er alle raseri, med prototyper i utvikling i alle størrelser fra levering droner til passasjerfly. Men teknologien har ennå ikke tatt av, og av en grunn: mangel på et passende batteri.for et stort passasjerfly å ta av, cruise og lande hundrevis av kilometer unna, ville det ta batterier som veier tusenvis av kilo-altfor tungt for flyet å kunne komme inn i luften i utgangspunktet. Selv for relativt små fly, for eksempel to-seters trenere, begrenser den rene vekten av batterier flyets nyttelast, begrenser rekkevidden og begrenser dermed hvor flyet kan fly. Å redusere batterivekten vil være en fordel ikke bare for luftfart, men for andre elektriske kjøretøy, for eksempel biler, lastebiler, busser og båter, hvis ytelse også er direkte knyttet til energi-til-vektforholdet til batteriene.

for slike applikasjoner er dagens batteri av valg litium ion. Den nådde modenhet år siden, med hver ny inkrementell forbedring mindre enn den forrige. Vi trenger en ny kjemi.Siden 2004 har Mitt firma, Oxis Energy, I Oxfordshire, England, jobbet med en av de ledende utfordrerne—litium svovel. Vår batteriteknologi er ekstremt lett: Våre nyeste modeller oppnår mer enn det dobbelte av energitettheten som er typisk for litiumionbatterier. Litiumsvovel er også i stand til å gi de nødvendige nivåene av kraft og holdbarhet som trengs for luftfart, og viktigst er det trygt nok. Tross alt kan et fly ikke håndtere en plutselig brann eller annen ulykke ved å bare trekke til siden av veien.

den nye teknologien har kommet lenge, men ventetiden er nå over. Det første settet med flyforsøk er allerede fullført.I Utgangspunktet består en litium-svovelcelle av fire komponenter: den positive elektroden, kjent som katoden, absorberer elektroner under utladning. Den er koblet til en aluminiumsfoliestrømsamler belagt med en blanding av karbon og svovel. Svovel er det aktive materialet som deltar i de elektrokjemiske reaksjonene. Men det er en elektrisk isolator, så karbon, en leder, leverer elektroner til hvor de trengs. Det er også en liten mengde bindemiddel tilsatt for å sikre at karbon og svovel holder sammen i katoden.

den negative elektroden, eller anoden, frigjør elektroner under utladning. Den er koblet til ren litiumfolie. Litiumet fungerer også som en strømkollektor, men det er også et aktivt materiale som deltar i den elektrokjemiske reaksjonen.

en porøs separator forhindrer at de to elektrodene berører og forårsaker kortslutning. Separatoren er badet i en elektrolytt som inneholder litiumsalter.

en elektrolytt letter den elektrokjemiske reaksjonen ved å tillate bevegelse av ioner mellom de to elektrodene.

disse komponentene er koblet sammen og pakket i folie som en posecelle. Cellene er i sin tur koblet sammen – både i serie og parallelt-og pakket i en 20 ampere-timers, 2,15-volts batteripakke. For et stort kjøretøy som et fly, er mange pakker koblet til for å skape et batteri som er i stand til å gi tiere eller hundrevis av amp-timer ved flere hundre volt.Litium-svovelbatterier er uvanlige fordi De går gjennom flere stadier når de tømmes, hver gang de danner en annen, distinkt molekylær art av litium og svovel. Når en celle tømmes, migrerer litiumioner i elektrolytten til katoden, hvor de kombinerer med svovel og elektroner for å danne et polysulfid, Li2S8. Ved anoden gir litiummolekyler opp elektroner for å danne positivt ladede litiumioner; disse frigjorte elektronene beveger seg deretter gjennom den eksterne kretsen—lasten—som tar dem tilbake til katoden. I elektrolytten reagerer Den nyopprettede Li2S8 umiddelbart med flere litiumioner og flere elektroner for å danne Et nytt polysulfid, Li2S6. Prosessen fortsetter, går gjennom ytterligere polysulfider, Li2S4 Og Li2S2, for til slutt Å bli Li2S. ved hvert trinn blir mer energi gitt opp og sendt til lasten til endelig cellen er utarmet av energi.Oppladning reverserer sekvensen: en anvendt strøm tvinger elektroner til å strømme i motsatt retning, noe som får svovelelektroden, eller katoden, til å gi opp elektroner, konvertere Li2S Til Li2S2. Polysulfidet fortsetter å tilsette svovelatomer trinn for trinn til Li2S8 er opprettet i katoden. Og hver gang elektroner blir gitt opp, blir litium-ioner produsert som deretter diffunderer gjennom elektrolytten, kombinere med elektroner ved litiumelektroden for å danne litiummetall. Når Alle Li2S er konvertert Til Li2S8, er cellen fulladet.

denne beskrivelsen er forenklet. I virkeligheten er reaksjonene mer komplekse og mange, som også foregår i elektrolytten og ved anoden. Faktisk, over mange ladnings-og utslippssykluser, er det disse sidereaksjonene som forårsaker nedbrytning i en litium-svovelcelle. Minimering av disse, gjennom valg av passende materialer og cellekonfigurasjon, er den grunnleggende, underliggende utfordringen som må oppfylles for å produsere en effektiv celle med lang levetid.

med litium-svovelceller er nedbrytning av litiummetallanoden også et problem. Dette skjer imidlertid via en helt annen mekanisme, en som ikke involverer dannelsen av dendriter. I litium-svovelceller forårsaker ujevn strømtetthet på anodeoverflaten litium å bli belagt og strippet ujevnt når batteriet er ladet og utladet. Over tid forårsaker denne ujevne plating og stripping moslignende avsetninger på anoden som reagerer med sulfidet og polysulfidene i elektrolytten. Disse moslignende avsetningene blir elektrisk koblet fra bulkanoden, noe som gir mindre av anodeoverflaten tilgjengelig for kjemisk reaksjon. Til slutt, når denne nedbrytningen utvikler seg, mislykkes anoden i å fungere, og forhindrer cellen i å akseptere ladning.Å Utvikle løsninger på dette nedbrytningsproblemet er avgjørende for å produsere en celle som kan utføre på høyt nivå over mange ladningsutladningssykluser. En lovende strategi Vi har fulgt På Oxis innebærer å belegge litiummetallanoden med tynne lag av keramiske materialer for å forhindre nedbrytning. Slike keramiske materialer må ha høy ionisk ledningsevne og være elektrisk isolerende, så vel som mekanisk og kjemisk robust. De keramiske lagene tillater litiumioner å passere uhindret og bli innlemmet i bulklitiummetallet under.

Vi gjør dette arbeidet på beskyttelseslaget for anoden i samarbeid med Pulsedeon og Leitat, og vi er optimistiske at det vil øke dramatisk antall ganger en celle kan slippes ut og lades. Og det er ikke vårt eneste partnerskap. Vi jobber også Med Arkema for å forbedre katoden for å øke batteriets kraft og energitetthet.faktisk er den viktigste fordelen med litiumionbatterier over sine forgjengere-og litiumsvovel over litiumion – den store mengden energi cellene kan pakke inn i en liten mengde masse. Blysyrebatteriet som skrur forbrenningsmotoren i en bil, kan lagre ca 50 watt-timer per kilo. Typiske litium-ion-design kan holde fra 100 til 265 Wh/kg, avhengig av de andre ytelsesegenskapene som den er optimalisert for, for eksempel toppkraft eller lang levetid. Oxis utviklet nylig en prototype litium-svovelposecelle som viste seg å være i stand til 470 Wh/kg, og vi forventer å nå 500 Wh/kg innen et år. Og fordi teknologien fortsatt er ny og har rom for forbedring, er det ikke urimelig å forutse 600 Wh/kg innen 2025.

når celleprodusenter oppgir tall for energitetthet, angir de vanligvis energien som er tilgjengelig når cellen slippes ut ved konstante, lave strømhastigheter. I noen applikasjoner er slike lave priser fine, men for de mange forestillte elektriske flyene som vil ta av vertikalt, må energien leveres til høyere strømpriser. En slik høyeffektsfunksjon må byttes ut for lavere total energilagringskapasitet.

videre kan nivået av energitetthet oppnåelig i en enkelt celle være betydelig større enn det som er mulig i et batteri som består av mange slike celler. Energitettheten oversetter ikke direkte fra cellen til batteriet fordi cellene krever emballasje—saken, batteristyringssystemet og tilkoblingene, og kanskje kjølesystemer. Vekten må holdes i sjakk, og derfor bruker vårt firma avanserte komposittmaterialer for å utvikle lyse, sterke, flammesikre kabinetter.Hvis emballasjen er gjort riktig, kan energitettheten til batteriet holdes til 80 prosent av cellene: en celle vurdert til 450 Wh / kg kan pakkes på mer enn 360 Wh / kg i det endelige batteriet. Vi forventer å gjøre det bedre ved å integrere batteriet i flyet, for eksempel ved å gjøre vingeplassen dobbelt som batterihuset. Vi forventer at dette vil få tallet opp til 90 prosent.For å optimalisere batteriytelsen uten at det går ut over sikkerheten, er vi først og fremst avhengige av et batteristyringssystem (bms), som er en kombinasjon av programvare og maskinvare som styrer og beskytter batteriet. Det inkluderer også algoritmer for å måle energien som er igjen i et batteri og andre for å minimere energien bortkastet under lading.

som litium-ion-celler varierer litium-svovelceller litt fra hverandre. Disse forskjellene, samt forskjeller i cellens posisjon i batteripakken, kan føre til at noen celler konsekvent kjører varmere enn andre. Over tid reduserer de høye temperaturene sakte ytelsen, så det er viktig å minimere strømforskjellene fra celle til celle. Dette oppnås vanligvis ved hjelp av en enkel balanseringsløsning, hvor flere motstander er koblet parallelt med en celle, alt styrt av programvare i BMS.

selv når lading og utlading holdes innenfor trygge grenser, kan batteriet likevel generere sterk varme. Så vanligvis er et dedikert termisk styringssystem nødvendig. En elektrisk bil kan bruke flytende kjøling, men i luftfart er luftkjøling mye foretrukket fordi den legger mindre vekt. Selvfølgelig kan batteriet plasseres på et punkt der luften naturlig beveger seg over flyets overflate-kanskje vingen. Om nødvendig kan luft skyves til batteriet gjennom kanaler. På Oxis bruker Vi beregningsmodellering for å optimalisere slik kjøling. For eksempel, da vi introduserte denne teknikken i et prosjekt for et lite fastvinget fly, tillot det oss å designe et effektivt termisk styringssystem, uten hvilket batteriet ville nå sine temperaturgrenser før det ble helt utladet.

som nevnt ovenfor er en batteripakke vanligvis arrangert med cellene både parallelt og i serie. Det er imidlertid mer til arrangementet av celler. Selvfølgelig er batteriet en virksomhetskritisk komponent i et e-fly, så du vil ha redundans, for økt sikkerhet. Du kan for eksempel designe batteriet i to like deler, slik at hvis en halv mislykkes, kan den kobles fra, slik at flyet med minst nok energi til å styre en kontrollert nedstigning og landing.

En annen programvarekomponent i BMS er tilstandsalgoritmen. Tenk deg å måtte kjøre en bil hvis drivstoffmåler hadde en målefeil som tilsvarer 25 prosent av tankens kapasitet. Du vil aldri la indikatoren falle til 25 prosent, bare for å sikre at bilen ikke ville sputte til slutt. Din praktiske rekkevidde vil bare være tre fjerdedeler av bilens faktiske rekkevidde. For å unngå slikt avfall har Oxis lagt stor vekt på utvikling av state-of-charge algoritmer.

i et litiumionbatteri kan du estimere ladningen ved å bare måle spenningen, som faller som energinivået gjør. Men det er ikke så enkelt for et litium-svovelbatteri. Husk at i litium-svovelbatteriet er forskjellige polysulfider i den elektrokjemiske prosessen på forskjellige tidspunkter under ladning og utladning. Resultatet er at spenningen ikke er en god proxy for ladestaten, og for å gjøre ting enda mer komplisert, er spenningskurven asymmetrisk for ladning og utladning. Så algoritmene som trengs for å holde styr på ladestaten, er mye mer sofistikerte. Vi utviklet vår med Cranfield University, I England, ved hjelp av statistiske teknikker, blant Dem Kalman filter, samt nevrale nettverk. Vi kan anslå ladestatus til en nøyaktighet på noen få prosent, og vi jobber for å gjøre det enda bedre.

Alle disse designvalgene innebærer avveininger, som er forskjellige for forskjellige fly. Vi varierer hvordan vi håndterer disse avveiningene for å skreddersy våre batteridesign for tre forskjellige typer fly.

• pseudo-satellitter Med høy høyde (Haps) er fly som flyr på rundt 15.000 til 20.000 meter. Håpet er å kunne fly i flere måneder om gangen; gjeldende rekord er 26 dager, satt i 2018 Av Airbus Zephyr S. om dagen bruker disse flyene solcellepaneler for å drive motorene og lade batteriene; om natten flyr de på batteristrøm. Fordi 24-timers lade – og utladningsperioden krever bare litt strøm, kan du designe et lett batteri og dermed tillate en stor nyttelast. Lysheten gjør det også lettere for et slikt fly å fly langt fra ekvator, hvor natten varer lenger.elektrisk vertikal start og landing (eVTOL) fly blir utviklet som flygende drosjer. Lilium, I Tyskland, Og Uber Elevate, blant andre, har allerede slike prosjekter i gang. Igjen er vekten kritisk, men her må batteriene ikke bare være lette, men må også være kraftige. Oxis har derfor utviklet to versjoner av sin cellekjemi. Høyenergiversjonen er optimalisert i mange aspekter av celledesignet for å minimere vekten, men den er begrenset til relativt lav effekt; den passer best TIL HAPS-applikasjoner. Den kraftige versjonen veier mer, men fortsatt betydelig mindre enn et litiumionbatteri med sammenlignbar ytelse; den passer godt til slike applikasjoner som eVTOL.Lett fly med fast vinge: den økende etterspørselen etter piloter kommer opp mot de høye kostnadene ved å trene dem; et helelektrisk treningsfly vil dramatisk redusere driftskostnadene. En nøkkelfaktor er lengre flyvarighet, som aktiveres av lighterbatteriet. Bye Aerospace, I Colorado, er et selskap som leder veien i slike fly. Videre planlegger Andre selskaper—Som EasyJet, samarbeidet Med Wright Electric—all-elektriske kommersielle passasjerfly for kortdistanse, 2-timers flyvninger.