Oxis Energy design belooft uitstekende energie-dichtheid, de produceerbaarheid en veiligheid

elektrische vliegtuigen zijn de rage, met prototypes in ontwikkeling in elke grootte van levering drones tot passagiersvliegtuigen. Maar de technologie moet nog opstijgen, en om één reden: gebrek aan een geschikte batterij.

voor een groot passagiersvliegtuig om op te stijgen, te cruisen en te landen op honderden kilometers afstand zouden batterijen nodig zijn die duizenden kilo ‘ s wegen—veel te zwaar voor het vliegtuig om in de lucht te kunnen komen in de eerste plaats. Zelfs voor relatief kleine vliegtuigen, zoals trainers met twee zitplaatsen, beperkt het gewicht van de batterijen het laadvermogen van het vliegtuig, beperkt het bereik en beperkt het dus waar het vliegtuig kan vliegen. Het verminderen van het batterijgewicht zou een voordeel zijn, niet alleen voor de luchtvaart, maar ook voor andere elektrische voertuigen, zoals auto ‘ s, vrachtwagens, bussen en boten, waarvan de prestaties ook direct gekoppeld zijn aan de energie-gewichtsverhouding van hun batterijen.

voor dergelijke toepassingen is de huidige batterij bij uitstek lithium-ion. Het bereikte volwassenheid jaren geleden, met elke nieuwe incrementele verbetering kleiner dan de laatste. We hebben een nieuwe chemie nodig.sinds 2004 werkt mijn bedrijf, Oxis Energy, in Oxfordshire, Engeland, aan een van de grootste kanshebbers—lithiumzwavel. Onze batterijtechnologie is extreem licht: onze meest recente modellen bereiken meer dan het dubbele van de energiedichtheid die kenmerkend is voor lithium-ion-batterijen. Lithium zwavel is ook in staat om de vereiste niveaus van macht en duurzaamheid die nodig zijn voor de luchtvaart, en, het belangrijkste, het is veilig genoeg. Immers, een vliegtuig kan niet omgaan met een plotselinge brand of een andere calamiteit door gewoon te trekken naar de kant van de weg.

de nieuwe technologie heeft lang op zich laten wachten, maar het wachten is nu voorbij. De eerste reeks proeven zijn al afgerond.

in principe bestaat een lithium-zwavelcel uit vier componenten:

• de positieve elektrode, bekend als de kathode, absorbeert elektronen tijdens ontlading. Het is aangesloten op een aluminiumfolie stroom collector gecoat met een mengsel van koolstof en zwavel. Zwavel is het actieve materiaal dat deelneemt aan de elektrochemische reacties. Maar het is een elektrische isolator, dus koolstof, een geleider, levert elektronen af waar ze nodig zijn. Er is ook een kleine hoeveelheid bindmiddel toegevoegd om de koolstof en zwavel samen te houden in de kathode.
• de negatieve elektrode, of anode, geeft elektronen af tijdens de ontlading. Het is verbonden met pure lithiumfolie. Ook het lithium fungeert als stroomverzamelaar, maar het is ook een actief materiaal, dat deelneemt aan de elektrochemische reactie.
• een poreuze afscheider voorkomt dat de twee elektroden elkaar raken en kortsluiting veroorzaken. De afscheider wordt gebaad in een elektrolyt dat lithiumzouten bevat.
• een elektrolyt vergemakkelijkt de elektrochemische reactie door de beweging van ionen tussen de twee elektroden mogelijk te maken.

deze componenten zijn verbonden en verpakt in folie als een zakcel. De cellen worden op hun beurt met elkaar verbonden—zowel in serie als parallel—en verpakt in een 20 ampère-uur, 2,15-volt batterij. Voor een groot voertuig zoals een vliegtuig, scores van packs zijn aangesloten op een batterij in staat om tientallen of honderden amp-uur bij enkele honderden volt te creëren.

Lithium-zwavelbatterijen zijn ongebruikelijk omdat ze door meerdere stadia gaan terwijl ze ontladen, waarbij ze telkens een andere, verschillende moleculaire soort lithium en zwavel vormen. Wanneer een cel ontladt, migreren de lithiumionen in de elektrolyt naar de kathode, waar zij met zwavel en elektronen combineren om een polysulfide, Li2S8 te vormen. Bij de anode geven lithiummoleculen elektronen op om positief geladen lithiumionen te vormen; deze vrijgekomen elektronen bewegen dan door het externe circuit—de belasting-dat hen terugbrengt naar de kathode. In de elektrolyt reageert de nieuw geproduceerde Li2S8 onmiddellijk met meer lithiumionen en meer elektronen om een nieuw polysulfide te vormen, Li2S6. Het proces gaat door, stapend door verdere polysulfiden, Li2S4 en Li2S2, om uiteindelijk Li2S te worden. bij elke stap wordt meer energie opgegeven en doorgegeven aan de lading totdat de cel eindelijk van energie is uitgeput.

Het opladen keert de volgorde om: een toegepaste stroom dwingt elektronen om in de tegenovergestelde richting te stromen, waardoor de zwavelelektrode, of kathode, elektronen afgeeft en Li2S omzet in Li2S2. Het polysulfide blijft zwavelatomen stap-voor-stap toevoegen totdat Li2S8 in de kathode wordt gecreëerd. En elke keer dat elektronen worden opgegeven, worden lithiumionen geproduceerd die vervolgens door de elektrolyt diffunderen, gecombineerd met elektronen bij de lithiumelektrode om lithiummetaal te vormen. Wanneer alle Li2S is omgezet in Li2S8, is de cel volledig opgeladen.

deze beschrijving is vereenvoudigd. In werkelijkheid zijn de reacties complexer en talrijker, ook in het elektrolyt en in de anode. In feite, over vele last en lossingscycli, zijn het deze zijreacties die degradatie in een lithium-zwavelcel veroorzaken. Het minimaliseren van deze, door de selectie van de juiste materialen en celconfiguratie, is de fundamentele, onderliggende uitdaging die moet worden voldaan om een efficiënte cel met een lange levensduur te produceren.

bij lithium-zwavelcellen is de afbraak van de lithium-metaalanode ook een probleem. Dit gebeurt echter via een heel ander mechanisme, een waarbij de vorming van dendrieten niet betrokken is. In lithium-zwavelcellen veroorzaken ongelijke stroomdichtheden op het anodeoppervlak dat lithium ongelijk wordt geplateerd en gestript naarmate de batterij wordt opgeladen en ontladen. Na verloop van tijd, veroorzaakt dit ongelijke plateren en strippen mossachtige afzettingen op de anode die met het sulfide en polysulfiden in het elektrolyt reageren. Deze mossachtige afzettingen worden elektrisch losgekoppeld van de bulk anode, waardoor minder van het anode-oppervlak beschikbaar is voor chemische reactie. Uiteindelijk, aangezien deze degradatie vordert, slaagt de anode er niet in om te werken, die de cel verhinderen lading te accepteren.

het ontwikkelen van oplossingen voor dit afbraakprobleem is cruciaal voor het produceren van een cel die op een hoog niveau kan presteren gedurende vele ladings-ontladingscycli. Een veelbelovende strategie die we hebben gevolgd bij Oxis bestaat uit het coaten van de lithium-metaal anode met dunne lagen van keramische materialen om degradatie te voorkomen. Dergelijke keramische materialen moeten een hoge Ionische geleidbaarheid hebben en elektrisch isolerend zijn, evenals mechanisch en chemisch robuust. De keramische lagen laten lithiumionen ongehinderd passeren en worden opgenomen in het bulk lithiummetaal eronder.

We doen dit werk aan de beschermlaag voor de anode in samenwerking met Pulsedeon en Leitat, en we zijn optimistisch dat het het aantal keren dat een cel kan worden ontladen en opgeladen dramatisch zal verhogen. En het is niet ons enige partnerschap. We werken ook samen met Arkema om de kathode te verbeteren om zo het vermogen en de energiedichtheid van de batterij te verhogen.het belangrijkste voordeel van lithium-ion—batterijen ten opzichte van hun voorgangers—en van lithium-zwavel ten opzichte van lithium-ion-is de grote hoeveelheid energie die de cellen in een kleine hoeveelheid massa kunnen verpakken. De lood-zuur startaccu die de verbrandingsmotor in een auto krukt, kan ongeveer 50 watt-uur per kilogram opslaan. Typische lithium-ion-ontwerpen kunnen 100 tot 265 Wh/kg bevatten, afhankelijk van de andere prestatiekenmerken waarvoor het is geoptimaliseerd, zoals piekvermogen of lange levensduur. Oxis ontwikkelde onlangs een prototype lithium-zwavel pouch cel die in staat bleek 470 Wh/kg, en we verwachten te bereiken 500 Wh / kg binnen een jaar. En omdat de technologie nog nieuw is en nog ruimte voor verbetering biedt, is het niet onredelijk om te anticiperen op 600 Wh / kg tegen 2025.

wanneer celfabrikanten energiedichtheidscijfers vermelden, specificeren zij meestal de energie die beschikbaar is wanneer de cel wordt ontladen bij een constant, laag vermogen. In sommige toepassingen zijn zulke lage tarieven prima, maar voor de vele beoogde elektrische vliegtuigen die verticaal opstijgen, moet de energie worden geleverd bij hogere vermogenssnelheden. Een dergelijk hoog vermogen moet worden ingeruild voor een lagere totale energieopslagcapaciteit.

bovendien zou het niveau van de energiedichtheid in een enkele cel aanzienlijk groter kunnen zijn dan wat mogelijk is in een batterij die uit veel van dergelijke cellen bestaat. De energiedichtheid vertaalt zich niet direct van de cel naar de batterij omdat cellen een verpakking nodig hebben – de behuizing, het batterijbeheersysteem, en de aansluitingen, en misschien koelsystemen. Het gewicht moet onder controle worden gehouden, en om deze reden gebruikt ons bedrijf geavanceerde composietmaterialen om lichte, sterke, drukvaste behuizingen te ontwikkelen.

om de prestaties van de batterij te optimaliseren zonder de veiligheid in gevaar te brengen, vertrouwen we in de eerste plaats op een battery management system (BMS), een combinatie van software en hardware die de batterij bestuurt en beschermt. Het bevat ook algoritmen voor het meten van de resterende energie in een batterij en anderen voor het minimaliseren van de energie verspild tijdens het opladen.

net als lithium-ion cellen variëren lithium-zwavelcellen enigszins van elkaar. Deze verschillen, evenals verschillen in de positie van de cellen in het batterijpakket, kunnen ertoe leiden dat sommige cellen steeds heter lopen dan andere. Na verloop van tijd, degraderen die hoge temperaturen langzaam prestaties, zodat is het belangrijk om de machtsverschillen van cel aan cel te minimaliseren. Dit wordt meestal bereikt met behulp van een eenvoudige balanceeroplossing, waarbij meerdere weerstanden parallel met een cel worden verbonden, allemaal gecontroleerd door software in het BMS.

zelfs wanneer de laad-en ontlaadsnelheden binnen veilige grenzen worden gehouden, kan een batterij nog steeds overmatige warmte produceren. Dus, typisch, een speciaal thermisch-management systeem is noodzakelijk. Een elektrische auto kan vloeistofkoeling gebruiken, maar in de luchtvaart heeft luchtkoeling veel de voorkeur omdat het minder gewicht toevoegt. Natuurlijk kan de batterij worden geplaatst op een punt waar lucht van nature beweegt over het oppervlak van het vliegtuig—misschien de vleugel. Indien nodig kan lucht via leidingen naar de batterij worden geschuurd. Bij Oxis gebruiken we computationele modellering om zo ‘ n koeling te optimaliseren. Toen we deze techniek bijvoorbeeld introduceerden in een project voor een klein vliegtuig met vaste vleugels, konden we een effectief thermisch beheersysteem ontwerpen, zonder welke de batterij zijn temperatuurgrens zou bereiken voordat hij volledig werd ontladen.

zoals hierboven vermeld, is een batterijpakket meestal gerangschikt met de cellen zowel parallel als in serie. Er is echter meer aan de rangschikking van cellen. Natuurlijk is de batterij een bedrijfskritisch onderdeel van een e-plane, dus je wilt redundantie, voor meer veiligheid. Je zou bijvoorbeeld de batterij in twee gelijke delen kunnen ontwerpen, zodat als de ene helft uitvalt deze kan worden losgekoppeld, zodat het vliegtuig minstens genoeg energie heeft om een gecontroleerde afdaling en landing te kunnen uitvoeren.

een andere softwarecomponent binnen het BMS is het state-of-charge algoritme. Stel je voor dat je moet rijden met een auto waarvan de brandstofmeter een meetfout had die gelijk was aan 25 procent van de tankinhoud. Je zou de indicator nooit laten zakken naar 25 procent, alleen maar om ervoor te zorgen dat de auto niet tot stilstand zou sputteren. Uw praktische bereik zou slechts driekwart van het werkelijke bereik van de auto zijn. Om dergelijk afval te voorkomen, heeft Oxis een grote nadruk gelegd op de ontwikkeling van state-of-charge algoritmen.

in een lithium-ion batterij kunt u de lading schatten door simpelweg de spanning te meten, die daalt zoals het energieniveau. Maar het is niet zo eenvoudig voor een lithium-zwavel batterij. Bedenk dat in de lithium-zwavelbatterij verschillende polysulfiden in het elektrochemische proces op verschillende tijdstippen tijdens het laden en lossen voorkomen. Het resultaat is dat spanning geen goede proxy is voor de ladingstoestand en om de dingen nog ingewikkelder te maken, is de spanningscurve asymmetrisch voor lading en voor ontlading. Dus de algoritmen die nodig zijn om de ladingstoestand bij te houden, zijn veel geavanceerder. We ontwikkelden de Onze met Cranfield University, in Engeland, met behulp van statistische technieken, waaronder het Kalman-filter, evenals neurale netwerken. We kunnen de ladingstoestand met een nauwkeurigheid van een paar procent inschatten, en we werken nog steeds om het beter te doen.

al deze ontwerpkeuzes houden trade-offs in, die verschillend zijn voor verschillende vliegtuigen. We variëren hoe we deze trade-offs beheren om onze batterijontwerpen op maat te maken voor drie verschillende soorten vliegtuigen.

• pseudo-satellieten op grote hoogte zijn vliegtuigen die op ongeveer 15.000 tot 20.000 meter vliegen. De hoop is om maandenlang te kunnen vliegen; het huidige record is 26 dagen, ingesteld in 2018 door de Airbus Zephyr S. overdag gebruiken deze vliegtuigen zonnepanelen om de motoren aan te drijven en de batterijen op te laden; ‘ s nachts vliegen ze op batterijvermogen. Omdat de oplaad-en ontlaadperiode van 24 uur slechts een beetje stroom vergt, kunt u een lichte batterij ontwerpen en zo een grote payload mogelijk maken. De lichtheid maakt het ook makkelijker voor zo ‘ n vliegtuig om ver van de evenaar te vliegen, waar de nacht langer duurt.
• Electric vertical take-off and landing (eVTOL) vliegtuigen worden ontwikkeld als vliegende taxi ‘ s. Lilium, in Duitsland, en Uber Elevate, onder anderen, hebben al dergelijke projecten aan de gang. Ook hier is het gewicht van cruciaal belang, maar hier moeten de batterijen niet alleen licht zijn, maar ook krachtig. Oxis heeft daarom twee versies van zijn celchemie ontwikkeld. De high-energy versie is geoptimaliseerd in vele aspecten van het celontwerp om gewicht te minimaliseren, maar het is beperkt tot relatief laag vermogen; het is het meest geschikt voor HAPS toepassingen. De high-power versie weegt meer, hoewel nog steeds aanzienlijk minder dan een lithium-ion batterij met vergelijkbare prestaties; het is zeer geschikt voor toepassingen zoals eVTOL.
• lichte vliegtuigen met vaste vleugels: de toenemende vraag naar piloten komt tegemoet aan de hoge kosten van opleiding; een volledig elektrisch instructievliegtuig zou de exploitatiekosten drastisch verlagen. Een belangrijke factor is de langere vluchtduur, die wordt ingeschakeld door de lichtere batterij. Bye Aerospace, in Colorado, is een bedrijf toonaangevend in dergelijke vliegtuigen. Bovendien plannen andere bedrijven—zoals Easyjet, samen met Wright Electric—volledig elektrische commerciële passagiersvliegtuigen voor korte vluchten van 2 uur.