projekt Oxis Energy obiecuje wyjątkową gęstość energii, możliwość produkcji i bezpieczeństwo

samoloty elektryczne są w szale, z prototypami w rozwoju w każdym rozmiarze, od dronów dostawczych do samolotów pasażerskich. Ale Technologia jeszcze nie wystartowała i z jednego powodu: brak odpowiedniej baterii.

dla dużego samolotu pasażerskiego do startu, rejsu i lądowania setki kilometrów dalej potrzeba byłoby baterii, które ważą tysiące kilogramów—zdecydowanie zbyt ciężkie, aby samolot mógł dostać się w powietrze w pierwszej kolejności. Nawet w przypadku stosunkowo małych samolotów, takich jak dwumiejscowe trenażery, sama masa baterii ogranicza ładowność samolotu, ogranicza jego zasięg, a tym samym ogranicza miejsce, w którym samolot może latać. Zmniejszenie masy akumulatora byłoby korzystne nie tylko dla lotnictwa, ale także dla innych pojazdów elektrycznych, takich jak samochody osobowe, ciężarówki, autobusy i łodzie, których wydajność jest również bezpośrednio związana ze stosunkiem energii do masy akumulatorów.

w takich zastosowaniach dzisiejszą baterią jest bateria litowo-jonowa. Osiągnął dojrzałość lat temu, z każdym nowym stopniowym ulepszeniem mniejszym niż poprzedni. Potrzebujemy nowej chemii.

od 2004 roku moja firma, Oxis Energy, w Oxfordshire w Anglii, pracuje nad jednym z wiodących konkurentów—siarką litu. Nasza technologia baterii jest niezwykle lekka: nasze najnowsze modele osiągają ponad dwukrotnie większą gęstość energii niż typowa dla akumulatorów litowo-jonowych. Siarka litowa jest również w stanie zapewnić wymagany poziom mocy i trwałości potrzebny lotnictwu, a co najważniejsze, jest wystarczająco bezpieczna. W końcu samolot nie może poradzić sobie z nagłym pożarem lub inną katastrofą, po prostu ciągnąc na pobocze drogi.

nowa technologia już dawno nadeszła, ale czekanie się skończyło. Pierwszy zestaw prób w locie został już ukończony.

zasadniczo ogniwo litowo-siarkowe składa się z czterech składników:

• elektroda dodatnia, znana jako katoda, pochłania elektrony podczas rozładowania. Jest podłączony do kolektora prądu z folii aluminiowej pokrytego mieszaniną węgla i siarki. Siarka jest materiałem aktywnym, który bierze udział w reakcjach elektrochemicznych. Ale jest to izolator elektryczny, więc węgiel, przewodnik, dostarcza elektrony tam, gdzie są potrzebne. Dodaje się również niewielką ilość spoiwa, aby zapewnić, że węgiel i siarka trzymają się razem w katodzie.
• elektroda ujemna, czyli anoda, uwalnia elektrony podczas rozładowania. Jest połączony z czystą folią litową. Lit działa również jako kolektor prądu, ale jest również materiałem aktywnym, biorącym udział w reakcji elektrochemicznej.
• porowaty separator zapobiega dotykaniu się dwóch elektrod i powoduje zwarcie. Separator jest zanurzony w elektrolicie zawierającym sole litu.
• elektrolit ułatwia reakcję elektrochemiczną, umożliwiając przepływ jonów między dwiema elektrodami.

elementy te są łączone i pakowane w folię jako komórka torebki. Ogniwa są z kolei połączone ze sobą—zarówno szeregowo, jak i równolegle-i pakowane w akumulator 20 amperogodzinny o napięciu 2,15 V. W przypadku dużego pojazdu, takiego jak samolot, dziesiątki pakietów są połączone, aby utworzyć baterię zdolną zapewnić dziesiątki lub setki amp-godzin przy kilkuset woltach.

baterie litowo-siarkowe są niezwykłe, ponieważ przechodzą przez wiele etapów rozładowywania, za każdym razem tworząc inny, odrębny gatunek molekularny litu i siarki. Kiedy komórka wyładowuje, jony litu w elektrolicie migrują do katody, gdzie łączą się z siarką i elektronami, tworząc polisiarczek, Li2S8. Tymczasem na anodzie cząsteczki litu oddają elektrony, tworząc dodatnio naładowane jony litu; uwolnione elektrony przemieszczają się następnie przez zewnętrzny obwód—ładunek—który przenosi je z powrotem do katody. W elektrolicie nowo wytworzony Li2S8 natychmiast reaguje z większą ilością jonów litu i więcej elektronów, tworząc nowy polisiarczek, Li2S6. Proces trwa, przechodząc przez kolejne polisiarczki, Li2S4 i Li2S2, aby ostatecznie stać się Li2S. na każdym kroku więcej energii jest oddawane i przekazywane do obciążenia, aż w końcu komórka jest wyczerpana energii.

Ładowanie odwraca sekwencję: przyłożony prąd zmusza elektrony do przepływu w przeciwnym kierunku, powodując, że elektroda siarkowa lub katoda oddają elektrony, przekształcając Li2S w Li2S2. Polisiarczek nadal krok po kroku dodaje atomy siarki, aż do utworzenia Li2S8 w katodzie. I za każdym razem, gdy elektrony są oddawane, powstają jony litu, które następnie dyfundują przez elektrolit, łącząc się z elektronami na elektrodzie litowej, tworząc metal litowy. Gdy wszystkie Li2S zostały przekonwertowane na Li2S8, ogniwo jest w pełni naładowane.

ten opis jest uproszczony. W rzeczywistości reakcje są bardziej złożone i liczne, zachodzą również w elektrolicie i na anodzie. W rzeczywistości, w wielu cyklach ładowania i rozładowania, to właśnie te reakcje uboczne powodują degradację w komórce litowo-siarkowej. Minimalizacja tych, poprzez wybór odpowiednich materiałów i konfiguracji komórek, jest podstawowym, podstawowym wyzwaniem, które musi zostać spełnione, aby wyprodukować wydajne ogniwo o długiej żywotności.

w przypadku ogniw litowo-siarkowych problemem jest również degradacja anody litowo-metalowej. Dzieje się to jednak za pośrednictwem zupełnie innego mechanizmu, który nie wiąże się z tworzeniem dendrytów. W ogniwach litowo-siarkowych nierówne gęstości prądu na powierzchni anody powodują, że lit jest platerowany i nierównomiernie usuwany, gdy akumulator jest ładowany i rozładowywany. Z biegiem czasu, to nierówne poszycia i odpędzania powoduje Moss like osadów na anodzie, które reagują z siarczkiem i polisiarczki w elektrolicie. Te mossopodobne osady stają się elektrycznie odłączone od anody luzem, pozostawiając mniej powierzchni anody dostępnej do reakcji chemicznej. Ostatecznie, w miarę postępu degradacji, anoda nie działa, uniemożliwiając komórce przyjęcie ładunku.

opracowywanie rozwiązań tego problemu degradacji jest kluczowe dla produkcji ogniwa, które może działać na wysokim poziomie w wielu cyklach ładowania i rozładowania. Obiecująca strategia, którą realizujemy w Oxis, obejmuje powlekanie anody litowo-metalowej cienkimi warstwami materiałów ceramicznych, aby zapobiec degradacji. Takie materiały ceramiczne muszą mieć wysoką przewodność jonową i być izolujące elektrycznie, a także odporne mechanicznie i chemicznie. Warstwy ceramiczne umożliwiają swobodne przechodzenie jonów litu i włączenie ich do masowego metalu litowego pod spodem.

pracujemy nad warstwą ochronną dla anody we współpracy z Pulsedeon i Leitat i jesteśmy optymistyczni, że znacznie zwiększy to liczbę razy ogniwo może być rozładowane i naładowane. I to nie jest nasza jedyna współpraca. Pracujemy również z firmą Arkema nad ulepszeniem katody w celu zwiększenia mocy i gęstości energii akumulatora.

istotnie, główną zaletą akumulatorów litowo-jonowych nad ich poprzednikami—i litowo—siarkowych nad litowo-jonowymi-jest ogromna ilość energii, którą ogniwa mogą zapakować w niewielką ilość masy. Akumulator rozrusznika kwasowo-ołowiowego, który korbowody silnika spalinowego w samochodzie może przechowywać około 50 watogodzin na kilogram. Typowa konstrukcja litowo-jonowa może pomieścić od 100 do 265 Wh/kg, w zależności od innych cech wydajności, dla których została zoptymalizowana, takich jak moc Szczytowa lub długa żywotność. Oxis niedawno opracował prototyp ogniwa litowo-siarkowego, który okazał się zdolny do 470 Wh / kg, a spodziewamy się osiągnąć 500 Wh / kg w ciągu roku. A ponieważ technologia jest wciąż nowa i ma miejsce na ulepszenia, nie jest nierozsądne przewidywanie 600 Wh/kg do 2025 roku.

Kiedy producenci ogniw podają dane o gęstości energii, zwykle określają energię, która jest dostępna, gdy ogniwo jest rozładowywane przy stałym, niskim poborze mocy. W niektórych zastosowaniach tak niskie stawki są w porządku, ale dla wielu przewidywanych samolotów elektrycznych, które będą startować pionowo, energia musi być dostarczana przy wyższych prędkościach mocy. Taka cecha o dużej mocy musi zostać zamieniona na niższą całkowitą pojemność magazynowania energii.

ponadto poziom gęstości energii osiągalnej w pojedynczym ogniwie może być znacznie większy niż to, co jest możliwe w akumulatorze składającym się z wielu takich ogniw. Gęstość energii nie przekłada się bezpośrednio z ogniwa na akumulator, ponieważ ogniwa wymagają opakowania-obudowy, systemu zarządzania akumulatorem, połączeń i być może systemów chłodzenia. Waga musi być utrzymywana w ryzach, dlatego nasza firma wykorzystuje zaawansowane materiały kompozytowe do opracowania lekkich, mocnych, ognioodpornych obudów.

aby zoptymalizować wydajność baterii bez uszczerbku dla bezpieczeństwa, opieramy się przede wszystkim na systemie zarządzania baterią (BMS), który jest połączeniem oprogramowania i sprzętu, który kontroluje i chroni baterię. Zawiera również algorytmy do pomiaru energii pozostałej w akumulatorze i inne do minimalizacji energii zmarnowanej podczas ładowania.

podobnie jak ogniwa litowo-jonowe, ogniwa litowo-siarkowe różnią się nieznacznie od siebie. Różnice te, jak również różnice w pozycji ogniw w akumulatorze, mogą spowodować, że niektóre ogniwa będą stale gorętsze niż inne. Z czasem te wysokie temperatury powoli obniżają wydajność, dlatego ważne jest, aby zminimalizować różnice mocy w zależności od ogniwa. Zwykle osiąga się to za pomocą prostego rozwiązania równoważącego, w którym kilka rezystorów jest połączonych równolegle z ogniwem, wszystkie sterowane przez oprogramowanie W BMS.

nawet gdy szybkość ładowania i rozładowania jest utrzymywana w bezpiecznych granicach, każdy akumulator może nadal generować nadmierne ciepło. Dlatego zazwyczaj niezbędny jest dedykowany system zarządzania ciepłem. Samochód elektryczny może używać chłodzenia cieczą, ale w lotnictwie chłodzenie powietrzem jest znacznie preferowane, ponieważ dodaje mniejszą wagę. Oczywiście akumulator można umieścić w miejscu, w którym powietrze naturalnie porusza się po powierzchni samolotu-być może skrzydła. W razie potrzeby powietrze może być odprowadzane do akumulatora przez kanały. W Oxis stosujemy modelowanie obliczeniowe, aby zoptymalizować takie chłodzenie. Na przykład, kiedy wprowadziliśmy tę technikę do projektu małego samolotu stałopłatowego, pozwoliło nam to zaprojektować efektywny system zarządzania ciepłem, bez którego akumulator osiągnąłby swoje limity temperatury, zanim zostanie całkowicie rozładowany.

jak wspomniano powyżej, akumulator jest zazwyczaj ułożony z ogniwami równolegle i szeregowo. Jednak układ komórek jest czymś więcej. Oczywiście akumulator jest kluczowym elementem samolotu e-plane, więc potrzebujesz nadmiarowości, aby zwiększyć bezpieczeństwo. Można na przykład zaprojektować baterię w dwóch równych częściach, tak aby jeśli jedna połowa zawiedzie, można ją odłączyć, pozostawiając samolot z co najmniej wystarczającą energią, aby zarządzać kontrolowanym opadaniem i lądowaniem.

kolejnym komponentem programowym W BMS jest algorytm stanu naładowania. Wyobraź sobie, że musisz prowadzić samochód, którego wskaźnik paliwa ma błąd pomiaru odpowiadający 25% pojemności zbiornika. Nigdy nie pozwoliłbyś, aby wskaźnik spadł do 25%, tylko po to, by mieć pewność, że samochód się nie zatrzyma. Twój praktyczny zasięg byłby tylko 3/4 rzeczywistego zasięgu samochodu. Aby uniknąć takich odpadów, Oxis kładzie duży nacisk na rozwój najnowocześniejszych algorytmów.

w akumulatorze litowo-jonowym można oszacować ładunek po prostu mierząc napięcie, które spada wraz z poziomem energii. Ale to nie jest takie proste dla baterii litowo-siarkowych. Przypomnijmy, że w akumulatorze litowo-siarkowym różne polisiarczki występują w procesie elektrochemicznym w różnych okresach podczas ładowania i rozładowania. Wynik jest taki, że napięcie nie jest dobrym wskaźnikiem stanu naładowania, a aby jeszcze bardziej skomplikować, krzywa napięcia jest asymetryczna dla naładowania i rozładowania. Algorytmy potrzebne do śledzenia stanu naładowania są bardziej zaawansowane. Opracowaliśmy je z Uniwersytetem Cranfield w Anglii, używając technik statystycznych, między innymi filtra Kalmana, a także sieci neuronowych. Możemy oszacować stan naładowania z dokładnością do kilku procent, i pracujemy nad tym, aby zrobić to jeszcze lepiej.

wszystkie te wybory projektowe wiążą się z kompromisami, które są różne dla różnych samolotów. Zmieniamy sposób zarządzania tymi kompromisami, aby dostosować nasze projekty baterii do trzech różnych typów samolotów.

• pseudo satelity wysokościowe (ang. high-altitude pseudo satellites, HAPS) to samoloty latające na wysokości około 15 000 do 20 000 metrów. Mamy nadzieję, że będziemy mogli latać miesiącami; obecny rekord to 26 dni, ustanowiony w 2018 roku przez Airbusa Zephyra S. w dzień samoloty te wykorzystują panele słoneczne do zasilania silników i ładowania akumulatorów; w nocy latają na zasilaniu bateryjnym. Ponieważ 24-godzinny okres ładowania i rozładowania wymaga tylko niewielkiej mocy, można zaprojektować lekki akumulator, a tym samym pozwolić na dużą ładowność. Lekkość ułatwia też takim samolotom latanie daleko od równika, gdzie noc trwa dłużej.
• samoloty Electric vertical take-off and landing (eVTOL) są opracowywane jako latające taksówki. Lilium w Niemczech i Uber Elevate mają już takie projekty. Ponownie waga ma kluczowe znaczenie, ale tutaj baterie muszą być nie tylko lekkie,ale także mocne. Oxis opracował zatem dwie wersje swojej chemii komórkowej. Wersja wysokoenergetyczna jest zoptymalizowana w wielu aspektach konstrukcji ogniw, aby zminimalizować wagę, ale jest ograniczona do stosunkowo niskiej mocy; najlepiej nadaje się do zastosowań HAPS. Wersja O Dużej Mocy waży więcej, choć wciąż znacznie mniej niż akumulator litowo-jonowy o porównywalnej wydajności; doskonale nadaje się do takich zastosowań, jak eVTOL.
• lekkie samoloty stałopłatowe: rosnące zapotrzebowanie na pilotów wiąże się z wysokimi kosztami ich szkolenia; całkowicie elektryczny samolot szkoleniowy znacznie obniżyłby koszty eksploatacji. Kluczowym czynnikiem jest dłuższy czas lotu, co umożliwia lżejszy akumulator. Bye Aerospace, w Kolorado, jest jedną z firm wiodących w takich samolotach. Ponadto inne przedsiębiorstwa—takie jak easyJet, współpracujące z Wright Electric—planują w pełni elektryczne komercyjne odrzutowce pasażerskie do krótkich, dwugodzinnych lotów.