designul Oxis Energy promite o densitate de energie remarcabilă, manufacturabilitate și siguranță

aeronavele electrice sunt la modă, cu prototipuri în dezvoltare în toate dimensiunile, de la drone de livrare la aeronave de pasageri. Dar tehnologia nu a decolat încă și dintr-un singur motiv: lipsa unei baterii adecvate.

pentru ca un avion mare de pasageri să decoleze, să navigheze și să aterizeze la sute de kilometri distanță ar fi nevoie de baterii care cântăresc mii de kilograme—mult prea grele pentru ca avionul să poată intra în aer în primul rând. Chiar și pentru aeronavele relativ mici, cum ar fi antrenorii cu două locuri, greutatea pură a bateriilor limitează sarcina utilă a avionului, îi reduce autonomia și, astfel, constrânge locul în care aeronava poate zbura. Reducerea greutății bateriei ar fi un avantaj nu numai pentru aviație, ci și pentru alte vehicule electrice, cum ar fi mașinile, camioanele, autobuzele și bărcile, ale căror performanțe sunt, de asemenea, direct legate de raportul energie-greutate al bateriilor lor.

pentru astfel de aplicații, bateria de astăzi la alegere este litiu ion. A ajuns la maturitate cu ani în urmă, fiecare nouă îmbunătățire incrementală fiind mai mică decât ultima. Avem nevoie de o nouă chimie.

Din 2004 compania mea, Oxis Energy, din Oxfordshire, Anglia, lucrează la unul dintre principalii concurenți—sulful de litiu. Tehnologia noastră pentru baterii este extrem de ușoară: Cele mai recente modele ale noastre ating mai mult de două ori densitatea energetică tipică bateriilor litiu-ion. Sulful de litiu este, de asemenea, capabil să asigure nivelurile necesare de putere și durabilitate necesare aviației și, cel mai important, este suficient de sigur. La urma urmei, un avion nu poate face față unui incendiu brusc sau unei alte calamități prin simpla tragere la marginea drumului.

noua tehnologie a fost o lungă perioadă de timp vine, dar așteptați este acum de peste. Primul set de încercări de zbor au fost deja finalizate.

fundamental, o celulă litiu-sulf este compusă din patru componente:

• electrodul pozitiv, cunoscut sub numele de catod, absoarbe electronii în timpul descărcării. Este conectat la un colector de curent din folie de aluminiu acoperit cu un amestec de carbon și sulf. Sulful este materialul activ care participă la reacțiile electrochimice. Dar este un izolator electric, deci carbonul, un conductor, livrează electroni acolo unde sunt necesari. Există, de asemenea, o cantitate mică de liant adăugat pentru a asigura carbon și sulf dețin împreună în catod.
• electrodul negativ sau anodul eliberează electroni în timpul descărcării. Este conectat la folie de litiu pură. Litiul, de asemenea, acționează ca un colector de curent, dar este, de asemenea, un material activ, care participă la reacția electrochimică.
• un separator poros împiedică atingerea celor doi electrozi și provoacă un scurtcircuit. Separatorul este scăldat într-un electrolit care conține săruri de litiu.
• un electrolit facilitează reacția electrochimică permițând mișcarea ionilor între cei doi electrozi.

aceste componente sunt conectate și ambalate în folie ca o celulă de pungă. Celulele sunt la rândul lor conectate împreună—atât în serie, cât și în paralel-și ambalate într-un pachet de baterii de 20 amperi-oră, de 2,15 volți. Pentru un vehicul mare, cum ar fi un avion, zeci de pachete sunt conectate pentru a crea o baterie capabilă să furnizeze zeci sau sute de amperi-ore la câteva sute de volți.bateriile litiu-sulf sunt neobișnuite deoarece trec prin mai multe etape pe măsură ce se descarcă, formând de fiecare dată o specie moleculară diferită de litiu și sulf. Când o celulă se descarcă, ionii de litiu din electrolit migrează către catod, unde se combină cu sulf și electroni pentru a forma o polisulfură, Li2S8. La anod, între timp, moleculele de litiu renunță la electroni pentru a forma ioni de litiu încărcați pozitiv; acești electroni eliberați se deplasează apoi prin circuitul extern—sarcina—care îi duce înapoi la catod. În electrolit, Li2S8 nou produs reacționează imediat cu mai mulți ioni de litiu și mai mulți electroni pentru a forma o nouă polisulfură, Li2S6. Procesul continuă, trecând prin polisulfuri suplimentare, Li2S4 și Li2S2, pentru a deveni în cele din urmă Li2S. la fiecare pas se renunță la mai multă energie și se trece la sarcină până când în cele din urmă celula este epuizată de energie.

reîncărcarea inversează secvența: un curent aplicat forțează electronii să curgă în direcția opusă, determinând electrodul de sulf sau catodul să renunțe la electroni, transformând Li2S în Li2S2. Polisulfura continuă să adauge atomi de sulf pas cu pas până când Li2S8 este creat în catod. Și de fiecare dată când se renunță la electroni, se produc ioni de litiu care apoi difuzează prin electrolit, combinându-se cu electronii de la electrodul de litiu pentru a forma litiu metal. Când toate LI2-urile au fost convertite în Li2S8, celula este complet încărcată.

această descriere este simplificată. În realitate, reacțiile sunt mai complexe și mai numeroase, având loc și în electrolit și la anod. De fapt, pe parcursul multor cicluri de încărcare și descărcare, aceste reacții secundare provoacă degradarea într-o celulă de litiu-sulf. Minimizarea acestora, prin selectarea materialelor adecvate și a configurației celulare, este provocarea fundamentală, care trebuie îndeplinită pentru a produce o celulă eficientă cu o durată lungă de viață.

cu celulele litiu-sulf, degradarea anodului litiu-metal este, de asemenea, o problemă. Cu toate acestea, acest lucru se întâmplă printr-un mecanism foarte diferit, unul care nu implică formarea dendritelor. În celulele cu litiu-sulf, densitățile de curent inegale de pe suprafața anodului determină placarea și dezbrăcarea neuniformă a litiului pe măsură ce bateria este încărcată și descărcată. De-a lungul timpului, această placare și stripare neuniformă provoacă depuneri de mușchi pe anod care reacționează cu sulfura și polisulfurile din electrolit. Aceste depozite asemănătoare mossului devin deconectate electric de anodul în vrac, lăsând mai puțin din suprafața anodului disponibilă pentru reacția chimică. În cele din urmă, pe măsură ce această degradare progresează, anodul nu funcționează, împiedicând celula să accepte încărcarea.

dezvoltarea de soluții la această problemă de degradare este crucială pentru producerea unei celule care poate funcționa la un nivel ridicat pe parcursul multor cicluri de încărcare-descărcare. O strategie promițătoare pe care am urmărit-o la Oxis implică acoperirea anodului litiu-metal cu straturi subțiri de materiale ceramice pentru a preveni degradarea. Astfel de materiale ceramice trebuie să aibă o conductivitate Ionică ridicată și să fie izolante electric, precum și robuste din punct de vedere mecanic și chimic. Straturile ceramice permit ionilor de litiu să treacă nestingheriți și să fie încorporați în metalul de litiu în vrac de dedesubt.

facem acest lucru pe stratul de protecție pentru anod în parteneriat cu Pulsedeon și Leitat, și suntem optimiști că va crește dramatic numărul de ori o celulă poate fi descărcată și încărcată. Și nu este singurul nostru parteneriat. De asemenea, lucrăm cu Arkema pentru a îmbunătăți catodul pentru a crește puterea și densitatea energetică a bateriei.într-adevăr, avantajul cheie al bateriilor litiu—ion față de predecesorii lor—și al sulfului de litiu față de ionul de litiu-este cantitatea mare de energie pe care celulele o pot împacheta într-o cantitate mică de masă. Bateria de pornire plumb-acid care manevrează motorul cu combustie internă într-o mașină poate stoca aproximativ 50 de wați-oră pe kilogram. Modelele tipice litiu-ion pot rezista de la 100 la 265 Wh/kg, în funcție de celelalte caracteristici de performanță pentru care a fost optimizat, cum ar fi puterea de vârf sau durata lungă de viață. Oxis a dezvoltat recent o celulă prototip de pungă de litiu-sulf care s-a dovedit capabilă de 470 Wh/kg și ne așteptăm să ajungem la 500 Wh/kg într-un an. Și pentru că tehnologia este încă nouă și are loc pentru îmbunătățiri, nu este nerezonabil să anticipăm 600 Wh/kg până în 2025.

când producătorii de celule citează cifrele densității energetice, aceștia specifică de obicei energia disponibilă atunci când celula este descărcată la rate de energie constante și scăzute. În unele aplicații, astfel de rate scăzute sunt în regulă, dar pentru multe aeronave electrice prevăzute care vor decola vertical, energia trebuie livrată la rate de putere mai mari. O astfel de caracteristică de mare putere trebuie tranzacționată pentru o capacitate totală mai mică de stocare a energiei.

Mai mult, nivelul densității energetice realizabil într-o singură celulă ar putea fi considerabil mai mare decât ceea ce este posibil într-o baterie formată din mai multe astfel de celule. Densitatea energetică nu se traduce direct de la celulă la baterie, deoarece celulele necesită ambalare—carcasa, sistemul de gestionare a bateriei și conexiunile și, probabil, sistemele de răcire. Greutatea trebuie ținută sub control și, din acest motiv, compania noastră folosește materiale compozite avansate pentru a dezvolta carcase ușoare, puternice, rezistente la flacără.

pentru a optimiza performanța bateriei fără a compromite siguranța, ne bazăm, în primul rând, pe un sistem de gestionare a bateriei (BMS), care este o combinație de software și hardware care controlează și protejează bateria. De asemenea, include algoritmi pentru măsurarea energiei rămase într-o baterie și altele pentru minimizarea energiei irosite în timpul încărcării.

la fel ca celulele litiu-ion, celulele litiu-sulf variază ușor unele de altele. Aceste diferențe, precum și diferențele în poziția celulelor în acumulator, pot determina unele celule să funcționeze în mod constant mai fierbinte decât altele. În timp, aceste temperaturi ridicate degradează încet performanța, deci este important să minimalizați diferențele de putere de la celulă la celulă. Acest lucru se realizează de obicei folosind o soluție simplă de echilibrare, în care mai multe rezistențe sunt conectate în paralel cu o celulă, toate controlate de software în BMS.

chiar și atunci când ratele de încărcare și descărcare sunt menținute în limite sigure, orice baterie poate genera în continuare căldură excesivă. Deci, de obicei, este necesar un sistem dedicat de management termic. O mașină electrică poate folosi răcirea cu lichid, dar în aviație, răcirea cu aer este mult preferată, deoarece adaugă o greutate mai mică. Desigur, bateria poate fi plasată într—un punct în care aerul se mișcă în mod natural pe suprafața avionului-poate aripa. Dacă este necesar, aerul poate fi direcționat către baterie prin conducte. La Oxis, folosim modelarea computațională pentru a optimiza o astfel de răcire. De exemplu, când am introdus această tehnică într-un proiect pentru o aeronavă mică cu aripă fixă, ne-a permis să proiectăm un sistem eficient de management termic, fără de care bateria ar atinge limitele de temperatură înainte de a fi complet descărcată.

după cum sa menționat mai sus, un pachet de baterii este de obicei aranjat cu celulele atât în paralel, cât și în serie. Cu toate acestea, există mai mult la aranjarea celulelor. Desigur, bateria este o componentă critică a unui avion electronic, așa că veți dori redundanță, pentru o siguranță sporită. Puteți, de exemplu, să proiectați bateria în două părți egale, astfel încât, dacă o jumătate eșuează, să poată fi deconectată, lăsând aeronava cu cel puțin suficientă energie pentru a gestiona o coborâre și o aterizare controlate.

o altă componentă software din cadrul BMS este algoritmul de stare de încărcare. Imaginați-vă că trebuie să conduceți o mașină al cărei indicator de combustibil avea o eroare de măsurare echivalentă cu 25% din capacitatea rezervorului. Nu ai lăsa niciodată indicatorul să scadă la 25%, doar pentru a te asigura că mașina nu se va opri. Gama dvs. practică ar fi doar trei sferturi din gama reală a mașinii. Pentru a evita astfel de deșeuri, Oxis a pus un accent deosebit pe dezvoltarea algoritmilor de stare de încărcare.

într-o baterie litiu-ion puteți estima încărcarea prin simpla măsurare a tensiunii, care scade ca nivelul de energie. Dar nu este atât de simplu pentru o baterie cu litiu-sulf. Amintiți-vă că în bateria litiu-sulf, diferite polisulfuri figurează în procesul electrochimic în momente diferite în timpul încărcării și descărcării. Rezultatul este că tensiunea nu este un proxy bun pentru starea de încărcare și, pentru a face lucrurile și mai complicate, curba de tensiune este asimetrică pentru încărcare și descărcare. Deci algoritmii necesari pentru a urmări starea de încărcare sunt mult mai sofisticați. Am dezvoltat-o pe a noastră cu Universitatea Cranfield, în Anglia, folosind tehnici statistice, printre care filtrul Kalman, precum și rețele neuronale. Putem estima starea de încărcare la o precizie de câteva procente, și suntem de lucru pentru a face mai bine încă.

toate aceste opțiuni de proiectare implică compromisuri, care sunt diferite pentru diferite avioane. Variem modul în care gestionăm aceste compromisuri pentru a ne adapta modelele de baterii pentru trei tipuri distincte de aeronave.

• pseudo-sateliții de înaltă altitudine (HAPS) sunt aeronave care zboară la aproximativ 15.000 până la 20.000 de metri. Speranța este să poată zbura luni întregi; recordul actual este de 26 de zile, stabilit în 2018 de Airbus Zephyr S. Ziua, aceste aeronave folosesc panouri solare pentru a alimenta motoarele și a încărca bateriile; noaptea, zboară cu baterie. Deoarece perioada de încărcare și descărcare de 24 de ore necesită doar puțină putere, puteți proiecta o baterie ușoară și astfel puteți permite o sarcină utilă mare. Luminozitatea face, de asemenea, mai ușor ca o astfel de aeronavă să zboare departe de ecuator, unde noaptea durează mai mult.
• aeronavele electrice de decolare și aterizare verticală (eVTOL) sunt dezvoltate ca taxiuri zburătoare. Lilium, în Germania, și Uber Elevate, printre altele, au deja astfel de proiecte în desfășurare. Din nou, greutatea este critică, dar aici bateriile nu trebuie doar să fie ușoare, ci trebuie să fie și puternice. Prin urmare, Oxis a dezvoltat două versiuni ale chimiei sale celulare. Versiunea cu energie ridicată este optimizată în multe aspecte ale designului celulei pentru a minimiza greutatea, dar este limitată la o putere relativ scăzută; este cel mai potrivit pentru aplicațiile HAPS. Versiunea de mare putere cântărește mai mult, deși este încă semnificativ mai mică decât o baterie litiu-ion cu performanțe comparabile; este potrivit pentru aplicații precum eVTOL.
• aeronave ușoare cu aripă fixă: cererea tot mai mare de piloți se apropie de costul ridicat al instruirii acestora; un avion de antrenament complet electric ar reduce dramatic costurile de operare. Un factor cheie este durata de zbor mai lungă, care este activată de bateria mai ușoară. Bye Aerospace, în Colorado, este o companie lider în astfel de aeronave. În plus, alte companii—cum ar fi EasyJet, în parteneriat cu Wright Electric—planifică avioane comerciale de pasageri complet electrice pentru zboruri pe distanțe scurte, de 2 ore.