Oxis Energys design lovar enastående energitäthet, tillverkbarhet och säkerhet

elektriska flygplan är alla raseri, med prototyper i utveckling i alla storlekar från leveransdroner till passagerarflygplan. Men tekniken har ännu inte tagit fart, och av en anledning: brist på ett lämpligt batteri.

för ett stort passagerarflygplan att ta av, kryssa och landa hundratals kilometer bort skulle ta batterier som väger tusentals kilo-alldeles för tungt för att planet ska kunna komma in i luften i första hand. Även för relativt små flygplan, som tvåsitsiga tränare, begränsar batteriernas vikt planetens nyttolast, begränsar sitt sortiment och begränsar därmed var flygplanet kan flyga. Att minska batterivikten skulle vara en fördel inte bara för luftfarten utan för andra elfordon, som bilar, lastbilar, bussar och båtar, vars prestanda också är direkt knuten till energi-vikt-förhållandet mellan batterierna.

för sådana applikationer är dagens batteri av val litiumjon. Det nådde mognad år sedan, med varje ny inkrementell förbättring mindre än den förra. Vi behöver en ny kemi.sedan 2004 har mitt företag, Oxis Energy, I Oxfordshire, England, arbetat med en av de ledande utmanarna—litiumsvavel. Vår batteriteknik är extremt lätt: våra senaste modeller uppnår mer än dubbelt så mycket energitäthet som är typisk för litiumjonbatterier. Litiumsvavel kan också tillhandahålla de nödvändiga nivåerna av kraft och hållbarhet som behövs för luftfart, och viktigast är det tillräckligt säkert. När allt kommer omkring kan ett plan inte hantera en plötslig eld eller någon annan olycka genom att helt enkelt dra till sidan av vägen.

den nya tekniken har kommit länge, men väntan är nu över. Den första uppsättningen flygförsök har redan slutförts.

i grunden består en litium-svavelcell av fyra komponenter:

• den positiva elektroden, känd som katoden, absorberar elektroner under urladdning. Den är ansluten till en aluminiumfolieströmsamlare belagd med en blandning av kol och svavel. Svavel är det aktiva materialet som deltar i de elektrokemiska reaktionerna. Men det är en elektrisk isolator, så kol, en ledare, levererar elektroner till var de behövs. Det finns också en liten mängd bindemedel tillsatt för att säkerställa att kol och svavel håller ihop i katoden.
• den negativa elektroden, eller anoden, släpper ut elektroner under urladdning. Den är ansluten till ren litiumfolie. Litium fungerar också som en strömsamlare, men det är också ett aktivt material som deltar i den elektrokemiska reaktionen.
• en porös separator förhindrar att de två elektroderna vidrör och orsakar kortslutning. Separatorn badas i en elektrolyt innehållande litiumsalter.
• en elektrolyt underlättar den elektrokemiska reaktionen genom att tillåta rörelse av joner mellan de två elektroderna.

dessa komponenter är anslutna och förpackade i folie som en påsecell. Cellerna är i sin tur kopplade ihop—både i serie och parallellt—och förpackade i ett 20 ampere-timmars 2,15-volts batteripaket. För ett stort fordon som ett flygplan är poäng av förpackningar anslutna för att skapa ett batteri som kan ge tiotals eller hundratals amp-timmar vid flera hundra volt.litium-svavelbatterier är ovanliga eftersom de går igenom flera steg när de släpps ut, varje gång de bildar en annan, distinkt molekylär art av litium och svavel. När en cell släpper ut migrerar litiumjoner i elektrolyten till katoden, där de kombineras med svavel och elektroner för att bilda en polysulfid, Li2S8. Vid anoden ger litiummolekyler upp elektroner för att bilda positivt laddade litiumjoner; dessa frigjorda elektroner rör sig sedan genom den externa kretsen—belastningen—som tar dem tillbaka till katoden. I elektrolyten reagerar den nyproducerade Li2S8 omedelbart med fler litiumjoner och fler elektroner för att bilda en ny polysulfid, Li2S6. Processen fortsätter, genom att gå igenom ytterligare polysulfider, Li2S4 och Li2S2, för att så småningom bli Li2S. vid varje steg ges mer energi upp och skickas till lasten tills cellen äntligen är utarmad av energi.

laddning reverserar sekvensen: en applicerad ström tvingar elektroner att strömma i motsatt riktning, vilket gör att svavelelektroden eller katoden ger upp elektroner och omvandlar Li2S till Li2S2. Polysulfiden fortsätter att tillsätta svavelatomer steg för steg tills Li2S8 skapas i katoden. Och varje gång elektroner ges upp produceras litiumjoner som sedan diffunderar genom elektrolyten och kombinerar med elektroner vid litiumelektroden för att bilda litiummetall. När alla Li2S har konverterats till Li2S8 är cellen fulladdad.

denna beskrivning är förenklad. I verkligheten är reaktionerna mer komplexa och många, som också äger rum i elektrolyten och vid anoden. I själva verket är det under många laddnings-och urladdningscykler dessa sidoreaktioner som orsakar nedbrytning i en litium-svavelcell. Att minimera dessa, genom val av lämpliga material och cellkonfiguration, är den grundläggande, underliggande utmaningen som måste uppfyllas för att producera en effektiv cell med lång livslängd.

med litium-svavelceller är nedbrytning av litiummetallanoden också ett problem. Detta sker emellertid via en helt annan mekanism, en som inte involverar bildandet av dendriter. I litium-svavelceller orsakar ojämna strömtätheter på anodytan att litium pläteras och avlägsnas ojämnt när batteriet laddas och laddas ur. Med tiden orsakar denna ojämna plätering och strippning mosslike avlagringar på anoden som reagerar med sulfiden och polysulfiderna i elektrolyten. Dessa mosslike avlagringar blir elektriskt frånkopplade från bulkanoden och lämnar mindre av anodytan tillgänglig för kemisk reaktion. Så småningom, när denna nedbrytning fortskrider, misslyckas anoden att fungera, vilket förhindrar att cellen accepterar laddning.

att utveckla lösningar på detta nedbrytningsproblem är avgörande för att producera en cell som kan prestera på en hög nivå under många laddningsladdningscykler. En lovande strategi som vi har bedrivit på Oxis innebär att belägga litiummetallanoden med tunna lager av keramiska material för att förhindra nedbrytning. Sådana keramiska material måste ha hög jonisk ledningsförmåga och vara elektriskt isolerande, såväl som mekaniskt och kemiskt robust. De keramiska skikten tillåter litiumjoner att passera genom obehindrat och införlivas i bulk litiummetall under.

vi gör detta arbete på skyddsskiktet för anoden i samarbete med Pulsedeon och Leitat, och vi är optimistiska att det dramatiskt kommer att öka antalet gånger en cell kan laddas ur och laddas. Och det är inte vårt enda partnerskap. Vi arbetar också med Arkema för att förbättra katoden för att öka batteriets effekt och energitäthet.

faktum är att den viktigaste fördelen med litiumjonbatterier över sina föregångare – och litiumsvavel över litiumjon—är den stora mängden energi som cellerna kan packa i en liten mängd massa. Bly-syra-startbatteriet som vrider förbränningsmotorn i en bil kan lagra cirka 50 watt-timmar per kilo. Typiska litiumjonkonstruktioner kan hålla från 100 till 265 Wh/kg, beroende på de andra prestandaegenskaper som den har optimerats för, såsom toppeffekt eller lång livslängd. Oxis utvecklade nyligen en prototyp litium-svavelpåsecell som visade sig kunna 470 Wh/kg, och vi förväntar oss att nå 500 Wh / kg inom ett år. Och eftersom tekniken fortfarande är ny och har utrymme för förbättringar är det inte orimligt att förutse 600 Wh/kg år 2025.

När celltillverkare citerar energitäthetssiffror anger de vanligtvis den energi som är tillgänglig när cellen släpps ut vid konstanta, låga effekthastigheter. I vissa applikationer är sådana låga priser bra, men för de många tänkta elektriska flygplanen som kommer att starta vertikalt måste energin levereras till högre effekthastigheter. En sådan högeffektfunktion måste bytas ut för lägre total energilagringskapacitet.

dessutom kan nivån på energitäthet som kan uppnås i en enda cell vara betydligt större än vad som är möjligt i ett batteri som består av många sådana celler. Energitätheten översätter inte direkt från cellen till batteriet eftersom celler kräver förpackning—fallet, batterihanteringssystemet och anslutningarna, och kanske kylsystem. Vikten måste hållas i schack, och därför använder vårt företag avancerade kompositmaterial för att utveckla lätta, starka, flamsäkra Höljen.

för att optimera batteriets prestanda utan att kompromissa med säkerheten förlitar vi oss först och främst på ett batterihanteringssystem (BMS), som är en kombination av programvara och hårdvara som styr och skyddar batteriet. Den innehåller också algoritmer för att mäta den energi som finns kvar i ett batteri och andra för att minimera den energi som slösas bort under laddning.

liksom litiumjonceller varierar litium-svavelceller något från varandra. Dessa skillnader, liksom skillnader i cellernas position i batteriet, kan orsaka vissa celler att konsekvent köra varmare än andra. Med tiden försämrar de höga temperaturerna långsamt prestanda, så det är viktigt att minimera effektskillnaderna från cell till cell. Detta uppnås vanligtvis med en enkel balanseringslösning, där flera motstånd är anslutna parallellt med en cell, alla styrda av programvara i BMS.

även när laddning och urladdning hålls inom säkra gränser kan eventuellt batteri fortfarande generera överdriven värme. Så vanligtvis är ett dedikerat värmehanteringssystem nödvändigt. En elbil kan använda flytande kylning, men i luftfart är luftkylning mycket föredragen eftersom den ger mindre vikt. Naturligtvis kan batteriet placeras vid en punkt där luft rör sig naturligt över flygplanets yta—kanske vingen. Vid behov kan luft shuntas till batteriet genom kanaler. På Oxis använder vi beräkningsmodellering för att optimera sådan kylning. Till exempel, när vi introducerade denna teknik i ett projekt för ett litet fastvingat flygplan, tillät det oss att utforma ett effektivt värmehanteringssystem, utan vilket batteriet skulle nå sina temperaturgränser innan det var helt urladdat.

Som nämnts ovan är ett batteripaket typiskt anordnat med cellerna både parallellt och i serie. Det finns dock mer till arrangemanget av celler. Naturligtvis är batteriet en verksamhetskritisk komponent i ett e-plan, så du vill ha redundans för ökad säkerhet. Du kan till exempel utforma batteriet i två lika delar, så att om en halv misslyckas kan den kopplas bort, vilket ger flygplanet åtminstone tillräckligt med energi för att hantera en kontrollerad nedstigning och landning.

en annan programvarukomponent inom BMS är laddningsalgoritmen. Tänk dig att behöva köra en bil vars bränslemätare hade ett mätfel motsvarande 25 procent av tankens kapacitet. Du skulle aldrig låta indikatorn sjunka till 25 procent, bara för att se till att bilen inte skulle stoppa. Ditt praktiska sortiment skulle bara vara tre fjärdedelar av bilens faktiska sortiment. För att undvika sådant avfall har Oxis lagt stor vikt vid utvecklingen av laddningsalgoritmer.

i ett litiumjonbatteri kan du uppskatta laddningen genom att helt enkelt mäta spänningen, som faller som energinivån gör. Men det är inte så enkelt för ett litium-svavelbatteri. Kom ihåg att i litium-svavelbatteriet finns olika polysulfider i den elektrokemiska processen vid olika tidpunkter under laddning och urladdning. Resultatet är att spänningen inte är en bra proxy för laddningstillståndet och för att göra saker ännu mer komplicerade är spänningskurvan asymmetrisk för laddning och för urladdning. Så algoritmerna som behövs för att hålla reda på laddningstillståndet är mycket mer sofistikerade. Vi utvecklade vårt Med Cranfield University, i England, med hjälp av statistiska tekniker, bland dem Kalman-filtret, liksom neurala nätverk. Vi kan uppskatta laddningstillståndet till en noggrannhet på några procent, och vi arbetar för att göra det ännu bättre.

alla dessa designval innebär avvägningar, som är olika för olika flygplan. Vi varierar hur vi hanterar dessa avvägningar för att skräddarsy våra batteridesigner för tre olika typer av flygplan.

• pseudosatelliter med hög höjd (HAPS) är flygplan som flyger på cirka 15 000 till 20 000 meter. Förhoppningen är att kunna flyga i månader i taget; den nuvarande posten är 26 dagar, inställd 2018 av Airbus Zephyr S. på dagen använder dessa flygplan solpaneler för att driva motorerna och ladda batterierna; på natten flyger de på batteriström. Eftersom 24-timmars laddnings-och urladdningsperiod bara kräver lite ström kan du designa ett ljust batteri och därmed möjliggöra en stor nyttolast. Ljusheten gör det också lättare för ett sådant flygplan att flyga långt från ekvatorn, där natten varar längre.
• elektriska vertikala start-och landningsflygplan (eVTOL) utvecklas som flygande taxibilar. Lilium, i Tyskland och Uber Elevate, bland andra, har redan sådana projekt på gång. Återigen är vikten kritisk, men här behöver batterierna inte bara vara lätta utan måste också vara kraftfulla. Oxis har därför utvecklat två versioner av sin cellkemi. Högenergiversionen är optimerad i många aspekter av celldesignen för att minimera vikten, men den är begränsad till relativt låg effekt; den passar bäst för Haps-applikationer. Högeffektversionen väger mer, men fortfarande betydligt mindre än ett litiumjonbatteri med jämförbar prestanda; den är väl lämpad för sådana applikationer som eVTOL.
• lätta fasta flygplan: den ökande efterfrågan på piloter kommer upp mot de höga kostnaderna för att träna dem; ett helt elektriskt tränarflygplan skulle dramatiskt minska driftskostnaderna. En nyckelfaktor är längre flygtid, vilket aktiveras av det lättare batteriet. Bye Aerospace, i Colorado, är ett företag som leder vägen i sådana flygplan. Dessutom planerar andra företag—som EasyJet, som samarbetar med Wright Electric—helelektriska kommersiella passagerarflygplan för kortdistans, 2-timmarsflyg.