航空動力電池的未來發(fā)展方向

汽車的電氣化革命為航空動力電池的發(fā)展提供了極大助力，但汽車和飛機對電池性能的不同追求使得兩者的發(fā)展方向出現(xiàn)了分歧，業(yè)界必須思考屬于航空動力電池技術的走向。

自從航空業(yè)開始使用汽車以及其他新能源產(chǎn)業(yè)的成熟電池技術以來，各行業(yè)對電池性能的需求產(chǎn)生分歧已不可避免。

汽車電池技術在發(fā)展到一定高度之后，電池能量密度已經(jīng)可以滿足汽車的絕大多數(shù)使用場景，電池供應商和整車企業(yè)會轉而追求更低的生產(chǎn)成本和其他提升用戶體驗的措施，同時喪失進一步提高電池能量密度的動力。這個臨界值可能是400Wh/kg、500Wh/kg或者600Wh/kg，但肯定是低于航空器對電池的性能水平需求。

目前，汽車電池的主流技術方案是三元鋰和磷酸鐵鋰電池，還有一部分成本更低的鉛酸電池和鈉電池。航空動力電池應該選擇什么樣的技術路線？是完全依靠汽車行業(yè)提供成熟產(chǎn)品和技術，還是根據(jù)自身需求研發(fā)與主流方案不同的其他技術路線，這些都是業(yè)界必須思考的問題。

航空電池的基本概述

電池由陰極和陽極組成，電極材料浸泡在電解質中，電解質有液態(tài)、固態(tài)和凝膠態(tài)等不同形態(tài)，陽極的金屬離子在陽極和陰極之間流動產(chǎn)生電力，不同的電池材料使得電池具有不同的性能。常見的電池陽極材料有三元鋰、磷酸鐵鋰，此外還有鋰金屬、鋁-空氣電池、鈉離子和鎂離子電池等等。

能量密度

能量密度、充放電倍率、循環(huán)壽命是電池最核心的三個性能參數(shù)。單體能量密度指的是電芯（也叫電池單元）的能量密度，此外還有電池模塊的能量密度（多個電池單元串聯(lián)或并聯(lián)）以及電池包的能量密度（在電池模塊的基礎上還包括BMS、熱管理系統(tǒng)、外殼框架以及其他非電池模塊）。一般而言，單體能量密度和電池包能量密度（也叫系統(tǒng)能量密度）是衡量電池儲能效率的兩個關鍵參數(shù)。

美國能源部“推進-1K”計劃。

電池單元、電池模塊和電池包的區(qū)別。

航空對電池能量密度的要求較高，單體能量密度需要達到300＼～500Wh/kg才能較好地滿足eVTOL等中小型電動航空器的應用場景需求，如果是大型的商用飛機，對電池能量密度的要求會更高。美國能源部預先研究計劃局（ARPA-E）在2023年啟動了“推進-1K”（PROPEL-1K）項目，目標是開發(fā)1000Wh/kg系統(tǒng)級能量密度的航空動力電池。2024年2月，“推進-1K”項目向12家研究團隊授予了1500萬美元的研究經(jīng)費，涉及的技術方案包括鋁空氣電池、鋰空氣電池、堿金屬氫氧化物三相液流電池（3PFB）氫燃料電池、氟化物電池等。

充放電倍率

充放電倍率指的是電池充放電電流（A）和額定容量（Ah）之間的比值，單位為C。汽車在大部分工況下的電池放電倍率不會超過1C，而電動航空器對電池放電倍率的要求遠高于汽車。以eVTOL航空器為例，NASA認為電池的最大放電倍率必須達到3到5C才能滿足eVTOL在起降或者懸停時的動力系統(tǒng)功率需求。實際上eVTOL的電池放電倍率要求可能會更高，eVTOL在降落過程中如果遇到側風、障礙物等突然情況，快速拉起和姿態(tài)調整所需的電池瞬時放電倍率將達到7C。

與充放電倍率密切相關的另一個參數(shù)是電池的功率密度（也叫比功率），表示單位質量或體積電池輸出的功率，單位W/kg或kW/kg。功率密度在數(shù)值上等于電池的能量密度 × 放電倍率。

循環(huán)壽命

電池循環(huán)壽命指的是電池衰減到一定程度時的完全充放電次數(shù)，業(yè)界一般以 80% 可用容量作為壽命測試的終止標準?？紤]到經(jīng)濟性等因素，電動飛機的電池循環(huán)壽命至少要在1000次以上。能量密度、充放電倍率、循環(huán)壽命三個指標在電池的設計過程中是相互平衡的，追求更高的放電倍率會對電池的能量密度造成影響，反之亦然。高能量高功率電池的循環(huán)壽命一般不會太高。但近些年一些新技術和新工藝的應用也讓電池性能顯著提升的同時不會對其他指標造成過多影響。

此外，安全性也是航空動力電池必須關注的問題，任何發(fā)生在航空器上的電池事故都是災難性的。正是因為航空業(yè)對電池各方面的性能都有著遠超其他行業(yè)的要求，為了實現(xiàn)電動航空器的規(guī)模化商業(yè)應用，我們必須對動力電池的技術發(fā)展有更高的關注。后文將重點分析幾種有望提高航空動力電池性能水平的技術方案，并闡述它們目前的發(fā)展狀況。

航空動力電池方案

硅陽極電池

硅材料容納的鋰離子數(shù)量是石墨材料的10倍，可以將電池的能量密度提高20%-50% ，同時具備更高的功率密度、充放電倍率、循環(huán)壽命和更低的成本。但硅材料在充電過程中的膨脹幅度是石墨材料的30倍，易導致陽極開裂。國內外的多家企業(yè)正在開發(fā)針對硅材料膨脹問題的解決方案，硅陽極電池有望5年內在高端電動汽車平臺上得到應用。

中國臺灣地區(qū)的電池制造商Molicel為多家eVTOL企業(yè)提供電池產(chǎn)品（包括美國Archer和英國VerticalAerospace），目前的240Wh/kg電池采用鎳鈷錳酸鋰陽極材料，最新的260Wh/kg電池則使用了美國Group14公司開發(fā)的硅陽極材料。Group14公司制造了微米級的多孔碳顆粒，并在孔隙內沉積非晶硅，從而構成穩(wěn)定的硅碳復合陽極，可以與石墨混合或完全替代石墨材料。

美國的航空動力電池制造商Electric PowerSystem（EPS）為波音、NASA、Bye Aerospace、Joby、Archer、巴航工業(yè)等多家整機企業(yè)提供電池產(chǎn)品，EPS也是全球第一家向FAA

EPS公司的EPiC2.0硅陽極電池。

提交航空動力電池適航審批的企業(yè)，該公司已宣布其下一代模塊化電池系統(tǒng)EPiC2.0將采用硅陽極材料。EPS的發(fā)言人聲稱，EPiC1.0電池預計在2025年初取得FAA認證，EPiC2.0電池預計在2027年取得FAA認證。從EPiC1.0到EPiC2.0，電池系統(tǒng)的能量密度將從205Wh/kg提高到265Wh/kg，提升幅度30%～40% ，循環(huán)壽命突破2000次，對應的eVTOL飛行時間將從60min提高到90min。

另一家著名的電池制造商Amprius也在關注硅陽極電池，Amprius公司的工藝是直接在金屬集流器中培養(yǎng)納米級硅線，納米級硅線應對膨脹的效果要優(yōu)于硅粒子，硅線之間的距離既可以容納體積膨脹，也可以為離子和電子提供導電路徑，從而提供更高的功率密度。Amprius公司目前的SiMaxx電池單體能量密度為350＼～500Wh/kg，循環(huán)壽命僅為300次左右?？湛妥庸続alto的ZephyrHAPS高空平臺使用了SiMaxx的500Wh/kg電池，如果是對功率密度需求更高的eVTOL航空器，SiMaxx電池對應的能量密度為380Wh/kg。與之相比，采用硅陽極材料的SiMax×電池單體能量密度為400Wh/kg，循環(huán)壽命高達1200次。

據(jù)消息人士稱，Lilium公司在2023年10月向Amprius訂購了400Wh/kg的硅陽極電池，將用于eVTOL整機的供電。

鋰硫電池

鋰硫電池理論上可以將鋰電池的實際能量密度提高兩倍以上，同時還能降低 50% 以上的原材料成本，用儲量豐富且價格較低的硫取代鎳作為陰極材料，并用高容量的鋰金屬取代石墨作為陽極材料。硫本身不導電，因此必須添加導電材料。鋰硫電池面臨的問題包括陰極產(chǎn)生的多硫化物穿過電解液，直接與陽極反應導致循環(huán)壽命降低（穿梭效應），以及陽極上形成鋰枝晶導致短路等。

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，國內外的電池企業(yè)和科研院所仍在不斷研究鋰硫電池，以期實現(xiàn)它的商業(yè)應用。美國電池初創(chuàng)企業(yè)Lyten正在開發(fā)用于汽車和航空器

32|無人機2025No.1/總第126期的鋰硫電池，該電池采用金屬鋰陽極和3D石墨烯-硫復合材料陰極。Lyten公司聲稱，鋰硫電池到2027年的單體能量密度可以達到600Wh/kg，循環(huán)壽命超過800次。如果采用固態(tài)電解質，單體能量密度甚至可以突破1000Wh/kg。Lyten公司的鋰硫電池已經(jīng)在小型無人機上得到了應用，并開始在eVTOL上進行測試。Lyten的技術專家表示，鋰硫電池在航空領域應用的另一個顯著優(yōu)勢是高安全性，硫可以使電池的熱失控鈍化，鎳鈷錳酸鋰陰極中的氧元素含量在

20%-30% 之間，而硫陰極中并不含氧元素，因此發(fā)生火災時的危險程度更低。

鋰金屬電池

目前理論能量密度最高的陽極材料是鋰金屬，但鋰金屬電池的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)。就如前文所說，鋰金屬在充放電過程中會產(chǎn)生枝晶，長期生長容易導致隔膜破裂，影響電池壽命甚至造成短路。鋰枝晶在全球范圍內都屬于難題，目前研究方向也僅僅是抑制或延緩鋰枝晶的生長，另一種解決思路是使用固態(tài)電解質以避免鋰枝晶刺破隔膜。此外，鋰金屬在充放電過程中會有明顯的體積變化，對電池的結構設計也產(chǎn)生了挑戰(zhàn)。

美國Cuberg公司正在開發(fā)一種航空鋰金屬電池，它采用高密度的金屬氧化物陰極、鋰金屬陽極以及不易燃、熱穩(wěn)定的液態(tài)電解質，設計能量密度為295Wh/kg。在2024年5月的一次測試中，4.7kWh電池模塊的能量密度接近285Wh/kg，模擬eVTOL任務剖面的692次循環(huán)后，剩余電池容量為 80% 0

但鋰金屬電池的開發(fā)仍是一個曲折的過程，瑞典電池制造商Northvolt在2021年收購了Cuberg公司，由于對其開發(fā)進度的不滿，Northvolt在2024年2月罷免了Cuberg公司創(chuàng)始人RichardWang的CEO職務，并將Cuberg的鋰金屬電池研究力量整合到瑞典的研發(fā)部門，整體發(fā)展形勢并不明朗。

韓國電池企業(yè)SESAI也在開發(fā)用于eVTOL的鋰金屬電池，使用高濃度液態(tài)電解質和保護涂層，該涂層可以穩(wěn)定電解質與復合鋰金屬陽極之間的接觸面，從而緩解鋰枝晶的形成。電池的陰極材料使用鎳，單體能量密度為400～500Wh/kg。SESAI的CEO胡啟超表示，鋰金屬電池在典型的eVTOL任務剖面下可以實現(xiàn)1500次以上的循環(huán)壽命。2024年8月SESAI公司宣布在韓國忠州建立了首個面向城市空中交通應用場景的鋰金屬電池生產(chǎn)設施。

另一家美國的初創(chuàng)公司And BatteryAero也在開發(fā)液體電解質鋰金屬電池，號稱單體能量密度可以達到400～420Wh/kg，電池組能量密度可以達到300Wh/kg以上。

固態(tài)電池

固態(tài)電解質電池也被認為是航空領域的重要發(fā)展方向。固態(tài)電解質與鋰金屬結合在一起，可以實現(xiàn)更高的安全性、循環(huán)壽命、能量密度和功率密度。但由于技術問題和制造工藝的不成熟，固態(tài)電池的商業(yè)化之路還需要更多的時間。

NASA的SABERS項目正在開發(fā)一種單體能量密度超過500Wh/kg的固態(tài)鋰硫電池。SABERS電池包括摻雜硫硒的石墨烯陰極和鋰金屬陽極，并采用了輕質雙極板堆疊設計。NASA認為，固態(tài)電池具有更高的耐損傷性，并消除了火災的風險，能量密度和放電倍率遠高于傳統(tǒng)鋰電池，是航空電推進系統(tǒng)的不二選擇。

鈉/鎂離子電池

隨著電氣化浪潮席卷乘用車、重型卡車、船舶以及各種航空器，鋰電池在市場上的占比和規(guī)模逐年走高。但由于鋰材料的價格和產(chǎn)能等問題，鋰以外的電池材料也正受到越來越多的關注，例如鈉離子電池和鎂離子電池。鈉的天然儲量遠比鋰豐富，也更容易開采，成本僅為鋰的數(shù)十分之一。但鈉離子電池的能量密度較低，只有200Wh/kg，很難用在航空器上。鈉離子電池在我國的儲能和低成本電動汽車領域的應用非常廣泛，仍然是航空產(chǎn)業(yè)值得關注的技術發(fā)展方向。

此外還有鎂離子電池和鈣離子電池，礦物儲量和成本均優(yōu)于鋰離子電池，但也同樣面臨能量密度和循環(huán)壽命過低的問題。上述電池材料在航空領域的應用還需要進一步探索。

總結

航空動力電池的發(fā)展水平在過去5年里發(fā)生了顯著的變化，能量密度、充放電倍率、循環(huán)壽命等核心參數(shù)實現(xiàn)了成倍增長。但我們必須認清一個事實，電池技術距離滿足航空場景的商業(yè)需求仍有差距，航空業(yè)遠超其他行業(yè)的性能需求也可能會造成獨木難支的局面，我們將不得不依靠自己的力量突破電池的技術瓶頸。航空電池技術專家和工程師們還有很多問題需要解決，固態(tài)電池、鋰金屬電池、硅陽極電池或者其他的技術方案，究竟誰能代表航空動力電池的未來發(fā)展方向，我們拭目以待。