数十年历史的生物学技术揭示了延长电动飞机电池寿命的关键

 

劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员采用了传统上用于生物学的组学技术来提高电动飞机电池的寿命和效率。他们的研究发现，电解质中的特定盐可以在阴极颗粒上形成保护涂层，从而显着延长电池寿命，并为预计在 2025 年进行的试飞奠定了基础。

最近的一项研究表明，通过生物科学技术发现的一种突破性的电解质溶液可使电动飞机电池的循环寿命延长四倍。

当要弄清楚电动飞机电池为何会随着时间的推移而失去电量时，人们通常不会想到采用几十年前生物学家用来研究生物体成分结构和功能的方法。然而，事实证明，组学这一帮助科学家解开人类基因组秘密的领域，也可能很快在实现无碳航空旅行方面发挥关键作用。

在《焦耳》杂志的一项新研究中，美国能源部 劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的研究小组利用组学技术研究了电动飞机电池的阳极、阴极和电解质之间的复杂相互作用。其中最重要的发现之一是，混入电池电解质的某些盐在阴极颗粒上形成了一层保护涂层，使其更耐腐蚀，从而延长了电池寿命。

研究团队由来自加州大学伯克利分校、密歇根大学以及行业合作伙伴 ABA（加利福尼亚州帕洛阿尔托）和 24M（马萨诸塞州剑桥）的科学家组成，他们使用新电解质溶液设计并测试了一款电动飞机电池。与传统电池相比，该电池的循环次数增加了四倍，可维持电动飞行所需的功率能量比。该项目的下一步将是让团队制造足够的电池（总容量约为 100 千瓦时），用于预计于 2025 年进行的试飞。

“重型运输行业，包括航空业，在电气化方面尚未得到充分探索，”这项研究的通讯作者、伯克利实验室分子铸造厂的高级研究员 Brett Helms 表示。“我们的工作重新定义了可能性，突破了电池技术的界限，实现了更深层次的脱碳。”

 

分子铸造厂高级研究员 Brett Helms 和博士后研究员 Youngmin Ko 正在拿着本研究中使用的纽扣电池。图片来源：Jeremy Demarteau

电动航空旅行面临独特挑战

与优先考虑长距离持续能量的电动汽车电池不同，电动飞机电池面临着起飞和降落时高功率需求以及长时间飞行时高能量密度的独特挑战。

“对于电动汽车来说，你关注的是容量随时间衰减的情况，”伯克利实验室分子铸造厂的博士后研究员、这项研究的主要作者 Youngmin Ko 说道。“但对于飞机来说，功率衰减才是关键——起飞和降落时始终保持高功率的能力。”

Ko 表示，传统电池设计在这方面存在不足，主要是因为缺乏对电解质、阳极和阴极之间界面情况的了解。Ko 表示，这正是组学方法发挥作用的地方，这是一种从生物科学中借用的方法，用于解读复杂系统中化学特征变化的模式。

“生物学家使用组学来研究基因表达和DNA结构等事物之间的复杂关系，”Helms 说。“因此，我们想看看是否可以使用类似的方法来检查电池组件的化学特征，并确定导致电量衰减的反应及其发生的位置。”

研究人员重点分析了锂金属电池，这种电池具有高电压、高密度层状氧化物，其中含有镍、锰和钴。与之前的研究相反，之前的研究通常认为电量衰减问题是由于电池阳极发生某些事情造成的，而研究团队观察到，电量衰减主要源于阴极侧。随着时间的推移，颗粒会破裂和腐蚀，阻碍电荷移动并降低电池效率。此外，研究人员还发现，特定的电解质可以控制阴极界面的腐蚀速率。

“这是一个不明显的结果，”Ko 说。“我们发现在电解质中混合盐可以抑制通常反应性物质的反应性，从而形成稳定的耐腐蚀涂层。”

研发出新电解质后，研究人员在高容量电池中对其进行了测试。在电动垂直起降的现实任务中，该电解质表现出了出色的电量保持能力。该团队希望在今年年底前生产出电池，用于由四家 eVTOL（垂直起降）合作伙伴制造的飞机原型，进行预计于 2025 年进行的飞行测试。展望未来，Helms 和 Ko 表示，该团队及其合作者计划扩大组学在电池研究中的应用，探索各种电解质成分的相互作用，以进一步了解和定制电池性能，以适应交通运输和电网中当前和新兴的使用情况。