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NASA固态电池的新突破 航空电气化成为可能?

2022-10-25 09:05来源:环球零碳关键词:固态电池锂离子电池电池技术收藏点赞

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美国航空航天局(NASA)研究人员正在开发一种创新的电池组,该电池组比当今车辆和大型电子产品中常用的电池更轻、更安全、性能更好,有望应用于未来的短途航空中。

一般锂离子电池的电解质是液态的,以凝胶体、聚合物的形式存在,使得电池的重量较大。除了重量问题,液态电解质是可燃的,它在高温下不稳定,存在热失控的问题。若是发生车祸,可能会导致严重火灾。

固态电池的整体结构与传统锂离子电池相似,充放电方式也大同小异,但没有液体电解质,而是玻璃、陶瓷或其他材料形式的固态电解质。固态电池内部更紧密,体积更小,能量密度增加。在汽车等大型设备上使用时,也不需要再额外增加设备,不仅节约了成本,还能有效减轻重量。

此外,固态电池的充电速度比液态电池快,也没有腐蚀性的问题,寿命更长。固态电池还具有热稳定性,受温度变化影响较小,确保了电池的续航力。由于有着多种优势,固态电池被认为是下一代电池技术

近日,NASA表示其改进固态电池充电效率和安全性项目部门(SABERS)研发的航空用固态电池取得了重大突破,能量密度是电动汽车电池的两倍。

1 创新的材料和电池结构设计

电池性能是开发更可持续的电动飞机的一个关键方面。这些电池必须储存为电动飞机提供动力的巨大能量,同时保持较轻的重量。另一方面,电池还要以足够的速度放出这些能量,为这些短途航空设备提供动力 。

换句话说,电池可以被描述为一个水桶。电池的能量(或容量)是水桶能容纳多少东西,而它的功率是水桶能被清空的速度。为了给电动飞机提供动力,电池必须以极快的速度释放其能量,或清空其水桶。

为了实现这个目标,SABERS团队的研究人员开发了一种固态电池。这种固态电池为硫硒电池,其电解质材料利用廉价并易获得的硫,还有一种NASA此前研发的 “多孔石墨烯”材料,具有非常高的导电性,并且质量十分轻。

除了新材料之外,SABERS团队还使用了革命性的包装。与连接单独包装电池的普通电池不同,SABERS的电池将所有电池垂直堆叠在一个外壳内。通过这种设计,SABERS已经证明他们的固态电池可以以每500 Wh/kg的巨大容量为物体提供动力,几乎是目前最好的电动汽车电池能量密度的两倍——特斯拉公司的4680锂电池的能量密度约为300Wh/kg。

这使其能够减轻电池的大部分重量,并增加可以储存的能量。

“这种设计不仅消除了电池30%到40%的重量,还使我们能够将其存储的能量增加一倍甚至三倍,远远超过被认为是最先进的液态锂离子电池 。”NASA克利夫兰格伦研究中心SABERS的首席研究员Rocco Viggiano说。

安全性是在电动飞机上使用电池的另一个关键要求。与液态电池不同,固态电池在发生故障时不会着火,并且在损坏时仍然可以运行,因此在航空领域具有吸引力。

2 研究合作与未来

SABERS的研究人员还在不同的压力和温度下测试了他们的电池,发现它可以在几乎是液态锂离子电池工作温度的两倍下运行,并且不许需要使用大量的冷却技术。该团队正继续在更高温的条件下对其进行测试。

在过去的一年里,SABERS成功地将他们的电池放电率提高了10倍,然后又提高了5倍。今年,SABERS的主要目标是展示电池的性能符合其能量和安全目标,同时证明它可以在现实条件下以最大功率安全运行。

SABERS与佐治亚理工学院,阿贡国家实验室和太平洋西北国家实验室等多个合作伙伴合作,以进一步推进这一前沿研究。在与佐治亚理工学院的研究人员合作工作中,他们使用了不同的方法改进电池以用于实际用途。

“佐治亚理工学院非常关注电池在操作过程中微观力学的变化。这有助于我们查看电池内部的压力,然后帮助我们进一步改善电池,“Viggiano说。“这也让我们从实用的角度理解了如何制造这样的电池,并引导我们进行了一些其他改进的设计配置。”

SABERS还利用多个NASA中心和项目的专业知识来实现其目标。“我们已经就NASA的其他人如何利用我们的工作并使用我们的电池进行了许多富有成效的讨论,”Viggiano说。“我们已经看到SABERS从某天午餐时的想法发展成为可能解决航空业能源问题的解决方案。”


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