نقش باتری‌های لیتیوم یونی ولتاژ بالا در توسعه هوانوردی برقی چیست؟

وقتی برای اولین بار در فضای تامین باتری لیتیوم یونی ولتاژ بالا شروع به کار کردم، اعتراف می کنم که به طور کامل متوجه نشدم که کار ما تا چه حد برای حمل و نقل هوایی برقی تغییر دهنده بازی خواهد بود. در آن زمان، ما فقط شیمی خود را اصلاح می‌کردیم، سلول‌ها را در پهپادهای کوچک و حسگرهای از راه دور آزمایش می‌کردیم، و به فکر تامین انرژی هواپیماهای سایز کامل حامل مسافران در سراسر کشور نبودیم. اکنون، پس از سال‌ها کار نزدیک با مهندسان هوافضا، بنیان‌گذاران استارت‌آپ‌ها و تنظیم‌کننده‌های صنعت، می‌بینم که باتری‌های یون لیتیوم ولتاژ بالا (HV LiPo) فقط جزئی برای هوانوردی الکتریکی نیستند – آنها ستون فقراتی هستند که صنعت را از یک آزمایش خاص به یک جریان اصلی و جایگزین پایدار برای سوخت جت تبدیل می‌کنند. اجازه دهید توضیح دهم که چرا چنین است، و چگونه کاری که تیم ما هر روز انجام می دهد مستقیماً با این تغییر تحول آفرین مرتبط است.

ابتدا، اجازه دهید اصطلاحاتی را که باعث می‌شود بسیاری از مقالات فناوری انرژی دور از دسترس به نظر برسند را بررسی کنیم. هوانوردی الکتریکی فقط تعویض موتورهای جت با موتورهای الکتریکی نیست. بزرگترین چالشی که در حال حاضر هوانوردی الکترونیکی با آن مواجه است، چگالی انرژی است: چقدر انرژی می توانید در یک وزن معین ذخیره کنید. هر پوند اضافی در هواپیما هزینه سوخت دارد، نیاز به ارتقاء ساختاری دارد و برد را محدود می کند. باتری‌های لیتیوم یون سنتی برای تلفن‌ها و خودروها به خوبی کار می‌کنند، اما انرژی کافی برای هواپیماها را ندارند - تا زمانی که به مواد شیمیایی ولتاژ بالا رسیدیم که این محدودیت‌ها را برطرف می‌کند. این جایی است که خط سلول‌های HV LiPo ما وارد می‌شود، از جمله محصولاتی مانند باتری لیپو 10000mah که تبدیل به اسباب کار برای نمونه‌های اولیه هواپیماهای الکترونیکی کوچک‌تر شده است.

بیایید در مورد آن شکاف چگالی انرژی صحبت کنیم. یک سوخت جت استاندارد دارای چگالی انرژی حدود 12000 وات ساعت بر کیلوگرم (Wh/kg) است. یک باتری لیتیوم یونی معمولی تقریباً 250 تا 300 وات ساعت بر کیلوگرم است که برای یک جت منطقه ای به اندازه کافی نزدیک نیست. اما سلول های HV LiPo؟ ما با آخرین فرمول‌بندی‌هایمان این عدد را به بیش از 350 Wh/kg رسانده‌ایم و تحقیقات حتی از این هم بالاتر است. این ممکن است مانند یک پرش کوچک به نظر برسد، اما در هوانوردی، هر Wh/kg اضافی مهم است. برای یک هواپیمای منطقه‌ای با 50 صندلی، این اختلاف 50 وات ساعت بر کیلوگرم به 500 کیلوگرم نیرو اضافه می‌شود که برای اضافه کردن 100 مایل برد یا حمل 10 مسافر اضافی بدون کاهش عملکرد کافی است. این نوعی سود افزایشی است که یک نمونه اولیه فنی جالب را به یک هواپیمای تجاری قابل دوام تبدیل می کند.

هنگامی که مهندسان هوافضا برای اولین بار آزمایش باتری های HV را آغاز کردند، با مشکلات زیادی مواجه شدند که برای هر کسی که از تلفنی استفاده می کند که خیلی سریع شارژ می شود یا خیلی داغ می شود آشنا به نظر می رسید. سلول های ولتاژ بالا خطر فرار حرارتی بیشتری دارند، به این معنی که در صورت آسیب دیدن یا مدیریت نادرست می توانند بیش از حد گرم شوند و آتش بگیرند. آنها همچنین عمر چرخه کوتاه تری داشتند - به این معنی که سریعتر از هزینه ای که خطوط هوایی قادر به تعویض آنها بودند فرسوده می شدند. به همین دلیل است که بسیاری از تلاش‌های اولیه هوانوردی الکترونیکی در حدود سال‌های 2018-2019 متوقف شد: شیمی روی کاغذ کار کرد، اما برای استفاده تجاری به اندازه کافی ایمن یا قابل اعتماد نبود. تیم ما سال‌ها با اصلاح مواد کاتد و الکترولیت، ساخت لایه‌های مدیریت حرارتی پیشرفته، و تکمیل فرآیند تولید برای اطمینان از سازگاری در هزاران سلول، روی این مسائل کار کرد.

به عنوان مثال سلول های لیپو ولتاژ بالا 3.85 ولت / 4.4 ولت ما را در نظر بگیرید. این سلول ها به طور خاص برای تعادل تراکم انرژی و ایمنی طراحی شده اند. ما آنها را در یک سری شبیه‌سازی تصادف آزمایش کردیم، جایی که آنها را سوراخ کردیم، خرد کردیم و بیش از حد شارژ کردیم - آزمایش‌های استانداردی که تنظیم‌کننده‌های هوانوردی مانند FAA قبل از تأیید هر باتری برای استفاده تجاری به آن نیاز دارند. نتایج بسیار بهتر از سلول‌های یون لیتیوم سنتی بود: بدون فرار حرارتی، خطر آتش سوزی قابل توجه و عمر چرخه‌ای که اکنون بیش از 1500 چرخه شارژ-تخلیه کامل دارد. برای خطوط هوایی، این بدان معناست که یک بسته باتری می تواند 5 تا 7 سال استفاده منظم داشته باشد، که با طول عمر معمول یک موتور جت مطابقت دارد. این نوعی قابلیت اطمینان است که سلول های HV LiPo را به یک گزینه جدی تبدیل می کند، نه فقط یک آزمایش آزمایشگاهی.

یکی دیگر از پیروزی های بزرگ برای باتری های HV LiPo در حمل و نقل هوایی، توانایی آنها در ارائه توان بالا در صورت تقاضا است. هواپیماها فقط نیازی به ذخیره انرژی ندارند، بلکه باید مقدار زیادی نیرو را برای برخاستن، صعود و مانورهای اضطراری به سرعت بکشند. برای مثال یک 737 MAX برای بلند شدن به ده ها هزار کیلووات انرژی نیاز دارد. طراحی‌های اولیه موتور الکتریکی می‌توانست آن را ارائه دهد، اما باتری‌ها نمی‌توانستند آن را بدون افت ولتاژ که باعث کاهش عملکرد می‌شود، تامین کنند. سلول های HV ولتاژ اسمی بالاتری دارند، به این معنی که برای رسیدن به ولتاژ کاری موتور هواپیما، به سلول های کمتری نیاز دارید که به صورت سری سیم کشی شوند. که وزن کلی بسته باتری را کاهش می دهد، سیم کشی را ساده می کند و خطر خرابی ناشی از اتصالات شل را کاهش می دهد. خط لیپو ولتاژ بالا ما ساخته شده است تا نرخ تخلیه مداوم 10 درجه سانتیگراد (به این معنی که می تواند 10 برابر ظرفیت خود را بر حسب آمپر ارائه دهد) و نرخ های اوج 20 درجه سانتیگراد را مدیریت می کند که برای نیازهای انرژی سنگین هواپیماهای الکترونیکی کوچک تا متوسط ​​مناسب است.

بیایید در مورد موارد استفاده در دنیای واقعی صحبت کنیم، زیرا تئوری فقط تا آنجا پیش می رود. در حال حاضر، بیشتر هواپیماهای برقی کوچک هستند: 2 تا 8 صندلی برای مسیرهای کوتاه، یا هواپیماهای بدون سرنشین باری بزرگ. اما این صنعت به سرعت به سمت هواپیماهای منطقه ای حرکت می کند که می توانند 50 تا 100 مسافر را در مسیرهای 500 مایلی یا کمتر حمل کنند - فکر کنید از نیویورک تا بوستون یا لندن تا پاریس. شرکت هایی مانند Eviation، Heart Aerospace و magniX همگی در حال آزمایش نمونه اولیه هواپیماهایی هستند که به باتری های HV LiPo متکی هستند. هواپیمای برقی 9 سرنشین Eviation's Alice از 1000 واحد لیپو ولتاژ بالا ما در بسته باتری خود استفاده می کند و بردی معادل 440 مایل دریایی (حدود 500 مایل) با یک بار شارژ به آن می دهد. این دقیقاً محدوده مورد نیاز برای 80٪ از تمام پروازهای داخلی در ایالات متحده است و از آنجایی که هواپیماها به جای سوخت جت از برق استفاده می کنند، انتشار کربن را تا 90٪ کاهش می دهند - یک پیروزی بزرگ برای خطوط هوایی که تلاش می کنند به اهداف خالص صفر تا سال 2050 برسند.

حمل و نقل هوایی حوزه دیگری است که باتری های HV LiPo در آن تفاوت ایجاد می کنند. پهپادهای تحویل بسته های کوچک سال هاست که وجود داشته اند، اما تا همین اواخر، نمی توانستند بیش از چند پوند حمل کنند. با سلول های ولتاژ بالا مانند باتری لیپو 10000mah ما، پهپادهای تحویلی می توانند 10 تا 15 پوند وزن را در مسافت های 50 مایلی حمل کنند که برای تحویل یک روزه در اکثر مناطق مترو کافی است. شرکت‌هایی مانند آمازون و وینگ در حال آزمایش این پهپادها هستند و از عملکرد باتری HV به عنوان یک عامل کلیدی در توانایی خود در مقیاس‌سازی یاد می‌کنند. حتی هواپیماهای باری بزرگتر، تا 10 تن، در حال ساخت هستند - آنها از صدها سلول ولتاژ بالا برای کاهش هزینه ها و انتشار گازهای گلخانه ای برای شرکت های حمل و نقل استفاده می کنند.

البته هنوز موانعی وجود دارد که باید از آنها عبور کرد. بزرگترین آنها زیرساخت است: هواپیماها باید سریع شارژ شوند و فرودگاه ها باید ایستگاه های شارژ با ظرفیت بالا را اضافه کنند که بتواند صدها کیلووات نیرو را در یک زمان تحمل کند. در حال حاضر، اکثر باتری‌های HV LiPo حدود 30 دقیقه طول می‌کشند تا تا 80 درصد ظرفیت شارژ شوند، که برای مسیرهای تجاری که زمان زمین بین پروازها دارند، به اندازه کافی سریع است، اما برای کاهش چرخش باید سریع‌تر شود. ما نیز روی آن کار می‌کنیم—تیم تحقیق و توسعه ما در حال آزمایش الکترولیت‌های جدیدی هستند که می‌توانند زمان شارژ را بدون به خطر انداختن ایمنی یا عمر چرخه به نصف کاهش دهند. مانع دیگر هزینه است: باتری‌های HV LiPo هنوز در هر کیلووات ساعت از سوخت جت گران‌تر هستند، اما قیمت به سرعت در حال کاهش است. در 5 سال گذشته، هزینه سلول‌های HV تا 40 درصد کاهش یافته است و با افزایش مقیاس تولید، انتظار می‌رود تا سال 2030 با سوخت جت برابری کند. در آن زمان است که هوانوردی برقی دیگر یک سرویس خاص نخواهد بود و به یک امر عادی تبدیل می‌شود.

به عنوان یک تامین کننده باتری لیتیوم یونی ولتاژ بالا، نقش ما فقط فروش سلول نیست، بلکه همکاری با سازندگان هواپیما برای حل مشکلات خاص آنهاست. ما فقط یک جعبه سلول نمی فرستیم و می رویم. ما با تیم‌های مهندسی آنها کار می‌کنیم تا بسته‌های باتری سفارشی را طراحی کنیم که متناسب با چارچوب هواپیما باشد، وزن مورد نیاز آنها را برآورده کند، و هر آزمایش نظارتی را با موفقیت پشت سر بگذارد. ما داده‌های عملکرد در زمان واقعی را ارائه می‌کنیم، بنابراین آنها می‌توانند عملکرد باتری را ردیابی کنند و بر اساس آن برنامه‌های پرواز خود را تنظیم کنند. و ما دائماً شیمی خود را به روز می کنیم تا چگالی انرژی را حتی بیشتر کنیم، زیرا می دانیم که این چیزی است که قفل نسل بعدی هواپیماهای الکتریکی را باز می کند.

با نگاهی به آینده 10 سال، من انتظار دارم که هوانوردی برقی یک صنعت 100 میلیارد دلاری باشد و باتری های HV LiPo در مرکز آن باشند. تا سال 2035 شاهد پرواز هواپیماهای منطقه ای 50 نفره خواهیم بود که با سلول های ولتاژ بالا در مسیرهای منظم پرواز می کنند و تا سال 2040، هواپیماهای باریک بدنه تمام اندازه برای خدمات تجاری آزمایش خواهند شد. این تغییر یک شبه اتفاق نمی افتد - سوخت جت عمیقاً ریشه دوانده است، و خطوط هوایی برای سرمایه گذاری در فناوری جدید تا زمانی که آن ثابت نشود مردد هستند - اما این حرکت غیرقابل انکار است. هر ماه یک نمونه اولیه دیگر به آسمان می‌رود، یک شرکت هواپیمایی دیگر نامه‌ای مبنی بر سفارش هواپیماهای برقی امضا می‌کند، یک تنظیم‌کننده دیگر دستورالعمل‌های جدیدی را برای استفاده از باتری HV در هوانوردی صادر می‌کند.

اگر بخشی از یک شرکت سازنده هواپیما، شرکت هواپیمایی یا استارت‌آپ هواپیمایی الکترونیکی هستید که به دنبال تقویت پروژه بعدی شماست، تیم ما برای کمک به شما اینجاست. ما سال‌ها را صرف پالایش خط لیپو ولتاژ بالا کرده‌ایم، از جمله سلول‌های لیپو ولتاژ بالا 3.8V/4.35V که تعادل کاملی از چگالی انرژی و ایمنی را برای طیف وسیعی از کاربردها ارائه می‌دهند. ما با مشتریان کار می کنیم تا پیکربندی های سلولی را سفارشی کنیم، پشتیبانی فنی را در طول آزمایش و صدور گواهینامه ارائه دهیم، و تولید مقیاس پذیر را برای پاسخگویی به تقاضا با رشد پروژه شما ارائه دهیم. چه در حال ساخت یک پهپاد باری کوچک یا یک جت منطقه ای با 50 صندلی باشید، ما سلول های HV LiPo را داریم که به موفقیت شما کمک می کند.

مراجع

1. آژانس بین المللی انرژی (2023).Global EV Outlook 2023: Charging Ahead. انتشارات آژانس بین المللی انرژی.
2. اداره هوانوردی فدرال (2022).استانداردهای ایمنی باتری برای هواپیماهای الکتریکی. جلسه توجیهی ایمنی هوانوردی FAA
3. هواپیمای فرار. (2023).Alice Electric Aircraft: مشخصات فنی. مستندات رسمی فرار.
4. انجمن صنعت باتری لیتیوم یون. (2024).گزارش بازار سلول های ولتاژ بالا: کاربردهای هوانوردی. تحقیقات LIBA.
5. magniX. (2023).پیشرانه الکتریکی برای هوانوردی منطقه ای: مطالعات موردی. کاغذ سفید فنی magniX.