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來源：IEEE.spectrum
編譯：肥恬兒、lin
電動飛機風靡一時，從無人機到客機，各種尺寸的原型機都在研發中。但是這項技術尚未起步，原因之一是：缺少合適的電池。
對於一架大型客機來說，如果在攜帶著重達數千公斤的電池的同時，還想要起飛，滑行，在空中翱翔，並降落在數百公裡之外，這根本是行不通的，因為對於飛機來說太重了。其次，即使對於相對較小的飛機（比如說兩座教練機），電池的絕對重量也限制了飛機的有效載重，從而限制縮小了飛機的飛行範圍。減輕電池重量不僅對航空業，對其他電動汽車（例如汽車，卡車，公共汽車和輪船）都是一個優勢，所以電池的能量與重量的比例與這些應用的性能都是緊緊相關的。
在這些應用上，現在的選擇一般是用鋰離子電池，因為它在幾年前就已經是一個成熟的技術，而且每次技術的更新都能設計出一個更小的尺寸。但是對於現在的技術來說，如果想要革新，當務之急則是尋找一種新的化學物質。
從2004年以來， Oxis Energy公司一直在研究一種領先於其他技術的化學物質-鋰硫。這種技術能使電池變得極其輕巧，而在最新的研發中，鋰硫電池所達到的能量密度是鋰離子電池的兩倍以上。硫磺鋰還能夠提供航空所需的所需功率，不僅耐用，最重要的是，它足夠安全。畢竟，一旦飛機遇到突如其來的大火或其他災難時，總不能隨便拉到路邊修理。
新技術的研發雖然用了很長的時間，但是隨著第一階段的飛行試驗已經完成，標誌著等待的過程已經結束！
鋰硫電池大致由以下四個組件組成：
正電極（陰極）一般是在放電過程中吸收電子，並且連接著一個塗有碳和硫的混合物的鋁箔集電器。硫是參與電化學反應的活性材料， 但因為這是一種電絕緣體，因此由碳（一種導體）負責將電子傳遞到需要的地方。為了確保碳和硫可以與陰極結合在一起，其中還添加了少量的粘合劑。負電極（陽極）則在放電過程中釋放電子，並連接到純鋰箔。鋰在這裡充當集電器，同時也是參與電化學反應的活性材料。多孔隔膜，用來防止兩個電極接觸並引起短路。隔板浸入含有鋰鹽的電解質中。電解質，促進離子在兩個電極之間移動從而產生電化學反應。
這些組件被連接並包裝在鋁箔袋中，電池則依次串聯和並聯連接在一起，並包裝在20安培小時，2.15伏的電池組中。對於如飛機這樣的大型交通工具，只需連接了數十個電池組，就能創造出一個能在數百伏特的情況下提供數十或數百安培小時的電池。
鋰硫電池的不尋常之處在於，它們在放電時會經歷多個階段，每次形成一個截然不同的鋰和硫分子。當電池放電時，電解質中的鋰離子遷移到陰極，在陰極與硫和電子結合形成多硫化物Li2S8。同時，在陽極，鋰分子釋放電子以形成帶正電的鋰離子。這些釋放的電子然後通過外部電路（即負載）移動，這會將它們帶回到陰極。在電解液中，新產生的Li2S8立即與更多的鋰離子和更多的電子反應，形成新的多硫化物Li2S6。該過程繼續進行，逐步通過其他多硫化物Li2S4和Li2S2，最終成為Li2S。在每個步驟中，更多的能量被釋放並傳遞給負載，直到最後該單元的能量耗盡。
充電時則會顛倒以上順序：施加的電流迫使電子朝相反的方向流動，從而使硫電極或陰極斷絕電子，從而將Li2S轉換為Li2S2。多硫化物繼續逐步添加硫原子，直到在陰極生成Li2S8。每次釋放電子時，都會產生鋰離子，然後鋰離子擴散通過電解質，並與鋰電極上的電子結合形成鋰金屬。當所有的Li2S都轉換為Li2S8時，電池便已充滿電。
以上過程只是一個簡化的描述，發生在電解質中和陽極處的實際反應其實更加冗雜。事實上，在許多充放電循環中，正是這些副反應導致了鋰硫電池的降解。只有通過選擇合適的材料和電池配置，將這些問題最小化，這才是生產長壽命高效電池所必須解決的根本性基礎和挑戰。
電池的構造解析
左圖介紹了鋰硫電池在放電時經歷的階段。在每個階段中，電解質中的鋰離子都會流向陰極，在陰極中它們會形成具有更高硫與鋰比的多硫化物。充電可以逆轉這一過程。電池與電池管理設備連結在一起，電池組本身可裝入外殼中。
鋰離子和鋰硫技術的一大挑戰是：由重複充電和放電的循環而引起，導致陽極退化的趨勢。就鋰離子而言，到達該電極的離子通常會找到能夠把自己塞進去的金屬中的間隙，此過程稱為嵌入。但是有時離子會在表面鍍覆，形成一個原子核，並且會在其上積累更多的鍍層。在許多周期中，燈絲或樹枝狀晶體可能會生長，直到到達相對電極並使電池短路，從而以無法修復的方式損壞電池的熱能激增。如果一個單元格像這樣分解，它可以觸發相鄰的單元格進行同樣的操作，從而產生一種稱為熱失控反應的多米諾效應，也就是火災。
對於鋰硫電池，鋰金屬陽極的降解也是一個問題。但是，這又是另外一個完全不同的機制，並且不涉及樹突的形成。在鋰硫電池中，隨著電池的充電和放電，陽極表面上不均勻的電流密度會導致鋰電鍍和剝離不均勻。隨著時間的流逝，這種不均勻的電鍍和剝離會在陽極上引起苔蘚狀的沉積物，這種沉積物會與電解質中的硫化物和多硫化物反應。這些長滿苔蘚的沉積物與大塊陽極電斷開連接，剩下的陽極表面可用於化學反應。最終，隨著這種降解的進行，陽極將無法工作，從而阻止了電池接受電荷。
開發這種降解問題的解決方案，最關鍵的是生產可以在許多充放電循環中以較高水平運行的電池。Oxis一直致力於一項有前景的解決方案，即在鋰金屬陽極上覆蓋一層薄薄的陶瓷材料，以防止降解。這樣的陶瓷材料需要具有高的離子傳導性並且是電絕緣的，以及能夠在機械和化學反應過程中保持穩固的狀態。陶瓷層允許鋰離子不受阻礙地通過，並結合到下面的塊狀鋰金屬中。
Oxis目前與Pulsedeon和Leitat兩家公司的合作，並一起進行這項在陽極添加保護層的工作。Oxis認為這將大大增加電池的充放電次數。同時，Oxis與阿科瑪（Arkema）合作以改善陰極，從而增加電池的功率和能量密度。
確實，鋰離子電池優於其先前產品的主要優勢以及鋰硫優於鋰離子的主要優勢在於，電池可以在很輕巧的體型中儲存大量的能量。在汽車中啟動內燃機的鉛酸啟動器電池每公斤可存儲約50瓦時（watt-hours per kilogram 或 Wh/kg）。典型的鋰離子則取決於其他性能特徵，例如峰值功率或長壽命，以保持100至265 Wh/kg的能量。Oxis最近開發了一種原型鋰硫袋式電池，該電池容量為470 Wh / kg，但是他們希望在一年內可以提高到500 Wh / kg。同時，由於這項技術仍然是新技術並且還有改進的空間，因此，預計在2025，該電池可以達到600 Wh / kg。
當電池製造商提到能量密度指數時，他們通常是指，在恆定的低功率放電的情況下電池的可用能量。在某些應用中，這樣低的速率是可以的，但是對於許多可以垂直起飛的電動飛機，必須以更高的功率速率傳遞能量。這種高功率功則須要以較低的總儲能容量為代價。
Bye航空航天公司的eFlyer 2（上圖一）是為訓練飛行員而設計的。Bye正在與Oxis能源公司合作開發鋰硫電池，該電池有望增加飛機的航程。這是一個由硫磺製成的正極捲軸，正被塗在一個集電極上（上圖二）。
此外，單個電池所能達到的能量密度可能比由許多這樣的電池組成的電池所能達到的能量密度要大得多。能量密度不能直接從電池單元轉換到電池，因為電池單元需要封裝——容器，電池管理系統，連接，也許還有冷卻系統。重量必須得到控制，因此，我們公司正在使用先進的複合材料來研製輕巧、堅固、防爆的外殼。
如果包裝正確，電池的能量密度可以保持在電池單元的80%：額定功率為450Wh/kg的電池單元可以在最終的電池中以超過360Wh/kg的功率包裝。我們希望通過整合電池與飛機來更好達成，例如，讓機翼空間兼做電池外殼的雙重任務。我們預計這樣做將使這個數字達到90%。
為了在不影響安全性的前提下優化電池性能，我們首先依靠電池管理系統(BMS)，這是一種控制和保護電池的軟硬體組合。它還包括測量電池剩餘能量的算法，以及在充電過程中最小化能量浪費的算法。
與鋰離子電池單元一樣，鋰硫電池單元彼此之間也略有不同。這些差異，以及電池在電池組中的位置差異，可能會導致一些電池單元始終比其他電池單元更熱。隨著時間的推移，這些高溫會慢慢降低性能，因此將電池與電池之間的功率差異最小化是很重要的。這通常是通過一個簡單的平衡方案來實現的，即幾個電阻並聯在一個單元上，所有電阻都由BMS中的軟體控制。
即使充放電率保持在安全範圍內，任何電池仍可能產生過熱。因此，通常需要一個專用的熱管理系統。電動汽車可以使用液體冷卻，但在航空領域，空氣冷卻更受青睞，因為它增加的重量更小。當然，電池可以放置在空氣自然流過飛機表面的位置，比如機翼。如有必要，空氣可以通過導管分流到電池中。在Oxis，我們正在使用計算模型來優化這種冷卻。例如，當我們在一個小型固定翼飛機的項目中引入這項技術時，它使我們能夠設計一個有效的熱管理系統，如果沒有這個系統，電池將在完全放電前達到其溫度極限。
如上所述，電池組通常與單元同時並聯和串聯布置。然而，電池單元的排列還有很多問題。當然，電池是電子飛機的關鍵部件，所以你需要冗餘，以增強安全性。例如，你可以把電池設計成相等的兩部分，這樣，如果有一半出現故障，它可以被斷開，讓飛機至少有足夠的能量來控制下降和著陸。
BMS中的另一個軟體組件是電荷狀態算法。想像一下，你要駕駛一輛油表的測量誤差相當於油箱容量的25%的汽車。你不會為了確保汽車不會突然剎車而讓指示燈降到25%。你的實際行駛裡程只有汽車實際行駛裡程的四分之三。為了避免這種浪費，Oxis非常重視電荷狀態算法的發展。
在鋰離子電池中，你可以通過簡單的測量電壓來估計電量，電壓隨著能量水平的下降而下降。但對於鋰硫電池來說就沒那麼簡單了。回想一下，在鋰硫電池中，不同的聚硫化物在電解過程中在不同的時間充放電。結果是，電壓並不能很好地代表電荷的狀態，更複雜的是，充電和放電的電壓曲線是不對稱的。所以跟蹤電荷狀態所需的算法要複雜得多。我們和英格蘭的克蘭菲爾德大學合作，使用統計技術，包括卡爾曼濾波和神經網絡，開發了我們自己的算法。我們可以精確地估計電荷的狀態，精確度達到誤差幾個百分點內，我們還在努力做得更好。
所有這些設計選擇都涉及到權衡取捨，這對於不同的飛機來說是不同的。我們通過不同的方式來管理這些權衡，以便為以下三種不同類型的飛機定製電池設計：
高空偽衛星(High-altitude pseudo satellite, HAPS)是指飛行在15,000至20,000米高空的飛機。希望是能夠一次飛行數月;目前的紀錄是26天，由空中巴士的西風之神在2018年創造。白天，這些飛機使用太陽能電池板為發動機提供動力，為電池充電;到了晚上，它們靠電池供電飛行。因為24小時的充放電周期只需要很少的電力，你可以設計一個輕電池，從而允許一個大的有效負荷。它的輕盈也使得這種飛機更容易飛離赤道，因為赤道的黑夜更長。電動垂直起降(eVTOL)飛機正被開發為飛行計程車。德國的Lilium和Uber Elevate等公司已經在進行此類項目。同樣，重量是關鍵，但這裡的電池不僅要輕，而且要有動力。因此，Oxis開發了兩種不同版本的電池化學。高能量版本在電池設計的許多方面進行了優化，以使重量最小化，但它僅限於相對低的功率;它最適合於HAPS應用程式。高功率版本更重，但仍明顯低於性能相當的鋰離子電池;它非常適合像eVTOL這樣的應用。輕型固定翼飛機：對飛行員的需求日益增長，而培訓飛行員的成本卻很高；全電動教練機將大大降低運營成本。一個關鍵因素是更長的飛行時間，這是由更輕的電池助力實現的。科羅拉多州的拜航空航天公司(Bye Aerospace)就是這類飛機的領先者。此外，其他公司，如易捷航空(EasyJet)與萊特電氣(Wright electric)的合作夥伴，也在計劃使用全電動商用客機進行2小時短途飛行。
三個因素將決定鋰硫電池最終的成敗。首先是成功地將電池集成到多種機型上，以證明這一原理。其次是電池化學的不斷改進。三是單位成本的持續降低。這裡的一個優點是硫的價格和材料一樣便宜，所以我們有理由希望通過批量生產，單位成本將低於鋰離子電池設計的成本，這將是商業成功的必要條件。
Oxis已經生產了數萬個電池，目前正在擴大兩個新項目的規模。現在，它正在威爾斯的塔爾伯特港建立一個生產電解液和陰極活性材料的製造廠。隨後，鋰硫電池的實際批量生產將在位於巴西米納斯吉拉斯州的梅賽德斯-奔馳巴西分公司開始。
這個最先進的工廠應該在2023年投入使用。如果規模經濟得到證明，如果電動飛機的需求如我們預期的那樣增長，那麼鋰硫電池將開始在該領域取代鋰離子電池。在空氣中起作用的，在地面上也應該起作用。
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