锂硫电池能否解决电子航空电池的局限性

王楠/唐山骏楠贸易有限公司，河北省 唐山市 063000

锂硫电池的能量密度是锂离子电池的两倍，但是其功率系数和循环寿命仍需改进。锂硫电池的研发将大大推进航空电池技术的进步，并带来深刻影响。

制造商们正在验证，设计实用的全电动飞行器是可行的，但只有当电池能够突破目前对其性能的严重局限性，才能放松对其尺寸和航程的限制。

电池领域通常都会虚报数据，但一些下一代产品设计正处于商业化的早期阶段，它们提供的能量密度要高于目前的锂离子电池——这是飞机的一个关键参数。

备受青睐的选项中包括用固态电池取代锂离子中的液体电解质，使电池更安全，能量密度更高。丰田和其他汽车制造商正在致力于从事固态电池的研究，因为固态电池的高体积能量密度将使电池体积更小。另一种方法是锂金属，它用锂金属代替锂离子中的石墨阳极来增加能量密度。

另一种很有前途的电池化学物质锂硫(Li-S)正受到关注，因为英国电池初创企业Oxis Energy公司与美国电动飞机制造商Bye Aerospace公司达成协议，将合作开发应用于飞机的锂硫电池技术。Bye Aerospace公司已经在开发一种使用锂离子电池的双座训练机，即eFlyer 2，并致力于将锂硫电池应用到大型飞机上。

总部位于英国阿宾敦的Oxis Energy公司成立于2004年，电池开发主管马克·克里滕登表示，该公司已将锂硫电池的能量密度提高至每千克400Wh以上，明年初将达到每千克500Wh。相比之下，目前最好的锂离子电池的能量密度大约为250Wh/g。

这一性能也超过了Sion Power公司生产的锂硫电池350Wh/g的能量密度，2015年Qinetiq公司(现已被空客收购)Zephyr太阳能高空无人机使用了该电池，创下了11天的飞行续航时间纪录。Zephyr随后的一次飞行超过25天，但使用了一种不同的电池技术。

图1 Bye Aerospace公司正在寻找用于比双座eFLyer 2更大的电动飞机的锂硫电池。(图片来源：Bye Aerospace公司)

对于电池来说，细节是关键，能量密度并不是唯一的关键参数。功率系数、充放电速率、安全性和循环寿命也是影响因素。“选择正确的市场很重要，”马克·克里滕登说。

锂硫是一种高能量，但它的功率并不高——意思是它释放储存能量的速度。像Zephyr这样的高空伪卫星需要高能量，但只需要非常低的放电或充电速率。电动垂直升降飞行器在起飞和降落过程中放电率高，因此需要高能量密度和高功率系数。

“对于电动垂直升降来说，关键指标不仅仅是能量密度达到400Wh/kg，还要能够达到2-3 C的高放电速率。”马克·克里滕登说，“现在还没有达到这个速度，但我们认为这是一个可以提高锂硫性能的领域。这是我们的目标之一。”

例如，Bye公司正在研制的传统固定翼飞机，其飞行任务属于通用航空，只在起飞和爬升时才需要高功率，因为持续时间相对较短，限制了所需的放电速度。“对于通用航空来说，我们有一个在高充电速率下的短起飞阶段，在低充电速率下的巡航阶段，然后在着陆时充放电速率会真正下降。”马克·克里滕登说，“我们可以应付这一情况。”

就像许多替代电池的化学成分一样，锂硫电池的另一个关注点是循环寿命，这阻碍了该技术的发展。 Oxis公司的锂硫电池的循环寿命大概是200次，这远远少于锂离子可能的数千次循环。例如，优步正计划在1300次充电后更换其电动升降飞行器的锂电池，届时锂电池的容量将达到85%，随后会将其销售到稳定的电力市场，在那里，锂电池预计将有更长的使用寿命周期。

“这是我们正在寻求改进的领域。”马克·克里滕登说，“过去10年我们的重点是能源密度，与锂离子电池相比，取得了较好的效果。现在我们希望通过提高功率系数和循环寿命来扩大锂硫电池的应用。”Oxis公司的目标是在两年内至少达到500次的循环寿命。

锂硫电池相对于锂离子电池的一个优点是成本更低。马克·克里滕登说，这有两种方式来实现。一是生产电池的材料成本较低，因为硫比锂离子电池中使用的钴和其他稀有元素便宜得多；其次是能产生更高的能源密度。“只需要更少的材料来储存同样的能量，”他说，“两倍的能量密度意味着一半数量的电池。”

另一个优点是安全。锂离子电池中锂的枝状生长可能导致短路和破坏性的热失控，需要精心设计以防止锂离子电池中锂的扩散。这导致了重量和尺寸方面的局限性，使飞机上减少大约25%的能量密度。

“锂硫电池不会形成枝状生长。”马克·克里滕登说，“当锂耗尽时，形成的任何小的碰撞都会在下一个循环中被削弱。”其结果是“苔藓状”生长，而不是像在锂离子中形成枝状，连接阳极和阴极导致短路。他说：“锂硫电池不会以一种有问题的方式退化。”

Oxis公司已经进行了联合国标准的UN/DOT 38.3测试，该测试是锂电池安全运输所必需的，包括钉子和子弹的穿透和增压。马克·克里滕登说：“锂硫电池的性能非常好。”

这家英国公司现在正准备投产——比最初计划的要晚——在威尔士的塔尔伯特港建立一个生产阴极和电解质的工厂，并在巴西建立一个软包电池组装工厂。第一阶段的商业化计划将于2022年上线，拥有“每年几百万个电池”的生产能力，相比之下，Oxis公司的原型工厂每年可以生产1万块左右。

至于市场方面，Oxis公司计划发挥锂硫电池的优势。马克·克里滕登说，目标是“把该电池投放到哪些领域”的应用，并回报以更高的能量密度。其中包括：电动公共汽车，其中的电池组可以重达数吨；应用到防御的便携和可穿戴电源；航空航天。“我们的早期客户正在他们的集群中测试我们的电池，我们也为其他客户构建了概念验证集群”，马克·克里滕登表示。

关于锂硫电池在航空领域的潜力，Oxis公司已与一家未透露身份的欧洲飞机制造商合作，来展示其性能。这包括对使用锂离子电池的飞机进行飞行剖面图的记录，然后通过锂硫电池组进行分析。

马克·克里滕登说:“锂硫电池更轻，所以我们能够在飞机上安装更大的电池。”电池越大，起飞所需的放电速率就越低。他说:“所需的功率和电池的尺寸降低了充放电速率，这对我们有利。”锂硫电池更高的能量密度延长了巡航阶段，使得续航时间“显著改善”。