飛行汽車背後的技術-高性能電池技術

飛行汽車用高性能電池技術，旨在克服諸多技術挑戰以滿足飛行需求。

能量密度與功率密度的平衡

飛行汽車在起飛、懸停、爬升、巡航、下降和降落懸停等不同飛行階段，對能量和功率需求不同。例如垂直起降飛行汽車在起飛和降落時，需要瞬間較大動力（高功率密度），在空中飛行則需要長時間電力供應（高能量密度）。但高能量密度往往會降低充電速度，而高功率密度下的快速充電通常減少充電週期，這兩者存在矛盾關係。一些傳統鋰電池技術難以同時滿足這兩方面要求，比如目前能量密度爲300Wh/kg的NCM811三元鋰電池，存在電池組重量過重問題，難以完全適合飛行汽車需求。

快速充電技術的需求與挑戰

飛行汽車由於使用場景特點，如頻繁短程飛行運營場景下，需要讓充電時間接近換乘時間（一般要求5 - 10分鐘），同時充電能量足以滿足下一次出行且具備較長循環壽命。普通充電技術下電池隨着電量升高充電速度會變慢，而王朝陽團隊研究的熱調控電池技術，通過在電芯裡埋入10微米的鎳箔作爲發熱體，以電池自身能量進行極速加熱電芯來調節溫度，實現無損傷快充並能提供輸出大功率。該技術可避免電池析鋰、縮短高溫工作時間、避免材料過快老化，同時加熱電池還可以快速釋放電池能量保證起飛和降落。例如其215Wh/kg的電池通過熱調控技術能在5分鐘內充滿滿足80公里飛行距離所需能量，且壽命可達3800循環；271Wh/kg的電池可10分鐘充電且壽命達2000循環。

安全性與電量保持

飛行汽車電池安全性要求極高，美國FAA和歐盟EASA分別對飛行事故率有着千萬分之一和十億分之一以下的嚴苛要求。並且由於在空中懸停和降落需要電力，電池必須始終保持一定安全電量，不能像手機電池那樣完全放電。比如在美國，雖無官方垂直起降飛行器最低備用電量規定，但電池荷電狀態絕不能小於10% ，降落後也要保有25% - 40%的電量。

孚能科技在電動垂直起降飛行器的應用

孚能科技早在五六年前就涉足eVTOL動力電池領域，並已經完成了從關鍵技術開發、樣品供應、認證、第一代產品交付驗證到向終端客戶商業交付的全過程。搭載其動力電池的電動飛行器，電芯和系統能量密度分別超過280Wh/kg和230Wh/kg，最高時速達320km/h，最長巡航距離爲250km，電芯可實現10000次以上工況循環，滿足了飛行汽車對高能量密度、長續航、放電性能和安全性的多重需求。

寧德時代的航空佈局

寧德時代已突破500Wh/kg能量密度的凝聚態電池技術，並參與民用電動載人飛機項目合作開發。其不僅能應用於汽車領域還可以應用於航空領域，通過與中國商飛和上海交大企業發展集團有限公司等的合作，在航空領域積極探索固態電池的研發和應用，向着航空級安全與質量要求邁進，爲飛行汽車電池技術發展提供可能性。

其他企業在飛行汽車電池上的探索

國軒高科與eVTOL企業億航智能在2023年末簽訂戰略合作協議，雙方共同開發基於億航智能eVTOL產品的動力電芯、電池包、儲能系統和充電基礎設施。中創新航與小鵬汽車深度綁定開發針對低空出行的新銳9系高鎳/硅體系電池，在保證高功率、高快充能力的同時，實現輕量化和安全性能提升，這些都在飛行汽車電池應用道路上進行着積極嘗試和探索。

技術面臨的瓶頸

目前，飛行汽車高性能電池技術仍面臨瓶頸。能量密度方面，eVTOL飛機商用的能量密度門檻是400Wh/kg，但目前eVTOL電池爲285Wh/kg左右，雖比乘用車三元電池的200Wh/kg高出四成，但還有一定差距，長遠看飛行汽車電池能量密度要求將達1000Wh/kg，距離目標還非常遙遠。在充電倍率上，eVTOL起降等特殊場景要求瞬間充放電倍率須在5C以上，而量產電動汽車動力電池在倍率性方面處在從2C左右向4C邁進階段，難以滿足飛行汽車需求。

各企業在技術研發上的佈局

國內外衆多企業在飛行汽車高性能電池技術研發上積極佈局。美國賓州大學電化學發動機中心王朝陽團隊研發出更適用於垂直起降飛行器（eVTOL）的熱調控電池，在焦耳雜誌上發表研究成果。孚能科技已經有成型的eVTOL動力電池商業化產品交付。寧德時代不斷在航空領域探索，除前文提到的凝聚態電池外，還在與多方合作推進相關技術研發。國內還有正力新源發佈新型航空電池來解決高能量密度與高倍率難題，盟固利搭載300Wh/kg級電池助力飛機首飛，中創新航爲AG60E電動飛機配套電池等也在積極開展技術開發相關工作。

不斷提升能量密度

隨着技術發展，飛行汽車電池必然需要朝着更高能量密度的方向發展。從目前的285 - 500Wh/kg朝着商用門檻400Wh/kg以及更高的長遠目標1000Wh/kg邁進。這需要不斷從電池材料研發、電池結構設計等多方面進行創新。例如新型的高鎳/富鋰錳基正極材料、硅基負極材料等研究如果取得突破都可能有助於提升能量密度。

改進充電技術

充電技術將更加迅速和高效，不僅要縮短充電時間到更短的理想水平（如5分鐘以內充滿所需電量），同時還要兼顧電池壽命和安全性。未來的技術可能會在目前熱調控充電技術基礎之上進行優化，或者開發出全新的快充技術體系，比如探索新的電池內部發熱體或調控機制。而且還需要結合飛行汽車的運營場景（如高頻次短程飛行）定製更加智能的充電策略。

高度集成化與輕量化

飛行汽車爲了提高效率和性能，其電池技術會走向高度集成化，將電池管理系統、熱管理系統等功能與電池集成一體。同時，減輕電池重量一直是核心需求，未來會採用輕質但是高性能的材料，如在電池組件、電池外殼製造等可能採用新型的輕質合金、複合材料等來減輕重量增強飛行能力。

三元鋰電池

目前較爲常用，能量密度可觀，如能量密度約250 - 300Wh/kg的三元鋰電池被研究用於飛行汽車。但存在一定問題，如高能量密度和快速充電能力難以完美兼容，並且重量方面不太理想，以目前300Wh/kg的NCM811三元鋰電池，應用於飛行汽車會讓電池組重量較重，而且在安全性上對於飛行汽車來說相對不是足夠高，需要不斷的改進在能量密度、充電速度和安全性之間的平衡關係才更適用於飛行汽車。

固態電池

固態電池具有高比能量、良好安全性和快速充電能力等優勢，非常適合飛行汽車。例如氧化物固態電池化學穩定性高且成本低（相較於其他一些固態電池體系），雖然有質地剛性可能影響固體接觸等問題，但隨着技術改進也有望成爲飛行汽車電池的較好選擇。硫化物固態電池雖然面臨導電率低、穩定性差和成本高問題待解決，不過理論上能提供大於600Wh/kg能量密度，是有望滿足飛行汽車高能量密度需求的電池體系。總體來說固態電池在滿足飛行汽車的能量密度、安全性等多方面需求上有着很大潛力，只是需要攻克當前技術發展中的一些障礙。