点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

首页> 科普频道> 科普头条 > 正文

电动飞行汽车有戏了

来源:《中国科学报》2021-06-09 09:14

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  热调控电池让商业化成为可能

  电动飞行汽车需要新一代电池技术。图片来源:Eric Rountree, EC Power

  ■记者 唐凤

  驾驶汽车飞行在林立的高楼之间,可能将不再是科幻电影的情节。随着垂直起降飞行器(eVTOL)技术日渐成熟,这一场景正逐步走向现实。

  美国研究人员正在探索电动飞行汽车的需求,并设计和测试了新型电池。研究人员利用热调控技术,实现了两种高比能电池在飞行汽车应用场景下的快速充电和高使用寿命。6月7日,相关论文刊登于《焦耳》。

  “我认为飞行汽车有潜力节省大量时间,为交通运输开辟天空走廊。”宾夕法尼亚州立大学电化学发动机中心主任王朝阳说,“但电动飞行汽车对电池的要求很高,非常具有挑战性。”

  飞起来 疏拥堵

  对于人类而言,飞上云霄甚至遨游太空已触手可及。但是,想飞就飞的便捷飞行方式仍是很多人的梦想。

  “飞行汽车可以用来解决大都市的交通拥堵问题,例如用于早、晚高峰的城市出行。一旦起飞,其短途旅行的平均速度将为100英里每小时,长途旅行的平均速度为200英里每小时。”王朝阳告诉《中国科学报》,“目前全球范围内有近百个公司在进行相关机器的开发和商业化工作。”

  不过,动力电池作为电动飞行汽车的心脏,仍然是制约其商业转化的最主要瓶颈,相关研究十分有限。

  实际上,飞行汽车电池的难点在于需要同时满足高能量密度、高功率密度、5~10分钟内快充能力、极长循环寿命,以及高安全性的需求。目前市场上的动力电池可以实现部分性能要求,但无法同时满足所有需求。

  例如,“飞行汽车的电池需要有非常高的能量密度,这样它才能在空中停留。它在起飞和降落时也需要非常大的动力。”王朝阳说,电池重量也是一个重要因素,因为车辆将携带电池提升和降落。

  电池要给力

  针对这些问题,王朝阳团队与EC Power公司合作者,在论文中详细探讨了电动飞行汽车对动力电池各类性能参数的需求。研究发现,飞行汽车相对于传统电动汽车几乎在各个方面都对电池提出了更高的要求。

  该研究详细分析了飞行汽车对电池能量和功率密度、快充、寿命和安全性的要求。相比于传统电动汽车电池,飞行汽车电池要求在更高的放电倍率下释放更大的比能量,并拥有更好的安全性。

  但在正常情况下,电池具有高能量密度就会降低充电速度,而快速充电通常会缩短充电周期。

  “飞行汽车电池约90%的充电场景为快充,远高于电动汽车电池(<10%)。此外,高频率运行使飞行汽车电池在1年内要完成约1600次满充满放循环,相当于一辆续航400公里的电动汽车1年内行驶64万公里。因此,在快充能力与循环寿命两个方面,飞行汽车对电池都提出了更严格的要求。”王朝阳说。

  此外,电动飞行汽车的一个独特之处在于,它的电池必须一直保持一定电量。例如,飞行汽车电池不能在空中完全放电,因为在空中停留和着陆都需要能量。因此这类电池需要有一个安全边际。

  “为了安全,电动飞行汽车在降落后必须仍然保有25%~40%的电量。所以其快充必须在高剩余电量的基础上实现,难度要比零电量的手机电池快充大很多。这个难题通过此项研究中的热调控机理得以解决。”王朝阳说。

  给电池加点热

  鉴于飞行汽车对电池快充的迫切需求,王朝阳团队展示了一种热调控快速充电技术,其核心是“高温充电,环境温度放电”。

  “我们发明的新型电池基于热调控原理。在电芯里埋有一片10微米的镍箔作为发热体,然后利用电池自身的能量极速加热电芯,进而通过调节温度以实现电池无损伤快充和大功率输出。”

  研究人员使用镍箔加热使电池迅速达到60摄氏度。分析结果显示,高温快充可避免电池析锂,同时缩短电池的高温工作时间以避免电池材料的过快老化。而且,加热电池可以快速释放电池中的能量,以保证汽车的起飞和降落。

  “电池如果是空的,充电内阻较低,但剩余电量越高,就越难将更多的能量充入电池。充电速度通常会随着电池充满而变慢。然而,通过加热电池,充电时间可以保持在5到10分钟。”王朝阳说。

  研究人员利用该技术开展了电动飞行汽车场景下的快充循环实验,每个循环包括一次热调控快充和一次模拟80公里飞行距离的放电。实验显示,对于一款215Wh/kg的电池,热调控技术可在5分钟内充满80公里飞行所需的电量,且电池寿命可达到3800次循环。对于另一款更高能量密度(271 Wh/kg)的电池,热调控可实现10分钟充电,且寿命达到2000次循环。

  针对目前屡有发生的电池爆燃问题,王朝阳表示,热调控电池比普通电池更安全,因为它在低温环境中的功率性能是通过热刺激实现的,而传统电池必须靠提高电池材料的高活性,即以牺牲安全为代价才能获得。

  “该热调控电池有望短时间内商业应用到eVTOL。目前我们在研发第二代产品,即在上述第一代电池的基础上,将能量密度提升到350~400Wh/kg, 成本降至每瓦时0.35元人民币。”王朝阳说,“我希望这篇论文能让人们相信,我们不需要再花费20年才能得到这些飞行汽车。”

  当然相比较韦斯莱家的飞行汽车,哈利·波特迷们可能更希望拥有一把飞行扫把。

[ 责编:武玥彤 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 小年到 年味浓

  • 他们,焐热城市的寒夜

独家策划

推荐阅读
工业和信息化部等五部门近日印发《关于加强信息通信业能力建设支撑低空基础设施发展的实施意见》。加强监管能力体系建设,规划无人机专用号段,推动“一机一码一号”能力建设,探索标识解析在无人机领域的应用,形成无人机通信资源精细化管理。
2026-02-11 09:25
全球森林逐渐被快生树木主导,而稳定生态系统的慢生树种正在消失。“我们关注的是极为独特的物种,它们主要集中在生物多样性丰富、生态系统联系紧密的热带和亚热带地区。“此外,在现在和未来受到干扰的地区,非本地物种可能会加剧对光、水和养分的竞争,从而使本地树木更难生存。
2026-02-11 09:32
中国科学院动物研究所研究员王红梅带领的“灵长类胚胎发育的规律解析与体外模拟团队”,用27年的接力攻坚,把灵长类早期胚胎发育这个看不见、摸不着的“黑匣子”,变成了清晰可见的“生命剧本”。
2026-02-11 09:32
截至1月28日,“横竖都是世界第一”的贵州花江峡谷大桥累计接待游客突破130万人次,通行车辆超20万辆次,持续为区域发展注入新动能。大桥带来的发展溢出效应令人瞩目,而深入大桥肌理探查,你会发现,支撑起这座庞然大物的每根细钢丝,全部都是“中国造”。
2026-02-11 09:31
针对常见的饮食误区,杨爱明特别提醒,不建议采用“不吃主食”或“用水果代替主食”的方法来控制体重。对于肠胃功能较弱的人群,应避免过冷、过烫、过辣、过咸食物的刺激,切忌暴饮暴食,并尽量保持规律的进餐时间,以防加重原有胃肠问题。
2026-02-11 09:24
近日,市场监管总局(国家标准委)批准发布《中医体质分类与判定》推荐性国家标准。
2026-02-10 09:44
聚集相关企业300余家,机器人产业链规模超百亿元……北京亦庄,为何扎堆这么多机器人企业?
2026-02-10 09:42
“十四五”时期,我国全社会研发经费投入年均增长10%,研发经费投入强度提高0.44个百分点。
2026-02-10 09:41
日前,我科研团队在国际学术期刊《科学》发表论文《多尺度泛基因组图谱赋能混合倍性甘蔗的基因组解析》,为甘蔗高产优质育种提供了全新“基因资源地图”与核心分析工具。
2026-02-10 09:34
日前,南海区域海-气双向耦合智能大模型“飞鱼-1.0”在广东广州正式发布。“
2026-02-10 09:33
蓝天、绿林、碧水、清波……冬日的广东东莞松山湖科学城,温暖、惬意。
2026-02-09 10:00
这声呼唤,穿越漫长岁月,凝结着人类对这位地球近邻永恒的好奇与梦想。而今,随着新一轮探月热潮在全球兴起,这句“去月球”已不再仅仅是浪漫的诗意表达,更成为科技前沿竞相追逐、国家实力与创新精神交汇的生动实践。
2026-02-09 09:57
特种机器人技术与数智系统创新团队成员张平点击一键启动指令后,雷达驱动、定位算法、规划与控制算法等模块被加载。在系统支持下,无人机能够精准定位、自主导航与实时避障,像一位不知疲倦的巡检员。
2026-02-09 09:53
深耕西南高原山区二十余载,于富强与真菌为伴,在种质资源保护与产业富民之间架起桥梁,把论文写进泥土中,把科研做进农户的大棚里。3年间,于富强往返昆明与水城数十趟,硬是帮着水城从零起步,建成了食用菌研究所、日产50万袋的菌种厂和鲜菇冷链物流集散中心。
2026-02-09 09:53
研究团队将这一环境效应与黑洞双星轨道偏心率的演化同时纳入统一模型,并将理论预测与北美纳赫兹引力波天文台合作组15年的观测数据进行对比分析。陈一帆表示,尽管当前的不确定性仍然较大,但该研究已经表明,引力波观测开始携带关于星系中心环境的可测信息。
2026-02-09 09:53
近日,国家管网集团西部管道公司成功完成所辖新疆段天然气、原油、成品油管道输送全生命周期碳足迹核算,获得中国质量认证中心颁发的“产品碳足迹证书”。
2026-02-06 09:18
近日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种创新团队研发出新型植物基因研究工具——对目标DNA序列的邻近空间蛋白标记系统。
2026-02-06 09:38
因为像了解自己的孩子一样了解黑土地,韩晓增有个外号——“黑土地的营养搭配师”。他带领团队精心配制出一套营养搭配的“秘方”。
2026-02-06 09:33
蚊种与病毒之间存在高度匹配关系。1901年,公共卫生与热带医学领域先驱沃尔特·里德证明,蚊子是传播黄热病的元凶。科学界传统观点认为,病毒以颗粒形式在蚊子体内传播,却始终不知道真正的“病毒受体”是什么。
2026-02-06 09:31
科技创新和产业创新的深度融合,不仅是构建现代化产业体系的战略举措,更是贯彻新发展理念、推动高质量发展、加快构建新发展格局的重要抓手。
2026-02-06 09:13
加载更多