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

  • 厦金大桥(厦门段)大节段钢箱梁顺利发运

  • 中国援助斯里兰卡抗洪救灾物资运抵科伦坡

独家策划

推荐阅读
近十几年来,罗二仓团队聚焦采用环保工质,如氦气、氩气、氮气等绿色工质的热声斯特林技术,研发具有广阔应用前景的新一代热泵技术。
2025-12-10 09:39
中国科学院生物物理研究所徐涛院士课题组与纪伟研究员课题组研制出三维干涉定位显微镜(ROSE-3D),首次在单分子定位成像领域,实现了基于相机的纳米尺度三维各向同性分辨率。
2025-12-10 09:38
“细胞壁是质膜外具有一定硬度和弹性的细胞结构,广泛存在于植物、细菌和真菌中。随着研究逐渐深入,团队发现,在植物茎顶端干细胞区域,细胞壁的主要成分果胶呈现独特的“二元分布”模式。
2025-12-10 09:37
指令长张陆时隔两年半再度漫步太空,航天员武飞成为我国目前执行出舱任务最年轻的航天员。
2025-12-10 09:35
我国首个国家级陆相页岩油示范区——新疆吉木萨尔国家级陆相页岩油示范区9日完成年度170万吨原油生产任务,这一成果标志着国家级示范工程建设任务全面完成。
2025-12-10 09:34
一些不法商家钻监管漏洞,推出所谓“智驾神器”规避车辆安全监控,不仅严重威胁道路交通安全,更触碰了法律红线,扰乱了新能源汽车产业的健康发展秩序。
2025-12-09 10:11
一项新研究揭示了这些天体表面下可能发生的活动,为了解其多样地质特征的形成机制提供了线索。相关研究成果近日发表于《自然-天文学》。
2025-12-09 10:02
实验结果显示,将化合物注射给抑郁模型小鼠后,仅1小时便可观察到显著的抗抑郁效果,且无明显副作用。
2025-12-09 10:01
北京大学生命科学学院罗述金课题组与合作团队,通过古DNA研究发现,家猫直至唐代前后才通过丝绸之路商旅传入中国。
2025-12-09 09:58
7日,中国安全生产科学研究院与国家管网集团,在新疆哈密的国家管网集团管道断裂控制试验场,成功完成了我国首次全尺寸高压纯氢管道喷射火系列试验。
2025-12-09 09:57
基于这样的研究背景,柴秀娟团队近日研发出一种数字孪生驱动的智能温室采摘系统,能有效解决现代温室番茄生产密植环境下,机器人采摘效率低、易损伤植株的问题。团队成员郎一宁介绍:“首先,机器人搭载的滑轨式深度相机会沿温室逐行扫描,采集高精度的RGB-D数据。
2025-12-08 09:54
记者从国家数据局获悉,截至9月底,我国已建成高质量数据集总量超500PB(拍字节,计算机存储容量单位);7个数据标注基地引进和培育标注企业362家,标注从业人员达8.5万人,带动数据标注相关产值163亿元。
2025-12-08 09:53
“梦想”号大洋钻探船的母港在广州海洋地质调查局科考码头,出海执行作业任务时需要通过深中大桥。多年来,我们与150余家参研参建单位团结协作、集智创新,攻克了一个个技术难题,建成了这艘具有我国完全自主知识产权、全球领先的大洋钻探船。
2025-12-08 09:52
空中的昆虫堪称地球上最灵活的生物,能精准完成急转弯、急刹车和空中翻转。美国内华达大学里诺分校的航空航天工程师Hoang-Vu Phan指出,这款新设备标志着“微型机器人性能的巨大飞跃”。
2025-12-08 09:51
近日,中国科学院西安光学精密机械研究所超快光科学与技术全国重点实验室研究员姚保利团队在定量相位成像领域取得进展,提出了正交偏振复用剪切干涉技术,并研发出集成化定量相位相机Q-camera。
2025-12-08 09:50
这次经历让我开了窍:一个顶尖的技术工人,不能只满足于执行标准,更要具备在标准之外创造解决方案的能力。我带徒弟,始终坚持“手把手教技能,实打实查问题,面对面讲后果”。
2025-12-05 10:15
由此,研究团队模仿亚洲玉米螟幼虫头壳的结构特点,在实验室中成功“复刻”出具有类似仿生层状结构的水凝胶。为验证实际效果,研究团队将这种水凝胶安装在农业害虫侦查无人机的防撞支架上,并在模拟果园环境的复杂通道中进行测试。
2025-12-05 10:16
“十四五”时期,我国批准上市创新药达210个。为保证药品安全有效,药监部门对新药研发、生产、上市作出一系列严格规定,强化研发生产各环节质量管理。
2025-12-05 10:22
据中国载人航天工程办公室消息,根据计划安排,神舟二十一号航天员乘组将于近日择机实施第一次出舱活动。目前,空间站组合体运行稳定,神舟二十一号航天员乘组状态良好,已做好出舱活动各项准备工作。
2025-12-05 10:17
大国工匠的成长是一个长期、连续、贯通的过程,职业教育要为学生构建可持续发展的成长通道。在新时代的征程中,职业教育应不断探索符合技术技能人才成长规律的教学模式,为培养更多大国工匠、能工巧匠作出更多贡献。
2025-12-05 10:15
加载更多