鉅大LARGE | 點擊量：1699次 | 2021年04月22日
鋰電池與燃料電池哪種更適用于eVTOL?
過去的十幾年間，鋰電池技術快速發展，其高倍率放電能力支持了eVTOL飛行器成為現實，然而，盡管eVTOL概念機和“產品”如雨后春筍般在世界各地出現，電池技術仍然是業界公認的影響eVTOL產品走向成熟的最大障礙。
鋰電池使eVTOL載人飛行成為現實
而對于燃料電池，盡管已經出現了半個世紀，并且經歷了幾個快速發展期，但也僅在近幾年才成規模地用于地面車輛，由于氫氣的能量密度極高，氫燃料電池經常被認為是鋰電池在電動汽車和電動飛機應用中的重要競爭者。
Alaka'iTechnologies公司的氫燃料電池eVTOL概念機，外觀設計非常漂亮，但不合理，可以預見，這款機型會爛尾.
在UAM行業研究中，有必要對鋰電池和氫燃料電池在eVTOL飛行器上的應用前景作專題研究。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
主要優缺點：
我們可以先看一下常規鋰電池系統和燃料電池系統的組成，這將有助于闡明二者的優缺點。
當前階段汽車和飛機所采用的鋰電池系統通常由電池模組、熱管理系統、電池管理系統、結構系統和電氣系統等部分組成。
典型鋰電池系統的組成
其中：
1、電池模組是鋰電池系統的核心，通常由一系列軟包或圓柱形電芯、周邊線路、單體管理單元組成；
2、熱管理系統用于使電池系統工作在適當的溫度區間；
3、電池管理系統用于檢測和管理電池系統的主要參數狀態、健康狀態、充放電等；
4、結構系統用于提供堅固密閉的結構外殼，保證電池系統安全；
5、電氣系統指的是電池系統內部線束、保險元件等。
從本質上來說，燃料電池并不是傳統意義上的電池，而更像是一座發電站，典型的氫燃料電池系統包括電堆、升壓斬波電路、緩沖電池、氫氣供給和循環系統、熱管理系統、控制系統、儲氫罐等。
其中：
1、電堆是燃料電池的核心系統，對于常見的質子交換膜燃料電池，電堆由雙極板和膜電極組成，質子交換膜就是膜電極的核心部分。氫氣和氧氣就是在電堆中發生化學反應而產生電能；
2、升壓斬波電路用于穩定燃料電池的輸出電壓；
3、緩沖電池用于增強燃料電池系統的動態輸出特性，以及啟動過程中的電能供應；
4、氫氣供給和循環系統由多個閥、管路和泵構成，用于為電堆供應所需數量的氫氣，以及將管路中的低壓氫氣收集利用；
5、熱管理系統用于使電堆工作在合適的溫度區間內；
6、控制系統用于燃料電池工作狀態的控制。
基于原理和構成方面的區別，我們可以對二者的優缺點，以及在eVTOL飛行器上的適用性進行總結：
鋰電池氫燃料電池對比
綜合成本：綜合成本包括購買成本和使用成本，實際購買成本除了下表所列的主要部件（鋰電池電芯和氫燃料電池電堆）之外，鋰電池系統的其他部件也比氫燃料電池的其他部件要成熟和廉價。如果考慮到鋰電池價格還會持續降低，則氫燃料電池綜合成本在較長的時期內都會高于鋰電池。
能源利用效率：下圖顯示了鋰電池和氫燃料電池能量損耗的環節和綜合利用率，可見，在當前的技術條件下，鋰電池對電能的利用率要比氫燃料電池高出很多。但隨著制氫、儲氫技術的不斷提升，氫燃料電池的能量利用率也會有一定程度的提升。
鋰電池和氫燃料電池的能量利用率
充電/加氫時間：由于當前階段的加氫站普及程度遠比不上充電樁，因此加氫時間短的優勢難以體現，但鋰電池的低充電速度是eVTOL的運行時長重要限制因素。
壽命：氫燃料電池壽命通常可以達到5000-10000小時，與車用鋰電池壽命相比還較短，但用于eVTOL的鋰電池放電倍率通常超過2C，換算下來，1000次的充放電壽命僅相當于500小時左右，因此氫燃料電池的壽命在eVTOL應用上反倒成為優勢。
安全性：鋰電池的安全性問題在于過充、過放、過流、過溫等條件下的起火風險，因此需要熱管理系統、電池管理系統、密封外殼等措施進行避免；氫燃料電池的安全性問題在于氫氣泄漏后極易爆炸，因此需要在儲氫供氫環節盡量避免泄漏。
工作溫度：鋰電池高效安全的工作溫度范圍通常為0-40℃，氫燃料電池在啟動后即可依靠自身發熱維持電堆的高效工作溫度（約60-80℃），二者都需要熱管理系統進行溫度控制。
啟動速度：鋰電池電芯的啟動速度是毫秒級的，考慮到電池管理系統的啟動速度，通常可以在5s以內達到全功率運行的條件；而氫燃料電池需要至少30s的啟動時間才能穩定運行，進一步需要更長的時間達到全功率運行狀態。因此氫燃料電池在實際應用中通常會并聯一套鋰電池或鎳氫電池，用于氫燃料電池的啟動，以及啟動完畢之前的對外供能。但氫燃料電池應用于eVTOL飛行器時，其啟動過程中可以同時進行整機飛前檢查時間，因此60s以內的完全啟動時間不會對eVTOL飛行器造成大的障礙。
能量密度：高能量密度的電池系統有助于eVTOL的長續航，但鋰電池和氫燃料電池的能量密度無法直接比較，對于固定型號的鋰電池電芯，能量密度是相對固定的，而氫燃料電池的能量完全存儲在氫氣中，因此，氫氣儲量占燃料電池系統的比例就直接影響能量密度。當前階段，氫氣的能量密度約為鋰電池能量密度的200倍，以儲氫罐儲氫密度5%計算，則儲氫罐能量密度約為鋰電池的10倍。因此，儲氫罐在電池系統中的質量占比越大，氫燃料電池的能量密度越明顯。
功率密度：功率密度也是電池系統的關鍵參數，特別是在eVTOL應用中，對功率的需求非常大，高功率密度的電池系統有助于降低起飛重量。當前階段，功率型鋰電池的額定功率密度可以超過2kw/kg，能量型鋰電池的額定功率密度不超過1kw/kg；氫燃料電池系統（加儲氫罐）的功率密度通常不超過0.5kw/kg。
輸出壓降：鋰電池開路電壓和額定功率電壓相差不超過20%，而氫燃料電池的該指標可以達到50%，因此氫燃料電池通常會搭配升壓電路來維持額定電壓。
氫燃料電池輸出電流增加時，壓降非常明顯
動態響應速度：鋰電池的功率變化可以在極短時間內完成，而氫燃料電池的原理導致其輸出功率無法快速變化，因此氫燃料電池通常會搭配鋰電池或鎳氫電池工作，用于啟動和提供快速變化的功率輸出。
未來用于eVTOL的前景
從前文鋰電池和氫燃料電池的對比，可以發現鋰電池在eVTOL應用中的優勢在于功率密度、動態響應特性、綜合成本等方面占優，而氫燃料電池在能量密度、加氫時間和壽命等方面優勢明顯。當然，前文的對比均以當前技術條件為基準進行的，而二者都處于高速發展階段，考慮面向未來的eVTOL應用時，應當識別出5-10年內可能的進展，以及難以突破的技術環節。
對于鋰電池，雖然多種新型電池技術的研究一直在進行，近年來鋰電池產品的能量密度增幅均在每年5-10%，且這種速度會持續多年，例如，“中國制造2025”規劃也將鋰電池能量密度目標定為2025年400wh/kg，2030年500wh/kg，因此鋰電池最大的短板在未來將會是一個持續緩慢改善的過程；充電速度方面，石墨烯負極等技術也已經有所突破，因此鋰電池充電速度也將是持續改進的過程，但距離5分鐘的加油、加氫時間還有非常遙遠的距離；鋰電池共工作溫度范圍窄的問題則在短期內看不到解決的希望。
基于以上判斷，鋰電池在未來的不斷發展過程中，將越來越適合于eVTOL應用，特別是2030年后，以鋰電池為動力的eVTOL飛行器續航里程將具有實用價值。
對于氫燃料電池，其功率密度可以通過新型催化劑、立體流道雙極板等技術予以改進，參考燃料電池發展歷程，功率密度的提升將會是緩慢的過程；除此之外，動態響應特性、儲氫罐儲氫密度、輸出壓降、啟動速度等特性則難以在短期內有所改善。
基于以上判斷，氫燃料電池在未來不斷發展過程中，更適合于低功率長時間運行的飛行階段，例如，通過與鋰電池或超級電容組成混合動力系統，應用于傾轉旋翼機型，則即能夠提供垂直起降的高功率，又能實現固定翼模態飛行時的長續航能力。
因此，很難說鋰電池和氫燃料電池哪個更適用于eVTOL，正如討論何種構型更適用于eVTOL一樣，無法避開具體的應用場景。
后記
盡管我們需要研究何種能源更適合于eVTOL飛行器，但從本質上說，eVTOL機型性能的提升絕對不能單純依靠能源系統的進步，而應從飛行器設計自身特性出發，通過改進空氣動力學設計、輕量化設計、總體布局等環節，提升飛行器自身的效率。
我們應當看到部分廠商固守多旋翼布局，寄希望于短期內找到僅需要20分鐘續航時間的應用場景，長期內電池技術飛速發展；也應當看到部分廠商的創新構型設計已經能夠在當前的電池技術條件下，實現60分鐘以上的續航時間。
事實上，設計水平導致的續航時間/里程的差別，在短期內不會被電池技術的提升所掩蓋，相反，好的設計更能發揮出未來電池的潛力。
上一篇：鋰鋰電池升降壓有什么方法
下一篇：你了解鋰電池負極材料行業多少？
