喷气背包、机器人女仆和飞行汽车都是21世纪的承诺。我们得到了机械化的、自动的真空吸尘器。现在,宾夕法尼亚州立大学的一个研究团队正在探索电动垂直起降(eVTOL)车辆的需求,并设计和测试潜在的电池电源。


​创新的电池让飞行汽车成为现实


"我认为飞行汽车有可能消除大量的时间,提高生产力,并为运输打开空中走廊,"宾夕法尼亚州立大学威廉-E-迪芬德机械工程讲座持有人和电化学发动机中心主任王超洋说。"但电动垂直起降车对电池来说是非常具有挑战性的技术。"


研究人员定义了飞行汽车电池的技术要求,并在今天的Joule杂志上报告了一个原型电池。


"飞行汽车的电池需要非常高的能量密度,这样你才能在空中停留,"王说。"而且它们在起飞和降落时也需要非常高的功率。它需要大量的动力来垂直上升和下降。"


王指出,电池也将需要快速充电,因此在高峰期可能会有高收入。他认为这些车辆有频繁的起飞和降落,并迅速和经常充电。


"王说:"在商业上,我希望这些车辆能有15次出行,在高峰期每天两次,以证明这些车辆的成本是合理的。"第一次使用可能是从一个城市到一个机场,搭载三到四个人,大约50英里。"


重量也是这些电池的一个考虑因素,因为车辆将不得不提升和降落电池。一旦eVTOL起飞,在短途旅行中,平均速度将是每小时100英里,长途旅行将平均每小时200英里,据王说。


研究人员在实验中测试了两种能量密集的锂离子电池,它们可以在5到10分钟内为50英里的eVTOL旅行充入足够的能量。这些电池在其生命周期内可以维持2000多次快速充电。


王和他的团队使用了他们一直在研究的电动汽车电池的技术。关键是加热电池以允许快速充电,而不形成损害电池和危险的锂尖峰。事实证明,对电池进行加热也可以使电池中持有的能量快速放电,从而实现起飞和降落。


研究人员通过加入一个镍箔来加热电池,使电池迅速达到140华氏度。


"王说:"在正常情况下,eVTOL电池所需的三个属性是相互作用的。"高能量密度会减少快速充电,而快速充电通常会减少可能的充电周期数。但是我们能够在一个电池中做到这三点"。


飞行汽车的一个完全独特的方面是,电池必须始终保持一些电量。例如,与手机电池不同的是,手机电池在完全放电后再充电时效果最好,而飞行汽车电池在空中永远不能完全放电,因为需要电力来保持在空中和降落。飞行汽车电池总是需要有一定的安全系数。


当电池为空时,充电的内部阻力很低,但剩余电量越高,越难将更多的能量推入电池。通常情况下,随着电池的填充,重新充电的速度会减慢。然而,通过加热电池,充电可以保持在5到10分钟的范围内。


"我希望我们在这篇论文中所做的工作将给人们一个坚实的想法,即我们不需要再过20年才能最终得到这些车辆,"王说。"我相信我们已经证明,eVTOL在商业上是可行的"。


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