液流電池將為電動飛機提供更加安全和更高能量密度的動力
時間:2018-10-30 16:54來源:國防科技信息中心 作者:李豐羽
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阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）在參與美國宇航局（NASA）發起的早期可充電液體電池技術調查時表示，采用流體儲能方案的電動飛機，可以同其他采用燃油作為能源的飛機一樣飛行。這種液體電池不存在類似鋰電池受熱失控或起火的風險。
該機構正在研究的納米電燃料（nano-electrofuel，NEF）液流電池可以通過輪緣驅動（rim-driven）電機為飛機提供安全、清潔和安靜的推進動力。這類電池具有如下特征：
流體可充電電池具有非爆炸性的能量存儲功能
NEF電池的能量密度高于固體鋰離子電池
流體重新填充油箱的速度高于電池充電速度
非爆炸性儲能技術源自美國宇航局阿姆斯特朗飛行研究中心（Armstrong Flight Research）主持開展的“用于飛行研究的水系快速充電電池集成項目”（Aqueous Quick-Charging Battery Integration for Flight Research，Aquifer）。美國宇航局格倫研究中心（Glenn Research Center）是該項目的聯合首席研究機構。
NEF電池利用液流電池驅動帶正負電荷的充電流體流動。在電池內部，水基流體在離子交換膜的兩側流動，產生電流的方式與燃料電池相同。電池的能量存儲容量受到油箱容積限制，而非電池尺寸，電池的功率是膜面積的函數。
NEF液流電池由伊利諾伊理工學院阿貢國家實驗室及其創業公司Influit Energy開發。該技術將電池活性材料的納米顆粒懸浮在水基液體電解質中，該液體電解質可在用戶定制設計的液流電池單元中多次充電和放電。
該技術使液體能夠在一個裝置中充電，并在另一個裝置中放電，從而將能量和功率分離。充電后的液體可以采用跟航空燃油相似的方式進行儲存，實現液體快速重新加注，而不是在飛行間隔中采用較為緩慢的電池充電方式。飛機油箱可以是任意尺寸和形狀。液體安全、不易燃，可用于冷卻電池和電機。
液流電池并不是新鮮事物，但此前由于泵送液體的能量儲存材料溶解量受到限制，導致當時設計的電池能量密度較低。Influit公司表示，通過表面處理可以使納米粒子濃度達到80％。NEF電池的活性材料比例可以達到65％，相較而言，固體鋰離子電池的活性材料只有35％。
短期來看，NEF電池的能量密度比鋰離子電池高1.5倍以上。今年6月，美國宇航局電氣工程師Kurt Papathakis在亞特蘭大舉行的2018年美國航空航天航空學會年會上介紹了Aquifer項目，大致描繪了項目的技術路線圖。通過該路線圖，NEF電池的能量密度將達到鋰離子電池組的兩倍以上。
目前，NEF液流電池原理樣件的功率水平為每平方厘米若干毫安（mA）級。如果獲得資助，美國宇航局的研究成果將在2020財年提供第一代NEF技術，其電流密度達到100 mA /cm2，系統級比能量達到125 Wh / kg或350 Wh / L，性能優于鋰離子電池。
隨著工業成本分攤，未來的功率目標將升至200 mA /cm2，比能量為530 Wh / kg，達到鋰離子電池的兩倍。Papathakis表示，2023年NEF的能量密度可能高達750 Wh / kg，相比之下，這一時期鋰離子電池的能量密度預測值為325 Wh / kg。
在電池活性材料放電結束前，流體燃料不斷被泵送流過液流電池。燃料可以在地面進行再次充電，此時可以利用太陽能或風能來消除生命周期中的溫室氣體排放。
Papathakis表示：“我們已經完成了多次循環充放電的演示驗證，觀察到了最小退化到零的情況。與鋰離子電池不同，NEF不會因為充電容量超過80％或放電低于20％而付出充放電次數的代價。”
在Aquifer理念中，液流電池將與輪緣電機集成驅動無軸風扇。電池將安裝在風扇罩內部的電機后方，從而消除較長的高壓配電線路，最大限度地減少了電磁干擾。風扇設計方面去掉了旋轉機構，將減少阻力、提高效率。
Papathakis表示：“輪緣電機噪音較小，美國宇航局格倫研究中心在美國情報高級研究計劃署（Intelligence Advanced Research Projects Activity）的Great Horned Owl項目中對采用有軸電機方案的超靜音無人機進行了測試。這種情況下導致電機滾動軸承過大。Aquifer可以采用空氣或磁軸承。”
Papathakis還表示：“由于NEF沒有火災危險，并且可以快速加油，因此適用于航空應用。同使用汽油或煤油相似，可以通過增加燃料來提供更為強勁的動力，也可以通過攜帶更多的燃料來增加航程。”
(責任編輯：子蕊)
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