液流電池將為電動(dòng)飛機(jī)提供更加安全和更高能量密度的動(dòng)力
時(shí)間:2018-10-30 16:54來(lái)源:國(guó)防科技信息中心 作者:李豐羽
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阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）在參與美國(guó)宇航局（NASA）發(fā)起的早期可充電液體電池技術(shù)調(diào)查時(shí)表示，采用流體儲(chǔ)能方案的電動(dòng)飛機(jī)，可以同其他采用燃油作為能源的飛機(jī)一樣飛行。這種液體電池不存在類(lèi)似鋰電池受熱失控或起火的風(fēng)險(xiǎn)。
該機(jī)構(gòu)正在研究的納米電燃料（nano-electrofuel，NEF）液流電池可以通過(guò)輪緣驅(qū)動(dòng)（rim-driven）電機(jī)為飛機(jī)提供安全、清潔和安靜的推進(jìn)動(dòng)力。這類(lèi)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(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)源自美國(guó)宇航局阿姆斯特朗飛行研究中心（Armstrong Flight Research）主持開(kāi)展的“用于飛行研究的水系快速充電電池集成項(xiàng)目”（Aqueous Quick-Charging Battery Integration for Flight Research，Aquifer）。美國(guó)宇航局格倫研究中心（Glenn Research Center）是該項(xiàng)目的聯(lián)合首席研究機(jī)構(gòu)。
NEF電池利用液流電池驅(qū)動(dòng)帶正負(fù)電荷的充電流體流動(dòng)。在電池內(nèi)部，水基流體在離子交換膜的兩側(cè)流動(dòng)，產(chǎn)生電流的方式與燃料電池相同。電池的能量存儲(chǔ)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(shù)。
NEF液流電池由伊利諾伊理工學(xué)院阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及其創(chuàng)業(yè)公司Influit Energy開(kāi)發(fā)。該技術(shù)將電池活性材料的納米顆粒懸浮在水基液體電解質(zhì)中，該液體電解質(zhì)可在用戶定制設(shè)計(jì)的液流電池單元中多次充電和放電。
該技術(shù)使液體能夠在一個(gè)裝置中充電，并在另一個(gè)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(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)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(jī)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(jī)。
液流電池并不是新鮮事物，但此前由于泵送液體的能量?jī)?chǔ)存材料溶解量受到限制，導(dǎo)致當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的電池能量密度較低。Influit公司表示，通過(guò)表面處理可以使納米粒子濃度達(dá)到80％。NEF電池的活性材料比例可以達(dá)到65％，相較而言，固體鋰離子電池的活性材料只有35％。
短期來(lái)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(guó)宇航局電氣工程師Kurt Papathakis在亞特蘭大舉行的2018年美國(guó)航空航天航空學(xué)會(huì)年會(huì)上介紹了Aquifer項(xiàng)目，大致描繪了項(xiàng)目的技術(shù)路線圖。通過(guò)該路線圖，NEF電池的能量密度將達(dá)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(jí)。如果獲得資助，美國(guó)宇航局的研究成果將在2020財(cái)年提供第一代NEF技術(shù)，其電流密度達(dá)到100 mA /cm2，系統(tǒng)級(jí)比能量達(dá)到125 Wh / kg或350 Wh / L，性能優(yōu)于鋰離子電池。
隨著工業(yè)成本分?jǐn)偅磥?lái)的功率目標(biāo)將升至200 mA /cm2，比能量為530 Wh / kg，達(dá)到鋰離子電池的兩倍。Papathakis表示，2023年NEF的能量密度可能高達(dá)750 Wh / kg，相比之下，這一時(shí)期鋰離子電池的能量密度預(yù)測(cè)值為325 Wh / kg。
在電池活性材料放電結(jié)束前，流體燃料不斷被泵送流過(guò)液流電池。燃料可以在地面進(jìn)行再次充電，此時(shí)可以利用太陽(yáng)能或風(fēng)能來(lái)消除生命周期中的溫室氣體排放。
Papathakis表示：“我們已經(jīng)完成了多次循環(huán)充放電的演示驗(yàn)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(huì)因?yàn)槌潆娙萘砍^(guò)80％或放電低于20％而付出充放電次數(shù)的代價(jià)。”
在Aquifer理念中，液流電池將與輪緣電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)無(wú)軸風(fēng)扇。電池將安裝在風(fēng)扇罩內(nèi)部的電機(jī)后方，從而消除較長(zhǎng)的高壓配電線路，最大限度地減少了電磁干擾。風(fēng)扇設(shè)計(jì)方面去掉了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將減少阻力、提高效率。
Papathakis表示：“輪緣電機(jī)噪音較小，美國(guó)宇航局格倫研究中心在美國(guó)情報(bào)高級(jí)研究計(jì)劃署（Intelligence Advanced Research Projects Activity）的Great Horned Owl項(xiàng)目中對(duì)采用有軸電機(jī)方案的超靜音無(wú)人機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。這種情況下導(dǎo)致電機(jī)滾動(dòng)軸承過(guò)大。Aquifer可以采用空氣或磁軸承。”
Papathakis還表示：“由于NEF沒(méi)有火災(zāi)危險(xiǎn)，并且可以快速加油，因此適用于航空應(yīng)用。同使用汽油或煤油相似，可以通過(guò)增加燃料來(lái)提供更為強(qiáng)勁的動(dòng)力，也可以通過(guò)攜帶更多的燃料來(lái)增加航程。”
(責(zé)任編輯：子蕊)
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