数十年历史的生物技术揭示了延长电动飞机电池寿命的关键

最近的一项研究表明，通过生物科学技术发现的一种开创性的电解质溶液，可以将电动飞机上使用的电池的循环寿命延长四倍。

当谈到弄清楚为什么电动飞机电池会随着时间的推移而失去电力时，人们通常不会想到求助于几十年前生物学家用来研究生物体部件结构和功能的方法。然而，事实证明，帮助科学家解开人类基因组秘密的组学领域，也可能很快在实现无碳航空旅行方面发挥关键作用。

在《焦耳》杂志上的一项新研究中，由能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的一组研究人员，使用组学技术研究了电动飞机电池的阳极、阴极和电解质内部复杂的相互作用。其中最重要的发现之一是，某些盐混合到电池电解质中，在阴极颗粒上形成了一层保护涂层，使它们更耐腐蚀，从而延长了电池寿命。

该研究团队包括来自加州大学伯克利分校、密歇根大学的科学家，以及行业合作伙伴ABA（加利福尼亚州帕洛阿尔托）和24M（马萨诸塞州剑桥）的科学家，然后使用他们的新电解质溶液设计并测试了一种电动飞机电池。与传统电池相比，该电池在维持电动飞行所需的功率-能量比的循环次数上增加了四倍。该项目的下一步将是为2025年的试飞制造足够的电池（总容量约为100千瓦时）。

该研究的通讯作者、伯克利实验室分子铸造厂的高级科学家布雷特·赫尔姆斯说：“包括航空在内的重型运输部门在电气化方面的探索不足。我们的工作重新定义了可能性，突破了电池技术的界限，实现了更深层次的脱碳。”

电动航空旅行带来了独特的挑战

与电动汽车电池不同的是，电动飞机电池面临着起飞和降落时的高功率需求和长时间飞行时的高能量密度的独特挑战。

“在电动汽车中，随着时间的推移，你关注的是容量的衰减，”伯克利实验室分子铸造厂的博士后研究员、该研究的主要作者Youngmin Ko说。“但对于飞机来说，关键在于功率衰减 —— 即持续实现高功率起飞和着陆的能力。”

根据Youngmin Ko的说法，传统的电池设计在这方面存在不足，主要是因为缺乏对电解质、阳极和阴极之间界面的理解。Youngmin Ko说，这就是组学方法发挥作用的地方，这是一种借鉴生物科学的方法，用于破译复杂系统中化学特征变化的模式。

“生物学家使用组学来研究基因表达和DNA结构等事物之间的复杂关系，”赫尔姆斯说。“因此，我们想看看我们是否可以使用类似的方法来检查电池组件的化学特征，并确定导致功率衰减的反应及其发生的位置。”

研究人员将他们的分析集中在锂金属电池上，锂金属电池具有高电压、高密度的层状氧化物，其中含有镍、锰和钴。与之前的研究相反，通常认为功率衰减问题是电池阳极发生的某些事情的结果，该团队观察到功率衰减主要源于阴极侧。随着时间的推移，颗粒破裂和腐蚀，阻碍了电荷的移动，降低了电池的效率。此外，研究人员发现，特定的电解质可以控制阴极界面的腐蚀速率。

“这是一个不明显的结果，”Youngmin Ko说。“我们发现，在电解质中混合盐可以抑制典型反应物质的反应性，从而形成稳定、耐腐蚀的涂层。”

在开发出新的电解质后，研究人员在高容量电池中进行了测试。它在电动垂直起降的现实任务中表现出了出色的动力保持能力。该团队希望在今年年底前，在四个eVTOL（垂直起降）合作伙伴制造的飞机原型中，为预计的2025年飞行测试生产电池。展望未来，赫尔姆斯和Youngmin Ko表示，该团队及其合作者计划扩大组学在电池研究中的应用，探索各种电解质成分的相互作用，以进一步了解和定制电池的性能，以适应当前和新兴的交通和电网用例。