eVTOL电池-锂硫电池解析-韭研公社

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eVTOL电池-锂硫电池解析

西门冰雪

超短低吸

2024-04-08 08:34:39

一、驱动工信部等四部门联合发布《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》，明确以电动化为主攻方向，兼顾混合动力、氢动力、可持续燃料动力等技术路线。eVTOL关键瓶颈就是电池性能，近日澳大利亚科学家一项新研究发现，下一代锂硫电池有望在5分钟内完成充电，极大地缩短了目前需要数小时的充电时间。
二、eVTOL电池要求与传统汽车相比，汽车垂直起飞所需要的动力是地面行驶的10-15倍，这对电池能量密度提出了极高要求。目前eVTOL电池的能量密度为285Wh/kg，虽高出乘用车三元电池40%，但离商用门槛400Wh/kg还有一定差距。除能量密度外，eVTOL电池的瞬间充放电倍率也须在5C以上，而目前乘用车动力电池的倍率性仍处在1.3C-2.5C的水平。此外，极高的安全性也是对航空电池的一大挑战。美国FAA和欧盟EASA分别要求飞行事故率在千万分之一和十亿分之一以下，这对电池的可靠性提出了近乎苛刻的要求。
三、电池性能锂硫电池理论上能提供大于600Wh/kg的能量密度，是目前唯一能够满足eVTOL对高能量密度需求的电池体系。业内普遍认为，能量密度突破400Wh/kg是eVTOL电池商用的门槛，而500Wh/kg则是更高目标。政府工作报告也首次提出加快推进400Wh/kg级航空锂电池的量产和500Wh/kg级产品的小规模验证。锂硫电池，以金属锂为负极，单质硫为正极，工作电压在1.7到2.8V之间，有两个工作电压平台，分别在2.1V和2.3V左右，在负极发生的是锂金属的沉积与溶解，在正极，单质硫经历多步的氧化还原反应。单质硫的理论比容量超过1600mAh/g（当下三元NMC材料理论可达275mAh/g左右），而且相对于NMC材料里面的过渡金属，S在地壳中含量丰富、环境友好、价格低廉，因此一度成为研究热点。
四、当前存在问题：1)锂多硫化合物溶于电解液；2)硫作为不导电的物质，导电性非常差，不利于电池的高倍率性能；3)硫在充放电过程中，体积的扩大缩小非常大，有可能导致电池损坏。主要的解决方法从电解液和正极材料两个方面入手。第一是电解液方面，主要用醚类的电解液作为电池的电解液，电解液中加入一些添加剂，可以非常有效的缓解锂多硫化合物的溶解问题。第二是正极材料方面，主要是把硫和碳材料复合，或者把硫和有机物复合，可以解决硫的不导电和体积膨胀问题。
五、行业现状目前各企业的技术路径不一，宁德时代是凝聚态电池，LG 新能源是锂硫电池，松下则是小型全固态电池，此前宁德时代发布能量密度最高可达500Wh/kg的凝聚态电池。LG计划2025年实现锂硫电池商业化，LG能源将锂硫电池安装在由韩国空域研究所（Korea Aviation ResearchInstitute）开发的太阳能无人驾驶飞行器上。在-70℃和仅4%地面压力的极端条件下成功完成了13小时的平流层试飞。2024年3月26日资讯，最近业界传来好消息，美国锂硫电池生产商Lyten宣布其目前生产的锂硫电池成品率超过90%。虽然目前全固态锂硫电池还存在着一定的挑战，但是在未来5-10年里，它将被广泛地用于电动汽车等领域。
六、优势1)安全性。韩国LG基于半固态锂硫技术的20-Layer电池最显著优点之一是其低可燃性风险。这与众所周知的与锂离子电池相关的火灾危险形成了鲜明的对比。秘密在于其使用的电池电解质材料，显著降低了火灾风险。2)低成本。除了更高的能量密度和安全性。锂硫电池还增加电池的循环寿命到1000次循环。批量应用以后，动力电池的成本也能从120美元一度，降低到可能60美元一度。大大降低未来纯电动车的成本。这种新型电池不会立即用于电动汽车的生产，而是会首先被应用于航空应用和无人航天器。3)续航。LIS能源公司开发的20-Layer电池提供了几个关键优势，使其成为电动汽车行业的游戏规则改变者。首先，它显著扩展了电动车的行驶里程，体积能量密度显著提高了45%。单位能量密度超过每千克400Wh，20-Layer电池使电动汽车一次充电就能行驶得更远。4)空间占比小。20-Layer电池有助于实现更轻、更紧凑的电动汽车设计，使重量能量密度加倍，同时保持相当的体积能量密度，从而实现更紧凑的电池组。
七、相关公司
长安汽车：正在开展锂硫电池等新型电池的原型电芯设计，预计能量密度将突破1300-1500Wh/kg，力争2035年实现搭载应用；
宝泰隆：与清华大学合作项目包括高比能量锂硫电池用石墨烯/硫复合电极材料制备；
国轩高科：称锂硫电池与固态电池均有所研发，目前已有实验室样品；
西藏城投：旗下锂硫电池项目目前重量密度已超过300瓦时/公斤；
新金路：与中科院金属研究所合作研发石墨烯锂硫电池；
亿纬锂能：突破锂硫电池高载量电极技术难点，实现活性物质载量＞8mg/cm2 电极中试线制备。
水发燃气：2016年公司大股东与中国科学院大连化学物理研究所举行“中科派思储能科技有限公司成立暨锂硫电池项目产业化”签约仪式

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