駕駛汽車飛行在林立的高樓之間，可能將不再是科幻電影的情節。隨著垂直起降飛行器(eVTOL)技術日漸成熟，這一場景正逐步走向現實。
美國研究人員正在探索電動飛行汽車的需求，并設計和測試了新型電池。研究人員利用熱調控技術，實現了兩種高比能電池在飛行汽車應用場景下的快速充電和高使用壽命。6月7日，相關論文刊登于《焦耳》。
“我認為飛行汽車有潛力節省大量時間，為交通運輸開辟天空走廊。”賓夕法尼亞州立大學電化學發動機中心主任王朝陽說，“但電動飛行汽車對電池的要求很高，非常具有挑戰性。”
飛起來 疏擁堵
對于人類而言，飛上云霄甚至遨游太空已觸手可及。但是，想飛就飛的便捷飛行方式仍是很多人的夢想。
“飛行汽車可以用來解決大都市的交通擁堵問題，例如用于早、晚高峰的城市出行。一旦起飛，其短途旅行的平均速度將為100英里每小時，長途旅行的平均速度為200英里每小時。”王朝陽告訴《中國科學報》，“目前全球范圍內有近百個公司在進行相關機器的開發和商業化工作。”
不過，動力電池作為電動飛行汽車的心臟，仍然是制約其商業轉化的最主要瓶頸，相關研究十分有限。
實際上，飛行汽車電池的難點在于需要同時滿足高能量密度、高功率密度、5~10分鐘內快充能力、極長循環壽命，以及高安全性的需求。目前市場上的動力電池可以實現部分性能要求，但無法同時滿足所有需求。
例如，“飛行汽車的電池需要有非常高的能量密度，這樣它才能在空中停留。它在起飛和降落時也需要非常大的動力。”王朝陽說，電池重量也是一個重要因素，因為車輛將攜帶電池提升和降落。
電池要給力
針對這些問題，王朝陽團隊與EC Power公司合作者，在論文中詳細探討了電動飛行汽車對動力電池各類性能參數的需求。研究發現，飛行汽車相對于傳統電動汽車幾乎在各個方面都對電池提出了更高的要求。
該研究詳細分析了飛行汽車對電池能量和功率密度、快充、壽命和安全性的要求。相比于傳統電動汽車電池，飛行汽車電池要求在更高的放電倍率下釋放更大的比能量，并擁有更好的安全性。
但在正常情況下，電池具有高能量密度就會降低充電速度，而快速充電通常會縮短充電周期。
“飛行汽車電池約90%的充電場景為快充，遠高于電動汽車電池(<10%)。此外，高頻率運行使飛行汽車電池在1年內要完成約1600次滿充滿放循環，相當于一輛續航400公里的電動汽車1年內行駛64萬公里。因此，在快充能力與循環壽命兩個方面，飛行汽車對電池都提出了更嚴格的要求。”王朝陽說。
此外，電動飛行汽車的一個獨特之處在于，它的電池必須一直保持一定電量。例如，飛行汽車電池不能在空中完全放電，因為在空中停留和著陸都需要能量。因此這類電池需要有一個安全邊際。
“為了安全，電動飛行汽車在降落后必須仍然保有25%~40%的電量。所以其快充必須在高剩余電量的基礎上實現，難度要比零電量的手機電池快充大很多。這個難題通過此項研究中的熱調控機理得以解決。”王朝陽說。
給電池加點熱
鑒于飛行汽車對電池快充的迫切需求，王朝陽團隊展示了一種熱調控快速充電技術，其核心是“高溫充電，環境溫度放電”。
“我們發明的新型電池基于熱調控原理。在電芯里埋有一片10微米的鎳箔作為發熱體，然后利用電池自身的能量極速加熱電芯，進而通過調節溫度以實現電池無損傷快充和大功率輸出。”
研究人員使用鎳箔加熱使電池迅速達到60攝氏度。分析結果顯示，高溫快充可避免電池析鋰，同時縮短電池的高溫工作時間以避免電池材料的過快老化。而且，加熱電池可以快速釋放電池中的能量，以保證汽車的起飛和降落。
“電池如果是空的，充電內阻較低，但剩余電量越高，就越難將更多的能量充入電池。充電速度通常會隨著電池充滿而變慢。然而，通過加熱電池，充電時間可以保持在5到10分鐘。”王朝陽說。
研究人員利用該技術開展了電動飛行汽車場景下的快充循環實驗，每個循環包括一次熱調控快充和一次模擬80公里飛行距離的放電。實驗顯示，對于一款215Wh/kg的電池，熱調控技術可在5分鐘內充滿80公里飛行所需的電量，且電池壽命可達到3800次循環。對于另一款更高能量密度(271 Wh/kg)的電池，熱調控可實現10分鐘充電，且壽命達到2000次循環。
針對目前屢有發生的電池爆燃問題，王朝陽表示，熱調控電池比普通電池更安全，因為它在低溫環境中的功率性能是通過熱刺激實現的，而傳統電池必須靠提高電池材料的高活性，即以犧牲安全為代價才能獲得。
“該熱調控電池有望短時間內商業應用到eVTOL。目前我們在研發第二代產品，即在上述第一代電池的基礎上，將能量密度提升到350~400Wh/kg, 成本降至每瓦時0.35元人民幣。”王朝陽說，“我希望這篇論文能讓人們相信，我們不需要再花費20年才能得到這些飛行汽車。”
當然相比較韋斯萊家的飛行汽車，哈利·波特迷們可能更希望擁有一把飛行掃把。
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