液流电池将为电动飞机提供更加安全和更高能量密度的动力
时间:2018-10-30 16:54来源:国防科技信息中心 作者:李丰羽
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阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）在参与美国宇航局（NASA）发起的早期可充电液体电池技术调查时表示，采用流体储能方案的电动飞机，可以同其他采用燃油作为能源的飞机一样飞行。这种液体电池不存在类似锂电池受热失控或起火的风险。
该机构正在研究的纳米电燃料（nano-electrofuel，NEF）液流电池可以通过轮缘驱动（rim-driven）电机为飞机提供安全、清洁和安静的推进动力。这类电池具有如下特征：
流体可充电电池具有非爆炸性的能量存储功能
NEF电池的能量密度高于固体锂离子电池
流体重新填充油箱的速度高于电池充电速度
非爆炸性储能技术源自美国宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心（Armstrong Flight Research）主持开展的“用于飞行研究的水系快速充电电池集成项目”（Aqueous Quick-Charging Battery Integration for Flight Research，Aquifer）。美国宇航局格伦研究中心（Glenn Research Center）是该项目的联合首席研究机构。
NEF电池利用液流电池驱动带正负电荷的充电流体流动。在电池内部，水基流体在离子交换膜的两侧流动，产生电流的方式与燃料电池相同。电池的能量存储容量受到油箱容积限制，而非电池尺寸，电池的功率是膜面积的函数。
NEF液流电池由伊利诺伊理工学院阿贡国家实验室及其创业公司Influit Energy开发。该技术将电池活性材料的纳米颗粒悬浮在水基液体电解质中，该液体电解质可在用户定制设计的液流电池单元中多次充电和放电。
该技术使液体能够在一个装置中充电，并在另一个装置中放电，从而将能量和功率分离。充电后的液体可以采用跟航空燃油相似的方式进行储存，实现液体快速重新加注，而不是在飞行间隔中采用较为缓慢的电池充电方式。飞机油箱可以是任意尺寸和形状。液体安全、不易燃，可用于冷却电池和电机。
液流电池并不是新鲜事物，但此前由于泵送液体的能量储存材料溶解量受到限制，导致当时设计的电池能量密度较低。Influit公司表示，通过表面处理可以使纳米粒子浓度达到80％。NEF电池的活性材料比例可以达到65％，相较而言，固体锂离子电池的活性材料只有35％。
短期来看，NEF电池的能量密度比锂离子电池高1.5倍以上。今年6月，美国宇航局电气工程师Kurt Papathakis在亚特兰大举行的2018年美国航空航天航空学会年会上介绍了Aquifer项目，大致描绘了项目的技术路线图。通过该路线图，NEF电池的能量密度将达到锂离子电池组的两倍以上。
目前，NEF液流电池原理样件的功率水平为每平方厘米若干毫安（mA）级。如果获得资助，美国宇航局的研究成果将在2020财年提供第一代NEF技术，其电流密度达到100 mA /cm2，系统级比能量达到125 Wh / kg或350 Wh / L，性能优于锂离子电池。
随着工业成本分摊，未来的功率目标将升至200 mA /cm2，比能量为530 Wh / kg，达到锂离子电池的两倍。Papathakis表示，2023年NEF的能量密度可能高达750 Wh / kg，相比之下，这一时期锂离子电池的能量密度预测值为325 Wh / kg。
在电池活性材料放电结束前，流体燃料不断被泵送流过液流电池。燃料可以在地面进行再次充电，此时可以利用太阳能或风能来消除生命周期中的温室气体排放。
Papathakis表示：“我们已经完成了多次循环充放电的演示验证，观察到了最小退化到零的情况。与锂离子电池不同，NEF不会因为充电容量超过80％或放电低于20％而付出充放电次数的代价。”
在Aquifer理念中，液流电池将与轮缘电机集成驱动无轴风扇。电池将安装在风扇罩内部的电机后方，从而消除较长的高压配电线路，最大限度地减少了电磁干扰。风扇设计方面去掉了旋转机构，将减少阻力、提高效率。
Papathakis表示：“轮缘电机噪音较小，美国宇航局格伦研究中心在美国情报高级研究计划署（Intelligence Advanced Research Projects Activity）的Great Horned Owl项目中对采用有轴电机方案的超静音无人机进行了测试。这种情况下导致电机滚动轴承过大。Aquifer可以采用空气或磁轴承。”
Papathakis还表示：“由于NEF没有火灾危险，并且可以快速加油，因此适用于航空应用。同使用汽油或煤油相似，可以通过增加燃料来提供更为强劲的动力，也可以通过携带更多的燃料来增加航程。”
(责任编辑：子蕊)
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