แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแรงดันสูงมีบทบาทอย่างไรในการพัฒนาการบินด้วยไฟฟ้า?

เมื่อฉันเริ่มต้นในพื้นที่จ่ายแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไฟฟ้าแรงสูง ฉันยอมรับว่าฉันไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่างานของเราจะเปลี่ยนเกมได้มากเพียงใดสำหรับการบินไฟฟ้า ย้อนกลับไปตอนนั้น เราแค่ปรับปรุงเคมีของเรา ทดสอบเซลล์ในโดรนขนาดเล็กและเซ็นเซอร์ระยะไกล โดยไม่คิดถึงการจ่ายไฟให้กับเครื่องบินขนาดเต็มซึ่งบรรทุกผู้โดยสารข้ามประเทศ หลังจากทำงานอย่างใกล้ชิดกับวิศวกรการบินและอวกาศ ผู้ก่อตั้งบริษัทสตาร์ทอัพ และหน่วยงานกำกับดูแลในอุตสาหกรรมมาหลายปี ฉันพบว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแรงดันสูง (HV LiPo) ไม่ได้เป็นเพียงส่วนประกอบสำหรับการบินด้วยไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังเป็นกระดูกสันหลังที่จะเปลี่ยนอุตสาหกรรมจากการทดลองเฉพาะกลุ่มให้กลายเป็นทางเลือกหลักที่ยั่งยืนแทนเชื้อเพลิงเครื่องบิน ให้ฉันอธิบายว่าทำไมถึงเป็นเช่นนั้น และวิธีที่ทีมของเราทำทุกวันมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับการเปลี่ยนแปลงที่เปลี่ยนแปลงนี้

ขั้นแรก เรามาตัดศัพท์เฉพาะที่ทำให้บทความเกี่ยวกับเทคโนโลยีพลังงานจำนวนมากรู้สึกเหมือนอยู่ไกลเกินเอื้อม การบินไฟฟ้าไม่ใช่แค่การเปลี่ยนเครื่องยนต์ไอพ่นเป็นมอเตอร์ไฟฟ้าเท่านั้น ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดที่การบินอิเล็กทรอนิกส์กำลังเผชิญอยู่ในขณะนี้คือความหนาแน่นของพลังงาน: ปริมาณพลังงานที่คุณสามารถจัดเก็บได้ในน้ำหนักที่กำหนด น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นทุกปอนด์บนเครื่องบินจะต้องใช้เชื้อเพลิง ต้องมีการอัพเกรดโครงสร้าง และจำกัดขอบเขต แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมทำงานได้ดีกับโทรศัพท์และรถยนต์ แต่ไม่ได้บรรจุพลังงานเพียงพอสำหรับเครื่องบิน จนกว่าเราจะต้องใช้สารเคมีไฟฟ้าแรงสูงที่ก้าวข้ามขีดจำกัดเหล่านั้น นั่นคือที่มาของกลุ่มผลิตภัณฑ์เซลล์ HV LiPo ของเรา รวมถึงผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น แบตเตอรี่ Lipo ขนาด 10,000 มิลลิแอมป์ ที่กลายเป็นส่วนสำคัญสำหรับต้นแบบเครื่องบินอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก

เรามาพูดถึงช่องว่างความหนาแน่นของพลังงานกันดีกว่า เชื้อเพลิงเครื่องบินมาตรฐานมีความหนาแน่นของพลังงานประมาณ 12,000 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม (Wh/kg) แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบธรรมดาจะมีพลังงานสูงสุดประมาณ 250-300 Wh/kg ซึ่งไม่เพียงพอสำหรับเครื่องบินเจ็ตในภูมิภาค แต่เซลล์ HV LiPo ล่ะ? เราได้ผลักดันตัวเลขดังกล่าวให้มากกว่า 350 Wh/กก. ด้วยสูตรล่าสุดของเรา และการวิจัยยังชี้ให้สูงขึ้นอีกด้วย นั่นอาจฟังดูเหมือนเป็นการก้าวกระโดดเล็กๆ น้อยๆ แต่ในการบิน ทุกๆ Wh/kg ที่เพิ่มขึ้นนั้นมีความสำคัญ สำหรับเครื่องบินภูมิภาคขนาด 50 ที่นั่ง ส่วนต่าง 50 Wh/kg นั้นแปลเป็นกำลังพิเศษ 500 กิโลกรัม ซึ่งเพียงพอที่จะเพิ่มระยะการเดินทาง 100 ไมล์ หรือบรรทุกผู้โดยสารเพิ่มอีก 10 คนโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพลดลง นั่นคือผลประโยชน์ที่เพิ่มขึ้นซึ่งเปลี่ยนต้นแบบที่น่าสนใจทางเทคนิคให้กลายเป็นเครื่องบินที่สามารถนำไปใช้ได้ในเชิงพาณิชย์

เมื่อวิศวกรการบินและอวกาศเริ่มทดสอบแบตเตอรี่ HV พวกเขาประสบปัญหามากมายซึ่งฟังดูคุ้นเคยสำหรับทุกคนที่ใช้โทรศัพท์ที่ชาร์จเร็วเกินไปหรือร้อนเกินไป เซลล์ไฟฟ้าแรงสูงมีความเสี่ยงสูงที่จะเกิดความร้อนหนีออกไป ซึ่งหมายความว่าเซลล์เหล่านี้อาจมีความร้อนมากเกินไปและลุกไหม้ได้หากได้รับความเสียหายหรือได้รับการจัดการไม่ถูกต้อง พวกเขายังมีวงจรชีวิตที่สั้นกว่า ซึ่งหมายความว่าพวกเขาจะเสื่อมสภาพเร็วกว่าที่สายการบินจะสามารถหามาทดแทนได้ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมความพยายามด้านการบินอิเล็กทรอนิกส์ในช่วงแรกๆ จำนวนมากจึงหยุดชะงักลงในช่วงปี 2561-2562 เคมีนั้นได้ผลบนกระดาษ แต่ก็ไม่ปลอดภัยหรือเชื่อถือได้เพียงพอสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ ทีมงานของเราใช้เวลาหลายปีในการแก้ไขปัญหาเหล่านั้นโดยการปรับเปลี่ยนวัสดุแคโทดและอิเล็กโทรไลต์ สร้างชั้นการจัดการความร้อนขั้นสูง และปรับปรุงกระบวนการผลิตให้สมบูรณ์แบบเพื่อให้มั่นใจว่าเซลล์หลายพันเซลล์มีความสม่ำเสมอ

ยกตัวอย่างเซลล์ลิโพแรงดันสูง 3.85V/4.4V ของเรา เซลล์เหล่านั้นได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อให้สมดุลระหว่างความหนาแน่นของพลังงานกับความปลอดภัย เราทดสอบแบตเตอรี่ด้วยการจำลองการชนหลายครั้ง โดยเจาะ บด และอัดประจุมากเกินไป ซึ่งเป็นการทดสอบมาตรฐานที่หน่วยงานกำกับดูแลการบิน เช่น FAA ต้องการก่อนที่จะอนุมัติแบตเตอรี่สำหรับใช้ในเชิงพาณิชย์ ผลลัพธ์ที่ได้ดีกว่าเซลล์ลิเธียมไอออนแบบเดิมมาก โดยไม่มีการเบี่ยงเบนความร้อน ไม่มีความเสี่ยงจากไฟไหม้อย่างมีนัยสำคัญ และอายุการใช้งานของวงจรที่ขณะนี้มีรอบการคายประจุเต็มมากกว่า 1,500 รอบ สำหรับสายการบิน นั่นหมายความว่าแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานปกติได้ 5-7 ปี ซึ่งสอดคล้องกับอายุการใช้งานโดยทั่วไปของเครื่องยนต์ไอพ่น นั่นคือความน่าเชื่อถือที่ทำให้เซลล์ HV LiPo เป็นตัวเลือกที่สำคัญ ไม่ใช่แค่การทดลองในห้องปฏิบัติการ

ชัยชนะที่ยิ่งใหญ่อีกประการหนึ่งของแบตเตอรี่ HV LiPo ในการบินคือความสามารถในการจ่ายพลังงานสูงตามความต้องการ เครื่องบินไม่เพียงแต่ต้องกักเก็บพลังงานเท่านั้น แต่ยังต้องดึงพลังงานจำนวนมหาศาลอย่างรวดเร็วเพื่อขึ้นบิน ไต่ระดับ และเคลื่อนตัวในกรณีฉุกเฉิน ตัวอย่างเช่น 737 MAX ต้องใช้พลังงานนับหมื่นกิโลวัตต์ในการขึ้นบิน การออกแบบมอเตอร์ไฟฟ้าในยุคแรกๆ สามารถทำเช่นนั้นได้ แต่แบตเตอรี่ไม่สามารถจ่ายไฟได้หากไม่มีแรงดันไฟฟ้าตกซึ่งทำให้ประสิทธิภาพลดลง เซลล์ HV มีแรงดันไฟฟ้าที่ระบุสูงกว่า ซึ่งหมายความว่าคุณต้องการเซลล์ที่ต่อสายอนุกรมน้อยลงเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าในการทำงานของมอเตอร์ของเครื่องบิน ซึ่งช่วยลดน้ำหนักโดยรวมของชุดแบตเตอรี่ ลดความยุ่งยากในการเดินสายไฟ และลดความเสี่ยงของความล้มเหลวจากการเชื่อมต่อที่หลวม สายผลิตภัณฑ์ Lipo แรงดันสูงของเราสร้างขึ้นเพื่อรองรับอัตราการคายประจุอย่างต่อเนื่องที่ 10C (หมายความว่าสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ 10 เท่าของความจุในหน่วยแอมป์) และอัตราสูงสุดที่ 20C ซึ่งสมบูรณ์แบบสำหรับความต้องการพลังงานหนักของเครื่องบินไฟฟ้าขนาดเล็กถึงขนาดกลาง

เรามาพูดถึงกรณีการใช้งานจริงกันดีกว่า เพราะทฤษฎียังไปไกลถึงขนาดนี้ ปัจจุบัน เครื่องบินไฟฟ้าส่วนใหญ่มีขนาดเล็ก: 2-8 ที่นั่งสำหรับเส้นทางระยะสั้น หรือโดรนบรรทุกสินค้าขนาดใหญ่ แต่อุตสาหกรรมกำลังเคลื่อนตัวอย่างรวดเร็วไปสู่เครื่องบินระดับภูมิภาคที่สามารถบรรทุกผู้โดยสารได้ 50-100 คนในเส้นทาง 500 ไมล์หรือน้อยกว่า ลองคิดจากนิวยอร์กไปบอสตัน หรือลอนดอนไปปารีส บริษัทต่างๆ เช่น Eviation, Heart Aerospace และ magniX ต่างก็กำลังทดสอบเครื่องบินต้นแบบที่ใช้แบตเตอรี่ HV LiPo Alice ของ Eviation เป็นเครื่องบินไฟฟ้า 9 ที่นั่ง ใช้เซลล์ LiPo แรงดันสูงของเราจำนวน 1,000 ชิ้นในชุดแบตเตอรี่ ทำให้สามารถเดินทางได้ไกล 440 ไมล์ทะเล (ประมาณ 500 ไมล์) ต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง นั่นคือช่วงที่จำเป็นสำหรับ 80% ของเที่ยวบินภายในประเทศทั้งหมดในสหรัฐอเมริกา และเนื่องจากเครื่องบินใช้ไฟฟ้าแทนเชื้อเพลิงเครื่องบิน พวกเขาจึงลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนลง 90% ซึ่งเป็นชัยชนะครั้งใหญ่สำหรับสายการบินที่พยายามบรรลุเป้าหมายสุทธิเป็นศูนย์ภายในปี 2593

การบินขนส่งสินค้าเป็นอีกพื้นที่หนึ่งที่แบตเตอรี่ HV LiPo กำลังสร้างความแตกต่าง โดรนส่งพัสดุขนาดเล็กมีการใช้งานมาหลายปีแล้ว แต่จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ โดรนเหล่านี้ไม่สามารถบรรทุกน้ำหนักได้มากกว่าสองสามปอนด์ ด้วยเซลล์ไฟฟ้าแรงสูง เช่น แบตเตอรี่ลิโพขนาด 10,000 มิลลิแอมป์ โดรนส่งสินค้าสามารถบรรทุกน้ำหนักได้ 10-15 ปอนด์ในระยะทาง 50 ไมล์ ซึ่งเพียงพอสำหรับการจัดส่งในวันเดียวกันในพื้นที่เมืองใหญ่ส่วนใหญ่ บริษัทอย่าง Amazon และ Wing กำลังทดสอบโดรนเหล่านี้แล้ว และอ้างว่าประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ HV เป็นปัจจัยสำคัญในการขยายขนาด แม้แต่เครื่องบินขนส่งสินค้าขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักมากถึง 10 ตันก็อยู่ในระหว่างดำเนินการ โดยจะใช้เซลล์ไฟฟ้าแรงสูงหลายร้อยเซลล์เพื่อลดต้นทุนและการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสำหรับบริษัทขนส่งสินค้า

แน่นอนว่ายังมีอุปสรรคที่ต้องเอาชนะอยู่ สิ่งที่ใหญ่ที่สุดคือโครงสร้างพื้นฐาน เครื่องบินจำเป็นต้องชาร์จอย่างรวดเร็ว และสนามบินจำเป็นต้องเพิ่มสถานีชาร์จความจุสูงที่สามารถรองรับพลังงานได้หลายร้อยกิโลวัตต์ในแต่ละครั้ง ปัจจุบัน แบตเตอรี่ HV LiPo ส่วนใหญ่ใช้เวลาประมาณ 30 นาทีในการชาร์จจนเต็มความจุ 80% ซึ่งเร็วเพียงพอสำหรับเส้นทางเชิงพาณิชย์ที่มีเวลาภาคพื้นดินระหว่างเที่ยวบิน แต่จะต้องเร็วขึ้นอีกเพื่อลดการหยุดซ่อมบำรุง เรากำลังดำเนินการในเรื่องนั้นเช่นกัน ทีม R&D ของเรากำลังทดสอบอิเล็กโทรไลต์ใหม่ที่สามารถลดเวลาการชาร์จลงครึ่งหนึ่งโดยไม่กระทบต่อความปลอดภัยหรืออายุการใช้งานของวงจร อุปสรรคอีกประการหนึ่งคือต้นทุน: แบตเตอรี่ HV LiPo ยังคงมีราคาแพงต่อ kWh มากกว่าเชื้อเพลิงเครื่องบิน แต่ราคาก็ลดลงอย่างรวดเร็ว ในช่วง 5 ปีที่ผ่านมา ต้นทุนของเซลล์ HV ลดลง 40% และเมื่อปริมาณการผลิตเพิ่มขึ้น คาดว่าจะมีความเท่าเทียมกับเชื้อเพลิงเครื่องบินภายในปี 2573 นั่นคือเวลาที่การบินไฟฟ้าจะหยุดให้บริการเฉพาะกลุ่มและกลายเป็นบรรทัดฐาน

ในฐานะซัพพลายเออร์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไฟฟ้าแรงสูง บทบาทของเราไม่เพียงแค่ขายเซลล์เท่านั้น แต่ยังร่วมมือกับผู้ผลิตเครื่องบินเพื่อแก้ไขปัญหาเฉพาะของพวกเขาด้วย เราไม่เพียงแค่ส่งกล่องเซลล์แล้วเดินจากไป เราทำงานร่วมกับทีมวิศวกรเพื่อออกแบบชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเองที่เหมาะกับโครงเครื่องบิน ตรงตามข้อกำหนดด้านน้ำหนัก และผ่านการทดสอบตามกฎระเบียบทุกครั้ง เราให้ข้อมูลประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ เพื่อให้สามารถติดตามประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และปรับแผนการบินให้เหมาะสมได้ และเรากำลังอัปเดตคุณสมบัติทางเคมีของเราอย่างต่อเนื่องเพื่อผลักดันความหนาแน่นของพลังงานให้สูงขึ้นอีก เพราะเรารู้ว่านั่นคือสิ่งที่จะปลดล็อกเครื่องบินไฟฟ้ารุ่นต่อไปได้

เมื่อมองไปข้างหน้าในอีก 10 ปีข้างหน้า ฉันคาดว่าการบินไฟฟ้าจะเป็นอุตสาหกรรมมูลค่า 1 แสนล้านดอลลาร์ และแบตเตอรี่ HV LiPo จะอยู่ตรงกลาง ภายในปี 2578 เราจะเห็นเครื่องบินภูมิภาคขนาด 50 ที่นั่งที่ขับเคลื่อนโดยเซลล์ไฟฟ้าแรงสูงที่บินในเส้นทางปกติ และภายในปี 2583 เครื่องบินลำตัวแคบขนาดเต็มจะได้รับการทดสอบเพื่อให้บริการเชิงพาณิชย์ การเปลี่ยนแปลงนี้จะไม่เกิดขึ้นในชั่วข้ามคืน เนื่องจากเชื้อเพลิงเครื่องบินฝังลึก และสายการบินต่างลังเลที่จะลงทุนในเทคโนโลยีใหม่ ๆ จนกว่าจะได้รับการพิสูจน์ แต่แรงผลักดันดังกล่าวไม่อาจปฏิเสธได้ ทุกเดือน จะมีเครื่องบินต้นแบบอีกลำขึ้นสู่ท้องฟ้า สายการบินอื่นลงนามในหนังสือแสดงเจตจำนงในการสั่งซื้อเครื่องบินไฟฟ้า ส่วนหน่วยงานกำกับดูแลอีกแห่งจะออกแนวปฏิบัติใหม่สำหรับการใช้แบตเตอรี่ HV ในการบิน

หากคุณเป็นส่วนหนึ่งของผู้ผลิตเครื่องบิน สายการบิน หรือบริษัทสตาร์ทอัพการบินอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการขับเคลื่อนโครงการต่อไปของคุณ ทีมของเราพร้อมให้ความช่วยเหลือ เราใช้เวลาหลายปีในการปรับปรุงกลุ่มผลิตภัณฑ์ Lipo ไฟฟ้าแรงสูง ซึ่งรวมถึงเซลล์ Lipo ไฟฟ้าแรงสูง 3.8V/4.35V ที่ให้สมดุลที่สมบูรณ์แบบระหว่างความหนาแน่นของพลังงานและความปลอดภัยสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย เราทำงานร่วมกับลูกค้าเพื่อปรับแต่งการกำหนดค่าเซลล์ ให้การสนับสนุนทางเทคนิคระหว่างการทดสอบและการรับรอง และนำเสนอการผลิตที่ปรับขนาดได้เพื่อตอบสนองความต้องการเมื่อโครงการของคุณเติบโตขึ้น ไม่ว่าคุณจะสร้างโดรนบรรทุกสินค้าขนาดเล็กหรือเครื่องบินเจ็ตระดับภูมิภาคขนาด 50 ที่นั่ง เรามีเซลล์ HV LiPo ที่จะขับเคลื่อนความสำเร็จของคุณ

อ้างอิง

1. สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (2023)Global EV Outlook 2023: การชาร์จไปข้างหน้า. สิ่งพิมพ์ของ IEA
2. การบริหารการบินแห่งชาติ (2022)มาตรฐานความปลอดภัยของแบตเตอรี่สำหรับเครื่องบินไฟฟ้า. การบรรยายสรุปด้านความปลอดภัยการบินของ FAA
3. เครื่องบินขับไล่. (2023)เครื่องบิน Alice Electric: ข้อมูลจำเพาะทางเทคนิค. เอกสารอย่างเป็นทางการของการหลบหนี
4. สมาคมอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (2024)รายงานตลาดเซลล์ไฟฟ้าแรงสูง: การใช้งานด้านการบิน. การวิจัย LIBA
5. แมกนีเอ็กซ์ (2023)การขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าสำหรับการบินระดับภูมิภาค: กรณีศึกษา. เอกสารไวท์เปเปอร์ทางเทคนิคของ magniX