最近的一項研究表明，透過生物科學技術確定的突破性電解質溶液，使電動飛機所用電池的循環壽命延長了四倍。說到要弄清楚為什麼電動飛機電池會隨著時間的推移而失去動力，人們通常不會想到求助於生物學家用來研究生物體各組成部分結構和功能的已有幾十年曆史的方法。然而，幫助科學家揭開人類基因組秘密的組學（omics），不久也將在實現無碳航空旅行方面發揮關鍵作用。

能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）領導的研究小組在《焦耳》雜誌上發表的一項新研究中，利用組學研究了電動飛機電池的陽極、陰極和電解液之間錯綜複雜的相互作用。其中最重要的發現之一是，在電池電解液中混入的某些鹽類在陰極顆粒上形成了一層保護膜，使其具有更強的抗腐蝕性，從而延長了電池的使用壽命。

研究小組成員包括來自加州大學柏克萊分校、密西根大學的科學家，以及產業夥伴ABA 公司（加州帕洛阿爾托）和24M 公司（麻薩諸塞州劍橋），他們利用新的電解質溶液設計並測試了一種電動飛機電池。與傳統電池相比，這種電池在維持電動飛機飛行所需的功率-能量比的循環次數上提高了四倍。該計畫的下一步將是該團隊為預計2025 年的試飛製造足夠的電池（總容量約為100 千瓦時）。

該研究的通訊作者、伯克利實驗室分子鑄造廠的資深科學家布雷特-赫爾姆斯（Brett Helms）說：”包括航空在內的重型運輸部門在電氣化方面一直未得到充分探索。我們的工作重新定義了什麼是可能的，推動了電池技術的發展，實現了更深層的去碳化。

分子鑄造廠資深科學家布雷特-赫爾姆斯（Brett Helms）與博士後研究員高英敏（Youngmin Ko）在一起。圖片來源：Jeremy Demarteau

與優先考慮長距離持續能量的電動車電池不同，電動飛機電池面臨獨特的挑戰，即起飛和降落需要高功率，而長時間飛行又需要高能量密度。

伯克利實驗室分子鑄造廠博士後研究員、本研究的第一作者Youngmin Ko 說：”在電動車中通常關注的是容量隨時間的衰減。但對於飛機來說，功率衰減才是關鍵–即持續實現高功率起飛和降落的能力。

Ko 認為，傳統的電池設計在這方面存在不足，主要原因是對電解質、陽極和陰極之間的界面缺乏了解。這正是組學方法發揮作用的地方，這種方法借鑒了生物科學的方法，可以從複雜系統中化學特徵的變化中解讀出規律。

“生物學家使用全像技術來研究基因表現和DNA結構之間的複雜關係，」赫爾姆斯說。 “因此，我們想了解能否使用類似的方法來檢查電池組件的化學特徵，並確定導致功率衰減的反應及其發生的位置。”

研究人員重點分析了含有鎳、錳和鈷的高電壓、高密度層狀氧化物的鋰金屬電池。先前的研究通常認為，功率衰減問題是電池陽極故障造成的，與此相反，研究團隊觀察到，功率衰減主要源自於陰極一側。隨著時間的推移，這裡的顆粒會出現裂縫和腐蝕，從而阻礙電荷移動，降低電池效率。此外，研究人員還發現，特定的電解質可以控制陰極界面的腐蝕速度。

“這是一個非顯而易見的結果，”Ko 說。 “我們發現，在電解液中混合鹽類可以抑制典型活性物種的反應性，從而形成一層穩定的抗腐蝕塗層”。

在開發出新型電解質後，研究人員在大容量電池中進行了測試。在電動垂直起降的實際任務中，它顯示出了出色的功率保持能力。研究團隊希望在今年底前生產電池，用於四家電動垂直起降（eVTOL）合作夥伴製造的飛機原型進行預計2025 年的飛行測試。展望未來，Helms 和Ko 表示，該團隊及其合作者計劃在電池研究中擴大全息技術的應用，探索各種電解質成分的相互作用，以進一步了解和調整電池的性能，滿足交通和電網領域當前和新興的使用情況。

編譯自/ ScitechDaily