Mașinile zburătoare electrice reprezintă un proiect dificil de realizat din cauza greutății bateriilor actuale. Totuși, o nouă iterație a bateriilor pe bază de litiu-ion ar putea face acest proiect o realitate.
Avioanele electrice cu decolare și aterizare verticală (eVTOL) au atras atenția oamenilor datorită potențialului de a fi utilizate pentru servicii de mobilitate aeriană urbană. Combinând comoditatea elicopterelor atunci când vine vorba de decolare și aterizare cu zborul aerodinamic eficient al avioanelor și impactul redus al vehiculelor electrice în ceea ce privește zgomotul și mediul, mașinile electrice zburătoare ar putea ajuta la decongestionarea traficului urban. Într-adevăr, în cadrul unui raport efectuat în anul 2020 de către firma de consultanță în management Roland Berger din München, Germania, au fost identificate 95 de proiecte eVTOL în desfășurare în întreaga lume.
Cu toate acestea, dezvoltarea de baterii pentru mașinile electrice zburătoare a fost o provocare. Cercetătorii trebuie să ia în considerare greutatea lor. De asemenea, acestea trebuie să furnizeze o putere foarte mare în timpul deplasării verticale din timpul decolării și aterizării și să aibă densități mari de energie pentru a rămâne în aer o perioadă mai lungă de timp.
În plus, deoarece modelul comercial pentru avioanele eVTOL va implica probabil servicii de taximetrie aeriană, bateriile lor vor trebui să se reîncarce rapid și des, astfel încât acestea să poată fi eficiente în timpul orelor de vârf. „Ar fi nevoie ca fiecare vehicul să efectueze 15 călătorii în timpul orelor de vârf de dimineață și alte 15 în timpul orelor de vârf de seară pentru ca acestea să-și poată justifica costurile”, a declarat autorul principal al studiului, Chao-Yang Wang, inginer auto, mecanic, chimic și în materiale și director al Centrului de motoare electrochimice din cadrul Universității de Stat din Pennsylvania.
„Unele dintre aceste caracteristici dezirabile funcționează în contradicție. De exemplu, încărcarea rapidă reduce de obicei numărul de cicluri posibile de reîncărcare, iar densitățile mari de energie reduc viteza de încărcare”, a adăugat Wang.
În prezent, Wang și colegii săi au dezvoltat prototipuri de baterii despre care spun că pot suporta deplasări eVTOL pe distanțe de 80 de kilometri, acestea având densități de energie de 271 wați-oră pe kilogram. Aceste baterii litiu-ion pot susține peste 2.000 de cicluri de reîncărcare rapidă pe parcursul vieții și se pot reîncărca în doar cinci până la 10 minute.
„Prima generație de baterii pentru mașini zburătoare viabile din punct de vedere comercial este acum disponibilă”, a declarat Wang.
Oamenii de știință s-au bazat pe tehnologia pe care au dezvoltat-o pentru vehiculele electrice standard, care încorporează în baterii folii de nichel cu grosimi de 10 microni pentru a le ajuta să se încălzească rapid la temperatura de 60 de grade Celsius. Încălzirea bateriilor poate ajuta la o încărcare mai rapidă fără a exista pericolul de formare a structurilor dendritice de litiu, care pot deteriora sau scurtcircuita sistemele.
De asemenea, încălzirea poate ajuta la rezolvarea unei probleme legate de modul în care bateriile eVTOL-urilor nu au voie să se descarce complet în timp ce acestea sunt în funcțiune, deoarece ele trebuie întotdeauna să rețină o anumită încărcare pentru a rămâne în aer și pentru a ateriza. Atunci când o baterie este descărcată, rezistența la încărcare este scăzută, dar cu cât bateria este mai încărcată, cu atât timpul de încărcare este mai lung. Încălzirea prototipului de baterii implementat în cadrul eVTOL poate ajuta la descărcarea mai rapidă a bateriei, astfel încât aceasta să se poată reîncărca rapid.
„Tehnica noastră de autoîncălzire are o viteză de încălzire de 1 până la 5 grade Celsius pe secundă și consumă doar 0,8% din capacitatea bateriei pentru fiecare creștere a temperaturii cu 10 grade Celsius. În același timp, folia de nichel încorporată reprezintă mai puțin de 1,5% din greutatea și volumul bateriei și mai puțin de 0,3% din costul acesteia”, a declarat Wang.
În prezent, cercetătorii încearcă să modifice și compoziția chimică a bateriilor pentru a obține densități de energie și mai mari. Aceștia își propun ca următoarea generație de baterii să aibă o densitate cuprinsă între 350 și 400 de wați-oră pe kilogram și să reducă costurile de producție la 50 de dolari pe kilowatt-oră, păstrând în același timp timpi de încărcare de cinci până la 10 minute.
„Această a doua generație va permite dezvoltarea nu numai de eVTOL-urile utilizate în scopuri comerciale, precum taxiurile zburătoare, ci și a mașinilor zburătoare private. Visul meu este ca înainte să mă retrag să conduc o mașină zburătoare”, a declarat Wang.
Oamenii de știință și-au detaliat descoperirile în cadrul unei lucrări publicate în data 7 iunie în revista Joule.
