锂电池在航空领域的应用再现曙光

更大能量密度、更长循环寿命、更高安全性的高功率、高性能锂电池一直是高性能电池技术发展的目标。虽然四年前的波音787锂电池事件给锂电池在航空领域的应用蒙上了一层阴影，但随着近年来锂电池技术的日趋成熟，以及各飞机制造商对飞机性能卓越的追求，锂电池技术逐渐开始重新投入商业运营，似乎航空领域又迎来了新的发展春天。

近30年来锂电池技术取得了长足进步，包括新型正极、更安全的隔膜材料、更优的电池组装工艺等。锂电池与镍镉电池、铅酸电池相比，具有能量密度高、工作电压高、自放电率低、循环寿命长、充放电效率高、工作温度范围宽、环境污染小等特点，是现代高性能电池的发展方向。

随着锂电池性能的大幅提升，应用范围也从民用消费领域拓展到了航空航天领域。锂电池在民航领域最早应用于公务机，但使用时间很短，应用范围并不广泛。2011年使用锂电池的波音787投入运营，锂电池在航空领域的应用迎来了第一次高潮，但随后的事故让锂电池的应用一度停顿。不过业界并没有停止对这项技术的探索。在空客A350飞机低调测试一年半之后，锂电池在民航领域的应用终于度过了起步阶段，并被证明具有良好的技术价值。锂电池技术在A350客机上的验证和使用，预示着其在民航领域将拥有广泛的应用前景。同时，近期完成认证的贝尔505“喷气突击队”X直升机也采用了锂电池技术。更值得注意的是，波音即将推出的新型中型飞机（NMA）项目也有可能采用锂电池技术，可见锂电池技术在航空领域或将迎来新的发展春天。

锂电池在航空领域的应用

锂电池在民用飞机上的应用之路一直坎坷。2010年4月，塞斯纳在 CJ4公务机上采用了锂电池。2011年10月，由于地面上发生锂电池起火事件，美国联邦航空管理局要求该飞机改用镍镉电池或酸性电池来替代锂电池。不过，真正让锂电池在民航领域暂停使用的导火索，应该是2013年1月7日和1月16日发生的两起波音787飞机起火事故。

锂电池在民航领域的应用

波音 787 锂电池事故

波音公司在先进大容量、高功率锂电池的应用方面处于领先地位，其生产的波音787飞机于2011年就将锂离子电池作为主电池和辅助动力装置电池使用，成为全球首个在飞机关键系统采用锂电池技术的民航客机。

然而，2013年1月7日至16日短短10天内，波音787连续发生7起事故（包括电池起火、燃油泄漏、电脑故障、座舱玻璃破裂等），导致全球运营的50架波音787全部停飞，当时波音787累计飞行小时仅为。虽然事后调查仍未确定电池事故的根本原因，但波音公司已经改进了其锂离子电池系统的设计。

波音公司提出的电池改进方案包括：重新设计充电器；保留原有的两块32V锂离子主电池，但重新设计电池布局，并增加电池单元之间的间隙，以确保当任何一个单元发生故障或过热时，能迅速吸收热量，降低发生连锁反应和电池热击穿的可能性；重新设计电池金属外壳，消除电池过热引起火灾的可能性。金属外壳上设置排水孔和排气孔，当电池盒内电解液温度过高产生烟雾时，及时排出电解液。

事实上，波音公司的修改方案仅涉及阻止火势蔓延，并没有从根本上消除起火的可能性。

锂电池在A350上的应用，为这项技术重新打开了市场

空客原本计划采用法国电池制造商Saft提供的锂离子电池作为其A350飞机的启动和备用电源。但波音787飞机锂电池起火事故的根本原因尚未确定，公众和航空公司对锂离子电池的安全性存在疑虑。2013年2月，经过评估，空客放弃了锂电池方案，重新采用经过充分验证并被广泛使用的镍镉电池。空客称，当时担心的并不是锂电池的技术问题，而是波音787事故发生后适航法规调整带来的不确定性，尤其是担心EASA随后会引用类似FAA的特殊法规。因此，首批交付的15架A350飞机全部采用了镍镉电池。虽然这批飞机重量有所增加，但有效降低了安全风险，保证了项目的顺利推进。

不过，空客并未停止与Saft在锂电池技术上的合作，他们借鉴波音787电池事故调查结果，继续推动锂电池在A350飞机上的应用。2015年底，空客在向巴西LATAM（当时名为TAM）航空公司交付编号为MSN24的A350飞机时，已悄然将其换成了锂电池。空客并未公开此事，担心会勾起人们对2013年波音787事故的回忆。

对于空客A350来说，改回锂电池并不复杂。因为在787电池事故发生时，A350试飞程序已经确定，更换电池已经来不及了。因此，实际上A350首飞飞机使用的依然是锂电池。另外，EASA也没有引用FAA针对锂电池的特殊规定。同时，电池制造商表示，A350使用的锂电池比2010年波音787使用的锂电池要稳定得多，是首次按照A级设计标准进行设计，即每十亿飞行小时不超过一次事故。2016年1月，MSN24飞机成功投入使用。目前，在运营的空客A350约有50架使用锂电池。

使用锂电池的主要好处首先是减重约80kg；其次，锂电池的日常维护间隔为两年一次，而镍镉电池的维护间隔为4-6个月；第三，系统控制能力提高，机组人员将获得更详细的电池状态信息，电池管理系统如果发现异常也会做出相应反应，无需增加额外的监控系统。电池制造商表示，如果空客同意重新选择客户，可以更换早期A350飞机使用的镍镉电池。

可见，锂电池在A350客机上的成功应用，或许让锂电池技术在民航领域使用重新燃起希望。

锂电池可作为电动垂直起降飞机（eVTOL）的电源

得益于自动化行业的快速发展，锂电池技术已达到新的高点，可以满足小型短程飞机的动力需求。目前，锂电池可以为电动垂直起降飞机（eVTOL）原型提供足够的电力，但需要更多的开发才能实现商业应用，预计最早要到 2020 年代初才能实现商业应用。优步目前正在完成锂电池的这一使命。因为锂电池在某些设计中已经满足了技术要求，但要将其用于航空领域还有很长的路要走。

Uber 为锂电池制定了短期发展目标：2023 年投产四座 eVTOL，采用能量密度为 350 W•h/kg 的锂电池，15 分钟内从 30% 充电至 90%，生命周期内充电次数为 500 次，成本为 400 美元/kW•h。长期发展规划是将新型锂电池生命周期充电次数从 2028 年的 1000 次提升至 2032 年的 2000 次，到 2030 年成本可降至 200 美元/kW•h。

近日，空客位于硅谷的创新中心A3将用于电动垂直起降飞机的锂电池的能量密度实现超过300W•h/kg，该飞机将于今年晚些时候首飞。

锂电池技术的发展离电动飞机的需求越来越近，但作为锂电池关键性能指标的能量密度却仅以每年5%的速度递增，这仍然限制了使用锂电池的飞机规模。锂电池通常的目标是实现400W•h/kg的能量密度，这已经可以满足很多飞机的需求。当然，实现更高的能量密度预计需要新的化学介质，目前还存在很大差距。

锂电池在民航领域的发展前景

大容量高功率锂电池在民航领域的使用经验表明，锂电池的能量密度、充电次数、循环寿命、安全性、成本都是电池的重要指标，其中能量密度尤为关键。目前有不少公司都在尝试通过化学方法提高电池的能量密度，主要成果见表1。

锂电池能量密度发展趋势表明，目前锂离子电池重量能量密度和体积能量密度最高水平已分别达到400W•h/kg和1000W•h/L，难以取得重大进展。未来锂离子电池必须向锂金属电池方向发展，才能满足各类飞机的使用要求。

锂电池能量密度发展趋势

目前民用飞机大量使用镍镉电池，镍镉电池与锂电池相比，存在体积大、重量重、储电量和放电电流不足、充电慢等缺点。随着锂电池技术的成熟和性能的提高，高性能大容量锂电池将进一步满足新一代多电民用飞机的电源需求，减轻飞机重量，并推动民用飞机制造厂家逐步将其用于飞机应急照明、座舱语音记录器、飞行数据记录器、记录仪独立电源、备用或应急电源、主电源和辅助动力装置电源等。随着新材料的不断涌现，锂电池技术将不断发展和成熟，大容量高功率锂电池凭借其优越的性能，在航空领域将有更为广阔的应用前景。