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一、eVTOL对于能源系统提出全新要求
1.1 eVTOL中能源系统的重要性
能源系统作为eVTOL的能量储存和释放来源，决定着航行过程中的续航里程和起降能力，是eVTOL中的核心系统之一，主要由动力电池组（Pack）、电源管理系统（BMS）、高压配电单元、热管理系统、快充接口与线束等关键部件构成。通常，整个能源系统在eVTOL中的重量占比在30%左右，根据构型、设计航程和有效载荷会有所差异。
成本方面，能源系统通常在整体BOM中占比10%-20%左右，取决于具体构型和产品设计。根据Lilium数据，其eVTOL的能源系统成本占比约10% ，推进系统占比约40%，结构和内饰占比约25%，航电和飞控占比约20%，装配件占比约5%。一方面，受益于新能源车产业的蓬勃发展，锂电池产业链的成本得到整体压降；另一方面，在分布式电推进技术下，eVTOL需要多个高功率电机和电控系统，使得动力系统的成本占比达40%以上，占到大头；另外，为满足轻量化需求，大量的碳纤维复合材料也占据大量成本，因此能源系统在eVTOL整机成本中的相对占比不高。
然而，eVTOL能源系统的价值量却并不低，由于“开发周期长、材料成本高、产品要求严、测试环节多”等因素，航空级电池Pack的成本在2元/Wh左右，是车规动力电池的3-5倍，若按照200kWh设计能量推算，成本可以达到40万元，已经超过大部分新能源车整车价格；若考虑后续电池需要更换、拆解，则实际成本更高。
展开剩余89%1.2 eVTOL对电池提出更高要求
eVTOL在初步设计阶段需重点考虑对于能源系统的需求，设计步骤如下：
Step 1：根据市场调研明确eVTOL的应用场景和相对应的功能需求（如载货vs载人、长途vs短途、城市vs城际等），决定合适的构型并提出最大起飞重量、有效载荷、续航里程等性能要求；
Step 2：根据上述性能要求开展产品设计，包括浆盘载荷、功率载荷、悬停效率、升阻比等；
Step 3：测算eVTOL在飞行的5个阶段（初始悬停、起飞爬升/上升过渡、巡航飞行、下降过渡、着陆悬停）中所需的任务功率，结合每个阶段的任务时间，计算出eVTOL在飞行过程中所需总共的电池能量；
Step 4：根据电池能量的总需求，通过电池包的比能量倒算出电池包重量；
Step 5：进行重量汇总并不断调整重量设计，在机身结构、动力系统、有效载荷等进行重新重量分配，并反复重算、试验以达到重量分配的最优解。
二、固态电池：eVTOL电池的理想解决方案
2.1 传统液态锂电池装配eVTOL存在的问题
目前传统的液态锂电池使用在eVTOL中存在以下问题：
一、能量密度低
液态锂电池的能量密度上限为300Wh/kg（三元锂），现使用的大规模量产电池通常在160-250Wh/kg，难以满足eVTOL 400Wh/kg的要求，使得续航里程大幅受限，主要由于：
•隔膜和电解液等非活性组件占用了电池重量和空间；
•电压窗口受限，正负电压差超过4.5V易分解；
•难以使用能量密度更高的锂金属负极，易形成锂枝晶。
二、安全性差
低空中工作环境更为复杂，且空中灾害造成的危害性更高，液态锂电池主要存在以下安全问题：
（1）热失控：电池负极容易析出树枝状的锂枝晶，可能刺穿仅有12-25微米厚的隔膜，造成漏液导致内部短路，瞬间释放大量热量，最终发生热失控。
（2）有毒物质释放：电解液通常为易燃有机溶剂，高温下分解产生可燃气体和氧气，形成燃烧条件，且可能释放氟化氢等有毒物质。
三、循环寿命有限
液态锂电池循环寿命较为有限，容量衰减较快（尤其在快充条件下），主要由于：
•锂枝晶的形成不仅消耗活性锂，还会增加电池内阻，加速容量衰减；
•液态电解液干涸、挥发会导致容量衰减；
•液态电解液与电极材料之间的持续副反应使得容量衰减。
2.2 固态电池更加适配eVTOL电池需求
根据电解质中的液体含量，主要分为液态、半固态和固态电池：
•液态电池（含量>10%）：以有机溶剂作为电解液并配合使用20微米左右的薄膜，Li⁺在“液态电解液+隔膜”中来回穿梭，技术成熟，已经大规模量产装配于新能源车。
•半固态电池（含量5%-10%）：作为液态电池向全固态电池演进的“过渡方案”，在电池结构中部分使用固态电解质材料，同时保留5%-10%的液态电解质，通过固液混合设计，既保留了传统产线 70% 以上的工艺兼容性，又在能量密度、安全性和低温性能上“半步跨越”，实现了性能、成本和量产可行性的平衡，被视为2025–2027 年最先可规模化上车的技术路线。
•全固态电池（含量 0%）：完全固态形式的电解质，没有电解液和隔膜，安全性、能量密度达到最理想水平，有望在2027年小规模装车，2030年实现商业化。
2.3 固态电池满足eVTOL高能量、高安全、长寿命和快充的核心要求
一、高能量密度：
固态电池可以满足eVTOL 400Wh/kg的能量密度要求，打破续航里程的限制，主要原因在于：
•锂金属负极得以应用：锂金属负极的理论比容量高达3860mAh/g，是传统石墨负极（372mAh/g）的10倍以上，固态电解质具有高机械强度，能够有效抑制锂枝晶生长，使得锂金属负极的应用成为可能。
•更宽的电化学窗口：传统液态电解液在电压超过4.5V时就会分解，而固态电解质可以承受5V以上的工作电压。这意味着可以选用高电压正极材料，通过提升工作电压直接增加能量密度。
•结构优化：固态电池将电解液和隔膜合二为一，取消了隔膜层，大幅缩小了正负极间距。这不仅降低了电池厚度，还减少了非活性材料的体积占比。同时，固态电池可以实现电芯内部的串联堆叠，避免过度封装，进一步提升体积能量密度。
二、高安全性：
固态电池可满足eVTOL航空级的高安全要求，在极端环境和工况下表现更优，减少灾害发生的可能性，并将灾害损失降低，主要原因在于：
•热失控阈值更高：固态电池采用不可燃的固态电解质，从根本上解决了液态电解液易燃易爆的安全隐患。固态电解质的热分解温度可高达500℃，远高于液态电解液的200℃，热失控风险降低90%以上。
•更高的稳定性：针刺测试显示，固态电池在极端条件下仅出现微小电压波动，不会发生冒烟、起火现象。
•更宽的工作温度带：得益于低温下仍能保持稳定的离子传导性能，固态电池在-30℃环境下容量保持率可达80%以上，解决了在低温地区的电池“趴窝”问题。
2.4 固态电池主要技术路线对比
根据电解质的不同，固态电池主要分为硫化物、氧化物和聚合物三大技术路线：硫化物路线以高离子电导率（10⁻³-10⁻² S/cm）和良好的界面兼容性见长，但化学稳定性差且成本高昂；氧化物路线具有优异的热稳定性和成本优势，但室温电导率偏低（10-6-10⁻³ S/cm）且界面接触困难；聚合物路线加工性能好且与现有产线兼容，但室温电导率低（10-7-10-6 S/cm）且需要加热工作。
三、曙光在即，固态电池面临的挑战与机遇
3.1（1）固态电池核心挑战1：关键技术瓶颈
纵然固态电池相较液态锂电池具备诸多优势，但当下距离大规模的商业运用还需解决技术瓶颈、工艺适配、材料成本和规模化生产四大核心挑战：
1.固-固界面接触难题
•机械失效性：在充放电过程中，正负极材料（特别是硅基负极）会发生体积膨胀和收缩，而固态电解质（如氧化物、硫化物）通常脆性高、弹性模量低，无法同步形变，导致界面分离、接触失效，大幅缩短循环寿命。
•接触机制改变：固态电池中电极与电解质之间由液态的“面接触”转变为固态的“点接触”，导致有效接触面积小，界面阻抗显著增加，达到500-1000Ω·cm²，严重影响锂离子的传输效率。
2.离子电导率不足
离子电导率反映电解质材料传导离子的能力，电导率越高离子传输越顺畅，高电导率能减少极化反应，实现快充快放。固态电池的理想电导率需接近10-3 S/cm（液态电池水平），目前主流电解质的室温离子电导率普遍偏低：聚合物：10⁻7~10⁻6 S/cm，高温下接近10-4 S/cm；氧化物：10-6~10-3 S/cm；硫化物：10⁻3~10⁻2 S/cm，但易水解产生有毒气体（如H2S）。
固态电池核心挑战2：工艺适配与设备依赖
二、工艺适配挑战
1.干法工艺成熟度低
•成膜难度大：干法工艺是全固态电池大规模量产的必经之路，但目前正极干法成膜在粘接剂选择、纤维化程度控制上仍有难度。现有设备生产的极片厚度（40-50微米）与目标（100-150微米）存在差距，且生产速度（3-5米/分钟）远低于液态电池（60-80米/分钟），严重影响效率。
•混合均匀性：干法混料过程中，由于无溶剂体系下粉末流动性差，活性材料、导电剂与电解质粉末难以均匀分散，易出现团聚或板结，影响电池性能。
•膜层与电解质的界面融合：固-固界面接触的天然难题使得电极膜表面粗糙度需控制在纳米级，否则与电解质膜接触时产生缝隙。
2.关键设备依赖与精度要求
•高压致密化需求：由于物料的均匀性成为较难实现的目标，因此对辊压的精度、均匀度以及压实密度要求更高，需要新增高压致密设备，等静压设备需满足 600MPa 高压 + 150℃温控，批量生产效率低；
•环境控制严苛：硫化物电解质对极性有机溶剂极为敏感，传统湿法工艺无法适用，生产需全封闭干燥室 + 惰性气体氛围，环境管控成本高。
固态电池核心挑战3：材料成本高企
三、材料成本高企
1.核心材料成本悬殊
硫化物电解质材料200-250万元/吨，其中关键材料硫化锂单价超 300 万元/吨；氧化物电解质材料30-40万元/吨，关键原材料包括氧化锆、氧化镧等；聚合物电解质材料50-60万元/吨，关键原材料包括PEO、LiTFSI 锂盐；相较之下，液态电解液成本仅为1.7-3 万元 / 吨，远低于固态电解质材料成本；另外，硅基负极加工成本是石墨负极的 5-8 倍，锂金属纯化能耗大、成本也高。
2.规模效应缺失
2024 年全球固态电池产能不足 20GWh，仅为锂电池总产能的 0.5% ，小批量采购导致原材料议价能力弱，设备折旧、环境管控成本分摊压力大。
固态电池核心挑战4：大规模量产困难
1.产线兼容性差
全固态电池需全新干法 / 真空镀膜 / UV 固化产线，较现有液态电池产线新增大量设备，且原先辊压、叠片等设备也需要升级；单 GWh 产线投资可达4-5 亿元，是液态电池产线的 2-3 倍。
2.良率与标准问题
行业领先企业良率仅 50%-80%，界面缺陷、材料一致性差导致报废率高；技术路线分散（硫化物 / 氧化物 / 聚合物），行业标准未统一，供应链配套不成熟。
3.供应链协同不足
固态电解质、硅碳负极等关键材料产能有限，规模化供应能力不足；设备端（干法混料、等静压）国产化率低，依赖进口设备导致扩产周期长。
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