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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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