باتری‌های حالت جامد در هواپیماهای بدون سرنشین: پیروزی‌ها، موانع، و آینده اپراتورها

نتیجه؟ یک پرواز مداوم 48 دقیقه ای و 10 ثانیه ای - چیزی که چند سال پیش با لیتیوم یون غیرقابل تصور بود. برای هر کسی در این فضا، این فقط یک عدد نیست. گواه آن استحالت جامدمی تواند دو مورد از بزرگترین مشکلات اپراتورهای پهپاد را برطرف کند: زمان کوتاه پرواز و نگرانی های ایمنی. آن پرواز آزمایشی نه تنها یک رکورد را شکست، بلکه نشان داد که eVTOL ها (و به طور کلی پهپادها) می توانند به زودی ماموریت های طولانی تر و قابل اعتمادتر را بدون کاهش ایمنی انجام دهند.

پاناسونیک هم با یکباتری حالت جامدبه طور خاص برای پهپادهای کوچکتر ساخته شده است - و مشخصات آنها برای اپراتورهای پرمشغله بسیار جذاب است. تصور کنید باتری یک پهپاد را از 10 درصد به 80 درصد در 3 دقیقه شارژ کنید. برای یک تیم تحویلی که بیش از 20 پرواز در روز انجام می دهد، این کار باعث کاهش زمان توقف از 30 دقیقه (با لیتیوم یون) به تقریباً هیچ می شود. حتی بهتر؟ 10000 تا 100000 چرخه شارژ در دمای اتاق دوام می آورد. یک شرکت ساختمانی که با آن کار می کنیم به ما گفت که باتری های لیتیوم یونی را هر 6 ماه یکبار تعویض می کنند—این گزینه پاناسونیک می تواند بیش از 5 سال عمر کند. این یک صرفه جویی در هزینه است، اما همچنین به این معنی است که باتری های کمتری در محل های دفن زباله قرار می گیرند - چیزی که مشتریان به طور فزاینده ای در مورد پایداری در مورد آن می پرسند.

اما این چیزی است که ما برای مشتریان نمی‌پوشیم: حالت جامد هنوز حلقه‌هایی دارد که قبل از اینکه در هر پهپادی وجود داشته باشد، باید از آن عبور کند. ما با ده‌ها اپراتور هواپیماهای بدون سرنشین کوچک تا متوسط ​​در 6 ماه گذشته صحبت کرده‌ایم، و نگرانی‌های آن‌ها همگی به چالش‌های مشابهی بازمی‌گردد، چالش‌هایی که فراتر از «مشخصات خوب روی کاغذ» است.

اول هزینه را بگیرید مواد به تنهایی گران‌تر هستند: الکترولیت‌های جامد در این باتری‌ها بیش از مایعات لیتیوم یونی قیمت دارند و ماشین‌های مورد نیاز برای ساخت آنها؟ آنها خارج از قفسه نیستند. یک سازنده پهپاد نوپا در تگزاس به ما گفت که می‌خواهند به حالت جامد بروند، اما هزینه اولیه بازسازی باتری‌شان کل بودجه سالانه آن‌ها را می‌خورد. برای بازیکنان بزرگی مانند EHang یا Panasonic، این قابل مدیریت است – اما برای اکثر اپراتورها، در حال حاضر یک مانع است.

سپس مشکل "پایداری رابط" وجود دارد - اصطلاحات فانتزی برای یک موضوع ساده: الکترولیت جامد و الکترودهای باتری برای اینکه خوب کار کنند باید در تماس محکم و ثابتی باشند. اما هر بار که باتری شارژ و دشارژ می شود، الکترودها کمی کوچک شده و منبسط می شوند. با گذشت زمان، شکاف‌های کوچکی ایجاد می‌شود و باتری سریع‌تر انرژی خود را از دست می‌دهد. ما بهار گذشته این را با آزمایش پهپاد مزرعه ای دیدیم: پس از 50 چرخه، زمان پرواز باتری حالت جامد 12 درصد کاهش یافت - نه یک معامله شکن، اما به اندازه ای بود که کشاورز پرسید: "آیا این بدتر خواهد شد؟" در حال حاضر، پاسخ "شاید" است، تا زمانی که سازندگان مواد الکترود بادوام تری را کشف کنند.

شکنندگی سردرد دیگری است، به ویژه برای پهپادهایی که در شرایط سخت پرواز می کنند. اکثر الکترولیت های جامد مبتنی بر سرامیک سخت هستند، اما انعطاف پذیر نیستند. یک تیم جستجو و نجات در کلرادو زمستان گذشته یک باتری سرامیکی الکترولیت را آزمایش کردند. در هنگام فرود بر روی زمین های صخره ای، محفظه باتری ترک خورد (خوشبختانه، بدون آتش) و پهپاد برق را از دست داد. در این سناریو ممکن است یون لیتیوم نشت کند، اما معمولاً به اندازه کافی به کار خود ادامه می دهد تا ایمن فرود بیاید. برای پهپادهایی که ارتعاشات (مانند اسکنرهای محل ساخت و ساز) یا فرودهای سخت (مانند پهپادهای نظارت بر حیات وحش) را کنترل می کنند، این یک نگرانی بزرگ است.

حتی دندریت‌های لیتیوم - آن ساختارهای سوزنی‌مانند کوچکی که باتری‌های لیتیوم یونی را کوتاه می‌کنند - به طور کامل از بین نرفته‌اند. آنها در حالت جامد نادرتر هستند، اما ما از مهندسان باتری شنیده‌ایم که در سرعت‌های شارژ بالا (مانند شارژ 3 دقیقه‌ای پاناسونیک)، دندریت‌ها همچنان می‌توانند تشکیل شوند. این یک خطر کوچکتر است، اما برای اپراتورهایی که بر فراز مناطق شلوغ پرواز می کنند، "کوچکتر" همیشه "به اندازه کافی خوب" نیست.

گرما یک شگفتی دیگر است. حالت جامد در دماهای بالا ایمن تر از لیتیوم یون است، اما گرما را نیز دفع نمی کند. پهپادی که برای کارهای پرقدرت مانند بلند کردن محموله های سنگین یا پرواز با حداکثر سرعت برای مدت طولانی استفاده می شود، می تواند به سرعت گرما ایجاد کند. ما با یک مشتری تدارکات کار کردیم که یک پهپاد حالت جامد را برای تحویل بسته های 50 پوندی آزمایش می کرد. پس از 25 دقیقه پرواز، باتری آنقدر داغ شد که نرم افزار پهپاد آن را مجبور به فرود زودهنگام کرد. آنها مجبور شدند یک هیت سینک سبک وزن اضافه کنند که ظرفیت بار را کاهش می دهد - بخشی از هدف تغییر به حالت جامد را شکست می دهد.

و مقیاس تولید را فراموش نکنیم. در حال حاضر، بیشتر باتری های حالت جامد در دسته های کوچک ساخته می شوند. یک اپراتور هواپیمای بدون سرنشین که به 100 باتری در ماه نیاز دارد، ممکن است 6 تا 8 هفته برای تحویل منتظر بماند، در حالی که باتری‌های لیتیوم یونی در همان روز موجود هستند. تا زمانی که کارخانه ها نتوانند باتری های حالت جامد را به همان سرعت (و ارزان) مانند لیتیوم یون تولید کنند، پذیرش برای همه به جز بزرگترین تیم ها کند خواهد بود.

وقتی صحبت از خود الکترولیت های جامد می شود، «یک اندازه مناسب برای همه» نیز وجود ندارد. سرامیک ها برای رسانایی عالی هستند - آنها به یون ها اجازه می دهند سریع حرکت کنند که به معنای قدرت بیشتر است - اما همانطور که دیدیم شکننده هستند. پلیمرها انعطاف پذیر هستند، بنابراین ارتعاشات را بهتر کنترل می کنند، اما در دمای اتاق کندتر هستند - برای پهپادهای کشاورزی با حرکت آهسته خوب هستند، اما برای پهپادهای تحویل سریع بد هستند. سولفیدها حد وسط هستند: رسانایی و انعطاف پذیری خوبی دارند، اما به رطوبت واکنش نشان می دهند. یک اپراتور هواپیمای بدون سرنشین ساحلی در فلوریدا به ما گفت که آنها باید یک محفظه ضد آب به باتری های مبتنی بر سولفید اضافه کنند که باعث افزایش وزن می شود. انتخاب الکترولیت مناسب کاملاً به کاری که پهپاد انجام می دهد و مکان پرواز آن بستگی دارد.

با این حال، خبر خوب این است: هر چالشی که ذکر کردیم در حال حل شدن است، هر بار یک تست. پرواز EHang تصادفی نبود. این نشانه آن است که سازندگان در حال کشف چگونگی ساخت حالت جامد برای پهپادها هستند. باتری شارژ سریع پاناسونیک فقط یک نمونه اولیه نیست، بلکه در حال ارسال به مشتریان منتخب است. و همانطور که اپراتورهای بیشتری تقاضای حالت جامد می کنند، هزینه ها کاهش می یابد.

برای هر کسی که در حال حاضر یک تجارت هواپیمای بدون سرنشین دارد، سوال این نیست که "اگر" حالت جامد کنترل را در دست بگیرد - این "چه زمانی و چگونه آماده شود". کم شروع کنید: چند باتری حالت جامد را با پهپادهای پرتقاضای خود (مانند تحویل یا جستجو و نجات) آزمایش کنید و صرفه جویی در زمان و جایگزینی را دنبال کنید. با تامین کننده باتری خود در مورد راه حل های سفارشی صحبت کنید—بسیاری مایلند الکترولیت ها را برای مورد استفاده خاص شما تغییر دهند.

حالت جامد هنوز کامل نیست، اما در حال حاضر بهتر از لیتیوم یون به روش‌هایی است که بیشترین اهمیت را دارند: پروازهای طولانی‌تر، عملیات ایمن‌تر، و زمان توقف کمتر. و همانطور که پیچیدگی ها حل می شوند؟ ما به آینده‌ای نگاه می‌کنیم که در آن پهپادها فقط «کار را انجام نمی‌دهند» - آنها این کار را سریع‌تر، ارزان‌تر و در مکان‌های بیشتری از همیشه انجام می‌دهند.

اگر کنجکاو هستید که کدام باتری حالت جامد برای هواپیماهای بدون سرنشین شما منطقی است، یا می‌خواهید درباره آزمایش‌هایی که با مشتریان انجام داده‌ایم بیشتر بشنوید، با ما تماس بگیرید. این فقط یک بحث فنی نیست، بلکه در مورد این است که عملیات پهپاد شما برای شما سخت‌تر کار کند.