باتری‌های لیتیومی حالت جامد برای هواپیماهای بدون سرنشین: فرصت‌ها و چالش‌های مهندسی

باتری های لیتیومی حالت جامدبه اندازه کافی "آینده" بوده اند که این عبارت شروع به توخالی شدن کرده است. اما به طور خاص در کاربردهای پهپاد، این فناوری از حدس و گمان های اولیه گذشته است. سلول‌های حالت جامد واقعی در حال آزمایش، تأیید و در برخی موارد در سکوهای پهپادهای تجاری هستند - و معاوضه‌های مهندسی واضح‌تر از همیشه هستند.

در اینجا نگاهی صادقانه به آنچه که باتری‌های لیتیومی حالت جامد برای کاربردهای پهپادها ارائه می‌دهند و آنچه هنوز کار کردن با آن‌ها را سخت می‌کند، آورده شده است.

چرا حالت جامد برای پهپادها معنا دارد؟

تفاوت اساسی در الکترولیت است. باتری‌های لیتیوم پلیمری معمولی از یک الکترولیت مایع یا ژل استفاده می‌کنند - موثر، اما قابل اشتعال و حساس به دمای شدید. باتری‌های حالت جامد با یک ماده الکترولیت جامد جایگزین آن می‌شوند و این جایگزینی مجموعه‌ای از پیامدها را به همراه دارد که مخصوصاً برای کاربردهای پهپاد مرتبط است.

پایداری حرارتی بهتر الکترولیت های مایع عامل اصلی فرار حرارتی در باتری های LiPo هستند. مایع را بردارید و خطرناک ترین حالت شکست در شیمی لیتیوم را حذف می کنید. برای پهپادهایی که در محیط‌های با دمای محیط بالا، نزدیک محموله‌های مولد گرما، یا در کاربردهایی که آتش‌سوزی باتری فاجعه‌بار است، کار می‌کنند، این پایداری اهمیت زیادی دارد.

پتانسیل چگالی انرژی بالاتر معماری حالت جامد با آندهای فلزی لیتیوم سازگار است، که انرژی بیشتری در هر گرم نسبت به آندهای گرافیت مورد استفاده در سلول‌های لیتیوم یونی و LiPo معمولی ذخیره می‌کنند. در کاربردهای حساس به وزن مانند طراحی پهپاد، سقف چگالی انرژی یکی از مهمترین مشخصات روی میز است. انرژی بیشتر به ازای هر کیلوگرم به معنای زمان پرواز طولانی تر بدون اضافه کردن وزن بدنه هواپیما است.

عمر چرخه طولانی الکترولیت های جامد معمولاً با مواد الکترود در طول زمان واکنش کمتری دارند، که به معنای تخریب کمتر در هر چرخه است. برای اپراتورهای پهپادهای تجاری که چرخه‌های کاری بالا را اجرا می‌کنند، عمر چرخه بهتر مستقیماً به کاهش هزینه‌های باتری در هر پرواز و برنامه‌های تعویض قابل پیش‌بینی‌تر تبدیل می‌شود.

محدوده دمای عملیاتی گسترده تر سلول‌های حالت جامد نسبت به جایگزین‌های الکترولیت مایع، عملکرد ثابت‌تری را در سراسر دمای افراطی حفظ می‌کنند. عملیات هواپیماهای بدون سرنشین در هوای سرد - بازرسی زیرساخت ها در آب و هوای شمالی، کار بررسی در ارتفاعات - از شیمی بهره می برند که با کاهش دما ظرفیت قابل توجهی را از دست نمی دهد.

چالش های مهندسی که هنوز واقعی هستند

هیچ کدام از اینها بدون اصطکاک به وجود نمی آید. باتری‌های لیتیومی حالت جامد برای پهپادها با موانع مهندسی واقعی روبرو هستند که توضیح می‌دهد چرا بسته‌های LiPo هنوز بر کاربردهای پهپادهای تجاری تسلط دارند.

پیچیدگی و هزینه ساخت تولید مواد الکترولیت جامد نسبت به الکترولیت های مایع سخت تر است و فرآیندهای تولید به دقت بیشتری نیاز دارند. این به معنای هزینه‌های واحد بالاتر - گاهی به طور قابل توجهی بالاتر - است که مانعی برای اپراتورهای تجاری حساس به هزینه ایجاد می‌کند.

مقاومت رابط تماس بین الکترولیت جامد و مواد الکترود به اندازه سیستم های الکترولیت مایع نیست. این مقاومت رابط، مقاومت داخلی را افزایش می دهد، که نرخ تخلیه اوج را محدود می کند. تخلیه با نرخ C بالا - نوعی که در طول مانورهای تهاجمی پهپاد یا بالابرهای بار سنگین مورد نیاز است - با طرح‌های حالت جامد فعلی بدون جریمه عملکرد سخت‌تر است.

استرس مکانیکی در حین دوچرخه سواری با حرکت یون های لیتیوم در حین شارژ و تخلیه، مواد الکترود منبسط و منقبض می شوند. در باتری های مایع الکترولیت، الکترولیت این حرکت را انجام می دهد. در سلول‌های حالت جامد، تغییرات حجمی می‌تواند تنش مکانیکی در سطح مشترک الکترود-الکترولیت ایجاد کند و در طول زمان به تخریب کمک کند. مدیریت این در مقیاس یک حوزه فعال کار مهندسی است.

عملکرد شروع سرد در حالی که باتری‌های حالت جامد در عملکرد حالت پایدار در محدوده دمایی بهتر عمل می‌کنند، برخی از مواد الکترولیت جامد مقاومت بالایی در دماهای بسیار پایین در هنگام راه‌اندازی اولیه نشان می‌دهند. این با پیشرفت‌های مادی در حال بهبود است، اما برای محیط‌های استقرار خاصی مورد توجه قرار می‌گیرد.

جایی که فناوری به معنای کاربردهای پهپادهای تجاری است

باتری های لیتیومی حالت جامدامروزه برای کاربردهای پهپاد قابل تولید هستند - با مناسب برنامه. مأموریت‌های با ارزش که در آن ایمنی حرارتی در اولویت است، پلتفرم‌هایی که در آن بهبود چگالی انرژی حق بیمه هزینه را توجیه می‌کند، و عملیات‌هایی که عمر چرخه طولانی آن باعث بازگشت سرمایه معنی‌دار می‌شود، همگی اهداف معقولی هستند.

ZYEBATTERYهم باتری‌های لیتیوم پلیمری با کارایی بالا و هم باتری‌های لیتیوم یونی حالت جامد UAV را توسعه می‌دهد، زیرا شیمی مناسب به کاربرد بستگی دارد. امروزه هر عملیات پهپادی به فناوری حالت جامد نیاز ندارد. برخی در حال حاضر انجام می دهند - و با کاهش مقیاس های تولید و هزینه ها، این دسته به طور قابل توجهی گسترش خواهد یافت.

آینده نابرابر رسید. اما رسید