石墨烯被譽為“新材料之王”，擁有電熱轉(zhuǎn)換效率高、升溫速度快等優(yōu)異性能。航材院石墨烯新能源材料中心主任燕紹九告訴科技日報記者：“應(yīng)用石墨烯等新型材料技術(shù)制造的航空電池相比傳統(tǒng)電池，能量密度能提升50%以上。”
作為新質(zhì)生產(chǎn)力的代表，低空經(jīng)濟已經(jīng)成為培育發(fā)展新動能的重要方向。2024年，多地推出低空經(jīng)濟具體支持政策和行動方案，其中不少方案都提到了研發(fā)應(yīng)用高性能動力電池。
同新能源汽車一樣，未來低空經(jīng)濟主力場景——電動垂直起降航空器(eVTOL)與無人機等的規(guī)?；茝V應(yīng)用，離不開高性能動力電池。動力電池的成本約占新能源車總成本30%—40%，據(jù)此測算，我國航空動力電池市場前景廣闊。當前，寧德時代、億緯鋰能等具備技術(shù)優(yōu)勢的動力電池企業(yè)已紛紛入局打造低空經(jīng)濟“動力源”。
相較于新能源汽車動力電池，航空動力電池對安全性、能量密度、功率密度、快充性能、循環(huán)壽命要求更高。其中，能量密度是衡量電池性能的一個關(guān)鍵指標，直接影響電池續(xù)航能力和使用效率。
能量密度是指電池平均單位體積或質(zhì)量釋放出的電能，以瓦時/千克(Wh/kg)表示。燕紹九介紹：“傳統(tǒng)電池的能量密度約為250Wh/kg，不到航空煤油的1/40。”據(jù)中國航空運輸協(xié)會發(fā)布的《2023—2024中國民用無人駕駛航空發(fā)展報告》，電池續(xù)航是當前制約無人機發(fā)展的瓶頸之一。
引入新材料是改進電池性能的思路之一。石墨烯由于其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、比表面積大，加入鋰電池能極大提高電池能量密度。“比如研發(fā)能量密度有望超過600Wh/kg的鋰硫電池，就需要使用石墨烯的高導(dǎo)電和大比表面積特性。”燕紹九說。
值得注意的是，目前市場上航空電池的能量密度距400—500Wh/kg的門檻還有一定差距。“400Wh/kg是個分水嶺，大概相當于常規(guī)新能源汽車電池的2倍動力，能支持小型通用飛機的飛行。”燕紹九介紹。
2008年，國內(nèi)科研機構(gòu)陸續(xù)開始布局石墨烯材料的制備及應(yīng)用研究。2016年，中國航空發(fā)動機集團組建成立后，將石墨烯鋰電池技術(shù)列為重點發(fā)展方向予以大力支持。航材院成立石墨烯新能源材料研究中心，引進國內(nèi)外優(yōu)秀科技人才，并以多種基金項目方式支持相關(guān)研究。
近年來，航材院突破多項關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的石墨烯批量制備成套裝備。“團隊研發(fā)了石墨烯高功率鋰電池技術(shù)、石墨烯超低溫鋰電池技術(shù)等。”燕紹九介紹，高功率鋰電池技術(shù)可實現(xiàn)用電設(shè)備大功率放電，保證高安全性的同時，實現(xiàn)30C超高倍率放電(最快2分鐘即可完成放電);超低溫鋰電池技術(shù)則可保障用電設(shè)備在零下40攝氏度環(huán)境下正常工作，能滿足低空飛行器高海拔起飛。
航材院還研制了超薄鋰鎂合金負極材料等代表性成果，取得相關(guān)授權(quán)專利37項。“超薄鋰鎂合金負極材料將石墨烯作為三維集流體，并應(yīng)用了石墨烯表面改性技術(shù)，該材料制造的鋰電池能量密度能達到400Wh/kg。”燕紹九介紹。
目前，航材院部分相關(guān)技術(shù)成果已從實驗室走向應(yīng)用市場，助力低空經(jīng)濟“展翅高飛”。航材院與客戶開展石墨烯超低溫電池技術(shù)攻關(guān)合作，首次實現(xiàn)了石墨烯超低溫鋰電池技術(shù)在低空電動裝備上的應(yīng)用。經(jīng)過多輪試驗與優(yōu)化，石墨烯超低溫方殼電池實現(xiàn)零下40攝氏度3C放電，并成功應(yīng)用于多種型號低空電動裝備中。
據(jù)悉，航材院石墨烯新能源材料研究中心目前擁有電池關(guān)鍵材料實驗室、鋰離子電池研發(fā)線和中試生產(chǎn)線各1條，生產(chǎn)及檢測設(shè)備400余臺，實驗室和廠房面積共1萬平方米，裝備有大電流充放電測試設(shè)備。燕紹九表示，下一步，研究中心將持續(xù)推動石墨烯鋰電池材料的開發(fā)和工程化應(yīng)用，為低空經(jīng)濟蓬勃發(fā)展貢獻力量。
