电池研究 | 高能量密度电池推动飞行汽车碳排放下降

      图1展示了不同里程下纯电动飞行汽车电池容量需求。随着续航里程提升，飞行汽车的电池容量将出现非线性快速增长。当电池能量密度为200 Wh/kg时，飞行汽车的电池容量在100 km以及200 km续航下分别为70 kWh以及537 kWh。

考虑到 飞行汽车电池容量可行性的限制（200 kWh），200 km续航所要求的大电池容量将会导致高电池质量，在实际飞行汽车设计中无法实现。因此，当前纯电动飞行汽车仅在150 km左右的续航里程下具备技术可行性。

图1 不同里程下纯电动飞行汽车电池容量需求

     而当电池能量密度提升至400 Wh/kg时，100km与200km续航所要求的电池容量将下降到44以及94kWh，相比电池能量密度200 Wh/kg时下降了38%以及80%。同时，纯电动飞行汽车技术可行的续航范围进一步提升到了300km。当电池能量密度为600Wh/kg时，纯电动飞行汽车的可行性范围进一步提升至400km，显示出了长续航下应用的潜力。

     需要注意的是， 在相同续航下，纯电动飞行汽车的电池容量将显著高于路面纯电动汽车。在200km续航下，采用200Wh/kg或400Wh/kg电池的纯电动飞行汽车电池容量分别为路面纯电动汽车的22倍以及4倍。即使采用600Wh/kg的电池，纯电动飞行汽车在200km续航下的电池容量仍是路面纯电动汽车的3倍以上。

     图2展示了不同情景下纯电动飞行汽车的二氧化碳排放。以中国为例，考虑当前电池技术水平 (200 Wh/kg) 以及当前电网排放因子 (179g/kWh)，在100km续航下，碳排放为66g CO ₂ /人·等效地面公里，相比于地面内燃机以及纯电动汽车高了11%以及62%。

     随着续航增加， 排放值快速增长。在200 km续航下，排放值为280g CO ₂ /人·等效地面公里，是地面内燃机以及纯电动汽车的4.7倍以及6.9倍。这表明当前中国的纯电动飞行汽车在短距离交通中，与路面内燃机汽车具有接近的排放值，但在长距离交通中暂不具备可比性。在任何距离下，纯电动飞行汽车的排放值都高于路面纯电动汽车。

图2 不同情景下纯电动飞行汽车的二氧化碳排放

     当电池能量密度提升至400Wh/kg时，起飞质量与能耗的下降使得纯电动飞行汽车排放值实现了降低。在100km以及200km续航下，排放值分别为40以及49g CO2/人·等效地面公里，下降了39%以及82%。在此情景下，纯电动飞行汽车的排放值已经低于路面内燃机汽车，但仍高于路面纯电动汽车。而在长距离交通中，飞行汽车与路面交通的排放值之间仍有一定差距。

    随着电网排放因子的下降，纯电动飞行汽车可以进一步降低排放值。100 km续航下的排放值为53g CO ₂ /人·等效地面公里，相比路面内燃机以及纯电动汽车分别低了10%以及高了64%。

     在电池技术进步以及电网排放因子下降的共同作用下，纯电动飞行汽车的排放值可实现大幅下降。200km续航下的排放值为39g CO ₂ /人·等效地面公里，相比于路面内燃机以及纯电动汽车分别低了34%以及高了21%。

     同时在长距离交通中，飞行汽车与路面交通的排放差距进一步缩小。在300 km续航下，飞行汽车与路面纯电动汽车的排放值差距仅为24g CO ₂ /人·等效地面公里，这表明飞行汽车具有达到接近纯电动汽车排放水平的潜力。

     在美国、欧洲以及日本，由于其排放因子更低，在100km续航下的排放值相比于中国分别低了60%，34%以及19%。

      虽然,飞行汽车技术天然地使其具有高能耗的特征，且相比于路面内燃机汽车具有更高排放，但是差距预计将会在未来缩小。对于低电网排放因子的国家，比如：美国和欧洲部分国家，纯电动飞行汽车在短距离交通中的排放值已经低于路面内燃机汽车。

     而根据计算， 高电网排放因子的国家也将在10年内实现纯电动飞行汽车的碳排放低于路面内燃机汽车。考虑到当前路面交通的主流仍是内燃机汽车，纯电动飞行汽车已经可以在短距离交通，如：城市内交通中起到降低二氧化碳排放的作用。

    更进一步， 根据研究，及时是小规模的飞行汽车的使用也可以提升交通系统的效率，从而降低交通系统由于拥堵产生的能耗损失与排放。而随着未来电网进一步清洁化，纯电动飞行汽车与路面纯电动汽车的排放差距也将进一步缩小，这会进一步推动其未来发展。因此，纯电动飞行汽车的应用未来会是重要的降低交通系统碳排放的途径。

     电池能量密度的提升将会给纯电动飞行汽车的发展提供有力支撑。未来10年内，电池能量密度预计将提升至400Wh/kg，而这会使得中国情景下的纯电动飞行汽车在中等距离交通中（例如：北京-天津往返）的排放值接近路面内燃机汽车。而对于电网更清洁的国家，飞行汽车交通甚至可在更长的距离内（例如：巴黎到伦敦）实现与路面内燃机汽车接近的碳排放，考虑到飞行汽车的高效率及舒适性，这将会进一步推动其发展。

     因此，高电池能量密度对于纯电动飞行汽车的大规模应用是不可或缺的。但是，在当前锂离子电池化学体系下很难实现超过400Wh/kg的能量密度。而实现超过400乃至达到600Wh/kg的高能量密度就需要下一代电池技术的发展。潜在的技术包括：固态电池，金属-空气电池等等。但是，下一代电池技术在很多方面仍然面临巨大的不确定性，例如：循环寿命与功率密度不足，这可能会限制电池技术的进一步发展。

     电网排放因子的下降同样是降低飞行汽车碳排放的关键，尤其是对于高排放因子的国家而言。从这个角度，低电网排放因子的国家将很适合早期飞行汽车降低碳排放。而对于中国，考虑到其实现碳中和的目标，预期电网将会实现快速清洁化发展，这也会给纯电动飞行汽车提供非常好的发展机遇，快速实现碳排放的降低。而零碳电网将会是纯电动飞行汽车与路面纯电动汽车缩小排放差距，加速电动航空产业发展的关键。

     虽然,纯电动飞行汽车的应用具有巨大优势，但其对于电池容量的巨大需求或许会成为阻碍其进一步发展的瓶颈。根据本研究的计算，相同续航下，纯电动飞行汽车将会比路面纯电动汽车要求更大的电池容量。

     而考虑到 纯电动飞行汽车更可能是投入商业运营中，其高频率使用将会进一步带来大量的电池更换需求。这表明纯电动飞行汽车的大规模应用会带来巨大的电池供应链压力，也会带来潜在的环境以及资源影响，这些均强调了发展更加环境友好以及资源友好的电池技术的重要性。

     电动飞行汽车的环境影响是飞行汽车发展过程中面临的关键问题之一。本研究通过建立飞行汽车飞行过程与设计模型，计算了纯电动飞行汽车的WTW二氧化碳排放。

     研究结果表明：①当前纯电动飞行汽车的碳排放仍高于路面内燃机以及纯电动汽车，但是差距将随着技术进步与电网清洁化逐渐缩小；②高能量密度电池是推动纯电动飞行汽车发展的关键，但是面临诸多技术不确定性；③清洁电网是加速纯电动飞行汽车发展的关键。

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