石墨烯航空电池助力低空经济“高飞”

  2月8日，春节的喜庆气氛尚未完全散去，中国航空发动机集团北京航空材料研究院的石墨烯航空电池研制中试生产线已正式开工。现场机器轰鸣，技术人员神情专注地调试着设备参数。这里制造的石墨烯航空电池将被用于混合动力无人机上。

  石墨烯被誉为“新材料之王”，拥有电热转换效率高、升温速度快等优异性能。航材院石墨烯新能源材料中心主任燕绍九告诉科技日报记者：“应用石墨烯等新型材料技术制造的航空电池相比传统电池，单位体积内的包含的能量能提升50%以上。”作为新质生产力的代表，低空经济慢慢的变成了培育发展新动能的重要方向。

  2024年，多地推出低空经济具体支持政策和行动方案，其中不少方案都提到了研发应用高性能动力电池。同新能源汽车一样，未来低空经济主力场景——电动垂直起降航空器（eVTOL）与无人机等的规模化推广应用，离不开高性能动力电池。

  动力电池的成本约占新能源车总成本30%—40%，据此测算，我国航空动力电池未来市场发展的潜力广阔。当前，宁德时代、亿纬锂能等具备技术优势的动力电池企业已纷纷入局打造低空经济“动力源”。相较于新能源汽车动力电池，航空动力电池对安全性、单位体积内的包含的能量、功率密度、快充性能、循环寿命要求更高。

  单位体积内的包含的能量是衡量电池性能的一个关键指标，直接影响电池续航能力和使用效率。单位体积内的包含的能量是指电池平均单位体积或质量释放出的电能，以瓦时/千克（Wh/kg）表示。燕绍九介绍：“传统电池的单位体积内的包含的能量约为250Wh/kg，不到航空煤油的1/40。”

  据中国航空运输协会发布的《2023—2024中国民用无人驾驶航空发展报告》，电池续航是当前制约无人机发展的瓶颈之一。引入新材料是改进电池性能的思路之一。石墨烯由于其导电导热性能好、比表面积大，加入锂电池能极大提高电池能量密度。

  比如研发能量密度有望超过600Wh/kg的锂硫电池，就需要用石墨烯的高导电和大比表面积特性。燕绍九说。有必要注意一下的是，目前市场上航空电池的单位体积内的包含的能量距400—500Wh/kg的门槛还有一定差距。

  400Wh/kg是个分水岭，大概相当于常规新能源汽车电池的2倍动力，能支持小型通用飞机的飞行。燕绍九介绍。2008年，国内科研机构陆续开始布局石墨烯材料的制备及应用研究。

  2016年，中国航空发动机集团组建成立后，将石墨烯锂电池技术列为重点发展趋势予以全力支持。航材院成立石墨烯新能源材料研究中心，引进国内外优秀科学技术人才，并以多种基金项目方式支持相关研究。

  近年来，航材院突破多项关键技术，开发了具有自主知识产权的石墨烯批量制备成套装备。团队研发了石墨烯高功率锂电池技术、石墨烯超低温锂电池技术等。

  高功率锂电池技术可实现用电设备大功率放电，保证高安全性的同时，实现30C超高倍率放电（最快2分钟就可以完成放电）；超低温锂电池技术则可保障用电设备在零下40摄氏度环境下正常工作，能满足低空飞行器高海拔起飞。

  航材院还研制了超薄锂镁合金负极材料等代表性成果，取得相关授权专利37项。超薄锂镁合金负极材料将石墨烯作为三维集流体，并应用了石墨烯表面改性技术，该材料制造的锂电池单位体积内的包含的能量能达到400Wh/kg。

  目前，航材院部分有关技术成果已从实验室走向应用市场，助力低空经济“展翅高飞”。航材院与客户开展石墨烯超低温电池技术攻关合作，首次实现了石墨烯超低温锂电池技术在低空电动装备上的应用。

  经过多轮试验与优化，石墨烯超低温方壳电池实现零下40摄氏度3C放电，并成功应用于多种型号低空电动装备中。据悉，航材院石墨烯新能源材料研究中心目前拥有电池关键材料实验室、锂离子电池研发线余台，实验室和厂房面积共1万平方米，装备有大电流充放电测试设备。

  燕绍九表示，下一步，研究中心将持续推动石墨烯锂电池材料的开发和工程化应用，为低空经济蒸蒸日上贡献力量。（记者孙瑜）来源：科技日报

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