电池技术在航空动力领域应用的主要瓶颈是其能量密度远低于传统航空燃料。由于电池能量密度不足，目前的纯电动飞行器主要适用于短途飞行，航程受到较大限制。为了突破这一限制，实现更高的能量密度，科研人员正在积极研发采用新型电池材料和化学成分的下一代技术。同时，氢燃料电池系统因其高能量密度和零排放的优势，也备受业界关注。

航空动力电池作为现代电动航空发展的核心部件，其性能直接决定了飞行器的动力输出、续航能力和作业效能。在航空应用场景下，电池动力系统面临着严苛的能量需求：一方面需要满足飞行器高速巡航时的瞬时功率要求；另一方面还需保障长航时任务下的持续能源供给。这些特殊工况对航空动力电池提出了远超地面交通工具的技术挑战。提升能量密度不仅能显著提升飞行器的载荷能力和航程，更能推动绿色航空技术的商业化进程。因此，探索高能量密度航空动力电池的创新路径，对实现航空运输业的低碳转型具有重要的战略意义。

电池及其能量密度概述

电池通过电化学反应将化学能转化为电能，其基本结构包括阳极、阴极、电解液和隔膜。放电时，阳极发生氧化反应并释放电子，这些电子通过外电路流向阴极产生电能；与此同时，阴极则发生还原反应并接收电子。电解液在电池内部起到离子传导的作用，而隔膜则用于隔离阳极和阴极以避免短路，但同时允许离子自由通过。在航空动力系统中，电池可以作为电动机的电源，再由电动机直接驱动螺旋桨旋转。

电池的能量密度主要涉及两个关键指标:质量能量密度和体积能量密度。高质量能量密度能使飞行器更为轻便，减少完成特定飞行任务所需的能量消耗；而高体积能量密度可减小飞行器储能所需空间，优化飞行器设计并提升载荷。尽管质量能量密度和体积能量密度都是飞行器设计中的重要考量，但质量能量密度对飞行器性能的影响更为显著。随着航程增加，飞行器所需携带的总能量不仅绝对值上升，其在飞行器整体质量中所占的比例也相应增加。以传统飞行器为例，短途飞行时燃料占起飞质量的15%，而长途飞行中则高达40%。因此，质量能量密度才是决定飞行器航程的关键要素。相比之下，体积能量密度的影响更为复杂，不仅涉及如何有效地利用有限空间来储存能量，还关系到飞行器内部布局和总体设计的优化，影响更多体现在设计层面，而非直接限制飞行器的航程。

航空动力电池技术应用挑战

在航空动力领域，电池的能量密度与传统航空燃料相比存在显著差距。从具体数据来看，传统航空燃料的质量能量密度约为当前锂离子电池的50倍（可达14000W·h/kg），体积能量密度则是锂离子电池的14倍（可达9800W·h/L）。这一显著差异极大制约了当前电池技术在航空业的广泛应用。尽管电池技术在电动垂直起降（eVTOL）以及中短途飞行中展现出了一定的适用性，但与替代燃料相比，其相对较低的能量密度依然限制了在长途旅行中的实用性。

随着飞行器质量的增加，对电池组级别的质量能量密度要求也随之提高。据英国法拉第研究所估算：载客30名、航程为648km的小型支线电动飞机未来需要达到约600W·h/kg的质量能量密度；载客150名、航程为926km的窄体（单通道）电动飞机则需820W·h/kg的质量能量密度；而载客300名、航程为1852km的宽体（双通道）电动飞机对电池质量能量密度的要求更是高达1280W·h/kg。根据《自然》期刊发表的一项研究估算，若要满足搭载150～180名乘客飞机的动力需求，其电池系统的能量密度需要达到1800～2500W·h/kg的水平。

而国际清洁交通委员会（ICCT）目前已提出明确要求：到2050年，为满足关键商业需求，搭载30～75名乘客、航程约926km的支线电动飞机需实现500W·h/kg的质量能量密度和1100W·h/L的体积能量密度。表1是ICCT针对不同时间框架下支线电动飞机电池组的质量能量密度和体积能量密度的具体要求。

表1   ICCT提出的支线电动飞机电池组能量密度发展目标

然而，对于ICCT提出的能量密度是否能充分满足航空领域的实际需求，专家们仍存在一定的争论和分歧。但随着电池性能的提升，加之下一代化学物质的应用、飞机质量减轻以及空气动力学效率的改进，电动飞机的前景仍值得期待。从图1中飞机航程、电池质量和能量密度之间的关系可以看出，当飞机搭载总质量为5000kg、质量能量密度达到500W·h/kg的电池系统时，其航程有望突破600km，这将一进步扩宽电动飞机的应用范畴，并激发更为广泛的市场需求。

提升航空动力电池的能量密度有两种途径：一是研发高能量密度电池，提高电池储能效率；二是优化飞行器结构设计，采用轻质材料（如碳纤维复合材料）和先进制造技术减轻飞行器整体质量，从而在同等电池搭载量下提升航程，或在维持目标航程的前提下增加电池容量。虽然减轻质量对所有飞行器都至关重要，但电动飞行器的性能和航程却主要取决于电池的整体能量密度。为了进一步增加电动飞行器的航行距离，业界必须积极探寻并采用多种不同的电池化学技术。

航空动力电池技术发展分析

电池的能量密度在电动航空领域占据举足轻重的地位，由于当前储能电池的能量密度较低，现有电池驱动的飞行器主要适用于短途飞行。消费级无人机普遍采用锂聚合物和镍镉电池作为动力源，而eVTOL等短途电动飞行器则主要使用锂离子电池。然而，随着锂硫电池、锂空气电池等新兴技术的发展，电池的能量密度有望迎来质的飞跃。同时，氢燃料电池的研发也在稳步推进，有望助力实现高能量密度与零碳排放，为航空航天技术发展带来一场颠覆性的变革。

传统锂聚合物与镍镉电池技术

锂聚合物（LiPo）电池是当前无人机领域的首选电源。其核心特色在于采用固体聚合物电解质组件（如塑料或凝胶），使电池拥有强大的功率输出、更轻的质量以及较低的自放电率。低自放电率的特性确保电池能够在不使用时长时间保持电量充足，这对于那些不经常使用的无人机来说尤为重要。此外，LiPo电池还具备灵活的形态特性，可以根据无人机的不同设计与配置制成各种形状和尺寸。LiPo电池的能量密度通常介于140～200W·h/kg以及250～350W·h/L之间。

镍镉（NiCd）电池同样是无人机领域中1种常见的电池类型，采用镍氧化羟基和金属镉作为电极材料。尽管普及程度不及LiPo电池，但NiCd电池仍具备一些显著优点，如高放电率和强劲的功率输出，以及在相对严苛的温度条件下正常工作。然而，NiCd电池也存在一些明显的缺点，包括相对较低的能量密度、使用镉元素可能引发的环境问题，以及所谓的“记忆效应”，即电池在反复充电过程中会逐渐减少其可用容量。图2是几种常见无人机电池类型的体积能量密度与质量能量密度的对比。

当前商用锂离子电池技术

锂离子电池凭借其较高能量密度、长循环寿命以及轻量化等特点，在电动航空领域得到了广泛应用。目前，商用锂离子电池的能量密度已达到250～300W·h/kg之间，体积能量密度达到700W·h/L左右，多用于小型无人机、eVTOL飞行器以及电动飞机。

使用锂离子电池的无人机通常用于农业监测、地理测绘、影视拍摄等，目前典型代表是大疆Phantom系列，配备5870mA·h的锂电池，能够支持大约28min的飞行时间，航程在5～15km范围内；eVTOL飞行器也是锂离子电池的应用领域之一，乔比（Joby）公司开发的5座eVTOL飞行器使用定制设计的高压锂离子电池组，总能量密度为288W·h/kg，可实现超过240km的有效载荷航程；此外，一些研究机构和技术公司正在探索更大型电动飞行器的可能性，以色列Eviation公司研发的爱丽丝（Alice）电动飞机堪称开创性典范（见图3），该飞机使用820kW·h的锂离子电池系统，质量约为3700kg，充电30min即可为飞机提供1h的飞行时间，计划在2027年启动商业运营，并预期达到约800km的航程。

据英国法拉第研究所预测，到2035年，锂离子电池包装级别的质量能量密度最高将达到370W·h/kg，2050年有望提升至500W·h/kg。尽管锂离子电池已成功应用于现役纯电动飞行器的动力系统，但仍面临诸多挑战。锂离子电池技术受限于其固有的技术瓶颈，包括有限的充电周期、温度敏感性和相对较低的能量密度上限，这些因素共同制约了飞行器的续航性能。更令人担忧的是，锂离子电池有小概率发生故障的风险，可能导致热失控现象，进而引发火灾或爆炸，这对航空安全构成了潜在威胁。为了满足航空性能要求，同时提供更高水平的安全保障，需要研发全新的电池单元。

下一代化学电池技术

在锂电池领域，下一代锂金属和硅阳极材料因具备高能量储存潜力而成为研究热点，预计将在21世纪中后期实现商业化应用，为市场带来颠覆性的能量储存解决方案。同时，固态锂离子电池也展现出了极大的发展潜力，其氧化物和硫化物基固体电解质不仅可以提高电池的安全性，还有望进一步提升能量密度和循环寿命。表2是按现有先进电池技术划分的单元能量密度和性能指标。锂硫电池和锂空气电池是2种极具潜力的革命性技术，其能量密度有望突破化学电池领域的现有边界。然而，目前这2种技术仍处于基础研究的初级阶段。一旦走向商用，电动航空业或将迎来巨大变革。

表2   主流先进电池能量密度与性能指标对比

锂硫电池凭借其高能量密度、成本效益及出色的安全性成为备受关注的新型电池技术。该技术最初应用于卫星、无人机及军事车辆等领域，目前已展现出在航空领域的广泛应用前景，尤其是应用于短程电动飞机和eVTOL飞行器。相较于当前主流的锂离子电池，锂硫电池可提供2倍以上的能量密度，当前其能量密度已达到500W·h/kg，并有望进一步提升至700W·h/kg，这一提升主要归功于硫正极的应用，其理论能量密度高达2700W·h/kg。然而，锂硫技术也面临着一些不容忽视的缺点。硫正极的低电子导电性限制了锂硫电池的功率密度，同时，多硫化物的穿梭效应会导致电池内部腐蚀，使得锂硫电池的循环寿命远不及传统锂离子电池。此外，尽管锂硫电池在理论上具有潜在的安全性优势，但这一优势尚未在商用系统中得到充分验证。这些挑战目前成为制约锂硫电池技术大规模应用的关键因素。为了攻克这些难题，全球众多电池研发机构正积极进行研究，以期找到突破锂硫电池局限性的有效方案。英国法拉第研究所的锂硫技术加速器（LiSTAR）项目目前已通过使用预锂化的二维二硫化钼作为锂硫电池中的硫宿主材料，成功地实现了441W·h/kg的质量能量密度和735W·h/L的体积能量密度，并且在经过200循环后，电池容量仍能保持85%；美国电池初创企业Lyten公司也正在研发一款适用于汽车和航空器的锂硫电池，并创新性采用了金属锂阳极和三维石墨烯-硫复合材料阴极，Lyten公司预计，到2027年这款电池将比锂离子电池轻60%，质量能量密度有望达到600W·h/kg，且寿命可超过800循环，若进一步采用固态电解质，该电池的质量能量密度或可突破1000W·h/kg。

锂空气电池是另一种在电动航空领域具有广阔应用前景的电池化学技术，被称为“终极电池”。该电池采用锂金属作为负极，导电碳材料则充当正极。在放电过程中，从负极释放的锂离子会与周围空气中的氧气发生电化学反应。该技术有望提供比当前锂离子技术高出5倍的能量密度。从理论计算来看，这种电池的能量密度是目前所有已知锂电池体系中最高的。即便仅以其最大理论质量能量密度的10%（即1000W·h/kg）运行，锂空气电池的续航里程也可达到1500km，足以满足所有短途航班需求。美国阿贡国家实验室通过提升锂空气电池容量大大提升了其耐用性，并已实现1000次充放电，达到实用标准。其硬币大小的测试电池运行时的质量能量密度约为685W·h/kg，而实际能够达到1200W·h/kg。然而，这项技术也面临着一些挑战，如功率密度有限以及循环过程中能量效率不佳等。此外，尽管采用纯氧可以规避空气中杂质的影响，但锂空气电池的最终目标仍是直接使用空气。这些问题并非无法解决，但需要持续的研究投入才能实现突破。为了进一步推动锂空气电池的商业化进程，日本大阪大学在日本科学振兴机构（JST）的支持下，从2024年2月开始，与美国、德国和英国开展国际联合研究，力争在21世纪30年代前半期将锂空气电池推向商业化。

零碳氢燃料电池技术

随着全球对航空业脱碳需求的日益增长，氢燃料电池技术在电动航空领域的应用逐渐受到关注。氢燃料电池是以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置，具有高效能、零排放（氮氧化物和颗粒物零排放）、无噪声等优点。

氢燃料电池的质量能量密度范围在1000～3000W·h/kg之间。这意味着这类电池能够在保证质量较轻的同时储存更多的能量。目前，HyPoint公司的氢燃料电池系统已达到1500W·h/kg的质量能量密度，比功率达到2kW/kg，而采用这种氢燃料电池系统的eVTOL飞行器与涡轮动力旋翼机相比，直接运营成本最多可降低50%。空客公司的ZEROe项目在2024年对1个铁吊舱（iron pod）进行了地面测试，该铁吊舱包含1个氢燃料电池系统（见图4）、旋转螺旋桨所需的电动机，以及控制和冷却装置。氢燃料电池的功率达到1.2MW，其能量密度尚未公开，但根据现有材料估计，可能接近或达到1500W·h/kg。

氢燃料电池技术的核心优势在于其极高的质量能量密度，这使其成为航空动力转型的关键选择。在单位质量下，氢燃料电池系统能提供的能量远超锂电池系统，这正是氢动力飞行器最具竞争力的技术基础。然而，氢燃料在体积能量密度方面的劣势也不容忽视，与传统航空煤油相比，储存同等能量需要更大的燃料储存空间，这对飞行器结构设计提出了较大挑战。

从能量转换效率来看，虽然当前氢燃料电池系统在能量转换流程中会经历一定的损耗，从而使得整体效率相对偏低，但其卓越的质量能量密度特性仍使其成为突破现有电动飞行器航程限制的最优解。基于当前技术发展路径预测，通过持续优化电堆效率和能量管理系统，到2030年氢动力飞行器的实用航程有望突破2000km，远超其他电池系统的极限。而随着下一代高效冷却技术的突破，2035年这一数字可能进一步提升至4000km。届时，氢燃料电池将强势崛起并有望替代30%～50%的化石燃料消耗。

要实现这一目标，未来航空氢燃料电池发展的突破将主要集中在3个维度：首先是关键材料的创新，包括复合双极板、新型端板以及膜电极组件的优化设计；其次是系统层级的改进，重点提升铂催化剂的负载量，以显著优化散热、供气、燃料调节和水管理系统；最后是制造工艺的革新，通过引入智能化监控系统和可持续材料，实现燃料电池系统性能的全面提升。这些技术进步将共同推动氢燃料电池在航空领域的商业化应用进程。

结束语

电动飞行器作为航空领域的一种新兴技术正逐渐展现出巨大的发展潜力和广阔的市场前景。尽管电池技术在能量密度方面仍无法与化石燃料相媲美，但已在短途及支线电动航空市场中展现出了非凡的应用潜力。然而，要满足商业航空的严苛要求，仍需在能量密度、材料科学以及系统集成等领域实现革命性的突破，而非仅仅局限于逐步的技术改良。这就需要产学研加紧合作，共同推动技术创新和成果转化来应对技术瓶颈和市场挑战，推动电池技术及电动飞行器的不断发展和完善。

（严慧玲，中国航发四川燃气涡轮研究院，助理工程师，主要从事航空动力情报研究与科技翻译工作）