石墨烯航空电池助力低空经济“高飞”

 2月8日，春节喜庆气氛尚未散去，中国航空发动机集团北京航空材料研究院（以下简称“航材院”）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应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，能量密度能提升50%以上。”

  作为新质生产力的代表，低空经济已经成为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，我国航空动力电池市场前景广阔。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、能量密度、功率密度、快充性能、循环寿命要求更高。其中，能量密度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。

  能量密度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：“传统电池的能量密度约为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，就需要使用石墨烯的高导电和大比表面积特性。”燕绍九说。

  值得注意的是，目前市场上航空电池的能量密度距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，引进国内外优秀科技人才，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。”燕绍九介绍，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分钟即可完成放电）；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能量密度能达到400Wh/kg。”燕绍九介绍。

  目前，航材院部分相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、锂离子电池研发线和中试生产线各1条，生产及检测设备400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，为低空经济蓬勃发展贡献力量。

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