Что такое твердотельная батарея для дрона?

Стремительное развитие технологий беспилотных летательных аппаратов продолжает расширять границы возможного — обеспечивая более длительное время полёта, возможность перевозки более тяжёлых грузов, работу в более суровых условиях и повышенную безопасность. В основе этой эволюции лежит ключевой компонент: аккумулятор. На протяжении многих лет литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы были основной силой беспилотных летательных аппаратов, но новый конкурент обещает кардинальные изменения: твердотельная батарея для дрона.

Твердотельная батарея для дронов — это передовая перезаряжаемая батарея, разработанная специально для дронов, в которой традиционные жидкие электролиты заменены на твердотельный электролит (обычно изготовленный из керамики, стекла или полимерных материалов). Такое конструктивное изменение обеспечивает более высокую энергетическую плотность, повышенную термическую стабильность и значительно снижает риск утечки или возгорания по сравнению с жидкоэлектролитными аккумуляторами. В данной статье рассматривается, что представляет собой твердотелёсный аккумулятор для дронов, почему он важен, как он сравнивается с литий-ионными аккумуляторами, а также какие возможности и вызовы ждут его в будущем.

Что такое аккумулятор для дрона?

Аккумулятор дрона — это основной источник питания, который обеспечивает работу силовой установки дрона, бортовой электроники и модулей связи. Прежде чем углубляться в тему твердотельных технологий, важно понять, чем питается большинство современных дронов.

Современные дроны в подавляющем большинстве случаев используют перезаряжаемые литиевые аккумуляторы, в первую очередь LiPo (литий-полимерный) или Литий-ионный (Li-ion) аккумуляторы. Эти аккумуляторы обеспечивают оптимальный баланс между энергетической плотностью (объем энергии на единицу массы), мощностной плотностью (скоростью разряда) и относительно приемлемой стоимостью. Однако у них также есть неотъемлемые ограничения, касающиеся безопасности, срока службы, скорости зарядки и рабочих характеристик при экстремальных температурах — ограничения, которые становятся всё более критичными по мере того, как дроны выполняют всё более важные и сложные задачи.

Что такое твердотельная батарея для дрона?

Твердотельный аккумулятор для дронов — это передовое устройство накопления энергии, специально предназначенное для Твердотельные аккумуляторы (SSB) технологии в сектор беспилотных летательных аппаратов. Она представляет собой кардинальный прорыв в химии и структуре аккумуляторов.

Основное различие заключается в электролит— среда, через которую ионы лития перемещаются между анодом (отрицательным электродом) и катодом (положительным электродом) во время заряда и разряда. В отличие от традиционных аккумуляторов, в твёрдотельных аккумуляторах вместо жидкости или геля для облегчения движения ионов используется твёрдый электролит (например, керамика, стекло или полимер). Это, казалось бы, простое изменение имеет огромное значение: оно обеспечивает повышенную безопасность, более высокую энергетическую плотность, более высокую скорость зарядки и более длительный срок службы — все эти факторы имеют решающее значение для применения дронов.

Зачем нужны твердотельные аккумуляторы для дронов?

Отрасль беспилотных летательных аппаратов стремительно развивается в таких секторах, как сельское хозяйство, логистика, оборона, инспектирование и развлечения. Выполнение таких задач требует увеличения продолжительности полёта, повышения грузоподъёмности и соблюдения более строгих стандартов безопасности. Стремление к внедрению твёрдотельных аккумуляторов напрямую обусловлено ограничениями существующей технологии литий-полимерных аккумуляторов, которые создают серьёзные препятствия для развития отрасли беспилотных летательных аппаратов:

• Ограниченное время полёта: Плотность энергии LiPo-аккумуляторов ограничивает время полёта большинства дронов, как правило, всего до 20–40 минут. Это является серьёзным ограничением для коммерческого применения, такого как доставка грузов или крупномасштабное картографирование.
• Риски для безопасности: Жидкий электролит в LiPo-аккумуляторах является легко воспламеняющимся веществом. Если аккумулятор проколоть, перезарядить или перегреть, это может вызвать опасное явление, известное как “термический разгон”, которое приведет к возгоранию или взрыву.
• Срок службы и износ: Литий-ионные аккумуляторы со временем теряют свои характеристики из-за побочных реакций с жидким электролитом и структурных изменений, что приводит к снижению ёмкости и сокращению времени полёта уже после относительно небольшого числа циклов заряда-разряда.
• Температурная чувствительность: В холодную погоду производительность резко снижается, а высокие температуры ускоряют снижение рабочих характеристик и повышают риски для безопасности.
• Низкая скорость зарядки: Зарядка LiPo-аккумулятора дрона может занимать час и более, что приводит к длительным простоям и вынуждает операторов приобретать несколько дорогостоящих аккумуляторных батарей для обеспечения непрерывной работы.

Твердотельные и литий-ионные аккумуляторы для дронов: в чём разница?

Хотя и твердотельные, и литий-ионные аккумуляторы основаны на литий-ионной химии, они имеют принципиальные различия в конструкции и характеристиках. Ключевым отличием является электролит: В твердотельных батареях используются негорючие твердые материалы, тогда как в литий-ионных аккумуляторах используются жидкости или гели, обеспечивающие проводимость ионов.

В чём заключаются преимущества твердотельных аккумуляторов для дронов?

Замена жидкого электролита на твердый дает отрасли беспилотных летательных аппаратов ряд революционных преимуществ.

1. Более высокая плотность энергии

Твердотельные аккумуляторы могут аккумулировать больше энергии при том же объёме или весе. Твёрдый электролит позволяет использовать анод из лития-металла, который обладает гораздо большей энергетической ёмкостью, чем графитовые аноды, применяемые в литий-ионных аккумуляторах. Для дронов это означает:

• Более длительное время полета: Время полёта дронов может потенциально увеличиться вдвое или даже втрое.
• Увеличение грузоподъемности: Благодаря более лёгкой батарее, обеспечивающей ту же мощность, дроны могут перевозить более тяжёлые датчики, камеры или посылки.

2. Повышенная безопасность

Это, пожалуй, самое важное преимущество. Твердые электролиты невоспламеняемы и гораздо более стабильны, чем жидкие. Это практически полностью исключает риск возгорания, вызванного проколом, коротким замыканием или перегревом. Такая повышенная безопасность имеет решающее значение при проведении работ в густонаселенных районах или при осмотре объектов критически важной инфраструктуры.

3. Более длительный срок службы и повышенная прочность

Твердая структура аккумуляторов SSB обладает большей устойчивостью к химическому и физическому износу, характерному для литий-ионных аккумуляторов. Они способны выдерживать значительно большее количество циклов заряда-разряда до снижения рабочих характеристик, что обеспечивает более длительный срок службы и более высокую рентабельность инвестиций (ROI).

4. Более высокая скорость зарядки

Эта стабильная и прочная структура способна выдерживать более высокие токи без образования дендритов (игольчатых образований, которые могут вызывать короткое замыкание), характерных для жидких электролитов. Это значительно сокращает время зарядки, уменьшая время простоя дрона с более чем одного часа до, возможно, всего нескольких минут.

5. Более широкий диапазон рабочих температур

Литий-полимерные аккумуляторы плохо работают в условиях сильного холода и быстро теряют емкость при высокой температуре. Твердотельные аккумуляторы гораздо более стабильны и эффективно работают в значительно более широком диапазоне температур, что делает их идеальным выбором для круглогодичной эксплуатации на открытом воздухе.

6. Гибкость проектирования

Твердые электролиты открывают перспективу создания более тонких, легких или конструктивно интегрированных аккумуляторных батарей, что предоставляет производителям дронов новые интересные возможности для оптимизации конструкции корпуса.

7. Экологические преимущества

Сокращение использования токсичных жидких химикатов и увеличение общего срока службы батарей способствует уменьшению объема электронных отходов и снижению глобального потребления ресурсов.

В каких сферах применения дронов будет достигнута наибольшая выгода?

Хотя это принесет пользу всем БПЛА, в некоторых конкретных сферах применения это окажет революционное влияние:

• Коммерческие перевозки (городские и междугородние): При работе в густонаселённых районах безопасность имеет первостепенное значение. Увеличение запаса хода делает возможными маршруты доставки, которые ранее были недоступны, а более высокая скорость зарядки значительно повышает эффективность использования автопарка.
• Реагирование на чрезвычайные ситуации и общественная безопасность (поисково-спасательные работы, пожаротушение): Более длительное время полета означает увеличение радиуса поиска и возможность непрерывного мониторинга пожаров. Надежность и безопасность имеют решающее значение в суровых условиях, когда на операторов оказывается сильное давление. Более быстрая зарядка позволяет дронам быстрее возвращаться в воздух в кризисных ситуациях.
• Промышленный осмотр (линии электропередачи, ветровые турбины, трубопроводы): Более длительные дальности полёта позволяют сократить количество замен аккумуляторов, необходимых при проведении крупномасштабных обследований. Они демонстрируют превосходную работоспособность в условиях сильного мороза (морские ветряные электростанции) или сильной жары (трубопроводы в пустыне) и повышают уровень безопасности вблизи объектов критически важной инфраструктуры.
• Передовые средства воздушной мобильности (eVTOL / AAM): Хотя они и крупнее обычных дронов, их основные требования к аккумуляторам аналогичны. Безопасность, чрезвычайно высокая энергетическая плотность и быстрая зарядка имеют решающее значение для пассажирских eVTOL. Твердотельные аккумуляторы являются ключевой технологией, открывающей путь к этому будущему.

С какими проблемами сталкиваются твердотельные аккумуляторы для дронов?

Несмотря на многообещающие перспективы, прежде чем это найдет широкое применение, предстоит преодолеть ряд препятствий:

• Сложность производства и затраты: Массовое производство безупречных твёрдых электролитов (особенно керамических) сопряжено с большими сложностями и требует значительных затрат. Нынешние затраты являются непомерно высокими для большинства областей применения потребительских дронов. Крайне важно наращивать объёмы производства при одновременном снижении затрат.
• Межфазная стабильность: Обеспечение стабильного интерфейса с низким сопротивлением между твёрдым электролитом и твёрдыми электродами (анодом и катодом) на протяжении тысяч циклов представляет собой сложную задачу. Деградация на этих интерфейсах может ограничивать рабочие характеристики и срок службы
• Выбор материала и эксплуатационные характеристики: Различные материалы для твёрдых электролитов (оксиды, сульфиды, полимеры) имеют свои преимущества и недостатки с точки зрения ионной проводимости, стабильности, механических свойств и технологичности. В настоящее время ведётся работа по их оптимизации с учётом конкретных требований к дронам (соотношение мощности и веса).
• Скорость зарядки в ранних моделях: Межфазное сопротивление в некоторых ранних твердотельных конструкциях фактически приводило к увеличению времени зарядки — это препятствие, которое инженеры активно стремятся преодолеть.
• Интеграция и форм-фактор: Адаптация твердотельных аккумуляторов к конкретным формам, размерам и системам терморегулирования, требуемым различными платформами дронов, требует значительных инженерных усилий.
• Развитие цепочки поставок: Необходимо создать и масштабировать надежную цепочку поставок новых материалов и производственных процессов.

Заключение

Твердотельные аккумуляторы для дронов представляют собой не просто технологический прорыв, а революционное изменение в системах питания беспилотных летательных аппаратов. По мере дальнейшего роста инвестиций в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, а также в промышленность, можно ожидать, что эти аккумуляторы обеспечат более длительное время полёта, увеличат грузоподъёмность и повысят безопасность эксплуатации во всех сферах, где используются дроны — от мониторинга состояния окружающей среды до ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Являясь одним из мировых лидеров Производитель аккумуляторов для БПЛА, Newbettercell всегда занималась исследованиями и разработкой высокопроизводительных твердотельных аккумуляторов для дронов. В настоящее время мы располагаем возможностями для серийного производства полутвердотельные аккумуляторы с плотностью энергии 270–320 Вт·ч/кг, что значительно увеличивает время полёта вашего дрона и повышает грузоподъёмность для выполнения любых задач.