胶水话题博客
随着电动飞机从幻想变为现实，对电池性能的要求将变得更加严格。这些电池需求与汽车或手机的要求有所不同。
例如，电动飞机在起飞时需要短时间内释放巨大的能量——直到飞机达到所需的巡航高度为止。而这些电池还必须满足完全不同的需求，即在长时间飞行过程中逐步且可预测地放电。此外，每增加一克电池重量都会对飞机性能产生重要影响。
这些不同且有时相互矛盾的需求对电池设计师提出了挑战。设计能够快速释放能量的电池需要追求高功率密度。而设计能够长时间持续释放能量以满足飞行高度需求的电池则需要追求高能量密度。而所有这些设计选择都必须以尽可能轻的方式实现。
1 - 电池轻量化至关重要
重量是飞行中至关重要的因素，它贯穿电动飞机电池设计的各个方面。沉重的铅电池时代早已过去，这对重量和功率来说都是好消息。电池研究人员正在探索可能具有双重用途的创新材料：既提供结构支撑又存储能量。
飞机电池设计“与传统的电动汽车电池非常非常不同，”H.B. Fuller 的电池专家 Michael Cooper 说道。“在传统电动汽车中，你会看到大量使用钢和铝。”但飞机设计需要更轻的材料，同时保持同样甚至更高的强度。结构电池复合材料（SBCs）是一种新兴技术，它既具有能量存储能力，又具有承载结构组件。
“我看到使用了特殊材料，包括由碳纤维制成的[电池]外壳，”Cooper 说道。“一些电池设计长度达到三到四米，而汽车电池可能只有一米乘一米。”
这些创新电池可以安装在非常狭小的空间内，并在飞机中密集分布。
“工程师们还在寻找任何可用空间来安装电池，”Cooper 说道。“例如机身和机翼。电池可能会双层或三层堆叠。他们正在寻找任何可用空间来容纳额外的电池单元。这些电池组及其外壳的电池单元数量远远超过3000个。”
除了追求轻量化电池外，设计师还在规划高能量密度和高功率密度。
2 - 高能量密度设计
设计高能量密度电池旨在每单位体积内尽可能多地存储能量，这意味着密集排列的电池单元最大化空间利用率。这些密集排列的电池单元使用高容量材料和更厚的电极，这些电极含有更多活性材料，因此存储更多能量。
但更厚的电极也会增加热传递的阻力。在高能量密度电池中，热管理可以在相对较长的时间范围内进行，但热量积累仍需有效处理。
胶粘剂和涂层是电池设计师用来缓解热量积累的主要工具。高能量密度电池设计需要紧密的电池单元间距，尤其是21700系列圆柱形锂离子电池。这种紧密间距会产生大量热量。导热胶粘剂将电池单元的热量传导到散热器。导热胶粘剂还提供结构完整性，使电池能够承受振动（图1）。
图1. 导热胶粘剂和热界面材料将热量从密集排列的电池单元中传导出去。
热界面材料（TIMs）也能对抗热量积累。
“热界面材料实际上具有双重功能，”Cooper 说道。“如果发生热失控事件，热界面材料还可以具有高阻燃性。”
寻求定制胶粘剂、涂层和TIMs的电池设计师通常会与H.B. Fuller的科学家和工程师团队进行交流。设计工程师通常有特定的热导率和热阻数值需要满足。H.B. Fuller的科学家会考虑这些数值，以及电池单元密度甚至胶粘剂的应用过程，以开发解决方案，帮助电池设计师满足飞机的需求。
3 - 高功率密度设计
设计高功率密度电池意味着在不过热的情况下提供高电流。垂直起飞（eVTOL）对电动飞机的电源尤其具有挑战性。
“在开始垂直起飞时，eVTOL电池必须快速释放大量能量以使飞机离开地面，”H.B. Fuller ePower & Clean Energy Group的业务经理Florian Schloegl说道。“这就是高功率密度的作用所在。”
设计高功率密度电池需要优化材料以降低阻力并加快电化学反应，同时特别关注热量的去除。设计策略包括小电池单元间距、更薄的电极以及用于高电流功率分配的强大汇流条。另一个设计选择可能是为强大的冷却基础设施提供更多空间。
导热胶粘剂可以与广泛使用的TIM一起使用，以帮助调节热梯度并保持一致的性能。胶粘剂、涂层和密封剂必须同时满足高能量密度和高功率密度的需求，通过提供热导率来去除热量。但它们也有助于在大型高效汇流条之间提供绝缘。
“在电池组中，胶粘剂、灌封材料和涂层需要具有高水平的电绝缘性非常重要，”Schloegl说道。“以确保电池单元或子模块的标签之间不会出现电弧或不必要的导电路径。”电弧或导电路径可能会导致后期腐蚀，并且在高电压下非常危险。
其他设计考虑因素
电动飞机电池必须在极端温度下表现良好，这需要涂层提供绝缘。
“例如，电动汽车电池组周围的材料通常具有-40°C到80°C的温度范围，而飞机的工作温度可以更低，通常为-55°C或-60°C。”
电池涂层还必须防止与强化学物质的潜在接触。
“电池涂层的需求与汽车底部的需求完全不同，”Cooper说道。“热管理、密封和保护性粘接处于完全不同的工程水平。对于飞机来说，在寒冷天气中需要除冰，这意味着一些非常强烈的化学物质可能会接触到电池，”Cooper说道。
电池设计还必须满足防止飞溅污染的需求。
“飞机刹车液可能是一种非常具有侵蚀性的材料，”Cooper说道。
电池设计是一套复杂的实践，包括科学、艺术和多样化专家团队的合作。从电动飞机和eVTOL设计中学到的经验将不可避免地反馈到所有电池设计中。
当您准备好讨论您的电池设计细节时，联系 H.B. Fuller的科学家和工程师。我们期待听到您的详细信息。
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