在麻省理工學(xué)院教授蔣業(yè)明（Yet-Ming Chiang）的辦公室里，色彩鮮艷的分子模型赫然排列在兩面墻上。作為材料科學(xué)教授、Form Energy公司聯(lián)合創(chuàng)始人，他的大部分職業(yè)生涯都在研究這些小棒和小球體的細(xì)微差別是如何在儲(chǔ)能領(lǐng)域產(chǎn)生截然不同結(jié)果的。
如今，他和他的同事Venkat Viswanathan正在采用不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的下一個(gè)目標(biāo)，即不改變電池的組成成分，而是改變電池內(nèi)部化合物的排列。他們認(rèn)為，通過(guò)施加磁力使鋰離子穿過(guò)電極的彎曲路徑變直，可以顯著提高設(shè)備放電的速度。
這種能量的釋放可能會(huì)開(kāi)啟電池一直以來(lái)從未有過(guò)的用途，即滿足客機(jī)升空時(shí)的巨大需求。如果能達(dá)到預(yù)期的效果，那么它將使區(qū)域性通勤航班無(wú)需燃燒燃料或產(chǎn)生直接氣體排放成為可能。
作為卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程助理教授，Viswanathan發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)了這個(gè)研究項(xiàng)目。目前，他和蔣業(yè)明正與鋰離子電池制造商24M，以及總部位于華盛頓博塞爾的飛機(jī)初創(chuàng)企業(yè)Zunum Aero合作，開(kāi)發(fā)和測(cè)試專門(mén)為滿足先進(jìn)混合動(dòng)力飛機(jī)而設(shè)計(jì)的原型電池。
風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇并存
消除飛機(jī)的溫室氣體排放是氣候難題中最困難的挑戰(zhàn)之一。航空出行的二氧化碳排放量約占全球的2%，是溫室氣體污染增長(zhǎng)最快的來(lái)源之一。
盡管如此，目前除了減少航空出行，沒(méi)有其他更清潔的選擇，因?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)供電的電池仍然太昂貴、太笨重，而且不適用于航空。
目前，包括優(yōu)步、空客和波音在內(nèi)的十多家公司已經(jīng)在探索小型飛機(jī)電氣化的潛力。人們希望，這些載有少量乘客的“空中的士”——在大多數(shù)情況下，被設(shè)想為自動(dòng)垂直起降的飛機(jī)——這可以縮短通勤時(shí)間，緩解擁堵并減少車(chē)輛的氣體排放。
不過(guò)，Viswanathan和蔣業(yè)明的目標(biāo)則更高。他們最初的計(jì)劃是開(kāi)發(fā)一種電池，可以為12人的飛機(jī)提供400英里（約644公里）的航程，這足以從舊金山飛到洛杉磯，或者從紐約飛到華盛頓。在第二階段，他們希望能制造出一架能搭載50人、飛行相同距離的電動(dòng)飛機(jī)。
這類飛機(jī)仍將配備內(nèi)燃機(jī)并攜帶燃料。但這些燃料將主要用于滿足美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）的安全“儲(chǔ)備要求”。在正常飛行過(guò)程中，不會(huì)使用這種燃料。
這一項(xiàng)目對(duì)像Zunum這樣的初創(chuàng)公司的吸引力是顯而易見(jiàn)的：電池在滿足飛機(jī)需求方面做得越好，混合動(dòng)力或電動(dòng)飛機(jī)能夠獲得的市場(chǎng)就越大。去年，該公司宣布計(jì)劃在2022年面向市場(chǎng)推出一種可容納12名乘客的小型混合動(dòng)力電動(dòng)客機(jī)。
正在規(guī)劃中的這種飛機(jī)由兩個(gè)電動(dòng)引擎提供動(dòng)力，同時(shí)將配備補(bǔ)充性的內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)，從而可使其續(xù)航里程達(dá)到700英里（約1127公里）。此外，Zunum還計(jì)劃推出帶有三個(gè)電池組且行程不超過(guò)200英里的全電動(dòng)飛機(jī)。但至關(guān)重要的是，飛機(jī)本身預(yù)計(jì)將采用一種開(kāi)放式的架構(gòu)，允許機(jī)主根據(jù)需要切換這些模塊，使電池能夠升級(jí)，或者從混合動(dòng)力切換為全電動(dòng)操作。
眼下，Zunum已經(jīng)從波音、捷藍(lán)航空和華盛頓州的清潔能源基金獲得了資金。位于達(dá)拉斯、主營(yíng)美國(guó)國(guó)內(nèi)包機(jī)業(yè)務(wù)的JetSuite航空公司已經(jīng)同意購(gòu)買(mǎi)100架這種混合動(dòng)力電動(dòng)飛機(jī)。包括Eviation Aircraft和Wright Electric在內(nèi)的其他初創(chuàng)公司也在致力于開(kāi)發(fā)用于通勤距離飛行的小型電動(dòng)飛機(jī)。
根據(jù)美國(guó)運(yùn)輸統(tǒng)計(jì)局（BTS）的數(shù)據(jù)顯示，飛機(jī)很少用于區(qū)域行程，在500英里以下的行程中只占不到1%。航空公司之所以不愿開(kāi)設(shè)短途航班，很大程度上是因?yàn)榇蟛糠秩剂隙际窃谄痫w過(guò)程中燃燒的，這意味著長(zhǎng)途航線更加經(jīng)濟(jì)。考慮到高昂的成本和飛行帶來(lái)的麻煩，消費(fèi)者大多更愿意選擇汽車(chē)、火車(chē)或公共汽車(chē)，而不是這種出行方式。
Zunum現(xiàn)任首席執(zhí)行官Ashish Kumar曾在微軟和谷歌擔(dān)任高管。他認(rèn)為，混合動(dòng)力飛機(jī)可以在很大程度上通過(guò)降低燃料成本以及相應(yīng)的票價(jià)來(lái)改變現(xiàn)狀。“在世界上大多數(shù)地方，隨著人們離開(kāi)高速公路，進(jìn)入速度更快的飛機(jī)，國(guó)內(nèi)航空里程可能會(huì)增加一倍”。
隨著電池的改進(jìn)，混合動(dòng)力和電動(dòng)飛機(jī)也能在航空運(yùn)輸中占據(jù)更大的份額。據(jù)Kumar預(yù)計(jì)，到2035年，混合動(dòng)力飛機(jī)的航程將達(dá)到1500英里（約2414公里），根據(jù)美國(guó)運(yùn)輸統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)，屆時(shí)航空出行將占總出行量的82%。
另辟蹊徑
2018年9月初，在一次學(xué)術(shù)討論會(huì)上，Viswanathan展示了一張飛行路線上電池組放電情況的圖表，強(qiáng)調(diào)了航空電氣化的挑戰(zhàn)。
根據(jù)這個(gè)圖表，電池必須能夠在起飛時(shí)提供大量的電力，并能夠輸出足夠的能量密度以巡航至少數(shù)百英里。但是要在飛機(jī)物理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的范圍內(nèi)工作，它還需要盡可能持久和輕便，并能夠快速充電——或者至少像Zunum計(jì)劃的那樣，能夠在飛行期間輕松地更換充滿電的電池。
Viswanathan指出，飛機(jī)起飛時(shí)會(huì)在短短幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生巨大的熱量，熱量過(guò)高將會(huì)大大縮短非常昂貴的電池組的使用壽命。
要讓鋰離子電池以足夠快的速度放電給飛機(jī)使用，就需要讓離子和電子更容易通過(guò)電池，尤其是電極。一種選擇就是使電極材料更多孔或更薄，但無(wú)論哪種改變都會(huì)以很高的能量密度成本實(shí)現(xiàn)。
因此，研究人員正在探索如何通過(guò)緊密堆積的碳、鈷化合物和電極中的其他材料來(lái)拉直曲折路徑的方法。
就像許多神奇的魔術(shù)一樣，這個(gè)戲法依賴于磁鐵。
在2016年發(fā)表在《自然—能源》上的一篇論文中，蔣業(yè)明、麻省理工學(xué)院研究人員Jonathan Sander及其同事指出，將磁性納米粒子混合到電極材料中，并施加光磁場(chǎng)，有助于在電極間形成排列好的通道。隨后的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這些電極的放電容量，或者說(shuō)電子離開(kāi)電池的速率，是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍以上，而且還不會(huì)損耗能量密度。
“這為我們的電動(dòng)航空電池的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了一個(gè)全新的方向，”蔣業(yè)明表示。
目前，研究人員正在與位于馬薩諸塞州劍橋市的24M公司合作（蔣業(yè)明擔(dān)任該公司首席科學(xué)家），利用這種磁性方法開(kāi)發(fā)和測(cè)試原型電池。如果一切順利，Zunum將與研究人員合作對(duì)原型機(jī)進(jìn)行評(píng)估，其中所有飛機(jī)的電力系統(tǒng)都在地面上進(jìn)行評(píng)估。最終，它們也可以在實(shí)際飛行中進(jìn)行測(cè)試。
只是個(gè)開(kāi)始
在電池真正被制造和評(píng)估之前，這種方法的實(shí)際效果還有待觀察。即使在最好的情況下，這個(gè)領(lǐng)域要在航空電氣化上真正有所突破可能還需要幾十年的時(shí)間。
航空工程師、安柏瑞德航空航天大學(xué)飛行研究中心主任Richard Anderson指出，對(duì)于給定的能量輸出，電池的重量至少是燃料的20倍。他懷疑，像Zunum這樣追求混合通勤航班的公司，在未來(lái)幾年里能否找到足夠的方法來(lái)抵消這些增加的重量。在他看來(lái)，該領(lǐng)域高估了混合動(dòng)力飛機(jī)能夠達(dá)到更多航程的速度，同時(shí)也低估了它們將要面臨的監(jiān)管挑戰(zhàn)。
對(duì)此，麻省理工學(xué)院和卡內(nèi)基學(xué)院的研究人員表示，為了擴(kuò)大電動(dòng)飛機(jī)的范圍，仍然需要對(duì)其他大型電池進(jìn)行改進(jìn)，這可能需要轉(zhuǎn)向完全不同的化學(xué)成分。Viswanathan指出，最重要的是，飛機(jī)可能需要從根本上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，從而減少能源需求，通過(guò)重新分配發(fā)動(dòng)機(jī)或改變機(jī)身形狀來(lái)減少阻力，是一條可能的路徑。
但他和蔣業(yè)明仍在電動(dòng)航空電池的技術(shù)上下功夫，因?yàn)闊o(wú)論其他方面的進(jìn)展如何，這都是必需的。即使其他電池工程師找到了讓電動(dòng)飛機(jī)飛行千里的方法，他們?nèi)匀恍枰銐虻碾娏Σ拍芷痫w。■