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笔者在2024年9月发表的《航空动力电池的未来发展方向》（具体内容请见本号发布的：纪宇晗 | 航空动力电池的未来发展方向）一文中介绍了当下国内外航空动力电池的技术发展现状。乘着低空经济的东风，我国航空动力电池技术发展迅速，仅在过去两个月，欣界能源、中科院大连化物所推出的新型电池相继完成装机试飞，单体能量密度超过400Wh/kg。基于此，本文在过往研究基础上整理形成2024年航空锂电池技术发展路线图，以供参考。![]()
考虑到技术成熟度、能量密度、放电倍率、使用成本、安全性等因素，航空动力电池仍以锂电池为主。锂电池的电芯由电解质、阳极和阴极组成，其性能水平由电解质和电极材料、结构设计和制造工艺等因素决定。航空锂电池技术的发展正处于百花齐放阶段，限于篇幅本文仅讨论主要的几种技术路线。
电解质状态
液态电解质：电解质液体含量大于25%，包括有机液体电解质和室温离子液体电解质。这类电解质通常由溶解在极性非质子有机溶剂中的锂盐组成，具有电化学稳定性好、凝固点低、沸点高的特点，可以在较宽的温度范围内使用。
凝胶态电解质：电解质液体含量一般在25%到10%之间。凝胶电解质是介于液态和固态电解质之间的一种形态，其内部含有液体，但粘度很大，失去流动性，整个体系变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体。凝胶电解质虽然有液态组分，但也有一定的几何外形、强度和弹性。半固态电解质：电解质液体含量一般在10%到5%之间。半固态电解质的设计本质上是一种折中方案，它使用固液混合电解质，有助于提升离子导电性，改善电池性能。半固态电池的制造工艺可能比全固态电池更简单，成本相对较低。准固态电解质：电解质液体含量一般在5%以下。准固态电解质的形态可以在黏稠胶状到具有一定硬度的固体之间变化，不流动且具有一定形状。导电机制类似液态电解质，但提供了更好的安全性和稳定性。固态电解质：电芯由固态电极和固态电解质材料构成，不含有任何液态电解质。固态电解质的理论能量密度最高，是锂电池电解质材料发展的理想形态。电解质材料
有机液体电解质：这类电解质通常由高纯度的有机溶剂和电解质锂盐（如六氟磷酸锂LiPF6）以及必要的添加剂组成。常用的溶剂包括碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）等。室温离子液体电解质：由特定阳离子和阴离子构成，在室温或近室温条件下呈液态的功能材料或介质，具有导电率高、蒸气压低、液程宽、化学与电化学稳定性好等优点。凝胶电解质：在聚合物基体中引入液体增塑剂如PC、EC等，得到固液复合的凝胶电解质，这种由高分子化合物、锂盐和极性有机溶剂组成的三元电解质兼有固体电解质和液体电解质的性质。聚合物电解质：采用聚环氧乙烷、聚丙烯腈等聚合物固体材料，高温工作性能良好，具有高分子材料特有的轻质、弹性好、易成膜等特点。氧化物电解质：采用锂磷氧氮（LiPON）、钠离子固体（NASICON）等材料，具有出色的热稳定性和空气稳定性。硫化物电解质：采用LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等材料，导电率高，工作性能优异，近些年的研发热度较高，是目前航空动力电池商业化最具潜力的固体电解质材料之一。阳极材料
碳族材料：包括石墨类材料、无定形碳、碳纳米管、石墨烯等，在汽车动力电池领域应用较为广泛，但能量密度难以满足航空动力电池的需求，因此电动航空业也在探索能量密度更高的其他阳极材料。预锂化阳极：锂含量在5%到30%，其核心在于在电池工作之前向电池内部增加锂以补充锂离子，从而抵消形成固体电解质相界面（SEI）膜造成的不可逆锂损耗，以提高电池的总容量和能量密度。锂复合阳极：锂含量在30%到50%，将锂金属与其它材料（如碳材料、合金等）复合形成阳极结构，通过引入非锂材料来改善锂金属阳极的性能，例如通过增加机械稳定性、调控锂离子通量、提高离子/电子传输效率等。锂金属阳极：锂含量在80%到100%，将纯锂金属作为阳极材料，具有非常高的理论比能量和较低的电极电位，但由于其在充放电过程中容易形成锂枝晶，会导致电池安全性和循环稳定性问题。一定程度上说，锂阳极的锂含量越高，能量密度也越高（不考虑其他影响因素）。硅阳极和硅碳阳极：硅阳极材料包括接近100%的纯硅阳极和硅碳复合阳极。纯硅阳极的能量密度极高，例如Amprius公司宣称其硅阳极电池单体能量密度已经达到450Wh/kg。另一种就是硅碳阳极，它较低的硅质量负载在能量密度方面没有优势，但可以提供更高的循环寿命。与锂阳极材料一样，硅阳极材料中硅的含量越高，理论能量密度就越高。此外还有钛酸锂阳极、锡基阳极、合金阳极、氧化物阳极等，由于其能量密度普遍较低，难以满足航空应用需求，未在上图列出。阴极材料
钴酸锂：钴酸锂是最早商业化应用的锂离子电池阴极材料之一，具有较好的循环稳定性，广泛应用于消费电子设备如笔记本电脑、手机以及电动汽车的电池中。磷酸铁锂：具有出色的循环稳定性和安全性，不易燃烧或爆炸，被广泛应用于需要高安全性的场合，如电动汽车和储能系统，但能量密度相对较低。三元锂：三元锂材料是镍钴锰酸锂（LiNiMnCoO2，简称NMC）和镍钴铝酸锂（LiNiCoAlO2，简称NCA）。三元锂材料的理论能量密度最高，是航空动力电池的最佳选择之一。其他还有锰酸锂、钛酸锂等，对航空领域的应用适配能力稍弱。单体能量密度
根据《新能源飞行器发展白皮书（2024）》（具体内容请见本号发布：重磅！《新能源飞行器发展白皮书(2024)》正式发布（附全文下载））的预测，到2025年航空动力电池的单体能量密度有望达到500Wh/kg，2030年可以达到700Wh/kg。2024年11月，欣界能源研制的固态电池产品在亿航EH216-S上完成装机试飞，单体能量密度号称达到450Wh/kg，持续放电倍率4C。同月，中科院大连化物所开发的硅碳阳极电池也实现了装机试飞，单体能量密度达到400Wh/kg，模组级能量密度为340 Wh/kg。我国的航空动力电池产品在近些年取得了诸多瞩目成就，极大促进了新能源航空装备以及低空经济产业的发展。![]()
亿航EH216-S搭载欣界能源研制的高性能固态电池完成48分钟的飞行测试![]()
中科院沈阳自动化所研制的复合翼无人机搭载大连化物所的航空锂电池完成试飞来源 I 民机战略观察
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