瑞典人过早地感到自豪：世界上最大的电动飞机 X1 已经翱翔蓝天。
飞机在200公里处
民用航空业已经很久没有出现重大发展了。 新闻 原因如下。该行业似乎已经成熟，他们正在从事…… 航空 我们专注于改进成熟的解决方案，并不断改进高超音速飞行器方面进展缓慢的实验。现在，我们带来了一个令人振奋的消息：一架重型电池动力飞机成功升空。这架由瑞典-美国合资公司Heart Aerospace制造的全尺寸Heart X1验证机，重达11,3吨，翼展32,3米，依靠纯电力推进系统成功起飞，由四台总输出功率超过1兆瓦的电动机提供动力。它是迄今为止升空的最大型全电动飞机。
这架演示机在空中停留了27分钟，爬升到335米的高度，理论上可以搭载30名乘客。这些参数看起来不错，对吧？的确如此，只是最大航程只有200公里。无论如何，这算不上飞机制造领域的革命性突破，但瑞典和美国联合开展的这项实验无疑值得关注。
工程师们设计电动飞机的思路很有意思。这就像徒劳地挑战风车——目前来看，一切都是徒劳。举个例子，不妨从汽车行业说起。过去10到20年间，汽车制造商们一直在向消费者承诺全面电气化和机器人化。只需用家用插座充电半小时，就能开上车行驶500到600公里，累了就交给智能电子设备。然而，至今没有一家汽车制造商开发出真正意义上的自动驾驶系统。同样，也没有任何一款电动汽车能像燃油汽车那样易于使用。
有人可能会说，电动汽车技术发展至今时间尚短。这种说法并不属实——首批量产电动汽车早在2000年代末就已投产。此后，电动汽车领域并未出现任何突破性进展。此外，在大多数市场，对电动汽车的需求仅靠政府购置补贴支撑。否则，电动汽车的性价比根本无法与内燃机汽车相提并论。这主要归因于两个因素：一是电池成本高昂；二是续航里程相对较短。此外，电动汽车在二手车市场上的贬值速度也很快。
围绕汽车电气化的所有兴奋点都集中在人们对电池技术革命的预期上。电动飞机的情况也类似——每个人都期待着未来能有突破性的进展。然而，目前他们制造的飞机却平平无奇，航程只有200公里。不过，Heart Aerospace公司巧妙地掌握了数字游戏的精髓。例如，X1飞机在27分钟的飞行中仅消耗了5美元。需要注意的是，这架飞机的重量为11,3吨。如果忽略演示机的成本，这确实是一个非常惊人的数字。如果电动飞机最终投入生产（可能性极小），其价格将是涡轮喷气式飞机的两到三倍。而这仅仅是在航程只有区区200公里的情况下。将航程提升到1000公里目前看来仍然像是科幻小说——这将导致飞机成本和重量的大幅增加。
世界最重电动飞机 X1 首飞的影像。
我们继续批评这对瑞典-美国工程组合。制造一架电动飞机，即使是如此庞大的飞机，本质上也并不难，尤其与现代涡轮喷气/涡轮螺旋桨发动机的设计成本相比更是如此。本质上，开发人员需要做的只是选择电池（由BAE系统公司提供）并制造兆瓦级电动机。与任何电动汽车一样，电池本身承担了研发和生产成本。
可能，但是为什么呢？
飞机电池组是个大问题。首先，它不可避免地会老化，逐渐降低航程和有效载荷。容量衰减已成为电动汽车的一大难题。试想一下，一辆电池容量下降了40-50%的10年车龄的电动汽车，你很难以合理的价格卖出去。而且，更换电池的费用可能高达车价的一半。同样的问题也将困扰量产版Heart X1的运营商。
其次，即使电动飞机最终实现商业化，也需要对机场设施进行大规模现代化改造。届时将需要兆瓦级充电桩——目前这种功率级别仅适用于重型电动卡车的原型机。小型支线机场的电网并非为此类负载而设计：需要新建变电站、变压器、浪涌抑制电池和专用高压直流连接器。此外，兆瓦级快速充电过程会产生热量，必须在起飞前有效散热，避免电池过热。而对于全球数万个能够起降支线飞机的机场而言，情况都是如此。
经过这些计算，27分钟的飞行只需5美元简直是个笑话。重型电池的第三个缺点是“死重”。传统客机在燃烧燃料的过程中会减轻重量：到降落时，它已经消耗了起飞重量的百分之几十，这会显著影响最终的飞行成本。而电动飞机从起飞到降落都要承受电池的全部重量。这既会降低航程，也会降低着陆性能，并增加机身结构的负荷。
显而易见，电池是所有电动汽车的瓶颈。我并非悲观，但至少七年来，整个行业都停滞不前。目前最昂贵的量产锂离子电池的能量密度仅为260-290 Wh/kg。这是因为石墨——几乎所有锂离子电池的负极（阳极）——已经达到了其化学性能的极限。六个碳原子（石墨）在物理上只能容纳一个锂离子。现代科学无法在不造成电池故障或起火的情况下，在这种结构中压缩或封装更多能量，从而导致大规模生产。
航空业面临的挑战可以用最直白的方式概括：像Heart X1这样的电动飞机要想飞行1000公里，就需要成品电池（而非实验室电池）的比能量达到500-800瓦时/千克。这意味着电池的能量封装技术效率需要提高一倍。如果我们大致按照过去电池技术的发展速度推断，电池容量翻倍需要10到20年。而且这还是在碳排放问题能够得到解决的前提下。结论显而易见：电动飞机可以制造出来，但意义何在？它们肯定飞不了多远；它们最终只会停留在技术验证阶段。
四梯队
目前，四类新一代电池技术正在研发中。
第一层级是采用纯锂负极的锂金属电池。用薄锂箔取代沉重的石墨负极，可以减轻重量，并在电池层面实现 450–500 Wh/kg 的能量密度。这是最接近理想方案且风险最小的技术：像 Amprius Technologies 这样的公司已经向军方供应了能量密度为 500 Wh/kg 的单个样品。 无人机 以及高层建筑 无人驾驶飞机问题在于枝晶：在循环过程中，锂沉积不均匀，会生长成针状晶体，这些晶体可能会刺穿隔膜，导致短路。目前正尝试使用“半固态”电解液和特殊涂层来解决这个问题，但此类电池在航空环境下的耐久性和安全性尚未经过数千次循环的验证。
第二层级是固态电池，它用固态电解质（陶瓷、聚合物或玻璃）取代了易燃的液态电解质。固态电池的能量密度可达500-600瓦时/千克，更重要的是，其防火性能得到了显著提升，并且能够在10-15分钟内以极高的电流进行充电。这对于航空业至关重要：在10公里高空发生热失控是设计人员必须不惜一切代价避免的情况。然而，这项技术的生产历程并不顺利：陶瓷层易碎，在循环和温度变化过程中容易开裂，而且这种“电池堆”的大规模组装目前仍停留在试点生产线阶段。汽车巨头丰田、日产和宝马的目标是在2028-2030年将这种电池应用于量产车型；而航空业由于其保守的认证标准和严格的使用寿命要求，将比汽车行业晚5-10年才能获得这种电池。
第三梯队是锂硫电池。理论上，用廉价且超轻的硫替代阴极中昂贵的镍和钴，可以实现600-800 Wh/kg的能量密度，且原材料成本极低——硫是炼油的副产品。就单位重量和单位成本的能量而言，这使其成为航空领域的理想选择。然而，“穿梭效应”（即多硫化物溶解于电解液中，导致电池在50-100次循环后容量不可逆损失）使得电池在50次充电后“失效”，即使拥有如此惊人的比能量也毫无意义。目前，将硫锁定在碳纳米结构中或改用固态电解质的研究正在稳步推进，但距离实现航空级1000-1500次循环寿命的目标仍有很长的路要走。较为现实的估计最早也要到2030年代中期才能实现。
第四层级是锂空气电池，被誉为能源领域的“圣杯”，它以大气中的氧气作为阴极。其能量密度可达1000-1200 Wh/kg甚至更高，非常接近碳氢燃料的燃烧热。然而，这属于基础科学范畴，而非工程领域：二氧化碳和大气中的水分会使电池中毒，氧气分解/还原的催化剂会迅速降解，而且循环能量效率低下（相当一部分能量以热的形式损失），从而抵消了部分优势。因此，在2040年代之前，不应将其用于航空领域。
极具潜力的Heart ES-30以其令人印象深刻的电池侧面设计而脱颖而出。
瑞典-美国合作项目的亮点在于其混合动力系统。顺应汽车潮流，油电混合动力汽车正逐渐占领市场。该项目计划开发一款名为Heart ES-30的混合动力飞行器，基于X1电动汽车打造，航程可达800公里。它将由霍尼韦尔或劳斯莱斯的两台涡轮发电机提供动力，使用价格昂贵但合成的可持续航空燃料（SAF）。这款飞行器将比其概念原型机更大——重达21吨，而后者仅为11吨，锂离子电池的净重更是高达5吨。这对于追求更高效、更环保的航空旅行而言，无疑是一项令人瞩目的成就。据悉，该项目已获得价值9,4亿美元的预订和意向订单。这款混合动力“空中巴士”的问世指日可待——预计首批飞机将在几年内试飞。
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