Speciale batterijen voor drones

Analyse van batterijen voor eVTOL's brengt operationele vereisten aan het licht.

De verschillende fasen van een vlucht van een eVTOL (elecrical vertical take-off and landing vehicle) hebben verschillende hoeveelheden stroom nodig. Sommige bewegingen vereisen dat de accu snel grote hoeveelheden stroom ontlaadt, waardoor de afstand die het voertuig kan afleggen voordat de accu moet worden opgeladen, wordt verkleind.

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee (onderdeel van het U.S. Department of Energy) werken aan schoner transport naar de lucht. Ze ontwikkelen en evalueren nieuwe batterijen voor elektrische luchtvaartuigen die verticaal opstijgen en landen.

eVTOL

Deze toestellen, ook wel eVTOL's genoemd, variëren van bezorgdrones tot stedelijke luchttaxi's. Ze zijn ontworpen om als een helikopter de lucht in te gaan en te vliegen met behulp van de vleugels zoals een vliegtuig. Vergeleken met helikopters gebruiken eVTOL's over het algemeen meer rotoren die met een lagere snelheid draaien, waardoor ze zowel veiliger als stiller zijn.

De elektrische vaartuigen in de lucht zijn niet zomaar vliegende auto’s. De ORNL-onderzoekers concluderen dat batterijen voor een eVTOL niet zomaar kunnen worden afgeleid van de batterijen voor elektrische auto’s. Tot nu toe is dat de dominante benadering van de technologie geweest, die zich grotendeels in de modelleringsfase bevindt.

De onderzoekers kozen voor een andere aanpak door te evalueren hoe lithium-ion batterijen het doen bij een hoog stroomverbruik. Het eVTOL-programma biedt een kans om een geheel nieuw type batterij te creëren met heel andere eisen en mogelijkheden dan wat we eerder hebben gezien.

Uitdagingen

De onderzoekers ontwikkelen nieuwe materialen met hoge energiedichtheid en leren hoe deze materialen onder extreme omstandigheden worden afgebroken. Ook ze ontwikkelen batterijmanagementsystemen. Hiervoor moeten ze vragen beantwoorden over de wisselwerking tussen batterijveiligheid, levensduur en stabiliteit bij hoge temperaturen. Ook moeten ze de behoefte aan korte periodes van hoog vermogen in evenwicht brengen met energiereserves voor vluchten over langere afstanden.

De eerste belangrijke conclusie van een uitgebreid eVTOL-onderzoeksproject dat bij ORNL loopt, is dat de vermogens- en prestatie-eisen voor eVTOL-batterijen hun levensduur en duurzaamheid aanzienlijk kunnen verkorten. In tegenstelling tot accu's voor elektrische voertuigen, die doorgaans met een constante snelheid leeglopen, hebben eVTOL-accu's verschillende hoeveelheden stroom nodig. Ze maken vliegfasen door zoals klimmen, zweven en dalen, waarbij sommige fasen hoge stroompieken vereisen.

Eigen batterij

Nu ze meer weten over wat er nodig is van de eVTOL-batterij, zullen ontwikkelaars systemen op een andere manier moeten ontwerpen om dat te bereiken. De focus aan ORNL is fundamenteel: wat gebeurt er met de materialen onder deze specifieke belastingen en bedrijfsomstandigheden? De onderzoekers proberen de beperkingen van de batterijchemie die ze nu hebben te achterhalen. Vervolgens willen ze de batterij afstemmen om die kloof te overbruggen.

Het team maakte in eigen huis lithium-ion batterijen en liet ze door gesimuleerde klimfasen van eVTOL-vliegtuigen lopen. Wetenschappers bestudeerden wat er tijdens de cyclussen in de batterij gebeurde – inclusief hoeveel energie snel beschikbaar was tijdens de veeleisende startfase. Ze testten vervolgens de batterijmaterialen daarna op corrosie en andere chemische of structurele veranderingen.

Elektrolyt

De studie omvat het testen van een nieuwe door ORNL ontwikkelde elektrolyt – een materiaal waardoor elektroden ionen uitwisselen – ten opzichte van de huidige state-of-the-art versie die wordt gebruikt in lithium-ion batterijen. Met behulp van de eVTOL-missieprofielen presteerde de ORNL-elektrolyt beter, waardoor meer capaciteit behouden bleef tijdens de vluchtfasen die de meeste energie vragen.

Deze resultaten tonen aan dat er behoefte is aan diversificatie van de manier waarop batterijprestaties worden gemeten. Een batterij is niet alleen de capaciteit na 1000 cyclusssen. Het is wat er binnen een cyclus gebeurt en dat vertelt of een systeem gaat werken of crashen. De inzet is hier hoog, omdat het bepaalt hoe veilig het is om de lucht in te gaan. Op deze vraag hebben de onderzoekers nog geen antwoord.

Het onderzoeksteam werkt aan verdere verbeteringen aan het elektrolyt en andere batterijcomponenten,. Ook verleggen ze technische grenzen op het gebied van batterijvermogen, laadvermogen en veiligheid. Recente experimenten omvatten het verzamelen van data uit de echte wereld van dronevluchten over de campus van het laboratorium. Vervolgens gebruiken ze die informatie om een aangepast profiel van de belasting te ontwikkelen en gebruik te maken van de batterij. Batterijen gemaakt bij ORNL doorliepen vervolgens dezelfde cycli.

Foto: Andy Sproles/ORNL, U.S. Dept. of Energy