上周看到了一個相當不尋常的飛行計劃。挪威交通部長及其主要機場運營商Avinor的首席執行官在一架小型雙人飛機上快速繞過奧斯陸機場。不起眼 – 除了Alpha Electro II這架飛機完全由電池供電。

電動飛機的興起標志著航空革命的開始

對于制造Alpha Electro II的斯洛文尼亞公司Avinor和Pipistrel來說，這只是航空革命的開始：電動飛機的興起。挪威的目標是到2040年使用電動飛機進行所有短途飛行，持續時間不到1.5小時。它們不是唯一的：空客，波音和勞斯萊斯是投資研發的公司之一。原則上，電動飛機具有電動汽車的所有優點。它們更安靜，更高效，而且至關重要的是，電力可以在不使用化石燃料的情況下重新產生。全球航空目前占碳排放量的2.5％，但這是一個非常穩固的2.5％，預計隨著未來20年乘客數量翻倍而增長。航空業一直在努力直接減少化石燃料的使用，并不得不接受通過植樹來抵消排放增加的承諾。

電動飛機能否走得太遠？

如果挪威實現其目標，它將擴大該國在電氣化方面令人印象深刻的記錄; 2017年銷售的新車中有一半以上是電動車，政府計劃到2025年停止銷售化石燃料動力車。與機動車早期試驗涉及電動和汽油動力車輛的方式大致相同，電動飛行也有著悠久的歷史。1900年，電動汽車占所有汽車銷量的三分之一，這些數字現在才開始在挪威這樣的國家進行匹配。幾架飛艇是電動的，1883年的Tissandier兄弟在萊特兄弟的滑翔機降落之前飛行了一個電動飛船。然而，電動飛機是一個非常不同的主張。關鍵問題是能量密度。不難看出為什么這是一個問題。噴氣燃料的能量密度約為43 MJ / kg，即12,000 Wh / kg，幾乎是煤的兩倍，是木材的三倍。相比之下，這款傳統鉛酸蓄電池的能量密度約為30 Wh / kg。這是至關重要的，因為飛機燃料的重量是決定其范圍的重要參數。燃料占典型長途噴氣機總重量的約45％，因此從噴氣燃料轉換為需要400倍質量來儲存相同能量的電池是不切實際的。使用更高效的發動機，您可以進一步行駛 – 但不足以彌補燃油重量增加400％。出于這個原因，第一架電動飛機直到1973年首次發明鎳鎘電池才開始飛行 – 電動飛機的任何未來發展都將與我們制造具有更高能量密度的更好電池的能力密切相關。那次飛行是在1973年，它持續了八到十五分鐘。好的，所以第一次萊特兄弟的飛行在不到一分鐘的時間里就結束了，但那是70年前的事。像斯圖加特大學開發的e-Genius這樣的輕型原型飛機現在可以飛行幾個小時，或者距離大約400公里，但只攜帶兩名機組人員，不太可能很快取代所有短途飛行。

挪威的電動飛機電池使用約120公斤的特制鋰聚合物電池，其中包含約21kWh的能量。這相當于約175Wh / kg的能量密度。這比特斯拉 Model S略高，后者以157Wh / kg的速度運轉，但仍然遠不及噴氣燃料。這就是電動汽車和電動飛機與現有電池技術之間的區別。是的，特斯拉的汽車可能比燃油驅動的汽車稍微重一些，但它們的汽油范圍可與汽油車相媲美（Model S為335英里，平均為375英里，加油量為15加侖）。電動飛機的行駛距離幾乎沒有，或者幾乎與其燃料對應物的重量相當 – 并且飛機主要用于在很長的距離上運載許多乘客。挪威2040年的短程航班目標似乎很樂觀。

電動飛行需要什么才能實現？

由于電動機效率的提高，電池得到了提升 – 它們的效率提高了三倍，并且通過相同的因素減少了給定性能所需的電池質量。指導阿貢交通運輸研究中心的Don Hillebrand建議1,000Wh / kg足以開始考慮通電短途航班。這比現代技術提高了六倍。引用WIRED，他說，“1,000 Wh / kg的數字大約相當于汽油能量密度的三分之一，但這已足夠。按照我們目前的創新步伐，并考慮動力系統效率的相對差異，我們可以期待電池能夠足夠好地為實際用途的小型飛機提供動力。電池能量密度目前每年穩定增長7％至8％，但業內許多人認為我們正在接近鋰離子電池在理論上可以達到的極限 – 這個限制很可能在我們達到目標之前很久就會到來。短途航班的臨界門檻。鋰離子電池可能足以讓汽車通電，但我們使用的電池的另一個改變，就像20世紀70年代允許第一架電動飛機起飛的電池一樣，將需要實現短距離通電的夢想航班成為現實。

不同的電池化學成分始終是活躍的研究領域。

原型鈉離子陰極已經證明能量密度為650Wh / kg，鎂離子電池由于其理論上更高的能量密度限制（750Wh / kg報道）已經研究多年。從周圍環境氧氣中吸取一些能量的鋰空氣電池甚至可以達到2,000Wh / kg。然而到目前為止，原型在安全性，穩定性以及在電池需要更換之前可以承受的充電周期數方面都很困難。電動飛機可能比它們的化石燃料對應物便宜得多，但是否繼續更換電池是否經濟仍有待觀察。由于安全問題，當鋰離子電池在飛機上受到限制時，使用實驗性，不安全電池的飛機似乎不太可能很快到達天空。在未來幾十年內，使用燃料電池并利用更高能量密度的天然氣的混合飛機可能是短途飛行的更環保的替代方案。

盡管面臨挑戰，電動飛機仍有相當大的希望。許多不同的力量推動了電池技術的改進，尤其是電動汽車和能量存儲，用于將更多可再生能源集成到電網上。

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