Твердотельные батареи в дронах: победы, препятствия и что дальше для операторов

Результат? 48-минутный 10-секундный непрерывный полет — нечто, что было бы немыслимо с литий-ионным аккумулятором всего несколько лет назад. Для любого человека в космосе это не просто число; это доказательство того, чтотвердотельныйможет решить две самые большие проблемы операторов дронов: короткое время полета и проблемы безопасности. Этот испытательный полет не просто побил рекорд — он показал, что eVTOL (и дроны в целом) вскоре смогут выполнять более длительные и надежные миссии, не снижая при этом безопасность.

Компания Panasonic тоже присоединилась к нам ствердотельная батареяСозданы специально для небольших дронов, и их характеристики идеально подходят для занятых операторов. Представьте себе, что аккумулятор дрона заряжается с 10% до 80% за 3 минуты. Для группы доставки, выполняющей более 20 рейсов в день, это сокращает время простоя с 30 минут (с литий-ионным аккумулятором) почти до нуля. Еще лучше? Срок службы составляет от 10 000 до 100 000 циклов зарядки при комнатной температуре. Строительная компания, с которой мы работаем, сообщила нам, что они заменяют литий-ионные батареи каждые 6 месяцев — этот вариант Panasonic может прослужить им более 5 лет. Это значительная экономия средств, но это также означает, что меньшее количество батарей попадает на свалки — о чем все чаще спрашивают клиенты, стремящиеся к устойчивому развитию.

Но есть кое-что, что мы не приукрашиваем для клиентов: твердотельным транзисторам еще предстоит преодолеть препятствия, прежде чем они появятся в каждом дроне. За последние 6 месяцев мы разговаривали с десятками малых и средних операторов дронов, и все их опасения связаны с одними и теми же проблемами — теми, которые выходят за рамки «хороших спецификаций на бумаге».

Сначала оцените стоимость. Сами по себе материалы дороже: твердые электролиты в этих батареях стоят дороже, чем жидкие в литий-ионных, а машины нужны для их производства? Они не готовы к использованию. Стартап-производитель дронов из Техаса рассказал нам, что хочет перейти на твердотельные устройства, но первоначальные затраты на переоснащение аккумуляторной батареи съели бы весь годовой бюджет. Для крупных игроков, таких как EHang или Panasonic, это осуществимо, но для большинства операторов сейчас это является барьером.

Кроме того, существует проблема «стабильности интерфейса» — причудливый термин для простой проблемы: твердый электролит и электроды батареи должны оставаться в тесном и постоянном контакте, чтобы работать хорошо. Но каждый раз, когда аккумулятор заряжается и разряжается, электроды немного сжимаются и расширяются. Со временем это приводит к образованию крошечных зазоров, и аккумулятор быстрее разряжается. Мы видели это своими глазами во время испытаний дронов на ферме прошлой весной: после 50 циклов полета твердотельная батарея упала на 12% — это не критично, но достаточно, чтобы фермер спросил: «А не станет ли хуже?» Прямо сейчас ответ «возможно», пока производители не придумают более прочные материалы для электродов.

Хрупкость — еще одна головная боль, особенно для дронов, летающих в суровых условиях. Большинство твердых электролитов на основе керамики прочны, но не гибки. Прошлой зимой поисково-спасательная команда в Колорадо испытала керамический электролитный аккумулятор; при приземлении на каменистую местность треснул корпус аккумулятора (к счастью, обошлось без возгорания), и дрон потерял мощность. В этом случае литий-ионный аккумулятор может протечь, но обычно он продолжает работать достаточно долго, чтобы благополучно приземлиться. Для дронов, которые справляются с вибрациями (например, сканеры на строительных площадках) или жесткими посадками (например, дроны для наблюдения за дикой природой), это является серьезной проблемой.

Даже литиевые дендриты — эти крошечные игольчатые структуры, которые закорачивают литий-ионные батареи — не исчезли полностью. В твердотельных аккумуляторах они встречаются реже, но мы слышали от инженеров по производству аккумуляторов, что при высоких скоростях зарядки (например, при трехминутной зарядке Panasonic) дендриты все равно могут образовываться. Это меньший риск, но для операторов, летающих над людными местами, «меньше» не всегда «достаточно хорошо».

Жара – еще один сюрприз. Твердотельный аккумулятор безопаснее при высоких температурах, чем литий-ионный, но он также не рассеивает тепло. Дрон, используемый для задач высокой мощности, таких как подъем тяжелых грузов или длительный полет на максимальной скорости, может быстро нагреваться. Мы работали с логистическим клиентом, тестируя твердотельный дрон для доставки посылок весом 50 фунтов; после 25 минут полета аккумулятор настолько нагрелся, что программное обеспечение дрона заставило его приземлиться раньше. Им пришлось добавить легкий радиатор, что уменьшило полезную нагрузку, что частично лишило цели перехода на твердотельный накопитель.

И давайте не будем забывать о масштабах производства. Сейчас большинство твердотельных аккумуляторов производятся небольшими партиями. Оператор дрона, которому нужно 100 батарей в месяц, может ждать доставки 6–8 недель, тогда как литий-ионные батареи поступают на склад в тот же день. Пока заводы не смогут производить твердотельные батареи так же быстро (и дешево), как литий-ионные, внедрение будет оставаться медленным для всех, кроме крупнейших команд.

Что касается самих твердых электролитов, то здесь также не существует универсального решения. Керамика обладает отличной проводимостью — она позволяет ионам двигаться быстро, а это означает большую мощность, — но, как мы видели, она хрупкая. Полимеры гибкие, поэтому они лучше справляются с вибрациями, но при комнатной температуре они медленнее — хорошо для медленно движущегося сельскохозяйственного дрона, но плохо для быстрого дрона-доставщика. Сульфиды — это золотая середина: хорошая проводимость и гибкость, но они реагируют на влагу. Оператор прибрежных дронов во Флориде рассказал нам, что им пришлось добавить водонепроницаемый корпус к батареям на основе сульфидов, что увеличило вес. Выбор правильного электролита полностью зависит от того, что делает дрон и куда он летит.

Однако есть и хорошие новости: каждая упомянутая нами проблема решается, по одному тесту за раз. Полет Эхана не был случайностью; это признак того, что производители придумывают, как адаптировать твердотельные устройства для дронов. Аккумулятор Panasonic с функцией быстрой зарядки — это не просто прототип — он уже начинает поставляться избранным клиентам. А по мере того, как все больше операторов будут требовать твердотельные решения, затраты будут снижаться.

Для любого, кто сейчас занимается бизнесом по производству дронов, вопрос не в том, «придут ли» твердотельные технологии на смену, а в том, «когда и как к этому подготовиться». Начните с малого: протестируйте несколько твердотельных батарей с помощью своих наиболее востребованных дронов (например, для доставки или поисково-спасательных операций) и отследите экономию времени и замен. Поговорите со своим поставщиком аккумуляторов о нестандартных решениях — многие готовы адаптировать электролиты под ваш конкретный вариант использования.

Твердотельный аккумулятор еще не идеален, но он уже лучше литий-ионного в наиболее важных аспектах: более длительные полеты, более безопасная работа и меньшее время простоя. И как исправляются недочеты? Мы смотрим в будущее, в котором дроны не просто «выполняют свою работу» — они делают это быстрее, дешевле и в большем количестве мест, чем когда-либо прежде.

Если вам интересно, какой твердотельный аккумулятор подойдет для ваших дронов, или вы хотите узнать больше об испытаниях, которые мы проводили с клиентами, напишите нам. Это не просто разговор о технологиях — речь идет о том, чтобы сделать работу ваших дронов более эффективной для вас.