低空经济产品技术演进系列——无人机锂离子电池动力能源

政策引领

1、GB 42590-2023 《民用无人机驾驶航空器系统安全要求》

根据自2024年6月1日实行的国家强制标准GB 42590-2023 《民用无人机驾驶航空器系统安全要求》，民用无人机的动力能源系统主要分为锂离子电池动力能源、氢燃料电池动力系统、燃油动力系统。其中，锂离子电池动力能源是目前无人机应用最广泛的一种电池类型。

2、工信部联重装（2024）52号 《通用航空装备创新应用实施方案》（2024-2030年）

2024年3月27日，工信部发布《通用航空装备创新应用实施方案》（2024-2030年），文件指出到 2030 年，我国通用航空装备供给能力、产业创新能力显著提升，产业链现代化水平大幅提升。在通用航空动力产品系列发展中着重描述了，加快布局新能源通用航空动力技术和装备，推动 400Wh/kg 级航空锂电池产品投入量产，实现 500Wh/kg 级航空锂电池产品应用验证。

未来，对航空锂电池的要求与“十四五”发展规划基本步调一致，电池总体目标应瞄准本质安全、350-500Wh/kg、700-1000Wh/L、3-10C倍率、500-5000次循环、<0.1＄/Wh成本、-40~80℃的综合指标而开展。

锂离子电池动力能源性能要求

航空器对电池的高比能、高功率、安全性要求高。由于锂离子电池能量密度、放电倍率、循环寿命的不可能三角，航空电池的循环寿命较低，目前无人机电池循环寿命仅在300次左右，具有耗材属性。为提升续航时间和安全性，无人机通常需要携带 3-4 块电池。目前无人机主要采用锂离子电池作为主要动力，设计的续航能力一般在20分钟至30分钟之间。

高能量密度：无人机锂离子电池的能量密度越高，能够在较小的体积和重量下存储较多的电能，为无人机提供足够的动力，使其能够长时间飞行。

高放电倍率性能：无人机电池属于新能源动力电池范畴，高倍率性能将带给无人机较高功率，简单说，如果无人机在5C的高倍率下快速放电，将比1-2C的状态有更高的速度。然而，高倍率放电后，电池的容量往往很难恢复到放电前的水平，高功率工作对电池容量的快速衰减影响是不可避免的。

长循环寿命：一般的，锂离子电池经过多次充放电循环后，电池容量会发生衰减。长循环寿命意味着无人机可以在较长时间内保持较好的性能，减少了电池更换的频率，降低了使用成本。

锂离子电池是由正负极、隔膜、电解液等组成，其能量密度与循环寿命与正负极活性材料、制备工艺以及结构设计有关，安全性能受电解液影响很大。此外，电池从化成到电池成组工步操作对锂离子电池的性能发挥也至关重要。因此，航空锂电池性能的提升，需要对锂离子整个体系进行全面的研究。

锂离子电池介绍

正极：

材料种类：常见的正极材料有钴酸锂（LiCoO₂即LCO）、三元材料（如 Li - Ni x - Co y - Mn 1-x-y - O₂即NCM三元材料），市面上常见的有NCM523、NCM622、NCM811等、磷酸铁锂（LiFePO₄即LFP体系），以及利用元素掺杂技术改进的各种体系，如LCO掺杂Mg等。

三元材料综合了镍、钴、锰（或铝）的优点，通过调节各元素的比例可以在能量密度、循环寿命、安全性和成本等方面达到较好的平衡，是目前电动汽车和高性能无人机等领域重点研究和应用的正极材料。

磷酸铁锂，以其高安全性、长循环寿命、环境友好以及相对较高的能量密度而著称。虽然磷酸铁锂的能量密度相比其他材料（如三元材料）较低，但其在安全性、成本及循环寿命方面的优势使得其在特定领域（如电动汽车、储能系统）具有广泛应用。

工作原理：在充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，经过电解液向负极迁移；放电时，锂离子则从负极返回正极，同时释放出电能。正极材料的晶体结构为锂离子的嵌入和脱出提供了通道，其结构稳定性对于电池的性能和寿命至关重要。

负极：

材料种类：传统的负极材料主要是石墨，它具有良好的导电性、层状结构有利于锂离子的嵌入和脱出，并且成本较低。近年来，为了进一步提高电池性能，人们也在研究一些新型负极材料，如硅基材料、锂金属材料等（石墨理论比容量约为 372mAh/g、硅的理论比容量约为 4200mAh/g、锂金属理论比容量约为 3860mAh/g）。

工作原理：在充电时，锂离子嵌入负极材料的晶格间隙中，同时电子通过外电路进入负极，使得负极材料处于富锂状态；放电时，锂离子从负极脱出，返回正极，电子则通过外电路从负极流出，产生电流。

隔膜：

材料和功能：隔膜通常是一种具有微孔结构的高分子薄膜，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）或它们的复合膜。隔膜的主要作用是分隔正负极，防止正负极直接接触而发生短路，同时允许锂离子在充放电过程中自由通过。

电解液：

成分和作用：电解液主要由锂盐和有机溶剂组成。常见的锂盐有六氟磷酸锂（LiPF₆）等，有机溶剂包括碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）等。锂盐是提供锂离子的源泉，在充放电过程中，锂盐中的锂离子在正负极之间迁移。有机溶剂则起到溶解锂盐、提供离子传导通道的作用。

由于传统碳酸酯基电解液的燃烧风险，近年来凝胶半固态电解质、全固态电解质发展迅速。固态电解质即不含有机溶剂的锂电池电解液。其主要成分是锂盐、聚合物基质和添加剂。固态电解质具有更高的安全性和能量密度，但目前仍面临离子导电性和电池循环寿命方面的挑战。

总结

目前，中国已具备完善的新能源上下游产业链，锂离子电池动力能源的发展，将带动低空经济产业链上其他相关产业的发展，如电池管理系统、充电器、电机等。这些产业之间的协同发展，形成了完整的低空经济产业生态系统，进一步推动了低空经济的发展。