航空应用背景下固态与高浓度电解质的锂离子电池性能对比评估及其在混合电动推进系统中的优化研究

为解决航空领域对高能量密度、高功率密度且不可燃下一代电池的迫切需求，研究人员开展了固态电解质(SE)与高浓度电解质(HCE)在锂金属/NMC811电池中的性能对比研究。通过物理化学模型评估，发现采用LiFSI-IL/HFE和LiFSA-磺酸烷/HFE作为阴极电解质的电池展现出优异的电化学性能，在区域飞机任务中可减少44%电池质量。该研究为航空用安全高效电池系统开发提供了理论指导。

　　

航空业面临严峻的碳减排压力，混合电动推进系统被视为降低飞机CO₂排放的关键技术。然而现有锂离子电池存在易燃风险，而全固态电池(ASSB)又受限于低离子电导率和高电荷转移过电位。特别是在航空应用场景下，电池需要同时满足高比能量(Wh/kg)和高比功率(W/kg)需求，这对电解质材料提出了严苛要求。

针对这一挑战，Karlsruhe研究所的Somayeh Toghyani团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，创新性地提出"双电解质"设计方案：在阳极侧采用稳定的PEO-LiTFSI/LLZTO(12.7 vol%)固态电解质防止枝晶生长，在阴极侧引入高传导性电解液提升性能。研究通过伪二维(P2D)模型，首次系统评估了包括离子液体(IL)、磺酸烷(sulfolane)等在内的7种高浓度电解质(HCE)在航空任务场景下的理论极限性能。

关键技术方法包括：1) 建立包含电极微观结构的扩展P2D模型，耦合区域混合飞机(REG-CON)的动态功率需求曲线；2) 采用爱因斯坦关系估算电解质扩散系数，对LiFSI-[PP13][FSI]/HFE等体系采用实验测定的输运参数；3) 通过阿伦尼乌斯方程统一不同电解质的温度依赖性；4) 设定0.74的电池组-单体效率转换系数，计算实际航空应用的电池质量。

研究结果部分：

1. 1.

   电解质性能对比

   在2C倍率下，LiFSA-磺酸烷/HFE和LiFSI-IL/HFE分别展现出386.87 Wh/kg和370.74 Wh/kg的比能量，较基准固态电解质(PEO/LLZTO)提升80%。Ragone曲线显示这两种电解质的功率特性在3C下仍保持优势，归因于HFE稀释剂降低粘度、提升离子电导率的协同效应。

2. 2.

   厚度优化分析

   通过扫描阴极厚度发现：LiFSA-磺酸烷/HFE在70μm时达到2C最佳性能，而固态电解质最优厚度仅40μm。浓度分布显示，固态电解质在1C放电末期即出现严重锂耗尽，而HCE体系即使3C时仍保持均匀的Li⁺分布。

3. 3.

   航空任务验证

   应用REG-CON飞机功率曲线(含起飞2.3C峰值)显示：优化后的HCE电池组质量仅2222kg，比固态方案轻44%。动态响应中，固态电池出现明显电压骤降(ΔV>0.5V)，而HCE体系电压波动控制在0.2V内。

讨论部分指出，虽然LiFSA-磺酸烷体系展现最高理论性能(比能量较IL体系高4.3%)，但LiFSI基离子液体具有更优的循环稳定性(实验验证800次循环)。研究特别强调，该模型忽略了界面副反应等实际限制，后续需结合加速量热仪(ARC)评估热失控风险。

这项研究为航空电池开发提供了重要设计准则：1) 阴极电解质应优先选择LiFSI-[PP13][FSI]/HFE等具有>2M Li⁺浓度的非水体系；2) 阴极厚度需根据目标倍率严格控制在50-70μm；3) 双电解质构型可平衡安全性与功率需求。这些发现将指导下一代航空电池的材料筛选和系统集成，对实现欧盟"洁净天空"计划的减排目标具有战略意义。