$亿航智能(EH)$ $Joby Aviation(JOBY)$ $宁德时代(SZ300750)$
eVTOL（电动垂直起降飞行器）的商业化时间节点已经临近，但在技术上仍有许多难题需要解决。例如，如何实现飞机材料的轻量化和高强度？如何应对有效载荷低、航程短、续航时间短的问题？以及如何确保eVTOL在各种干扰因素下的正常安全飞行？接下来的文章将逐一分析这些技术难题。这篇文章重点探讨影响eVTOL续航能力的核心因素以及固态电池的发展现状和未来展望。
一、影响eVTOL续航能力的因素分析
根据Lilium官网信息，电池在eVTOL的BOM成本中占比仅为10%，但作为eVTOL的动力来源，电池性能是制约其发展的核心因素。目前，eVTOL主要使用锂电池，如美国的Joby S4、Archer Midnight，英国的Vertical X4，国内的峰飞盛世龙和时的科技的E20等均采用锂电池。
然而，与新能源汽车相比，eVTOL对电池的功率密度、循环寿命、安全性、充电倍率、峰值功率持续时间、平均放电倍率等提出了更高的要求。根据邓景辉的《电动垂直起降飞行器的技术现状与发展》，当前车载锂电池的功率密度和循环寿命远低于eVTOL的需求。现有电池单体电芯的能量密度最高水平在300 Wh/kg左右，电池包的能量密度约为220 Wh/kg，远低于飞机燃油的能量密度（约为12700 Wh/kg）。因此，目前的锂电池只能勉强满足小型全电飞行器的短距离飞行需求，限制了eVTOL的使用场景。
由于eVTOL起降过程的特性，需要考虑电池安全阈值和备用巡航时间，即使在电池能量密度相同的情况下，eVTOL的续航能力也远低于电动汽车。
垂直起降阶段的电池需求：根据论文《Challenges and key requirements of batteries for electric vertical takeoff and landing aircraft》，eVTOL在垂直起降阶段需要的电池放电功率是巡航阶段的3倍左右（不同构型有所差异），且电池的放电功率会随着电量的降低而降低，这需要预留充足电量用于起降，阈值一般为电池电量的10%-20%。
法规要求的储备巡航时间：飞行器需预留一定的巡航时间以应对突发情况，如停机坪被占用等，这也需要占据一定的电池电量。
不同eVTOL机型的续航影响：不同机型的动力学设计对续航能力有显著影响。一般来说，矢量推进型的续航最长，复合翼次之，多旋翼型最低。
基于以上因素，国投证券根据论文《Challenges and key requirements of batteries for electric vertical takeoff and landing aircraft》设置了飞行器的电池容量和升阻比两个参数，并对搭载能量密度为235 Wh/kg电池的Joby S4实际续航能力进行了测算。在悲观假设、中性假设和乐观假设下，Joby S4的实际续航分别为97 km、139 km和181 km，而Joby官方给出的续航能力数据为160 km。这远低于电动汽车，如电池容量为140 kWh的极氪009的续航里程达到822 km。
测算过程中使用的参数如下：
电池容量测算：根据Joby官网，Joby S4最大起飞质量为2404 kg，假设电池重量分数为0.3，则电池容量约为170 kWh。
升阻比：Joby S4为矢量推进构型，假设巡航升阻比为13，起降升阻比为11。
其他基本假设：假设起飞和降落时间均为30秒，巡航速度为200 km/h。
电池损耗程度：悲观/中性/乐观假设下电池损耗分别为10%/5%/0%。
低能量阈值：悲观/中性/乐观假设下电池低能量阈值分别为20%/15%/10%。
备用巡航时间：悲观/中性/乐观假设下备用巡航时间分别为20/15/10分钟。
二、高能量密度的航空电池高速发展，eVTOL续航难题有望突破
航空业对动力电池单元能量密度提出了显著高于电动汽车的要求（近期目标＞300Wh/kg，远期目标＞500Wh/kg），政府也已经给出了行业发展规划。2023年10月，我国工业和信息化部等四部门发布的《绿色航空制造业发展纲要（2023-2035年）》指出，要满足电动航空器使用需求和适航要求，400Wh/kg级航空锂电池产品将投入量产，500Wh/kg级产品将进行小规模验证。
目前，国内外的电池厂商，如宁德时代、孚能科技、国轩高科、中创新航等，均在积极布局航空电池赛道。其中，宁德时代于2023年4月发布了单体能量密度高达500Wh/kg的凝聚态电池，并表示正在与民用电动载人飞机项目合作开发；国轩高科于2023年12月与亿航智能签订了战略合作协议；中创新航于2022年为小鹏汇天X3提供了9系高镍/硅体系动力电池。此外，eVTOL主机厂也公布了相关规划，如Lilium计划到2025年电池能量密度达到330Wh/kg，续航达到175km；到2030年，电池能量密度达到500Wh/kg，续航达到275km。
根据国投证券统计的现有主要厂商航空电池进展，目前固态电池方案较为普遍。这是因为现有锂离子电池基本采用液体电解质，其能量密度逼近理论性能极限（250-300Wh/kg），无法满足航空电池的需求。另外，液态化学体系容易出现隔膜穿刺或电解液燃烧等问题，导致热失控。而固态电池具有较高的能量密度（可达500Wh/kg）、工作温度较高（150℃）等优势，有望成为液态电池的终极替代者，具有长远的发展潜力。在实际产业化应用过程中，锂电池状态可按液态电解质含量分为液态（液体含量＞25wt.%）、凝胶态（10 wt.% -25 wt.% ）、半固态（5 wt.% -10 wt.% ）、准固态（1 wt.% -5 wt.% ）、全固态（0 wt.% ），应用难度依次增加。
从液态电池到固态电池，电池所需的主要材料会发生较大变化，尤其是负极材料。随着液体含量的降低，锂电池材料中的锂含量逐渐增加，负极材料从石墨（锂含量：0 wt.% ）逐渐转变为硅碳负极，最终可能发展为锂金属负极（锂含量：80 wt.% -100 wt.% ）。正极材料方面，液态电池常用三元材料、高镍三元和磷酸铁锂，而固态电池正极主要采用三元高镍或超高镍材料。
根据固态电解质材料属性，固态电池主要分为聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质和卤化物电解质等技术路线，其中聚合物、氧化物和硫化物是最主要的技术路线：
聚合物电解质：最早研发，优点是在室温下工作，但功率密度较低，倍率性能不佳，电池能量密度也不高。因此，聚合物的应用相对较少。
氧化物电解质：更为主流，尤其是在国内企业中。氧化物电解质循环性能较好，电导率介于聚合物和硫化物之间，成本中等。目前备受市场关注的半固态电池大多采用氧化物或氧化物与聚合物的复合路线。
硫化物电解质：国外厂商主要采用，定位全固态电池。硫化物电解质性能优异，但加工性能较差，制备过程中需要气氛保护，对环境控制要求较高，机械性能较差，因此实现量产难度更大，短期内难以大规模商业化。
从成本角度来看，不同固态电解质的成本差异较大。根据调研，液态电解质的成本约为7万元/吨，聚合物约为10至11万元/吨，氧化物在100万至200万元/吨之间，硫化物则超过300万元/吨。可以看出，聚合物电解质成本最低，与液态电解质相近，而硫化物的成本最高。
三、固态电池的未来展望
1. 短期内eVTOL有望成为固态电池大规模商业化的最佳场景
根据创新联盟的数据，赣锋锂电和卫蓝新能源等企业已经开始使用固态电池方案。2023年，固液混合态动力电池的批量装车量约为798MWh，其中前10个月仅装机38MWh，但国内半固态电池的装车进度明显加快。固态电解质中使用部分稀有金属，原料价格较高，加上其他高活性正负极材料尚未成熟，整体BOM成本显著高于液体锂离子电池。因此，目前半固态电池主要应用于售价30万以上的高端乘用车上，尚未大规模应用。
降低固态电池成本的重要举措是通过规模化生产降低单位材料成本。根据论文《Prospects on production technologies and manufacturing cost of oxide-based all-solid-state lithium batteries》，以氧化物固体电解质为例，当产能分别为1MWh和10GWh时，未量产的电池成本是量产情况下的65倍。相比于电动汽车，低空飞行器eVTOL有望成为固态电池的最佳应用场景，原因如下：
（1）eVTOL整机售价较高，对动力电池成本相对不敏感。目前飞行汽车的售价可以达到一两百万，因此其成本控制并不像普通汽车那样严格。虽然固态电池技术在研究和加工成本上可能会增加，但考虑到产品最终形态的设计和理想模型，成本的增加幅度预计在10%以内，而电池在eVTOL的BOM成本中占比仅为10%，短期内这些成本上升是在可接受的范围内。
（2）固态电池是提升eVTOL续航的首选方案。低空飞行器eVTOL已进入商业化落地阶段，终端厂商如亿航智能、峰飞航空、小鹏汇天进展较快，这些厂商采用的是纯电动系统，而飞行器对能量密度和安全性要求更高，因此能量密度更高的固态电池预期会成为eVTOL厂商的首选。而普通汽车可以采用更具有经济性的油气增程方案，不一定需要使用成本较高的固态电池。
若要实现更广泛的应用，如空中出租车，就必须考虑到出行成本，这将对电池成本控制提出新的要求。具体成本要求将取决于客户对飞行汽车的期望以及相应的业务模型。但随着固态电池的规模化和电池效率提升带来的额外成本降低，预期固态电池成本上升不会成为规模化应用的主要障碍。
2. 半固态电池作为过渡方案，商业化的可持续性有待商榷
固态电池距离量产仍有一定时间，目前已经开始销售的为半固态电池。半固态电池的主要生产工艺可以利用目前液态锂离子电池的生产技术，整体上只有20%的工序不同，所以半固态电池的产业化进展会更快。但长期来看，半固态电池的产品生命周期非常短，经济价值不高，理由如下：
（1）半固态电池是固态电池的过渡方案。这种技术手段基本上是在液态电池的基础上进行改进，理论上液态电池也可以通过技术改进达到类似效果，例如在正极层涂覆氧化铝。
（2）半固态电池技术更多是文字游戏，对实现全固态电池没有太大帮助。真正有技术进步的是全固态电池技术，一旦固态电池技术取得突破，半固态电池的商业化场景将迅速被固态电池替代。
（3）正负极材料变更带来的问题。采用高镍三元正极配合硅碳负极（掺杂比例20%）理论上可实现360Wh/kg的能量密度，但在负极材料中增加石墨与硅的比例（8:2）时，体积膨胀问题突出，影响循环稳定性和耐用性，并带来更大的安全风险。
综上所述，固态电池在短期内为eVTOL提供了可行的商业化路径，但其技术成熟度和成本控制仍需进一步提升。而半固态电池作为过渡方案，其商业化可持续性值得商榷。
资料来源：
【国投证券】2024-05-14 汽车零部件Ⅲ行业深度分析：eVTOL是低空经济的最佳载体
【中邮证券】2024-05-08 国防军工深度报告：低空经济专题之三：eVTOL详细拆解
【长江证券】2024-05-09 固态上车提速，锂电终局初显
【国盛证券】2024-05-04 聚焦安全与续航，固态电池产业化进程加速