Pin thể rắn trong máy bay không người lái: Thắng lợi, vượt rào và điều gì tiếp theo dành cho người vận hành

Kết quả? Chuyến bay liên tục kéo dài 48 phút 10 giây—điều mà chỉ vài năm trước đây không thể tưởng tượng được với lithium-ion. Đối với bất kỳ ai trong không gian, đó không chỉ là một con số; đó là bằng chứng rằngtrạng thái rắncó thể khắc phục hai vấn đề lớn nhất của người điều khiển máy bay không người lái: thời gian bay ngắn và những lo lắng về an toàn. Chuyến bay thử nghiệm đó không chỉ phá kỷ lục mà còn cho thấy rằng eVTOL (và máy bay không người lái nói chung) có thể sớm xử lý các nhiệm vụ dài hơn, đáng tin cậy hơn mà không cắt giảm sự an toàn.

Panasonic cũng nhảy vào cuộc vớipin thể rắnđược chế tạo dành riêng cho máy bay không người lái nhỏ hơn—và thông số kỹ thuật của chúng rất phù hợp với những người vận hành bận rộn. Hãy tưởng tượng sạc pin máy bay không người lái từ 10% đến 80% trong 3 phút. Đối với đội ngũ giao hàng thực hiện hơn 20 chuyến bay mỗi ngày, điều đó giúp giảm thời gian ngừng hoạt động từ 30 phút (với lithium-ion) xuống gần như không có. Thậm chí tốt hơn? Nó kéo dài 10.000 đến 100.000 chu kỳ sạc ở nhiệt độ phòng. Một công ty xây dựng mà chúng tôi hợp tác cho biết họ thay pin lithium-ion 6 tháng một lần—tùy chọn này của Panasonic có thể sử dụng được hơn 5 năm. Đó là một khoản tiết kiệm chi phí lớn nhưng cũng có nghĩa là sẽ có ít pin được đưa vào bãi chôn lấp hơn—điều mà khách hàng ngày càng thắc mắc khi họ hướng tới tính bền vững.

Nhưng đây là điều chúng tôi không phủ nhận cho khách hàng: trạng thái rắn vẫn còn nhiều vòng phải vượt qua trước khi nó có trong mọi máy bay không người lái. Chúng tôi đã nói chuyện với hàng chục nhà khai thác máy bay không người lái vừa và nhỏ trong 6 tháng qua và mối quan tâm của họ đều xoay quanh những thách thức giống nhau—những thách thức vượt xa “thông số kỹ thuật tốt trên giấy tờ”.

Hãy tính chi phí đầu tiên. Chỉ riêng vật liệu đã đắt hơn: chất điện phân rắn trong các loại pin này đắt hơn chất điện phân lỏng trong lithium-ion, và máy móc cần thiết để sản xuất chúng? Chúng không có sẵn. Một nhà sản xuất máy bay không người lái khởi nghiệp ở Texas nói với chúng tôi rằng họ muốn chuyển sang sử dụng thể rắn, nhưng chi phí ban đầu để trang bị lại thiết lập pin sẽ ngốn hết toàn bộ ngân sách hàng năm của họ. Đối với những công ty lớn như EHang hay Panasonic, điều đó có thể quản lý được nhưng đối với phần lớn các nhà khai thác, hiện tại đó là một rào cản.

Sau đó là vấn đề về “sự ổn định của giao diện” – những thuật ngữ ưa thích cho một vấn đề đơn giản: chất điện phân rắn và các điện cực của pin cần phải tiếp xúc chặt chẽ và nhất quán để hoạt động tốt. Nhưng mỗi lần sạc và xả pin, các điện cực lại co lại và giãn ra một chút. Theo thời gian, điều đó sẽ tạo ra những khoảng trống nhỏ và pin sẽ mất điện nhanh hơn. Chúng tôi đã tận mắt chứng kiến ​​điều này qua cuộc thử nghiệm máy bay không người lái trong trang trại vào mùa xuân năm ngoái: sau 50 chu kỳ, thời gian bay của pin thể rắn giảm 12%—không phải là yếu tố phá vỡ thỏa thuận, nhưng đủ để người nông dân hỏi: “Liệu điều này có trở nên tồi tệ hơn không?” Hiện tại, câu trả lời là “có thể” cho đến khi các nhà sản xuất tìm ra vật liệu điện cực bền hơn.

Độ giòn là một vấn đề đau đầu khác, đặc biệt đối với máy bay không người lái bay trong điều kiện khắc nghiệt. Hầu hết các chất điện phân rắn làm từ gốm đều cứng nhưng không linh hoạt. Một nhóm tìm kiếm cứu nạn ở Colorado đã thử nghiệm pin điện phân gốm vào mùa đông năm ngoái; Trong khi hạ cánh trên địa hình nhiều đá, vỏ pin bị nứt (may mắn là không có cháy) và máy bay không người lái bị mất điện. Lithium-ion có thể bị rò rỉ trong trường hợp đó, nhưng nó thường hoạt động đủ lâu để hạ cánh an toàn. Đối với máy bay không người lái xử lý rung động (như máy quét công trường) hoặc hạ cánh cứng (như máy bay không người lái giám sát động vật hoang dã), đây là một mối lo ngại lớn.

Ngay cả sợi nhánh lithium – những cấu trúc nhỏ như hình kim làm cạn kiệt pin lithium-ion – cũng không biến mất hoàn toàn. Chúng hiếm hơn ở trạng thái rắn, nhưng chúng tôi đã nghe từ các kỹ sư pin rằng ở tốc độ sạc cao (như sạc 3 phút của Panasonic), đuôi gai vẫn có thể hình thành. Đó là một rủi ro nhỏ hơn, nhưng đối với những người khai thác bay qua các khu vực đông người, “nhỏ hơn” không phải lúc nào cũng “đủ tốt”.

Nhiệt là một bất ngờ khác. Trạng thái rắn an toàn hơn ở nhiệt độ cao so với lithium-ion, nhưng nó cũng không tản nhiệt. Máy bay không người lái được sử dụng cho các nhiệm vụ đòi hỏi năng lượng cao—như nâng tải trọng nặng hoặc bay ở tốc độ tối đa trong thời gian dài—có thể tích tụ nhiệt nhanh chóng. Chúng tôi đã làm việc với một khách hàng hậu cần để thử nghiệm một máy bay không người lái thể rắn để vận chuyển gói hàng nặng 50 pound; Sau 25 phút bay, pin nóng đến mức phần mềm của máy bay không người lái buộc nó phải hạ cánh sớm. Họ đã phải bổ sung thêm một bộ tản nhiệt nhẹ, làm giảm khả năng chịu tải - làm mất đi một phần mục đích chuyển sang trạng thái rắn.

Và đừng quên quy mô sản xuất. Hiện nay, hầu hết pin thể rắn đều được sản xuất theo lô nhỏ. Người điều khiển máy bay không người lái cần 100 pin mỗi tháng có thể đợi 6-8 tuần để được giao hàng, trong khi pin lithium-ion có sẵn trong ngày. Cho đến khi các nhà máy có thể sản xuất ra pin thể rắn nhanh chóng (và rẻ) như lithium-ion, việc áp dụng sẽ còn chậm đối với tất cả các đội trừ những đội lớn nhất.

Khi nói đến các chất điện phân rắn, cũng không có “một kích cỡ phù hợp cho tất cả”. Gốm sứ có khả năng dẫn điện rất tốt—chúng cho phép các ion di chuyển nhanh, nghĩa là có nhiều năng lượng hơn—nhưng chúng lại dễ vỡ như chúng ta đã thấy. Polyme rất linh hoạt nên xử lý rung động tốt hơn nhưng chậm hơn ở nhiệt độ phòng – phù hợp với máy bay không người lái nông nghiệp di chuyển chậm nhưng lại không tốt đối với máy bay không người lái giao hàng nhanh. Sunfua là chất trung gian: dẫn điện tốt và linh hoạt, nhưng chúng phản ứng với độ ẩm. Một nhà điều hành máy bay không người lái ven biển ở Florida nói với chúng tôi rằng họ phải thêm vỏ chống thấm nước vào pin gốc sunfua, điều này làm tăng thêm trọng lượng. Việc chọn chất điện phân phù hợp hoàn toàn phụ thuộc vào chức năng của máy bay không người lái và nơi nó bay.

Tuy nhiên, đây là tin tốt: mọi thử thách mà chúng tôi đề cập đều đang được giải quyết, mỗi lần một thử nghiệm. Chuyến bay của EHang không phải là may mắn; đó là dấu hiệu cho thấy các nhà sản xuất đang tìm cách điều chỉnh trạng thái rắn cho máy bay không người lái. Pin sạc nhanh của Panasonic không chỉ là mẫu thử nghiệm mà nó đang bắt đầu được giao cho một số khách hàng chọn lọc. Và khi nhiều nhà khai thác yêu cầu trạng thái rắn hơn, chi phí sẽ giảm.

Đối với bất kỳ ai đang điều hành hoạt động kinh doanh máy bay không người lái ngay bây giờ, câu hỏi không phải là “liệu” trạng thái rắn sẽ tiếp quản hay không mà là “khi nào và cách chuẩn bị”. Bắt đầu từ việc nhỏ: kiểm tra một số pin thể rắn với máy bay không người lái có nhu cầu cao nhất của bạn (như giao hàng hoặc tìm kiếm và cứu hộ) và theo dõi mức tiết kiệm về thời gian cũng như việc thay thế. Hãy trao đổi với nhà cung cấp pin của bạn về các giải pháp tùy chỉnh—nhiều người sẵn sàng điều chỉnh chất điện phân cho trường hợp sử dụng cụ thể của bạn.

Trạng thái rắn chưa hoàn hảo nhưng nó đã tốt hơn lithium-ion ở những khía cạnh quan trọng nhất: chuyến bay dài hơn, hoạt động an toàn hơn và ít thời gian ngừng hoạt động hơn. Và khi các nút thắt được giải quyết? Chúng tôi đang hướng tới một tương lai nơi máy bay không người lái không chỉ “hoàn thành công việc”—chúng còn làm việc đó nhanh hơn, rẻ hơn và ở nhiều nơi hơn bao giờ hết.

Nếu bạn tò mò về loại pin thể rắn nào phù hợp với máy bay không người lái của mình hoặc muốn biết thêm về các thử nghiệm mà chúng tôi đã thực hiện với khách hàng, hãy liên hệ với chúng tôi. Đây không chỉ là cuộc nói chuyện về công nghệ—mà còn là việc làm cho hoạt động bay không người lái của bạn trở nên hiệu quả hơn cho bạn.