Твердотільні батареї в дронах: перемоги, перешкоди та що далі для операторів

Результат? 48-хвилинний 10-секундний безперервний політ — те, що було б немислимо з літій-іонними акумуляторами всього кілька років тому. Для будь-кого в космосі це не просто число; це доказ тоготвердотільнийможе вирішити дві найбільші проблеми операторів дронів: короткий час польоту та проблеми з безпекою. Цей випробувальний політ не просто побив рекорд — він показав, що eVTOL (і дрони загалом) незабаром зможуть виконувати більш тривалі та надійніші місії, не знижуючи безпеки.

Panasonic також вскочив, з aтвердотільний акумуляторстворені спеціально для невеликих безпілотних літальних апаратів, а їхні характеристики подобаються зайнятим операторам. Уявіть, що акумулятор дрона заряджається з 10% до 80% за 3 хвилини. Для команди доставки, яка виконує понад 20 рейсів на день, це скорочує час простою з 30 хвилин (з літій-іонним акумулятором) до майже нуля. Ще краще? Він витримує від 10 000 до 100 000 циклів зарядки при кімнатній температурі. Будівельна компанія, з якою ми співпрацюємо, повідомила нам, що вони замінюють літій-іонні батареї кожні 6 місяців — ця опція Panasonic може прослужити їм більше 5 років. Це величезна економія коштів, але це також означає, що менше батарей потрапляє на сміттєзвалище — те, про що все частіше запитують клієнти, які прагнуть до сталого розвитку.

Але ось те, що ми не прикрашаємо для клієнтів: у твердотільного пристрою все ще є кілька обручів, через які потрібно пройти, перш ніж він з’явиться в кожному дроні. Протягом останніх 6 місяців ми спілкувалися з десятками малих і середніх операторів дронів, і всі вони стурбовані тими самими проблемами, які виходять за рамки «гарних характеристик на папері».

Спочатку візьміть вартість. Ці матеріали дорожчі: тверді електроліти в цих батареях коштують дорожче, ніж рідкі літій-іонні, а машини, необхідні для їх виготовлення? Вони не звичайні. Стартап-виробник дронів у Техасі сказав нам, що хоче перейти на твердотільний, але початкові витрати на переобладнання акумуляторної установки з’їли б увесь їхній річний бюджет. Для таких великих гравців, як EHang або Panasonic, це цілком можливо, але для більшості операторів зараз це перешкода.

Крім того, є проблема «стабільності інтерфейсу» — химерні терміни для простої проблеми: твердий електроліт і електроди батареї повинні залишатися в щільному, постійному контакті, щоб добре працювати. Але кожен раз, коли акумулятор заряджається і розряджається, електроди трохи стискаються і розширюються. Згодом це створює крихітні зазори, і акумулятор втрачає заряд швидше. Ми побачили це на власні очі під час випробування дрона на фермі минулої весни: після 50 циклів час польоту твердотільної батареї впав на 12% — це не порушило угоду, але достатньо, щоб фермер запитав: «Чи стане гірше?» Зараз відповідь «можливо», поки виробники не знайдуть більш міцні електродні матеріали.

Крихкість — ще один головний біль, особливо для дронів, які літають у важких умовах. Більшість твердих електролітів на основі кераміки міцні, але не гнучкі. Пошуково-рятувальна команда в Колорадо випробувала керамічно-електролітну батарею минулої зими; під час посадки на кам'янисту місцевість тріснув корпус акумулятора (на щастя, без загоряння), і дрон втратив живлення. За такого сценарію може витікати літій-іон, але зазвичай він працює достатньо довго, щоб безпечно приземлитися. Для дронів, які витримують вібрацію (наприклад, сканери будівельних майданчиків) або жорсткі посадки (як дрони для моніторингу дикої природи), це викликає серйозне занепокоєння.

Навіть літієві дендрити — ці крихітні, схожі на голки структури, які замикають літій-іонні батареї — не повністю зникли. У твердотільних акумуляторах вони зустрічаються рідше, але ми чули від інженерів акумуляторів, що за високих швидкостей заряджання (наприклад, 3-хвилинне заряджання Panasonic) все одно можуть утворюватися дендрити. Це менший ризик, але для операторів, які літають над багатолюдними районами, «менший» не завжди є «достатнім».

Ще один сюрприз – спека. Твердотільний безпечніший за високих температур, ніж літій-іонний, але він також не розсіює тепло. Дрон, який використовується для виконання завдань високої потужності, як-от підняття важких корисних вантажів або тривалий політ на максимальній швидкості, може швидко нагріватися. Ми працювали з клієнтом із логістики, тестуючи твердотільний дрон для доставки пакетів вагою 50 фунтів; після 25 хвилин польоту акумулятор нагрівся настільки, що програмне забезпечення дрона змусило його приземлитися раніше. Їм довелося додати легкий радіатор, який знизив ємність корисного навантаження, частково порушуючи мету переходу на твердотільний.

І не забуваймо про масштаби виробництва. Наразі більшість твердотільних акумуляторів виготовляються невеликими партіями. Оператор дрона, якому потрібно 100 акумуляторів на місяць, може чекати доставки 6-8 тижнів, тоді як літій-іонні акумулятори є в наявності в той же день. Поки заводи не зможуть виробляти твердотільні батареї так само швидко (і дешево), як літій-іонні, впровадження буде відбуватися повільно для всіх, крім найбільших команд.

Коли справа доходить до самих твердих електролітів, тут також немає «одного розміру для всіх». Кераміка має чудову провідність — вона дозволяє іонам рухатися швидше, що означає більшу потужність, — але, як ми бачили, вона крихка. Полімери є гнучкими, тому вони краще справляються з вібрацією, але вони повільніші за кімнатної температури — добре для повільного сільськогосподарського дрона, але погано для швидкого дрона. Сульфіди – це золота середина: хороша провідність і гнучкість, але вони реагують на вологу. Прибережний оператор безпілотника у Флориді сказав нам, що їм довелося додати водонепроникний корпус до сульфідних батарей, що додало ваги. Вибір правильного електроліту повністю залежить від того, що робить дрон і куди він літає.

Однак ось хороша новина: усі згадані нами проблеми вирішуються по одному. Політ EHang не був випадковістю; це ознака того, що виробники з’ясовують, як пристосувати твердотільний пристрій до дронів. Акумулятор Panasonic зі швидким заряджанням — це не просто прототип, він починає постачатися вибраним клієнтам. І в міру того, як все більше операторів вимагатимуть твердотільних пристроїв, витрати зменшаться.

Для будь-кого, хто зараз веде бізнес з безпілотниками, питання не в тому, «чи» твердотільний пристрій візьме верх, а в тому, «коли і як підготуватися». Почніть з малого: протестуйте кілька твердотільних акумуляторів із дронами, які найбільше затребувані (як-от доставка чи пошуково-рятувальні роботи), і відстежуйте економію часу та заміни. Поговоріть зі своїм постачальником акумуляторів щодо індивідуальних рішень — багато хто готовий налаштувати електроліти для конкретного випадку використання.

Твердотільний ще не ідеальний, але він уже кращий за літій-іонний у найважливіших аспектах: триваліші польоти, безпечніша робота та менший час простою. І як усунути переломи? Ми дивимось у майбутнє, де дрони не просто «виконують роботу» — вони роблять це швидше, дешевше та в більшій кількості місць, ніж будь-коли.

Якщо вам цікаво, яка твердотільна батарея підходить для ваших дронів, або хочете дізнатися більше про тести, які ми проводили з клієнтами, напишіть нам. Це не просто технічні розмови — це про те, щоб ваші безпілотники працювали на вас більше.