بطاريات الحالة الصلبة في الطائرات بدون طيار: الانتصارات والعقبات وما هو التالي بالنسبة للمشغلين

النتيجة؟ رحلة متواصلة مدتها 48 دقيقة و10 ثوانٍ، وهو أمر لم يكن من الممكن تصوره باستخدام أيون الليثيوم قبل بضع سنوات فقط. بالنسبة لأي شخص في هذا المجال، هذا ليس مجرد رقم؛ إنه دليل على ذلكالحالة الصلبةيمكنها إصلاح اثنتين من أكبر مشكلات مشغلي الطائرات بدون طيار: أوقات الطيران القصيرة والمخاوف المتعلقة بالسلامة. لم تحطم هذه الرحلة التجريبية الرقم القياسي فحسب، بل أظهرت أيضًا أن الطائرات بدون طيار (والطائرات بدون طيار بشكل عام) يمكنها قريبًا التعامل مع مهمات أطول وأكثر موثوقية دون المساس بالسلامة.

قفزت باناسونيك أيضًا، مع أبطارية الحالة الصلبةتم تصميمها خصيصًا للطائرات الصغيرة بدون طيار، وقد حققت مواصفاتها مكانًا رائعًا للمشغلين المشغولين. تخيل أنك تشحن بطارية طائرة بدون طيار من 10% إلى 80% خلال 3 دقائق. بالنسبة لفريق التوصيل الذي يقوم بأكثر من 20 رحلة طيران يوميًا، فإن ذلك يقلل وقت التوقف عن العمل من 30 دقيقة (مع أيون الليثيوم) إلى لا شيء تقريبًا. حتى أفضل؟ يدوم من 10000 إلى 100000 دورة شحن في درجة حرارة الغرفة. أخبرتنا إحدى شركات البناء التي نعمل معها أنها تستبدل بطاريات الليثيوم أيون كل 6 أشهر، وهذا الخيار من باناسونيك يمكن أن يستمر لمدة تزيد عن 5 سنوات. يعد هذا توفيرًا هائلاً في التكلفة، ولكنه يعني أيضًا عددًا أقل من البطاريات التي ينتهي بها الأمر في مدافن النفايات - وهو أمر يتساءل عنه العملاء بشكل متزايد أثناء توجههم نحو الاستدامة.

ولكن هذا هو الشيء الذي لا يجب أن نلطفه للعملاء: لا تزال الحالة الصلبة تحتوي على أطواق للقفز من خلالها قبل أن تكون في كل طائرة بدون طيار. لقد تحدثنا إلى العشرات من مشغلي الطائرات بدون طيار الصغيرة والمتوسطة على مدى الأشهر الستة الماضية، وتعود جميع مخاوفهم إلى نفس التحديات - تلك التي تتجاوز "المواصفات الجيدة على الورق".

خذ التكلفة أولاً. المواد وحدها أغلى: تكلفة الإلكتروليتات الصلبة الموجودة في هذه البطاريات أعلى من تكلفة السوائل السائلة في أيونات الليثيوم، وما هي الآلات اللازمة لتصنيعها؟ إنهم ليسوا خارج الرف. أخبرنا أحد صانعي الطائرات بدون طيار في تكساس أنهم يريدون التحول إلى الحالة الصلبة، لكن التكلفة الأولية لإعادة تجهيز إعداد البطارية كانت ستستهلك ميزانيتهم ​​السنوية بالكامل. بالنسبة للشركات الكبيرة مثل EHang أو Panasonic، يمكن التحكم في ذلك، ولكن بالنسبة لغالبية المشغلين، فهو يشكل عائقًا في الوقت الحالي.

ثم هناك مشكلة "استقرار الواجهة"، وهي مصطلحات خيالية لمشكلة بسيطة: يجب أن يظل المنحل بالكهرباء الصلب وأقطاب البطارية على اتصال محكم ومتسق للعمل بشكل جيد. ولكن في كل مرة يتم فيها شحن البطارية وتفريغها، تتقلص الأقطاب الكهربائية وتتوسع قليلاً. بمرور الوقت، يؤدي ذلك إلى إنشاء فجوات صغيرة، وتفقد البطارية الطاقة بشكل أسرع. لقد رأينا هذا بشكل مباشر من خلال اختبار طائرة بدون طيار في المزرعة في الربيع الماضي: بعد 50 دورة، انخفض زمن طيران بطارية الحالة الصلبة بنسبة 12% - وهو ما لا يمثل انتهاكًا للصفقة، ولكنه يكفي لجعل المزارع يتساءل: "هل سيزداد الأمر سوءًا؟" في الوقت الحالي، الجواب هو "ربما"، حتى يكتشف المصنعون مواد أكثر متانة للأقطاب الكهربائية.

تعتبر الهشاشة صداعًا آخر، خاصة بالنسبة للطائرات بدون طيار التي تطير في ظروف قاسية. معظم الإلكتروليتات الصلبة القائمة على السيراميك قوية ولكنها ليست مرنة. قام فريق بحث وإنقاذ في كولورادو باختبار بطارية من السيراميك بالكهرباء في الشتاء الماضي؛ أثناء الهبوط على أرض صخرية، تصدع غلاف البطارية (لحسن الحظ، لم يحدث حريق)، وفقدت الطائرة بدون طيار الطاقة. قد يتسرب أيون الليثيوم في هذا السيناريو، لكنه عادة ما يستمر في العمل لفترة كافية للهبوط بسلام. بالنسبة للطائرات بدون طيار التي تتعامل مع الاهتزازات (مثل الماسحات الضوئية لمواقع البناء) أو الهبوط الصعب (مثل الطائرات بدون طيار لمراقبة الحياة البرية)، يعد هذا مصدر قلق كبير.

حتى تشعبات الليثيوم - تلك الهياكل الصغيرة التي تشبه الإبرة والتي تقصر بطاريات الليثيوم أيون - لم تختف بالكامل. وهي نادرة في الحالة الصلبة، لكننا سمعنا من مهندسي البطاريات أنه عند سرعات الشحن العالية (مثل شحن باناسونيك لمدة 3 دقائق)، لا يزال من الممكن أن تتشكل التشعبات. إنها مخاطرة أقل، ولكن بالنسبة للمشغلين الذين يطيرون فوق المناطق المزدحمة، فإن كلمة "أصغر" ليست دائمًا "جيدة بما فيه الكفاية".

الحرارة هي مفاجأة أخرى. تعتبر الحالة الصلبة أكثر أمانًا في درجات الحرارة المرتفعة من أيونات الليثيوم، ولكنها لا تبدد الحرارة أيضًا. يمكن للطائرة بدون طيار المستخدمة في المهام عالية الطاقة، مثل رفع الحمولات الثقيلة أو الطيران بأقصى سرعة لفترة طويلة، أن تتراكم الحرارة بسرعة. لقد عملنا مع أحد عملاء الخدمات اللوجستية لاختبار طائرة بدون طيار ذات حالة صلبة لتوصيل الطرود بوزن 50 رطلاً؛ وبعد 25 دقيقة من الطيران، أصبحت البطارية ساخنة بدرجة كافية لدرجة أن برنامج الطائرة بدون طيار أجبرها على الهبوط مبكرًا. كان عليهم أن يضيفوا مشتتًا حراريًا خفيف الوزن، مما أدى إلى تقليص سعة الحمولة، مما أدى إلى إبطال جزء من غرض التحول إلى الحالة الصلبة.

ودعونا لا ننسى حجم التصنيع. في الوقت الحالي، يتم تصنيع معظم بطاريات الحالة الصلبة بكميات صغيرة. قد ينتظر مشغل الطائرة بدون طيار الذي يحتاج إلى 100 بطارية شهريًا من 6 إلى 8 أسابيع للتسليم، في حين أن بطاريات الليثيوم أيون متوفرة في نفس اليوم. وإلى أن تتمكن المصانع من إنتاج بطاريات الحالة الصلبة بالسرعة نفسها (وبتكلفة زهيدة) مثل بطاريات أيون الليثيوم، سيظل اعتمادها بطيئًا بالنسبة للجميع باستثناء الفرق الكبرى.

عندما يتعلق الأمر بالإلكتروليتات الصلبة نفسها، فلا يوجد "مقاس واحد يناسب الجميع" أيضًا. يعتبر السيراميك رائعًا للتوصيل، فهو يسمح للأيونات بالتحرك بسرعة، مما يعني المزيد من الطاقة، لكنه هش، كما رأينا. تتميز البوليمرات بالمرونة، لذا فهي تتعامل مع الاهتزازات بشكل أفضل، ولكنها تكون أبطأ في درجة حرارة الغرفة، وهو أمر جيد بالنسبة لطائرة زراعية بطيئة الحركة، ولكنه سيئ بالنسبة لطائرة بدون طيار سريعة التسليم. الكبريتيدات هي الحل الوسط: الموصلية الجيدة والمرونة، لكنها تتفاعل مع الرطوبة. أخبرنا أحد مشغلي الطائرات بدون طيار الساحلية في فلوريدا أنه يتعين عليهم إضافة غلاف مقاوم للماء إلى البطاريات القائمة على الكبريتيد، مما يزيد الوزن. يعتمد اختيار المنحل بالكهرباء المناسب كليًا على ما تفعله الطائرة بدون طيار، وعلى المكان الذي تطير فيه.

ومع ذلك، إليك الأخبار الجيدة: كل التحديات التي ذكرناها يتم حلها، اختبارًا واحدًا في كل مرة. لم تكن رحلة إيهانج مجرد صدفة؛ إنها علامة على أن الشركات المصنعة تكتشف كيفية تخصيص الحالة الصلبة للطائرات بدون طيار. بطارية الشحن السريع من باناسونيك ليست مجرد نموذج أولي، بل بدأت في الشحن لعملاء محددين. ومع زيادة عدد المشغلين الذين يطلبون الحالة الصلبة، ستنخفض التكاليف.

بالنسبة لأي شخص يدير أعمال الطائرات بدون طيار في الوقت الحالي، فإن السؤال ليس "إذا" ستتولى الحالة الصلبة المهمة، بل "متى وكيف يتم الاستعداد". ابدأ صغيرًا: اختبر عددًا قليلًا من بطاريات الحالة الصلبة باستخدام طائراتك بدون طيار الأكثر طلبًا (مثل التوصيل أو البحث والإنقاذ) وتتبع التوفير في الوقت وعمليات الاستبدال. تحدث إلى مورد البطارية الخاص بك حول الحلول المخصصة، فالعديد منهم على استعداد لتعديل الإلكتروليتات لتناسب حالة الاستخدام المحددة الخاصة بك.

الحالة الصلبة ليست مثالية بعد، ولكنها بالفعل أفضل من أيون الليثيوم في النواحي الأكثر أهمية: رحلات طيران أطول، وعمليات أكثر أمانًا، ووقت توقف أقل. وكما يتم حل مكامن الخلل؟ نحن نتطلع إلى مستقبل لا تقوم فيه الطائرات بدون طيار "بإنجاز المهمة" فحسب، بل تقوم بذلك بشكل أسرع وأرخص وفي أماكن أكثر من أي وقت مضى.

إذا كنت مهتمًا بمعرفة بطارية الحالة الصلبة المناسبة لطائراتك بدون طيار، أو تريد معرفة المزيد عن الاختبارات التي أجريناها مع العملاء، فلا تتردد في الاتصال بنا. هذا ليس مجرد حديث تقني، بل يتعلق بجعل عمليات الطائرات بدون طيار الخاصة بك تعمل بشكل أكثر صعوبة بالنسبة لك.