Solid-State-batterijen in drones: overwinningen, hindernissen en wat de toekomst biedt voor operators

Het resultaat? Een ononderbroken vlucht van 48 minuten en 10 seconden, iets dat een paar jaar geleden ondenkbaar zou zijn geweest met lithium-ion. Voor iedereen in de ruimte is dat niet slechts een getal; het is het bewijs datvaste toestandkan twee van de grootste problemen van drone-operators oplossen: korte vliegtijden en veiligheidsproblemen. Die testvlucht brak niet alleen een record, maar toonde ook aan dat eVTOL's (en drones in het algemeen) binnenkort langere, betrouwbaardere missies zouden kunnen uitvoeren zonder afbreuk te doen aan de veiligheid.

Panasonic sprong ook in, met eenvaste toestand batterijspeciaal gebouwd voor kleinere drones – en hun specificaties zijn een goede keuze voor drukke operators. Stel je voor dat je de batterij van een drone in 3 minuten van 10% naar 80% oplaadt. Voor een bezorgteam dat meer dan twintig vluchten per dag uitvoert, wordt de downtime teruggebracht van 30 minuten (met lithium-ion) tot vrijwel niets. Nog beter? De batterij gaat 10.000 tot 100.000 oplaadcycli mee bij kamertemperatuur. Een bouwbedrijf waarmee we samenwerken, vertelde ons dat ze de lithium-ionbatterijen elke zes maanden vervangen; met deze optie van Panasonic zouden ze meer dan vijf jaar meegaan. Dat is een enorme kostenbesparing, maar het betekent ook dat er minder batterijen op stortplaatsen belanden – iets waar klanten steeds vaker naar vragen als ze streven naar duurzaamheid.

Maar dit is iets waar we onze klanten niet mee willen verzoenen: solid-state heeft nog steeds hoepels waar ze doorheen moeten springen voordat het in elke drone zit. We hebben de afgelopen zes maanden met tientallen kleine tot middelgrote drone-operators gesproken, en hun zorgen komen allemaal terug op dezelfde uitdagingen – uitdagingen die verder gaan dan ‘goede specificaties op papier’.

Neem eerst de kosten. Alleen al de materialen zijn duurder: de vaste elektrolyten in deze batterijen kosten meer dan de vloeibare elektrolyten in lithium-ion, en de machines die nodig zijn om ze te maken? Ze zijn niet kant-en-klaar. Een startende dronemaker in Texas vertelde ons dat ze wilden overstappen op solid-state, maar dat de initiële kosten voor het opnieuw inrichten van hun batterijconfiguratie hun hele jaarbudget zouden hebben opgeslokt. Voor grote spelers als EHang of Panasonic is dat beheersbaar, maar voor de meeste operators is het momenteel een barrière.

Dan is er nog het probleem van de ‘interfacestabiliteit’ – mooie termen voor een eenvoudig probleem: de vaste elektrolyt en de elektroden van de batterij moeten in nauw en consistent contact blijven om goed te kunnen werken. Maar elke keer dat de batterij wordt opgeladen en ontladen, krimpen en zetten de elektroden een beetje uit. Na verloop van tijd ontstaan ​​er kleine gaatjes en verliest de batterij sneller stroom. We hebben dit afgelopen voorjaar uit de eerste hand gezien bij een dronetest op een boerderij: na 50 cycli daalde de vliegtijd van de solid-state batterij met 12% – geen dealbreaker, maar genoeg dat de boer vroeg: “Wordt dit nog erger?” Op dit moment is het antwoord ‘misschien’, totdat fabrikanten duurzamere elektrodematerialen bedenken.

Broosheid is een andere hoofdpijn, vooral voor drones die in ruige omstandigheden vliegen. De meeste vaste elektrolyten op keramiekbasis zijn taai, maar niet flexibel. Een zoek- en reddingsteam in Colorado heeft afgelopen winter een keramische elektrolytbatterij getest; tijdens een landing op rotsachtig terrein barstte de batterijbehuizing (gelukkig geen brand) en verloor de drone stroom. Lithium-ion kan in dat scenario gaan lekken, maar blijft meestal lang genoeg werken om veilig te kunnen landen. Voor drones die trillingen opvangen (zoals scanners op bouwplaatsen) of harde landingen (zoals drones voor het monitoren van wilde dieren), is dit een grote zorg.

Zelfs lithiumdendrieten – die kleine, naaldachtige structuren die lithium-ionbatterijen kortsluiten – zijn nog niet volledig verdwenen. In vaste toestand zijn ze zeldzamer, maar we hebben van batterijingenieurs gehoord dat bij hoge oplaadsnelheden (zoals bij Panasonic’s oplaadtijd van 3 minuten) er nog steeds dendrieten kunnen ontstaan. Het risico is kleiner, maar voor operators die over drukke gebieden vliegen, is ‘kleiner’ niet altijd ‘goed genoeg’.

Hitte is nog een verrassing. Vaste stof is veiliger bij hoge temperaturen dan lithium-ion, maar voert ook geen warmte af. Een drone die wordt gebruikt voor taken met een hoog vermogen, zoals het tillen van zware ladingen of langdurig vliegen op topsnelheid, kan snel warmte opbouwen. We werkten samen met een logistieke klant die een solid-state drone testte voor pakketbezorging van 50 pond; na 25 minuten vliegen werd de batterij zo heet dat de software van de drone hem dwong vroeg te landen. Ze moesten een lichtgewicht koellichaam toevoegen, wat het laadvermogen verminderde, waardoor een deel van het doel van de overstap naar solid-state werd tenietgedaan.

En laten we de productieschaal niet vergeten. Op dit moment worden de meeste solid-state batterijen in kleine batches gemaakt. Een drone-operator die 100 batterijen per maand nodig heeft, kan zes tot acht weken wachten op levering, terwijl lithium-ionbatterijen dezelfde dag op voorraad zijn. Totdat fabrieken solid-state batterijen net zo snel (en goedkoop) op de markt kunnen brengen als lithium-ion, zal de adoptie voor iedereen, behalve voor de grootste teams, traag blijven.

Als het om de vaste elektrolyten zelf gaat, bestaat er ook geen ‘one-size-fits-all’. Keramiek is geweldig voor de geleidbaarheid – ze laten ionen snel bewegen, wat meer kracht betekent – ​​maar ze zijn broos, zoals we zagen. Polymeren zijn flexibel, dus ze kunnen beter omgaan met trillingen, maar zijn langzamer bij kamertemperatuur – prima voor een langzaam bewegende landbouwdrone, maar slecht voor een drone met snelle levering. Sulfiden vormen de middenweg: goede geleidbaarheid en flexibiliteit, maar ze reageren op vocht. Een drone-operator aan de kust in Florida vertelde ons dat ze een waterdichte behuizing moesten toevoegen aan op sulfide gebaseerde batterijen, wat voor extra gewicht zorgde. Het kiezen van de juiste elektrolyt hangt volledig af van wat de drone doet en waar hij vliegt.

Maar hier is het goede nieuws: elke uitdaging die we hebben genoemd, wordt opgelost, test voor test. De vlucht van EHang was geen toevalstreffer; het is een teken dat fabrikanten aan het uitzoeken zijn hoe ze solid-state kunnen afstemmen op drones. De snelladende batterij van Panasonic is niet zomaar een prototype; hij wordt nu naar geselecteerde klanten verzonden. En naarmate meer operators solid-state eisen, zullen de kosten dalen.

Voor iedereen die op dit moment een dronebedrijf runt, is de vraag niet ‘of’ solid-state het overneemt – maar ‘wanneer en hoe zich voor te bereiden’. Begin klein: test een paar solid-state batterijen met uw meest gevraagde drones (zoals bezorging of zoek-en-reddingsacties) en houd de besparingen in tijd en vervangingen bij. Praat met uw batterijleverancier over oplossingen op maat; velen zijn bereid de elektrolyten aan te passen voor uw specifieke gebruikssituatie.

Solid-state is nog niet perfect, maar het is al beter dan lithium-ion op de manieren die er het meest toe doen: langere vluchten, veiligere operaties en minder downtime. En als de knikken worden opgelost? We kijken naar een toekomst waarin drones niet alleen ‘de klus klaren’, maar ook sneller, goedkoper en op meer plaatsen dan ooit tevoren.

Als u nieuwsgierig bent naar welke solid-state batterij geschikt is voor uw drones, of meer wilt weten over de tests die we met klanten hebben uitgevoerd, neem dan contact met ons op. Dit is niet alleen maar technische praat, het gaat erom dat u uw drone-operaties harder voor u laat werken.