¿Por qué las baterías de iones de litio no se utilizan en los aviones, pero se utilizan ampliamente en la industria de los vehículos eléctricos?

Esta puede parecer una pregunta muy ingenua. Tal vez la comparación de un vehículo eléctrico con un avión sea muy inapropiada. Pero no pude encontrar una respuesta clara en la búsqueda web.

Las baterías de iones de litio tienen una alta relación potencia-peso, alta eficiencia energética y buen rendimiento a altas temperaturas. Incluso entonces, no se prefieren para ser utilizados en aeronaves.

Si la seguridad es la preocupación, ¿no existen suficientes mecanismos de protección que han permitido su proliferación generalizada en la industria de los vehículos eléctricos?

¿Por qué la industria aeroespacial no aprovecha la ventaja peso-potencia-peso? ¿Cuáles son los otros aspectos a considerar, condiciones ambientales extremas o algo así?

Editar: estoy preguntando sobre el uso de la batería como en un avión típico, no para propulsión eléctrica. Perdón por no haber sido claro antes

Si está preguntando sobre el uso de baterías como reemplazo del combustible para aviones convencional, esta pregunta puede ser útil (o incluso un engaño).
Si está preguntando acerca de las baterías para la propulsión, esta pregunta también podría ser un engaño: Aviation.stackexchange.com/questions/45040/…
Li-Ion tiene una alta potencia/peso en comparación con otras baterías químicas . Pero en comparación con el combustible para aviones, las baterías de iones de litio tienen aproximadamente 50 veces menos energía por peso. Jet Fuel sigue siendo uno de los materiales más densos en energía que tenemos.
@abelenky: * (no nuclear)
Tenga en cuenta que esta pregunta se hizo anteriormente en EE.SE: electronics.stackexchange.com/questions/604059/…
high power-to-weight ratio, high energy efficiency and good high-temperature performance- tal vez cuando se compara con baterías de plomo, pero en comparación con el combustible, todos estos son 'ridículos' en lugar de 'altos'... además, a los vehículos no les importa la seguridad de una manera que es incluso comparable a los aviones
El nuevo avión eléctrico 'Alice' de Eviations, que utiliza una batería de iones de litio de 980 kWh compuesta por 9.400 celdas de batería con un peso total de 3,8 toneladas, representa el 60 % del peso del avión.

Respuestas (6)

Boeing los colocó en el 787. Hicieron que el tipo estuviera en tierra durante un poco más de dos meses en 2013 debido a incendios en la batería.

Los incendios de baterías de iones de litio de dispositivos electrónicos de consumo también ocurren con cierta frecuencia en los vuelos de pasajeros, y la razón por la que no se permiten en el equipaje facturado para que la tripulación de cabina pueda ocuparse del incendio cuando ocurra.

Boeing logró mejorar la batería y obtener la certificación para el requisito muy estricto de tasa de falla de menos de 1 por 10⁹ horas, y se usan en ese avión. Pero es mucho más estricto que lo que se requiere en los vehículos terrestres, porque los vehículos terrestres pueden abandonarse fácilmente cuando comienzan a arder, lo que no es posible en un avión. En muchos casos, el trabajo para garantizar que la batería sea lo suficientemente segura para un avión simplemente no vale la pena.

Las regulaciones de las aerolíneas también son la razón por la que las computadoras portátiles tienen un tamaño máximo de batería. A principios de la década de 2000, había computadoras portátiles con baterías muy grandes. Luego, las aerolíneas limitaron la cantidad de litio que se puede llevar a bordo, lo que obligó a los fabricantes a limitar el tamaño de las baterías de las computadoras portátiles.
Y los incendios de iones de litio son muy difíciles de extinguir. Esos chorros de llamas pueden ocurrir en el vacío porque los paquetes mismos proporcionan suficiente combustible y oxígeno para alimentar el fuego. El material también reacciona con el agua y el aire .
@Nelson. Aunque al menos para las baterías de los productos electrónicos de consumo, tirarlas en un balde de agua es lo suficientemente bueno y es el procedimiento estándar para las tripulaciones de cabina. Creo que el litio en sí casi nunca se expone al aire o al agua y es principalmente el paquete y la quema de electrolitos lo que se puede extinguir y un balde de agua es suficiente para absorber el calor que puede liberar un cortocircuito en la batería de un teléfono o computadora portátil. Pero las baterías grandes sí son un problema.
Las baterías de las computadoras portátiles @slebetman generalmente caen por debajo del límite de 100 Wh, incluso mi rendimiento Alienware tenía una batería de 96 Wh. aunque con la aprobación de la aerolínea puede llevar a bordo baterías de 2x 101Wh-160Wh.
Las baterías de iones de litio están permitidas en el equipaje facturado, pero con ciertas restricciones (solo en el equipo, sin repuestos, dispositivos completamente apagados). Ver iata.org/contentassets/6fea26dd84d24b26a7a1fd5788561d6e/…
@jcaron Correcto, son las baterías de iones de litio sueltas las que no están permitidas en el equipaje facturado. Demasiadas cosas tienen baterías de iones de litio no extraíbles incorporadas como para prohibirlas por completo en el equipaje facturado y, en general, el riesgo es bastante pequeño debido a las baterías instaladas en un dispositivo que está apagado.
@SebastianLenartowicz solo otro punto que muestra cuán ridículo es nuestro teatro de seguridad actual. :/

Si estamos hablando de usar las baterías para la propulsión (y estamos hablando de un avión que puede transportar al menos una persona), entonces se reduce, en una palabra, al peso o , en dos palabras, a la densidad de energía . Las baterías de iones de litio tienen una densidad de energía bastante buena para una batería, pero ni siquiera están en la misma liga que el combustible de aviación. Diablos, ni siquiera están jugando el mismo deporte .

Algo así como Avgas tiene una energía específica de ~ 44,65 MJ / kg, combustible para aviones ~ 43,15 MJ / kg y, en este momento, las baterías de iones de litio que se usan en los vehículos eléctricos de carretera tienen alrededor de 0,72 MJ / kg, por lo que para el mismo peso de despegue usted obtendrás una cantidad de rango francamente lamentable.

Eso no quiere decir que no se esté investigando, por ejemplo, el VA-1X propuesto por Vertical Aerospace.

Este documento hace algunos modelos en torno al concepto de un avión e-VTOL como el VA-1X, y para una masa bruta de despegue de 2500 kg (casi lo mismo que un Cessna 172 completamente cargado) obtienes menos de cien millas de alcance. Y ahí es cuando las baterías son nuevas: una vez que comience a ponerles ciclos de carga, la cifra solo disminuirá (sin juego de palabras).

El peso de las baterías necesarias para replicar el alcance/rendimiento incluso de un avión de pasajeros modesto es alucinantemente enorme.

Por supuesto, eso no significa que nunca veremos aviones alimentados por batería: Tesla ha estado provocando un paso sustancial en la densidad de energía del paquete durante un par de años, y ofrece una química de batería alternativa de litio-azufre (Li-S). una solución potencial, ya que ya están alcanzando casi el doble de la densidad de energía de Li-ion (y mejorando rápidamente) y si pueden resolver o mitigar los problemas actuales que tiene Li-S con una rápida degradación y una relación potencia-volumen, entonces podrían ser muy prometedor.

Los aviones de Texas están trabajando en una versión eléctrica del Colt impulsada por Li-S que podría tener un alcance de alrededor de 200 millas náuticas.

Incluso si la batería Li-S puede duplicar la densidad de energía de una batería de iones de litio, sigue siendo un mísero 1,42 MJ/kg, que es solo 1/30 de la densidad de energía del combustible para aviones. Eso está muy lejos del uso comercial en grandes vuelos de pasajeros o de carga. El Colt terminaría siendo muy parecido al Tesla Roadster: un juguete caro del que presumir los hiperricos, más que un vehículo práctico para el transporte.
@FreeMan Estoy de acuerdo en que tiene un largo (largo) camino por recorrer antes de que sea viable para el uso práctico en el mundo real. Se supone que Li-S tiene una densidad de energía teórica de 2700 Wh/kg, que es alrededor de 10 veces lo que estamos logrando actualmente con Li-ion. Todavía no estoy preparado para el combustible para aviones, al menos obtendría algo vagamente práctico.
No es una comparación completamente justa decir que es 1/30 @FreeMan, los motores eléctricos son más livianos que los motores a reacción, por lo que el ahorro de peso mejora un poco, pero sigue siendo una gran disparidad. Además, no quiero estar esperando 8 horas mientras recargan mi avión.
No olvide que los motores eléctricos tienen una mayor eficiencia, necesitan menos refrigeración, no necesitan una bomba de combustible, etc. Supongo que tampoco necesitas hélices de velocidad constante con motores eléctricos. Así que no es tan sombrío como lo hace parecer la diferencia de 60:1 en la densidad de energía. De lo contrario, los aviones eléctricos que existen funcionarían mucho peor.
El argumento "pero los motores pesan menos" es bastante irrelevante. El peso de despegue de un jet moderno es de aproximadamente un 30 % de combustible y un 3 % de motor. Si su fuente de energía alternativa es solo un 10 % menos eficiente, ningún ahorro en el peso del motor podrá compensarlo. Las baterías no son un 10% sino un 98% menos eficientes.
No lo olvide, una vez que quema avgas, se convierte en masa de reacción . Tienes que arrastrar la batería descargada reutilizable contigo hasta el destino como peso muerto.
@obscurans Exactamente. La diferencia real es más como un factor de 100x, ya que no tiene que llevar el peso del combustible que ya ha quemado, mientras que todavía tiene que llevar el peso total de las baterías descargadas durante todo el vuelo. Solo lleva un promedio de un poco más del 50% de la masa de combustible durante la duración del vuelo.
Esto ignora el hecho de que los motores eléctricos suelen tener más del 90 % de eficiencia en comparación con alrededor del 55 % de los motores.

En realidad, las baterías de iones de litio se usan en aviones: la puesta a tierra del Boeing 787 en 2013 se debió a problemas con ellas. De Wikipedia :

En 2013, el segundo año de servicio del Boeing 787 Dreamliner, un avión de reacción de fuselaje ancho, varias aeronaves sufrieron problemas en el sistema eléctrico derivados de sus baterías de iones de litio. Los incidentes incluyeron un incendio eléctrico a bordo de un 787 de All Nippon Airways y un incendio similar encontrado por trabajadores de mantenimiento en un 787 de Japan Airlines estacionado en el Aeropuerto Internacional Logan de Boston.

También se utilizan en el Airbus A350, como menciona FlightGlobal en este artículo archivado:

A pesar de tener funciones similares, el diseño de Boeing contrasta significativamente con las baterías de iones de litio instaladas en el Airbus A350-900. El proveedor de Airbus, Saft, diseñó un sistema con cuatro baterías, cada una compuesta por 14 celdas que entregan 25V nominalmente combinados. Por lo tanto, el A350-900 usa más baterías, con menos energía demandada de cada celda que el sistema 787.

Los problemas del B787 se solucionaron suficientemente proporcionando más aislamiento entre las celdas e instalando un sistema de ventilación por la borda como respaldo. No más incidentes desde entonces.

Los primeros A350 en realidad usaban baterías de NiCad exactamente por esta razón, aunque cambiaron a Li-ion para las nuevas entregas aproximadamente un año después de que se entregaron los primeros marcos.

¿Por qué no se utilizan baterías de iones de litio en aviones?

En realidad lo son. Son ampliamente utilizados en modelos de aviones, "drones", etc., a los que la Administración Federal de Aviación (EE. UU.) se refiere como "Sistemas de aeronaves no tripuladas". Ver por ejemplo este enlace .

Por cierto, esa es la razón por la cual los tiempos de vuelo en estos son muy cortos en comparación con los aviones que funcionan con petróleo. Sin embargo, tiene mucho más sentido para los vehículos aéreos no tripulados ligeros, ya que los motores eléctricos se pueden reducir fácilmente a los tamaños muy pequeños necesarios para estos vehículos aéreos no tripulados que no pesan más de unas pocas libras, mientras que los motores de combustión interna no pueden reducirse tan bajo. con la misma facilidad (aunque los modelos de aviones más grandes suelen utilizar motores ICE). Los tiempos de vuelo en la mayoría de los vehículos aéreos no tripulados propulsados ​​por iones de litio, literalmente, no serían suficientes ni siquiera para cumplir con las reservas legalmente requeridas en vuelos tripulados. Sería ilegal despegar.

Las baterías principales de iones de litio (sin propulsión) se han abierto camino en la aviación general, los helicópteros y los aviones de negocios durante los últimos 5 a 10 años.

La certificación de nuevas tecnologías en aeronaves casi siempre requiere una gran cantidad de esfuerzo y tiempo. Después de los problemas que experimentó Boeing en el 787, la industria pasó por un período de escrutinio y desarrollo de requisitos mejorados.

Las baterías de polímero de litio (LiPo) se utilizan con éxito en aviones más pequeños. Los aviones más grandes requieren un aumento de potencia no lineal.
Espero que las baterías sean especialmente adecuadas para aplicaciones más livianas que el aire, como aeronaves.

Además de la densidad de energía, las baterías no pierden masa, ya que se descargan de la misma manera que lo haría un tanque de combustible.

Esto no significa que no podamos utilizarlos de forma híbrida, con una instalación de baja capacidad alimentada en última instancia por turboventiladores con generadores para despegue o energía de emergencia.

"Los aviones más grandes requieren un aumento de potencia no lineal". ¿Ellos? AFAIK, la relación L/D es en realidad significativamente mejor en aviones muy grandes como aviones de pasajeros frente a la mayoría de los sencillos ligeros, por ejemplo.
Necesita más del doble del área de superficie para duplicar la carga útil. El aire es proporcionalmente menos denso a medida que aumentamos la escala. Los aviones más pequeños pueden darse el lujo de tener un diseño menos agresivo. La ventaja del avión de pasajeros es el punto óptimo de 8 m (o algo así) para los turboventiladores.
¿Por qué las baterías de iones de litio no se utilizan en los aviones, pero se utilizan ampliamente en la industria de los vehículos eléctricos?
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