Warum werden Li-Ionen-Batterien nicht in Flugzeugen verwendet, sind aber in der Elektrofahrzeugindustrie weit verbreitet?

Diese Frage mag sehr naiv erscheinen. Vielleicht ist der Vergleich von Elektrofahrzeug mit Flugzeug völlig unpassend. Aber ich konnte keine eindeutige Antwort in der Websuche finden.

Lithium-Ionen-Batterien haben ein hohes Leistungsgewicht, eine hohe Energieeffizienz und eine gute Hochtemperaturleistung. Auch dann werden sie nicht bevorzugt in Flugzeugen eingesetzt.

Wenn es um Sicherheit geht, gibt es dann nicht genügend Schutzmechanismen, die ihre weite Verbreitung in der Elektrofahrzeugindustrie ermöglicht haben?

Warum wird der Gewichts-zu-Leistungs-zu-Gewicht-Vorteil nicht von der Luft- und Raumfahrtindustrie genutzt? Was sind die anderen Aspekte, die berücksichtigt werden müssen – extreme Umgebungsbedingungen oder so?

Bearbeiten: Ich frage nach dem Batterieverbrauch wie in einem typischen Flugzeug, nicht nach dem elektrischen Antrieb. Entschuldigung, dass ich mich nicht früher klar ausgedrückt habe

Wenn Sie nach der Verwendung von Batterien als Ersatz für herkömmlichen Düsentreibstoff fragen, kann diese Frage hilfreich (oder sogar ein Dupe) sein.
Wenn Sie nach Batterien für den Antrieb fragen, könnte diese Frage auch ein Dupe sein: Aviation.stackexchange.com/questions/45040/…
Li-Ion hat im Vergleich zu anderen Batteriechemien ein hohes Leistungs-/Gewichtsverhältnis . Aber im Vergleich zu Düsentreibstoff haben Li-Ion-Batterien etwa 50x weniger Energie pro Gewicht. Düsentreibstoff gehört immer noch zu den energiedichtesten Materialien, die wir haben.
@abelenky: * (nicht nuklear)
Beachten Sie, dass diese Frage zuvor auf EE.SE gestellt wurde: electronic.stackexchange.com/questions/604059/…
high power-to-weight ratio, high energy efficiency and good high-temperature performance- vielleicht im Vergleich zu Blei-Batterien, aber im Vergleich zu Treibstoff sind diese alle "lächerlich" statt "hoch" ... auch Fahrzeuge kümmern sich nicht in einer Weise um die Sicherheit, die sogar mit Flugzeugen vergleichbar ist
Eviations neues Elektroflugzeug „Alice“, das eine 980-kWh-Lithium-Ionen-Batterie aus 9.400 Batteriezellen mit einem Gesamtgewicht von 3,8 Tonnen verwendet, macht 60 % des Flugzeuggewichts aus.

Antworten (6)

Boeing hat sie in 787 eingebaut. Sie haben dazu geführt, dass der Typ 2013 wegen Batteriebränden für etwas mehr als zwei Monate am Boden war .

Brände von Li-Ionen-Batterien von Unterhaltungselektronikgeräten kommen auch halbjährlich auf Passagierflügen vor und sind der Grund, warum sie nicht im aufgegebenen Gepäck erlaubt sind, damit die Kabinenbesatzung mit dem Feuer fertig werden kann, wenn es passiert.

Boeing hat es geschafft, die Batterie zu verbessern und sie für die sehr strenge Anforderung einer Ausfallrate von weniger als 1 pro 10⁹ Stunden zertifizieren zu lassen, und sie werden in diesem Flugzeug verwendet. Aber es ist viel strenger als das, was für Bodenfahrzeuge erforderlich ist, da Landfahrzeuge leicht aufgegeben werden können, wenn sie anfangen zu brennen, was in Flugzeugen nicht möglich ist. In vielen Fällen lohnt sich die Arbeit, um sicherzustellen, dass die Batterie sicher genug für ein Flugzeug ist, einfach nicht.

Die Vorschriften der Fluggesellschaften sind auch der Grund dafür, dass Laptops eine maximale Akkugröße haben. Bereits in den frühen 2000er Jahren gab es Laptops mit sehr großen Akkus. Dann begrenzten die Fluggesellschaften, wie viel Lithium Sie an Bord mitnehmen können, was die Hersteller zwang, die Größe der Laptop-Batterien zu begrenzen.
Und Li-Ion-Feuer sind sehr schwer zu löschen. Diese schießenden Flammenstrahlen können in einem Vakuum entstehen, weil die Packungen selbst genügend Brennstoff und Sauerstoff liefern, um das Feuer zu nähren. Das Zeug reagiert auch mit Wasser und Luft .
@ Nelson. Aber zumindest für die Batterien in der Unterhaltungselektronik reicht es aus, sie in einen Eimer Wasser zu werfen, und ist die Standardprozedur für das Kabinenpersonal. Ich glaube, dass das Lithium selbst fast nie Luft oder Wasser ausgesetzt wird, und es ist hauptsächlich das Verbrennen der Verpackung und des Elektrolyts, das gelöscht werden kann, und ein Eimer Wasser reicht aus, um die Wärme zu absorbieren, die ein Kurzschluss in einem Telefon- oder Notebook-Akku freisetzen kann. Aber große Batterien sind in der Tat ein Problem.
@slebetman Laptop-Akkus selbst fallen im Allgemeinen unter die 100-Wh-Grenze, selbst mein Leistungs-Alienware hatte einen 96-Wh-Akku. Mit Genehmigung der Fluggesellschaft können Sie jedoch 2x 101Wh-160Wh-Akkus an Bord bringen.
Li-Ion-Akkus sind eigentlich im aufgegebenen Gepäck erlaubt, aber mit gewissen Einschränkungen (nur in Ausrüstung, keine Ersatzteile, Geräte komplett aus). Siehe iata.org/contentassets/6fea26dd84d24b26a7a1fd5788561d6e/…
@jcaron Richtig, es sind lose Li-Ionen-Batterien, die im aufgegebenen Gepäck nicht erlaubt sind. Zu viele Sachen haben eingebaute, nicht entfernbare Li-Ionen-Akkus, um sie vollständig aus dem aufgegebenen Gepäck zu verbannen, und das Risiko ist im Allgemeinen ziemlich gering, wenn Batterien in einem ausgeschalteten Gerät installiert sind.
@SebastianLenartowicz, nur ein weiterer Punkt, der zeigt, wie lächerlich unser derzeitiges Sicherheitstheater ist. :/

Wenn wir davon sprechen, die Batterien für den Antrieb zu verwenden (und wir sprechen von Flugzeugen, die mindestens eine Person befördern können), dann läuft es auf das Gewicht oder in zwei Worten auf die Energiedichte hinaus . Li-Ionen-Akkus haben eine ziemlich gute Energiedichte für eine Batterie, aber sie spielen nicht einmal in der gleichen Liga wie Flugbenzin. Verdammt, sie spielen nicht einmal den gleichen Sport .

Etwas wie Avgas hat eine spezifische Energie von ~44,65 MJ/kg, Düsentreibstoff ~43,15 MJ/kg und derzeit liegen Li-Ionen-Batterien, wie sie in elektrischen Straßenfahrzeugen verwendet werden, bei etwa 0,72 MJ/kg, also für das gleiche Startgewicht wie Sie werden eine ehrlich gesagt erbärmliche Menge an Reichweite bekommen.

Das heißt nicht, dass es nicht untersucht wird - zB der von Vertical Aerospace vorgeschlagene VA-1X

In diesem Artikel wird das Konzept eines e-VTOL-Flugzeugs wie der VA-1X modelliert, und für ein Bruttostartgewicht von 2500 kg (etwa das gleiche wie bei einer voll beladenen Cessna 172) erhalten Sie eine Reichweite von weniger als 100 Meilen. Und das ist, wenn die Batterien neu sind - sobald Sie anfangen, Ladezyklen auf sie zu legen, wird die Zahl nur noch sinken (kein Wortspiel beabsichtigt).

Das Gewicht der Batterien, die benötigt werden, um die Reichweite/Leistung selbst eines bescheidenen Passagierflugzeugs nachzubilden, ist unglaublich groß.

Das bedeutet natürlich nicht, dass wir niemals batteriebetriebene Flugzeuge sehen werden – Tesla neckt seit einigen Jahren einen erheblichen Schritt in der Packenergiedichte und bietet eine alternative Batteriechemie aus Lithium-Schwefel (Li-S) an eine potenzielle Lösung, da sie bereits fast die doppelte Energiedichte von Li-Ion erreichen (und sich schnell verbessern) und wenn sie die aktuellen Probleme von Li-S mit schnellem Abbau und Leistungs-Volumen-Verhältnis lösen oder mindern können, dann könnten sie das sehr vielversprechend sein.

Flugzeuge aus Texas arbeiten an einer Li-S-betriebenen Elektroversion des Colt , die eine Reichweite von rund 200 Seemeilen haben könnte

Selbst wenn die Li-S-Batterie die Energiedichte einer Li-Ionen-Batterie verdoppeln kann, sind es immer noch magere 1,42 MJ/kg, was immer noch nur 1/30 der Energiedichte von Düsentreibstoff ist. Von einer kommerziellen Nutzung auf großen Passagier- oder Frachtflügen ist das noch weit entfernt. Der Colt würde am Ende dem Tesla Roadster sehr ähnlich sein – ein teures Spielzeug, mit dem die Hyperreichen prahlen können, mehr als ein praktisches Transportmittel.
@FreeMan Ich stimme zu, dass es noch ein langer (langer) Weg ist, bevor es für den praktischen Einsatz in der realen Welt brauchbar wird. Li-S soll eine theoretische Energiedichte von 2.700 Wh/kg haben, was etwa dem 10-fachen dessen entspricht, was wir derzeit mit Li-Ion erreichen. Immer noch nicht auf der Höhe von Kerosin, würde zumindest etwas annähernd Praktisches bekommen.
Es ist kein ganz fairer Vergleich zu sagen, dass es 1/30 @FreeMan ist, Elektromotoren sind leichter als Düsentriebwerke, also verbessert die Gewichtsersparnis das ein wenig, aber es ist immer noch ein großer Unterschied. Außerdem möchte ich nicht 8 Stunden warten, während sie mein Flugzeug aufladen.
Vergessen Sie nicht, dass Elektromotoren einen höheren Wirkungsgrad haben, weniger Kühlung benötigen, keine Kraftstoffpumpe benötigen und so weiter. Ich denke, Sie brauchen auch keine Propeller mit konstanter Geschwindigkeit mit Elektromotoren. Es ist also nicht so düster, wie der 60:1-Unterschied in der Energiedichte es aussehen lässt. Andernfalls würden die existierenden elektrischen Flugzeuge viel schlechter abschneiden.
Das Argument "aber die Motoren wiegen weniger" ist eher irrelevant. Das Startgewicht eines modernen Jets beträgt etwa 30 % Treibstoff und 3 % Triebwerk. Wenn Ihre alternative Energiequelle nur 10 % weniger effizient ist, kann keine Gewichtseinsparung beim Motor dies ausgleichen. Batterien sind nicht 10 %, sondern 98 % weniger effizient.
Vergessen Sie nicht, sobald Sie Avgas verbrennen, wird es zu Reaktionsmasse . Den wiederverwendbaren, entladenen Akku müssen Sie als Eigengewicht mit an den Bestimmungsort schleppen.
@obscurans Genau. Der wirkliche Unterschied ist eher ein Faktor von 100x, da Sie nicht das Gewicht des bereits verbrannten Treibstoffs tragen müssen, während Sie immer noch das gesamte Gewicht der entladenen Batterien für den gesamten Flug tragen müssen. Während des Fluges tragen Sie im Durchschnitt nur etwas mehr als 50 % der Treibstoffmasse mit sich
Dabei wird die Tatsache außer Acht gelassen, dass Elektromotoren typischerweise einen Wirkungsgrad von mehr als 90 % haben, verglichen mit etwa 55 % bei Verbrennungsmotoren.

Eigentlich werden Li-Ionen-Akkus in Flugzeugen verwendet – das Grounding der Boeing 787 im Jahr 2013 wurde durch Probleme mit ihnen verursacht. Aus Wikipedia :

Im Jahr 2013, dem zweiten Dienstjahr des Boeing 787 Dreamliner, einem Großraumflugzeug, litten mehrere Flugzeuge unter Problemen mit dem elektrischen System, die auf die Lithium-Ionen-Batterien zurückzuführen waren. Zu den Vorfällen gehörten ein elektrisches Feuer an Bord einer All Nippon Airways 787 und ein ähnliches Feuer, das von Wartungsarbeitern an einer geparkten Japan Airlines 787 am Logan International Airport in Boston entdeckt wurde.

Sie werden auch im Airbus A350 verwendet, wie FlightGlobal in diesem archivierten Artikel erwähnt:

Trotz ähnlicher Funktionen hebt sich das Boeing-Design deutlich von den im Airbus A350-900 verbauten Lithium-Ionen-Batterien ab. Der Airbus-Zulieferer Saft hat ein System mit vier Batterien entwickelt, von denen jede aus 14 Zellen besteht, die nominal 25 V liefern. Daher verwendet der A350-900 mehr Batterien, wobei von jeder Zelle weniger Strom verlangt wird als beim 787-System.

Die B787-Probleme wurden ausreichend behoben, indem mehr Isolierung zwischen den Zellen bereitgestellt und ein Überbord-Lüftungssystem als Backup installiert wurde. Seitdem keine Zwischenfälle mehr.

Frühe A350 verwendeten aus genau diesem Grund stattdessen NiCad-Akkus, obwohl sie etwa ein Jahr nach der Auslieferung der ersten Rahmen für Neulieferungen auf Li-Ion umgestellt wurden .

Warum werden Li-Ionen-Batterien nicht in Flugzeugen verwendet?

Eigentlich sind sie es. Sie werden häufig in Modellflugzeugen, "Drohnen" usw. verwendet, die von der (US) Federal Aviation Administration als "Unmanned Aircraft Systems" bezeichnet werden. Siehe zum Beispiel diesen Link .

Deshalb sind die Flugzeiten im Vergleich zu Petroleumflugzeugen übrigens sehr kurz. Für leichte UAVs ist es jedoch viel sinnvoller, da Elektromotoren leicht auf die sehr kleinen Größen herunterskaliert werden können, die für diese UAVs benötigt werden, die nicht mehr als ein paar Pfund wiegen, während Verbrennungsmotoren nicht so tief herunterskaliert werden können ebenso leicht (obwohl größere Modellflugzeuge tatsächlich üblicherweise ICE-Motoren verwenden.) Die Flugzeiten der meisten Li-Ionen-betriebenen UAVs würden buchstäblich nicht ausreichen, um die gesetzlich vorgeschriebenen Reserven bei bemannten Flügen zu erfüllen. Es wäre illegal, abzuheben.

Lithium-Ionen-Hauptschiffsbatterien (ohne Antrieb) haben in den letzten 5 bis 10 Jahren ihren Weg in die allgemeine Luftfahrt, Hubschrauber und Geschäftsflugzeuge gefunden.

Die Zertifizierung neuer Technologien in Flugzeugen erfordert fast immer einen erheblichen Aufwand und Zeit. Nach den Problemen, die Boeing bei der 787 erlebte, durchlief die Branche eine Phase der Prüfung und verbesserten Anforderungsentwicklung.

Lithium Polymer (LiPo) Akkus werden erfolgreich in kleineren Flugzeugen eingesetzt. Größere Flugzeuge erfordern eine nichtlineare Leistungssteigerung.
Ich würde erwarten, dass Batterien besonders für leichtere als Luftanwendungen wie Luftschiffe geeignet sind.

Abgesehen von der Energiedichte verlieren Batterien keine Masse, da sie sich wie ein Kraftstofftank entladen.

Das bedeutet nicht, dass wir sie nicht hybrid verwenden können, mit einer Installation mit geringer Kapazität, die letztendlich von Turbofans mit Generatoren für Start oder Notstrom angetrieben wird.

"Größere Flugzeuge erfordern eine nichtlineare Leistungssteigerung." Tun sie? AFAIK, das L/D-Verhältnis ist bei sehr großen Flugzeugen wie Verkehrsflugzeugen tatsächlich deutlich besser als beispielsweise bei den meisten leichten Singles.
Sie brauchen mehr als die doppelte Fläche, um die Nutzlast zu verdoppeln. Luft ist proportional weniger dicht, wenn wir skalieren. Kleinere Flugzeuge können es sich leisten, weniger aggressiv konstruiert zu sein. Der Airliner-Vorteil ist der 8-Meter-Sweetspot (oder so ungefähr) für Turbofans.
Warum werden Li-Ionen-Batterien nicht in Flugzeugen verwendet, sind aber in der Elektrofahrzeugindustrie weit verbreitet?
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