Polovodičové batérie v dronoch: víťazstvá, prekážky a čo ďalej pre operátorov

Výsledok? 48-minútový, 10-sekundový nepretržitý let – niečo, čo by bolo s lítium-iónmi ešte pred niekoľkými rokmi nemysliteľné. Pre kohokoľvek v priestore to nie je len číslo; je to dôkaz tohov tuhom stavedokáže vyriešiť dva najväčšie problémy prevádzkovateľov dronov: krátke časy letu a obavy o bezpečnosť. Tento testovací let neprekonal len rekord – ukázal, že eVTOL (a drony vo všeobecnosti) čoskoro zvládnu dlhšie a spoľahlivejšie misie bez toho, aby znížili bezpečnosť.

Do toho skočil aj Panasonic s apolovodičovú batériuvytvorené špeciálne pre menšie drony – a ich špecifikácie zasiahli sladké miesto pre zaneprázdnených operátorov. Predstavte si nabitie batérie dronu z 10 % na 80 % za 3 minúty. Pre doručovací tím, ktorý prevádzkuje viac ako 20 letov denne, to skracuje prestoje z 30 minút (s lítium-iónovými) takmer na nič. Ešte lepšie? Pri izbovej teplote vydrží 10 000 až 100 000 nabíjacích cyklov. Stavebná spoločnosť, s ktorou spolupracujeme, nám povedala, že lítium-iónové batérie vymieňajú každých 6 mesiacov – táto možnosť Panasonic by im mohla vydržať 5+ rokov. To je obrovská úspora nákladov, ale tiež to znamená, že menej batérií končí na skládkach – niečo, na čo sa klienti stále viac pýtajú, keď sa prikláňajú k udržateľnosti.

Ale tu je vec, ktorú klientom nepridávame: Solid-state má stále obruče, cez ktoré môže preskočiť skôr, než bude v každom drone. Za posledných 6 mesiacov sme hovorili s desiatkami malých až stredných operátorov dronov a ich obavy sa vracajú k rovnakým výzvam – takým, ktoré presahujú „dobré špecifikácie na papieri“.

Najprv zvážte náklady. Samotné materiály sú drahšie: pevné elektrolyty v týchto batériách stoja viac ako tekuté v lítium-iónových batériách a stroje potrebné na ich výrobu? Nie sú bežne dostupné. Začínajúci výrobca dronov v Texase nám povedal, že chcú prejsť na polovodičové, ale počiatočné náklady na prestavbu ich batérie by zhltli celý ich ročný rozpočet. Pre veľkých hráčov ako EHang alebo Panasonic je to zvládnuteľné – ale pre väčšinu operátorov je to momentálne prekážka.

Potom je tu problém „stability rozhrania“ – vymyslené výrazy pre jednoduchý problém: pevný elektrolyt a elektródy batérie musia zostať v tesnom a konzistentnom kontakte, aby dobre fungovali. Ale zakaždým, keď sa batéria nabíja a vybíja, elektródy sa trochu zmenšia a roztiahnu. Postupom času to vytvára malé medzery a batéria rýchlejšie stráca energiu. Videli sme to z prvej ruky pri teste farmárskych dronov minulú jar: po 50 cykloch sa letový čas polovodičovej batérie skrátil o 12 % – nie je to zlom, ale dosť na to, aby sa farmár spýtal: „Zhorší sa to?“ Práve teraz je odpoveď „možno“, kým výrobcovia neprídu na odolnejšie materiály elektród.

Krehkosť je ďalšou bolesťou hlavy, najmä pre drony, ktoré lietajú v drsných podmienkach. Väčšina pevných elektrolytov na báze keramiky je húževnatá, ale nie flexibilná. Pátrací a záchranný tím v Colorade testoval minulú zimu keramicko-elektrolytovú batériu; pri pristávaní na skalnatom teréne praskol kryt batérie (našťastie nedošlo k požiaru) a dron stratil energiu. Lítium-ión môže v tomto scenári unikať, ale zvyčajne funguje dostatočne dlho na to, aby bezpečne pristál. Pre drony, ktoré zvládajú vibrácie (ako skenery na stavenisku) alebo tvrdé pristátia (ako drony na monitorovanie divokej zveri), je to veľký problém.

Dokonca ani lítiové dendrity – tie drobné ihličkovité štruktúry, ktoré skratujú lítium-iónové batérie – nie sú úplne preč. V pevnom stave sú zriedkavejšie, ale od inžinierov batérií sme počuli, že pri vysokých rýchlostiach nabíjania (ako 3-minútové nabíjanie Panasonic) sa môžu stále vytvárať dendrity. Je to menšie riziko, ale pre operátorov lietajúcich nad preplnenými oblasťami nie je „menší“ vždy „dosť dobré“.

Teplo je ďalším prekvapením. Pevné skupenstvo je pri vysokých teplotách bezpečnejšie ako lítium-iónové, ale tiež nerozptyľuje teplo. Dron používaný na vysokovýkonné úlohy, ako je zdvíhanie ťažkých nákladov alebo lietanie maximálnou rýchlosťou po dlhú dobu, môže rýchlo vytvárať teplo. Pracovali sme s logistickým klientom, ktorý testoval polovodičový dron na doručenie balíkov s hmotnosťou 50 lb; po 25 minútach letu sa batéria zahriala natoľko, že softvér dronu prinútil pristáť skôr. Museli pridať ľahký chladič, ktorý znížil kapacitu užitočného zaťaženia - porazil časť účelu prechodu na polovodičový.

A nezabudnime na výrobnú škálu. V súčasnosti sa väčšina polovodičových batérií vyrába v malých sériách. Operátor dronu, ktorý potrebuje 100 batérií mesačne, môže čakať na doručenie 6 až 8 týždňov, zatiaľ čo lítium-iónové batérie sú na sklade v ten istý deň. Kým továrne nedokážu vybiť polovodičové batérie tak rýchlo (a lacno) ako lítium-iónové, prijatie zostane pomalé pre všetky okrem najväčších tímov.

Pokiaľ ide o samotné tuhé elektrolyty, neexistuje ani „jedna veľkosť pre všetkých“. Keramika je skvelá pre vodivosť – umožňuje rýchly pohyb iónov, čo znamená väčšiu silu – ale ako sme videli, sú krehké. Polyméry sú flexibilné, takže lepšie zvládajú vibrácie, ale pri izbovej teplote sú pomalšie – dobré pre pomaly sa pohybujúce poľnohospodárske drony, ale zlé pre rýchle doručovacie drony. Sulfidy sú stredná cesta: dobrá vodivosť a pružnosť, ale reagujú na vlhkosť. Operátor pobrežných dronov na Floride nám povedal, že k batériám na báze sulfidov museli pridať vodotesné puzdro, čo zvýšilo hmotnosť. Výber správneho elektrolytu úplne závisí od toho, čo dron robí – a kde lieta.

Tu je však dobrá správa: každá výzva, ktorú sme spomenuli, sa rieši, jeden test za druhým. EHangov let nebol náhoda; je to znamenie, že výrobcovia zisťujú, ako prispôsobiť polovodičové drony. Rýchlonabíjacia batéria Panasonic nie je len prototyp – začína sa dodávať vybraným klientom. A keďže stále viac operátorov požaduje polovodičové pripojenie, náklady klesnú.

Pre každého, kto v súčasnosti podniká v oblasti dronov, otázkou nie je „či“ prevezme riadenie v pevnej fáze – je to „kedy a ako sa pripraviť“. Začnite v malom: otestujte niekoľko polovodičových batérií s vašimi najžiadanejšími dronmi (ako je dodávka alebo vyhľadávanie a záchrana) a sledujte úspory času a výmeny. Porozprávajte sa s dodávateľom batérií o vlastných riešeniach – mnohí sú ochotní upraviť elektrolyty pre váš konkrétny prípad použitia.

Polovodičový ešte nie je dokonalý, ale už teraz je lepší ako lítium-iónový v oblastiach, na ktorých záleží najviac: dlhšie lety, bezpečnejšie operácie a menej prestojov. A ako sa prepletia? Pozeráme sa na budúcnosť, v ktorej drony nielen „vykonajú svoju prácu“ – urobia to rýchlejšie, lacnejšie a na viacerých miestach ako kedykoľvek predtým.

Ak vás zaujíma, ktorá polovodičová batéria má zmysel pre vaše drony, alebo sa chcete dozvedieť viac o testoch, ktoré sme vykonali s klientmi, napíšte nám. Toto nie sú len technické rozhovory – ide o to, aby vaše operácie s dronmi pracovali tvrdšie.