在麻省理工學院教授蔣業明（Yet-Ming Chiang）的辦公室里，色彩鮮艷的分子模型赫然排列在兩面墻上。作為材料科學教授、Form Energy公司聯合創始人，他的大部分職業生涯都在研究這些小棒和小球體的細微差別是如何在儲能領域產生截然不同結果的。
如今，他和他的同事Venkat Viswanathan正在采用不同的方法來實現他們的下一個目標，即不改變電池的組成成分，而是改變電池內部化合物的排列。他們認為，通過施加磁力使鋰離子穿過電極的彎曲路徑變直，可以顯著提高設備放電的速度。
這種能量的釋放可能會開啟電池一直以來從未有過的用途，即滿足客機升空時的巨大需求。如果能達到預期的效果，那么它將使區域性通勤航班無需燃燒燃料或產生直接氣體排放成為可能。
作為卡內基梅隆大學機械工程助理教授，Viswanathan發起并領導了這個研究項目。目前，他和蔣業明正與鋰離子電池制造商24M，以及總部位于華盛頓博塞爾的飛機初創企業Zunum Aero合作，開發和測試專門為滿足先進混合動力飛機而設計的原型電池。
風險與機遇并存
消除飛機的溫室氣體排放是氣候難題中最困難的挑戰之一。航空出行的二氧化碳排放量約占全球的2%，是溫室氣體污染增長最快的來源之一。
盡管如此，目前除了減少航空出行，沒有其他更清潔的選擇，因為電動汽車供電的電池仍然太昂貴、太笨重，而且不適用于航空。
目前，包括優步、空客和波音在內的十多家公司已經在探索小型飛機電氣化的潛力。人們希望，這些載有少量乘客的“空中的士”——在大多數情況下，被設想為自動垂直起降的飛機——這可以縮短通勤時間，緩解擁堵并減少車輛的氣體排放。
不過，Viswanathan和蔣業明的目標則更高。他們最初的計劃是開發一種電池，可以為12人的飛機提供400英里（約644公里）的航程，這足以從舊金山飛到洛杉磯，或者從紐約飛到華盛頓。在第二階段，他們希望能制造出一架能搭載50人、飛行相同距離的電動飛機。
這類飛機仍將配備內燃機并攜帶燃料。但這些燃料將主要用于滿足美國聯邦航空管理局（FAA）的安全“儲備要求”。在正常飛行過程中，不會使用這種燃料。
這一項目對像Zunum這樣的初創公司的吸引力是顯而易見的：電池在滿足飛機需求方面做得越好，混合動力或電動飛機能夠獲得的市場就越大。去年，該公司宣布計劃在2022年面向市場推出一種可容納12名乘客的小型混合動力電動客機。
正在規劃中的這種飛機由兩個電動引擎提供動力，同時將配備補充性的內燃機和發電機，從而可使其續航里程達到700英里（約1127公里）。此外，Zunum還計劃推出帶有三個電池組且行程不超過200英里的全電動飛機。但至關重要的是，飛機本身預計將采用一種開放式的架構，允許機主根據需要切換這些模塊，使電池能夠升級，或者從混合動力切換為全電動操作。
眼下，Zunum已經從波音、捷藍航空和華盛頓州的清潔能源基金獲得了資金。位于達拉斯、主營美國國內包機業務的JetSuite航空公司已經同意購買100架這種混合動力電動飛機。包括Eviation Aircraft和Wright Electric在內的其他初創公司也在致力于開發用于通勤距離飛行的小型電動飛機。
根據美國運輸統計局（BTS）的數據顯示，飛機很少用于區域行程，在500英里以下的行程中只占不到1%。航空公司之所以不愿開設短途航班，很大程度上是因為大部分燃料都是在起飛過程中燃燒的，這意味著長途航線更加經濟�？紤]到高昂的成本和飛行帶來的麻煩，消費者大多更愿意選擇汽車、火車或公共汽車，而不是這種出行方式。
Zunum現任首席執行官Ashish Kumar曾在微軟和谷歌擔任高管。他認為，混合動力飛機可以在很大程度上通過降低燃料成本以及相應的票價來改變現狀。“在世界上大多數地方，隨著人們離開高速公路，進入速度更快的飛機，國內航空里程可能會增加一倍”。
隨著電池的改進，混合動力和電動飛機也能在航空運輸中占據更大的份額。據Kumar預計，到2035年，混合動力飛機的航程將達到1500英里（約2414公里），根據美國運輸統計局的數據，屆時航空出行將占總出行量的82%。
另辟蹊徑
2018年9月初，在一次學術討論會上，Viswanathan展示了一張飛行路線上電池組放電情況的圖表，強調了航空電氣化的挑戰。
根據這個圖表，電池必須能夠在起飛時提供大量的電力，并能夠輸出足夠的能量密度以巡航至少數百英里。但是要在飛機物理學和經濟學的范圍內工作，它還需要盡可能持久和輕便，并能夠快速充電——或者至少像Zunum計劃的那樣，能夠在飛行期間輕松地更換充滿電的電池。
Viswanathan指出，飛機起飛時會在短短幾分鐘內產生巨大的熱量，熱量過高將會大大縮短非常昂貴的電池組的使用壽命。
要讓鋰離子電池以足夠快的速度放電給飛機使用，就需要讓離子和電子更容易通過電池，尤其是電極。一種選擇就是使電極材料更多孔或更薄，但無論哪種改變都會以很高的能量密度成本實現。
因此，研究人員正在探索如何通過緊密堆積的碳、鈷化合物和電極中的其他材料來拉直曲折路徑的方法。
就像許多神奇的魔術一樣，這個戲法依賴于磁鐵。
在2016年發表在《自然—能源》上的一篇論文中，蔣業明、麻省理工學院研究人員Jonathan Sander及其同事指出，將磁性納米粒子混合到電極材料中，并施加光磁場，有助于在電極間形成排列好的通道。隨后的測試發現，這些電極的放電容量，或者說電子離開電池的速率，是傳統鋰離子電池的兩倍以上，而且還不會損耗能量密度。
“這為我們的電動航空電池的開發開辟了一個全新的方向，”蔣業明表示。
目前，研究人員正在與位于馬薩諸塞州劍橋市的24M公司合作（蔣業明擔任該公司首席科學家），利用這種磁性方法開發和測試原型電池。如果一切順利，Zunum將與研究人員合作對原型機進行評估，其中所有飛機的電力系統都在地面上進行評估。最終，它們也可以在實際飛行中進行測試。
只是個開始
在電池真正被制造和評估之前，這種方法的實際效果還有待觀察。即使在最好的情況下，這個領域要在航空電氣化上真正有所突破可能還需要幾十年的時間。
航空工程師、安柏瑞德航空航天大學飛行研究中心主任Richard Anderson指出，對于給定的能量輸出，電池的重量至少是燃料的20倍。他懷疑，像Zunum這樣追求混合通勤航班的公司，在未來幾年里能否找到足夠的方法來抵消這些增加的重量。在他看來，該領域高估了混合動力飛機能夠達到更多航程的速度，同時也低估了它們將要面臨的監管挑戰。
對此，麻省理工學院和卡內基學院的研究人員表示，為了擴大電動飛機的范圍，仍然需要對其他大型電池進行改進，這可能需要轉向完全不同的化學成分。Viswanathan指出，最重要的是，飛機可能需要從根本上進行重新設計，從而減少能源需求，通過重新分配發動機或改變機身形狀來減少阻力，是一條可能的路徑。
但他和蔣業明仍在電動航空電池的技術上下功夫，因為無論其他方面的進展如何，這都是必需的。即使其他電池工程師找到了讓電動飛機飛行千里的方法，他們仍然需要足夠的電力才能起飛。■