在麻省理工学院教授蒋业明（Yet-Ming Chiang）的办公室里，色彩鲜艳的分子模型赫然排列在两面墙上。作为材料科学教授、Form Energy公司联合创始人，他的大部分职业生涯都在研究这些小棒和小球体的细微差别是如何在储能领域产生截然不同结果的。
如今，他和他的同事Venkat Viswanathan正在采用不同的方法来实现他们的下一个目标，即不改变电池的组成成分，而是改变电池内部化合物的排列。他们认为，通过施加磁力使锂离子穿过电极的弯曲路径变直，可以显著提高设备放电的速度。
这种能量的释放可能会开启电池一直以来从未有过的用途，即满足客机升空时的巨大需求。如果能达到预期的效果，那么它将使区域性通勤航班无需燃烧燃料或产生直接气体排放成为可能。
作为卡内基梅隆大学机械工程助理教授，Viswanathan发起并领导了这个研究项目。目前，他和蒋业明正与锂离子电池制造商24M，以及总部位于华盛顿博塞尔的飞机初创企业Zunum Aero合作，开发和测试专门为满足先进混合动力飞机而设计的原型电池。
风险与机遇并存
消除飞机的温室气体排放是气候难题中最困难的挑战之一。航空出行的二氧化碳排放量约占全球的2%，是温室气体污染增长最快的来源之一。
尽管如此，目前除了减少航空出行，没有其他更清洁的选择，因为电动汽车供电的电池仍然太昂贵、太笨重，而且不适用于航空。
目前，包括优步、空客和波音在内的十多家公司已经在探索小型飞机电气化的潜力。人们希望，这些载有少量乘客的“空中的士”——在大多数情况下，被设想为自动垂直起降的飞机——这可以缩短通勤时间，缓解拥堵并减少车辆的气体排放。
不过，Viswanathan和蒋业明的目标则更高。他们最初的计划是开发一种电池，可以为12人的飞机提供400英里（约644公里）的航程，这足以从旧金山飞到洛杉矶，或者从纽约飞到华盛顿。在第二阶段，他们希望能制造出一架能搭载50人、飞行相同距离的电动飞机。
这类飞机仍将配备内燃机并携带燃料。但这些燃料将主要用于满足美国联邦航空管理局（FAA）的安全“储备要求”。在正常飞行过程中，不会使用这种燃料。
这一项目对像Zunum这样的初创公司的吸引力是显而易见的：电池在满足飞机需求方面做得越好，混合动力或电动飞机能够获得的市场就越大。去年，该公司宣布计划在2022年面向市场推出一种可容纳12名乘客的小型混合动力电动客机。
正在规划中的这种飞机由两个电动引擎提供动力，同时将配备补充性的内燃机和发电机，从而可使其续航里程达到700英里（约1127公里）。此外，Zunum还计划推出带有三个电池组且行程不超过200英里的全电动飞机。但至关重要的是，飞机本身预计将采用一种开放式的架构，允许机主根据需要切换这些模块，使电池能够升级，或者从混合动力切换为全电动操作。
眼下，Zunum已经从波音、捷蓝航空和华盛顿州的清洁能源基金获得了资金。位于达拉斯、主营美国国内包机业务的JetSuite航空公司已经同意购买100架这种混合动力电动飞机。包括Eviation Aircraft和Wright Electric在内的其他初创公司也在致力于开发用于通勤距离飞行的小型电动飞机。
根据美国运输统计局（BTS）的数据显示，飞机很少用于区域行程，在500英里以下的行程中只占不到1%。航空公司之所以不愿开设短途航班，很大程度上是因为大部分燃料都是在起飞过程中燃烧的，这意味着长途航线更加经济。考虑到高昂的成本和飞行带来的麻烦，消费者大多更愿意选择汽车、火车或公共汽车，而不是这种出行方式。
Zunum现任首席执行官Ashish Kumar曾在微软和谷歌担任高管。他认为，混合动力飞机可以在很大程度上通过降低燃料成本以及相应的票价来改变现状。“在世界上大多数地方，随着人们离开高速公路，进入速度更快的飞机，国内航空里程可能会增加一倍”。
随着电池的改进，混合动力和电动飞机也能在航空运输中占据更大的份额。据Kumar预计，到2035年，混合动力飞机的航程将达到1500英里（约2414公里），根据美国运输统计局的数据，届时航空出行将占总出行量的82%。
另辟蹊径
2018年9月初，在一次学术讨论会上，Viswanathan展示了一张飞行路线上电池组放电情况的图表，强调了航空电气化的挑战。
根据这个图表，电池必须能够在起飞时提供大量的电力，并能够输出足够的能量密度以巡航至少数百英里。但是要在飞机物理学和经济学的范围内工作，它还需要尽可能持久和轻便，并能够快速充电——或者至少像Zunum计划的那样，能够在飞行期间轻松地更换充满电的电池。
Viswanathan指出，飞机起飞时会在短短几分钟内产生巨大的热量，热量过高将会大大缩短非常昂贵的电池组的使用寿命。
要让锂离子电池以足够快的速度放电给飞机使用，就需要让离子和电子更容易通过电池，尤其是电极。一种选择就是使电极材料更多孔或更薄，但无论哪种改变都会以很高的能量密度成本实现。
因此，研究人员正在探索如何通过紧密堆积的碳、钴化合物和电极中的其他材料来拉直曲折路径的方法。
就像许多神奇的魔术一样，这个戏法依赖于磁铁。
在2016年发表在《自然—能源》上的一篇论文中，蒋业明、麻省理工学院研究人员Jonathan Sander及其同事指出，将磁性纳米粒子混合到电极材料中，并施加光磁场，有助于在电极间形成排列好的通道。随后的测试发现，这些电极的放电容量，或者说电子离开电池的速率，是传统锂离子电池的两倍以上，而且还不会损耗能量密度。
“这为我们的电动航空电池的开发开辟了一个全新的方向，”蒋业明表示。
目前，研究人员正在与位于马萨诸塞州剑桥市的24M公司合作（蒋业明担任该公司首席科学家），利用这种磁性方法开发和测试原型电池。如果一切顺利，Zunum将与研究人员合作对原型机进行评估，其中所有飞机的电力系统都在地面上进行评估。最终，它们也可以在实际飞行中进行测试。
只是个开始
在电池真正被制造和评估之前，这种方法的实际效果还有待观察。即使在最好的情况下，这个领域要在航空电气化上真正有所突破可能还需要几十年的时间。
航空工程师、安柏瑞德航空航天大学飞行研究中心主任Richard Anderson指出，对于给定的能量输出，电池的重量至少是燃料的20倍。他怀疑，像Zunum这样追求混合通勤航班的公司，在未来几年里能否找到足够的方法来抵消这些增加的重量。在他看来，该领域高估了混合动力飞机能够达到更多航程的速度，同时也低估了它们将要面临的监管挑战。
对此，麻省理工学院和卡内基学院的研究人员表示，为了扩大电动飞机的范围，仍然需要对其他大型电池进行改进，这可能需要转向完全不同的化学成分。Viswanathan指出，最重要的是，飞机可能需要从根本上进行重新设计，从而减少能源需求，通过重新分配发动机或改变机身形状来减少阻力，是一条可能的路径。
但他和蒋业明仍在电动航空电池的技术上下功夫，因为无论其他方面的进展如何，这都是必需的。即使其他电池工程师找到了让电动飞机飞行千里的方法，他们仍然需要足够的电力才能起飞。■