低空经济：锂电池的新蓝海？
1. 什么是低空经济？
低空经济是指以民用有人驾驶和无人驾驶航空器为主，以载人、载货及其他作业等多场景低空飞行活动为牵引，辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态。主流观点认为低空涵盖距离地面垂直高度1000 米或3000 米以内的空域（视地区特性和实际需求而定）。
低空经济可视作通用航空的升格，涉及低空飞行、制造、保障等多项产业。从应用场景来看，低空经济涉及军用、政用、商用、民用全方位场景；从产品角度来看，主要包含低空内飞行的无人机、私人飞机、eVTOL 等航空器；从产业构成来看，主要包括低空制造、低空飞行、低空保障、低空基础设施和综合服务等产业。
回顾2020 年至今，政策加持、产品迭代下行业有望持续快速发展。2021 年2 月低空经济首次写入国家规划，随后央地实质性政策持续发布，22 年后公司数量上升，产品发布量大增；2023 年起产品密集进入验证期，试飞情况显著增多；2023 年下半年证申请数量提升，亿航智能在10 月、12 月分别获得型号合格证（TCTC）、标准适航证（ACAC），进度全球领先，并实现“从零到一”的突破。
根据腾讯研究院文章，民航监管机构要求载人级eVTOL 的零部件和材料安全性对标民航客机，以德国Lilium 的eVTOL 为例，为了满足欧盟适航认证的安全标准，75% 以上的零部件、配件和复材来自全球一级航空航天供应商，包括美国霍尼韦尔、德国代傲、日本东丽、法国Expliseat 。所以中短期内eVTOL 供应链仍将以传统航空航天供应商为主；中短期由于严格的适航认证流程及ToB 或ToG 的商业模式，eVTOL 更注重“飞行器属性”。长期看，随着eVTOL 应用范围向ToC 拓展，智能化属性加强，更像会飞的“智能汽车”消费品移动终端，届时新能源汽车、智能汽车等产业链或占据主导地位。
当前国内eVTOL 的供应链中，飞控、导航、机体部分集中了大量军机或者民机供应商，eVTOL 的发展会带动中上游相关企业的发展，同时随着国产大飞机产业的发展，也将加速我国低空飞行器产业链的培育。
2. 低空经济产业链
eVTOL产业链构成
eVTOL 主要由机体子系统、导航通讯与飞控子系统、动力子系统和能源子系统构成。参考保时捷管理咨询分析，典型的eVTOL 产品含有上百套设备,十多个子系统,设备间的机械、电气、通讯接口繁杂,对下游主机厂系统集成和整机研发提出了很高要求。eVTOL 飞行器主要由机体子系统、导航通讯与飞控子系统、动力子系统和能源子系统构成。从目前eVTOL 供应链发展趋势判断,导航、通讯与飞控子系统作为eVTOL 的“大脑”和“眼睛”,因其技术壁垒和适航认证门槛较高,在未来相当长时间内仍需依赖传统航空航天供应商提供软硬件解决方案。eVTOL 的飞行控制较直升机、飞机等传统飞行器而言,需特别解决基于多旋翼垂直起降、基于常规固定翼水平飞行以及垂直-水平两种飞行状态的平稳切换等技术难题，目前国内外主机厂通常只掌握其中一两项技术,仍是目前主机厂产品研发的短板。
eVTOL 电池及动力系统成本占比达到50%左右。eVTOL 的核心系统主要分为电池、动力系统、电子设备和飞控系统以及机体4 大类。参考《Lilium Analyst Presentation》，Lilium 公司的eVTOL 价值量，单价价值量为250 万美元，价值量最高的是推进系统、内部结构件、航空电子设备与飞行控制器，推进系统的价值量占比达到40%，内部结构件、航空电子设备与飞行控制器分别占25%、20%，而能源系统占10%，装配件占5%。与新能源汽车对比，eVTOL 电机电控成本占比更高。
eVTOL动力来源
eVTOL 对电池能量密度等要求较高。eVTOL 对于电池的要求包括高比能、高功率、快充及长寿命等，电池的比能量（能量密度）水平决定eVTOL 的航程。而比功率（功率密度）与eVTOL 飞行性能有关，倍率与eVTOL 充放电快慢有关，循环次数决定电池的寿命。作为eVTOL 技术的核心组件，电池的性能和安全性可以影响eVTOL 飞机的性能和市场接受度。
eVTOL 对电池倍率性能和安全性要求较高。根据William L. Fredericks et al《Performance Metrics Required of Next-Generation Batteries to Electrify Vertical Takeoff and Landing (VTOL) Aircraft》，对于搭载52.5kWh 电池包，续航73 英里（117km）的eVTOL,其起飞时的放电功率达到了4C,下降时的放电功率接近5C。这是由于下降时电池SOC 和电压降低，相同功率下，需要更大的电流（P=V*I）。这与目前的电动汽车区别很大，电动车下坡时不仅不耗能，还能通过电机进行能量回收，增加整体续航里程，而电动飞机下降时与上升时一样耗能。此外，除了电池产生的热量外,由于着陆段和起飞段的高电流,其他动力系统部件也会产生额外的热量,对电池热管理和安全性有了更高的要求。
多家厂商入局，高镍三元和硅基方案有望受益。面对万亿级别的低空飞行市场，国内多家电池厂商入局：1）宁德时代已于2023 年7 月19 日与中国商飞、上海交大企业发展集团共同成立商飞时代（上海）航空有限公司，并在此前的2023 年4 月发布了凝聚态电池，能量密度突破500Wh/kg；2）国轩高科与亿航智能于2023 年末签订战略合作协议，双方将共同开发基于亿航智能eVTOL 产品的动力电芯、电池包、储能系统和充电基础设施，探索产业协同发展新模式。3）中创新航与小鹏汽车深度绑定，针对低空出行开发的新锐9 系高镍／硅体系电池，在保证高功率、高快充能力的同时，实现了轻量化和安全性能的跨越式提升。
固态电池是未来发展方向。传统的液态锂电池具有一定的缺陷。1）传统液态锂离子电池的安全性有上限。有机易燃电解液在剧烈的撞击等条件下会引起一定的安全隐患，且液态电池隔膜的耐热极限约为 160 度，超过此温度后聚合物会转化为流动态，导致正负极直接短路。2）当前液态锂电池的材料体系逐渐达到上限。当前液态锂电池能量密度上限约为 350Wh/kg，目前基于氧化物正极与石墨负极的传统锂离子电池的能量密度越来越接近其理论上限。
固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。固态电池可以缓解液态电池的问题。可以搭配高比能材料，大幅减重，能量密度提升，量密度有望达到 500Wh/kg 甚至更高。在安全性方面，固态电池具有高强度、高电化学稳定性以及高燃点。在工信部装备工业司对《中国制造2025》的解释中也明确提出了“建立和健全富锂层氧化物正极材料/硅基合金体系锂离子电池、全固态锂离子电池、金属空气电池、锂硫电池等下一代锂离动力电池和新体系动力电池的产业链”。
固态电池分为半固态、准固态、全固态三种类型，具有高能量密度+高安全性的优势。半固态（Half solid）液体电解质质量百分比<10%，准固态（Nearly solid）液体电解质质量百分比<5%，全固态（All Solid）不含有任何液体电解质。固态电池的两大优势：高能量密度+高安全性。
1) 高能量密度：全固态电池电化学窗口可达 5V 以上，高于液态锂电池（4.2V），可以匹配高能正极和金属锂负极，大幅提升理论能量密度。此外，固态电池可简化封装、冷却系统，在有限空间进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂电池石墨负极提升 70%以上。当前液态锂电池能量密度已经逐渐逼近上限（350Wh/kg），而固态电池能量密度有望达到500Wh/kg 甚至更高.
2) 高安全性：固态电池将液态电解质替换为固态电解质，大大降低了电池热失控的风险。热稳定性通常指聚合物抵抗热分解的能力，不同成分的固态电解质耐热极限差异较大（400度-1800 度不等），但均显著高于液态电池不超过 60 度的最高工作温度。半固态、准固态电池仍存在一定的可燃风险，但安全性优于液态锂电池。很多无机固体电解质材料不可燃（如氧化物固态电解质热稳定性高达 1000 度）、无腐蚀、不挥发且不存在漏液问题。
全固态电池的投用尚需时日，半固态电池是由液态电池向全固态电池过渡的中间方案。全固态电池具有能量密度高、安全性能好的优势，但是现在实施全固态电池会遇到很大的阻碍，主要包括以下三个方面：1）固-固界面接触导致电池内阻较大；2）离子电导率不高，现有的固态电解质导电率相较液态电解质低 1-2 个数量级；3）当前由于未产业化，全固态电解质成本较高。半固态电池是向全固态电池过渡的中间方案，1）半固态电池保留一定量电解液，循环性能及倍率性能优于全固态电池；2）半固态电池电极材料浸润在电解液中，可以改善固态电池导电率低的问题；3）半固态电池目前成本比传统锂电池略高，相较全固态电池处于较低位置。
半固态电池对现有材料体系冲击较小。1）正极材料方面：目前现有的磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元 NCM 等正极材料仍可延续使用；2）负极材料方面：目前主流的石墨系、以及未来的硅碳系均可使用，由于半固态电池中仍然存在一定量的液态电解质，所以锂金属负极目前尚不适用；3）电解液方面：目前仍需要少量的有机溶剂浸渍，现有主流的锂盐 LiPF6 以及LiTFSI、LiFSI 等新型锂盐仍然需要添加；4）隔膜方面：由于半固态电池中仍然存在一定量的液态电解质，仍然需要隔膜隔绝正负极防止短路，而且在一些情况下隔膜仍然要被用作骨架支撑，但是对隔膜的技术要求可能会发生变化。
全固态电池或将对传统液态电池四大材料体系造成较大的冲击。正极材料未来更可能使用高比能材料；负极材料中金属锂有望应用；电解质体系中液态溶剂将被完全取代；隔膜将被逐步替代。
eVTOL电机电控
电机电控是eVTOL 核心动力单元。eVTOL 一般采用多电机，参考刘巨江等《不同构型电动垂直起降飞行器动力系统的安全性评估》，以四轴八桨多旋翼构型eVTOL 为例，垂直推力系统主要由8 套垂起电机、电调、REU、电机冷却系统和螺旋桨组成，相比新能源汽车，电机较多,多冗余度的动力架构设计可以提升电动飞行器动力架构的安全性。
参考邓景辉《电动垂直起降飞行器的技术现状与发展》，电动垂直起降飞行器对电机效率和转矩密度的要求较高，永磁同步电机是电推进动力系统很具前景的方案。当前电动垂直起降飞行器，如 Joby S4、Archer Midnight 等均采用了永磁同步电机。与新能源汽车相比，eVTOL 电机具有安全性、环境适应性、功率密度等要求：
1） 安全性：紧急情况下冗余50%功率输出，第一指标。
2） 环境适应性：可以适应海拔8000-12000m，极冷极热-90℃~70℃。
3） 功率密度要求高：电机重量是电动飞机的设计要求的重要指标。
4） 螺旋桨驱动电机轴承需承受多方向突加载荷。
电控环节：SIC 有望加速渗透。作为第三代半导体材料的代表，SiC 具有大禁带宽度、高击穿电场强度、高饱和漂移速度和高热导率等优良特性。SiC 的禁带宽度（2.3-3.3eV）约是Si 的3 倍，击穿电场强度（〖0.8×10〗^6 V/cm-〖3×10〗^6 V/cm）约是Si 的10 倍，热导率（490W/(m·K)）约是Si 的3.2 倍，可以满足高温、高功率、高压、高频等多种应用场景。我们认为eVTOL 部分场景有输出功率的需求，对耐压性能要求相对较高，SIC 电控有望加速渗透。
3. 低空经济面临的挑战
为了充分发挥这一机会的潜力，整个政府的合作至关重要。所有机构都应评估这些技术可能满足的需求，以进一步实现规模经济和操作敏捷性(例如，救灾、消防、国际发展、执法、医疗后送等)。接下来，他们应该与行业合作，评估如何修改或调整当前的政策和法规，以在不损害公共安全的情况下培育这个新市场，这样，基于商业需求，高行业生产率可以通过规模经济降低成本。这项技术可以作为新交通架构的一个子集，以减少碳排放，并大大减少现有基础设施的压力。
当评估从开发新的设计解决方案中获得的经验教训时，人们经常发现以下错误：a)定义适当的需求；b)考虑利益相关者的利益；c)了解技术成熟度；或者d)考虑整个生命周期成本。对于eVTOL飞机，首先，公众的接受度是至关重要的。2018年美国宇航局城市空中交通(UAM)市场研究显示，“消费者不信任自动驾驶技术，也不知道现有的安全系统”。空中客车城市交通管理(UTM)在2019年对城市空中交通公众看法的研究表明，公众的主要担忧与地面上个人的安全、产生的噪音类型和音量、使用UAM的时间以及飞机飞行的高度有关。因此，在安全的空间里对这些技术进行测试和广泛的公众互动对成功至关重要。在同样的文化脉络中，这些技术中的一些可能会导致不同的操作概念和潜在的组织重组、资源优先级和职业领域重新定位，这可能会挑战已建立的组织文化规范。重要的是要采取渐进的方法，明确指出这项技术可以为当前的平台提供低成本的对冲，但并不打算取代它们。在原型、测试和操作证明这种对冲选项的价值之前，不应该更改当前的资源配置文件。如果有压倒性的好处，就会有自然的吸引力。也许转型可以在没有创造性破坏的破坏性部分的情况下发生。在这种转变中，任何潜在的输家都应该及早发现，并给予积极建议。
其次，技术限制将会存在。电力存储技术必须不断提高电池的能量密度，保证令人满意的性能。电池极有可能继续以这样的速度发展，在不到十年的时间里，这项技术将变得极具竞争力。在此期间，有几个步骤可以继续并行开发其他相关技术，这些技术仍然可以产生短期优势。应该立即开始建立自主再充电/再加油物流的技术和操作概念，以增加续航里程另一种选择是在全电力系统成熟之前使用混合动力系统。许多中程作业都可以通过石油动力混合电力系统或增程器实现。一些用例可能需要更高端的石油推进系统(轻型混合动力)来满足苛刻的任务要求。一般来说，石油推进系统的长期成本将高于全电力系统，但它们仍然是非常可行的。在任何情况下，使用石油或氢动力混合动力系统的先进模块化垂直起降系统都应该并行开发，以评估相对效益，并为长期投资决策提供信息。自动加油技术和混合动力系统已经在开发中，可以结合起来降低全电动eVTOL的技术风险和航程限制。从根本上说，至关重要的是要了解目前的技术可以完成哪些任务，并开始发展与现有技术成熟度相称的行动概念。
以上是笔者对于低空经济的浅浅分享，希望对感兴趣的小伙伴有所帮助。
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