Festkörperbatterien in Drohnen: Erfolge, Hürden und was als nächstes für Betreiber kommt

Das Ergebnis? Ein 48-minütiger und 10-sekündiger Dauerflug – etwas, das mit Lithium-Ionen noch vor wenigen Jahren undenkbar gewesen wäre. Für jeden in diesem Bereich ist das nicht nur eine Zahl; Es ist der Beweis dafürFestkörperkann zwei der größten Probleme von Drohnenbetreibern beheben: kurze Flugzeiten und Sicherheitsbedenken. Dieser Testflug brach nicht nur einen Rekord – er zeigte auch, dass eVTOLs (und Drohnen im Allgemeinen) bald längere und zuverlässigere Missionen bewältigen könnten, ohne Abstriche bei der Sicherheit zu machen.

Auch Panasonic sprang mit einFestkörperbatteriespeziell für kleinere Drohnen entwickelt – und ihre Spezifikationen sind genau das Richtige für vielbeschäftigte Betreiber. Stellen Sie sich vor, den Akku einer Drohne in 3 Minuten von 10 % auf 80 % aufzuladen. Für ein Lieferteam, das mehr als 20 Flüge pro Tag durchführt, verkürzt sich die Ausfallzeit dadurch von 30 Minuten (mit Lithium-Ionen-Akku) auf fast nichts. Noch besser? Bei Raumtemperatur hält es 10.000 bis 100.000 Ladezyklen. Eine Baufirma, mit der wir zusammenarbeiten, teilte uns mit, dass sie die Lithium-Ionen-Batterien alle sechs Monate austauschen würde – diese Option von Panasonic könnte eine Lebensdauer von mehr als fünf Jahren haben. Das ist eine enorme Kostenersparnis, bedeutet aber auch, dass weniger Batterien auf der Mülldeponie landen – etwas, das Kunden zunehmend fragen, wenn sie auf Nachhaltigkeit setzen.

Aber hier ist eine Sache, die wir unseren Kunden gegenüber nicht beschönigen: Solid-State muss noch einige Hürden überwinden, bevor es in jede Drohne eingebaut wird. Wir haben in den letzten sechs Monaten mit Dutzenden kleiner bis mittlerer Drohnenbetreiber gesprochen, und ihre Bedenken beziehen sich alle auf dieselben Herausforderungen – solche, die über „gute Spezifikationen auf dem Papier“ hinausgehen.

Nehmen Sie zuerst die Kosten. Allein die Materialien sind teurer: Die Festelektrolyte in diesen Batterien kosten mehr als die flüssigen in Lithium-Ionen-Batterien, und die Maschinen, die zu ihrer Herstellung benötigt werden? Sie sind nicht von der Stange. Ein Start-up-Drohnenhersteller in Texas teilte uns mit, dass er auf Solid-State-Technologie umsteigen wollte, aber die Vorabkosten für die Umrüstung der Batterie hätten sein gesamtes Jahresbudget verschlungen. Für große Player wie EHang oder Panasonic ist das verkraftbar – für die Mehrheit der Betreiber stellt es derzeit jedoch eine Hürde dar.

Dann gibt es noch das Problem der „Grenzflächenstabilität“ – ausgefallene Begriffe für ein einfaches Problem: Der Festelektrolyt und die Elektroden der Batterie müssen in engem, gleichmäßigem Kontakt bleiben, um gut zu funktionieren. Aber jedes Mal, wenn der Akku geladen und entladen wird, schrumpfen und dehnen sich die Elektroden ein wenig aus. Mit der Zeit entstehen dadurch winzige Lücken und der Akku verliert schneller an Leistung. Das haben wir letzten Frühling bei einem Drohnentest auf dem Bauernhof aus erster Hand gesehen: Nach 50 Zyklen verringerte sich die Flugzeit der Festkörperbatterie um 12 % – kein Problem, aber genug, dass der Landwirt fragte: „Wird das noch schlimmer?“ Im Moment lautet die Antwort „vielleicht“, bis die Hersteller langlebigere Elektrodenmaterialien finden.

Sprödigkeit ist ein weiteres Problem, insbesondere bei Drohnen, die unter rauen Bedingungen fliegen. Die meisten Festelektrolyte auf Keramikbasis sind zäh, aber nicht flexibel. Ein Such- und Rettungsteam in Colorado testete letzten Winter eine Keramik-Elektrolyt-Batterie; Bei einer Landung auf felsigem Gelände brach das Batteriegehäuse (glücklicherweise kein Feuer) und die Drohne verlor Strom. In diesem Szenario könnte Lithium-Ionen auslaufen, aber es funktioniert normalerweise lange genug, um sicher zu landen. Bei Drohnen, die mit Vibrationen (wie Baustellenscannern) oder harten Landungen (wie Wildtierüberwachungsdrohnen) zurechtkommen, ist dies ein großes Problem.

Sogar Lithiumdendriten – diese winzigen, nadelartigen Strukturen, die Lithium-Ionen-Batterien kurzschließen – sind noch nicht vollständig verschwunden. In Festkörperbatterien sind sie seltener, aber wir haben von Batterieingenieuren gehört, dass sich bei hohen Ladegeschwindigkeiten (wie der 3-Minuten-Ladung von Panasonic) immer noch Dendriten bilden können. Das Risiko ist zwar geringer, aber für Betreiber, die über überfüllte Gebiete fliegen, ist „kleiner“ nicht immer „gut genug“.

Hitze ist eine weitere Überraschung. Festkörperbatterien sind bei hohen Temperaturen sicherer als Lithium-Ionen-Batterien, aber sie leiten die Wärme nicht so gut ab. Eine Drohne, die für Hochleistungsaufgaben eingesetzt wird – etwa das Heben schwerer Nutzlasten oder das Fliegen mit Höchstgeschwindigkeit über einen längeren Zeitraum – kann schnell Hitze aufbauen. Wir haben mit einem Logistikkunden zusammengearbeitet, der eine Solid-State-Drohne für 50-Pfund-Paketlieferungen getestet hat; Nach 25 Minuten Flug war der Akku so heiß, dass die Software der Drohne sie zu einer vorzeitigen Landung zwang. Sie mussten einen leichten Kühlkörper hinzufügen, der die Nutzlastkapazität einschränkte – wodurch ein Teil des Zwecks der Umstellung auf Solid-State zunichte gemacht wurde.

Und vergessen wir nicht den Fertigungsmaßstab. Derzeit werden die meisten Festkörperbatterien in kleinen Mengen hergestellt. Ein Drohnenbetreiber, der 100 Batterien pro Monat benötigt, kann sechs bis acht Wochen auf die Lieferung warten, wohingegen Lithium-Ionen-Batterien noch am selben Tag vorrätig sind. Bis Fabriken Festkörperbatterien so schnell (und kostengünstig) wie Lithium-Ionen-Batterien herstellen können, wird die Einführung bei allen außer den größten Teams langsam bleiben.

Auch für die Festelektrolyte selbst gibt es kein Patentrezept, das für alle passt. Keramik eignet sich hervorragend für die Leitfähigkeit – sie lässt Ionen schnell wandern, was mehr Leistung bedeutet –, ist aber, wie wir gesehen haben, spröde. Polymere sind flexibel, sodass sie Vibrationen besser verkraften können, aber bei Raumtemperatur sind sie langsamer – gut für eine sich langsam bewegende Landwirtschaftsdrohne, aber schlecht für eine schnelle Lieferdrohne. Sulfide sind der Mittelweg: gute Leitfähigkeit und Flexibilität, aber sie reagieren auf Feuchtigkeit. Ein Küstendrohnenbetreiber in Florida teilte uns mit, dass er Batterien auf Sulfidbasis mit einem wasserdichten Gehäuse versehen müsse, was zu mehr Gewicht führe. Die Wahl des richtigen Elektrolyten hängt ganz davon ab, was die Drohne tut – und wohin sie fliegt.

Hier ist jedoch die gute Nachricht: Jede von uns erwähnte Herausforderung wird Test für Test gelöst. EHangs Flug war kein Zufall; Es ist ein Zeichen dafür, dass die Hersteller herausfinden, wie sie Solid-State-Geräte auf Drohnen zuschneiden können. Der Schnellladeakku von Panasonic ist nicht nur ein Prototyp – er beginnt mit der Auslieferung an ausgewählte Kunden. Und da immer mehr Betreiber Solid-State-Lösungen fordern, werden die Kosten sinken.

Für jeden, der derzeit ein Drohnengeschäft betreibt, ist die Frage nicht, „ob“ Solid-State-Geräte die Oberhand gewinnen werden, sondern „wann und wie man sich vorbereitet“. Fangen Sie klein an: Testen Sie ein paar Festkörperbatterien mit Ihren am stärksten beanspruchten Drohnen (z. B. Liefer- oder Such- und Rettungsdrohnen) und verfolgen Sie die Zeit- und Ersatzeinsparungen. Sprechen Sie mit Ihrem Batterielieferanten über maßgeschneiderte Lösungen – viele sind bereit, die Elektrolyte für Ihren speziellen Anwendungsfall anzupassen.

Solid-State ist noch nicht perfekt, aber in den wichtigsten Punkten ist es bereits besser als Lithium-Ionen: längere Flüge, sichererer Betrieb und weniger Ausfallzeiten. Und wenn die Probleme gelöst werden? Wir blicken in eine Zukunft, in der Drohnen nicht nur „die Arbeit erledigen“, sondern sie schneller, billiger und an mehr Orten erledigen als je zuvor.

Wenn Sie neugierig sind, welche Festkörperbatterie für Ihre Drohnen sinnvoll ist, oder mehr über die Tests erfahren möchten, die wir mit Kunden durchgeführt haben, schreiben Sie uns. Dabei handelt es sich nicht nur um ein technisches Gerede, sondern darum, Ihren Drohneneinsatz effizienter zu gestalten.