摘要：随着低空经济的快速发展，电动垂直起降飞行器（eVTOL）对动力电池提出了远超地面电动车辆的性能要求。固态电池凭借高能量密度、高功率密度和高安全性的综合优势，被认为是解决eVTOL动力系统瓶颈的关键技术路径。本文系统分析了eVTOL不同飞行阶段的功率特性及其对动力电池在能量密度、功率密度、循环寿命和安全性方面的严苛需求，综述了聚合物、氧化物和硫化物三类固态电解质在提升eVTOL综合性能方面的最新技术进展，并在此基础上从电、热、力三个维度探讨了面向eVTOL应用的固态电池管理系统的优化架构。研究表明，三类固态电解质均已展现出突破400 W·h·kg⁻¹能量密度的潜力，但面向eVTOL的实际应用仍需在固-固界面工程、宽温域适配和动态压力管理等方面实现系统级突破。本文旨在为构建满足eVTOL极端工况需求的高性能固态电池及其管理系统提供理论依据与技术参考。
一、eVTOL发展趋势与动力电池需求
1.1 eVTOL发展的战略背景与产业态势
低空经济已被列为“十五五”新兴支柱产业。作为空地一体化交通的核心载体，eVTOL兼具航空与汽车两大产业基因，被寄予牵引万亿级产业集群的厚望。2024年，中国低空经济市场规模达4807亿元，2025年预计达5615亿元，预测2035年有望突破3.5万亿元。2026年7月1日，新修订的《中华人民共和国民用航空法》正式施行，首次在民航基础性法律中明确支持低空经济发展，为eVTOL等低空新业态提供了清晰的法律支撑。
从商业化进程来看，2025年被业界视为eVTOL商业化运营元年。2026年，多地工厂投产、适航取证加速、意向订单累积，行业正从概念验证迈向商业化探索。当前国内已累积近2000架意向订单，涵盖景区文旅、城际通勤等多类场景。据国联证券研报预测，随着多机型适航认证加速推进，2026年eVTOL发展将带动固态电池百亿元增量市场。
然而，eVTOL的商业化落地仍面临多重障碍。业内普遍认为，安全认证、电池瓶颈与空域管理是起飞前的关键障碍。其中，动力电池性能不足已成为制约eVTOL规模化运营的核心卡点。当前主流eVTOL搭载的传统液态锂电池受电解液易燃、能量密度天花板偏低等因素制约，难以满足民航适航的严苛安全测试标准和长航时飞行需求。
1.2 eVTOL的动力电池需求特征
与电动汽车相比，eVTOL对动力电池提出了更为严苛的综合性能要求。能源系统是eVTOL的能量存储与释放载体，通常占整机重量的30%左右。在“寸克寸金”的质量约束下，电池系统的重量分配极为紧张。
在能量密度方面，eVTOL垂直起飞所需动力是地面行驶的10至15倍，商用门槛高达400 W·h·kg⁻¹。若考虑电池包装损失（20%~30%）、老化损失（1%~10%）、充放不完全损失（5%~10%）以及安全备用电量（约20%），电池单体的能量密度须在400 W·h·kg⁻¹以上。在功率密度方面，起降阶段要求电池的瞬间充放电倍率在5C以上。与电动汽车高速和城市工况下平均放电倍率仅为0.3C和0.1C相比，eVTOL的功率需求高出两个数量级。
在安全性方面，eVTOL运行于城市密集空间，一旦发生热失控后果不堪设想。航空适航标准对电池的热稳定性、机械可靠性和环境适应性提出了远高于车规的要求。在循环寿命方面，频繁的高倍率深度充放电使得电池老化加速。即便设计寿命达百万英里的电动汽车电池，也仅能满足eVTOL约两年的运营需求。
1.3 固态电池的技术优势与应用前景
固态电池采用耐高温、不易燃的固态电解质代替传统锂离子电池中易燃的酯类有机电解液，从根本上提升了电池的安全性能。通过固态电解质膜厚度的降低和金属锂负极的应用，固态电池的能量密度有望实现大幅跃升。固态电池能量密度普遍达到350~500 W·h·kg⁻¹，较液态电池200~250 W·h·kg⁻¹的主流水平有显著提升。
从产业化进展来看，国内多家企业已取得实质性突破。孚能科技第二代半固态电池（330 W·h·kg⁻¹）已小批量投产并交付多个eVTOL客户，第三代半固态电池（400 W·h·kg⁻¹）正有序推进电芯研发。欣旺达发布了“欣·云霄2.0”航空动力电池，能量密度达360 W·h·kg⁻¹。恩力动力已实现能量密度达300~400 W·h·kg⁻¹的半固态电池量产，并成功研发出400~520 W·h·kg⁻¹的锂金属准固态电池产品。搭载欣界能源“猎鹰”固态锂金属电池的亿航智能EH216系列eVTOL，成功完成全国首例无人驾驶载人航空器跨海峡飞行任务——从海口起飞至湛江徐闻港降落，全程22公里横跨琼州海峡，仅耗时18分钟，单次续航达48分10秒，较传统电池提升将近一倍。这一标志性事件验证了固态电池在复杂环境下支撑eVTOL飞行的可行性。
二、eVTOL运行特性与动力电池需求分析
2.1 eVTOL构型分类与典型工况
主流的eVTOL大致可分为三类构型：
多旋翼型依靠多个旋翼或涵道风扇提供升力，通过调节不同旋翼转速实现飞行姿态调整。该类型结构简单、易于维护，但因缺少固定翼无法有效利用空气动力学优势，巡航速度低、能耗高，航程较短，通常将应用场景限制在城市范围内。
矢量推进型通过旋翼（或旋翼加电机）的整体倾转来改变推力方向，气动效率高，爬升效率出色。Joby公司的全电动六旋翼S4机型最高时速可达322 km·h⁻¹，最大航程约241 km。但倾转机构复杂，安全性和可靠性不如多旋翼构型。
升力+巡航型配备两套独立推进系统，分别用于垂直起降与水平巡航。以峰飞V1500M“盛世龙”为例，这款5座机型最大起飞质量2.2 t，巡航速度200 km·h⁻¹，航程250 km。但垂直升力系统在巡航时不工作，利用率低且产生额外阻力。
eVTOL的飞行任务剖面包含多个工况：垂起/垂降阶段由螺旋桨产生升力实现垂直起降；悬停阶段须稳定功率输出并快速响应风扰；爬升阶段须克服重力与阻力加速上升；巡航阶段保持匀速飞行；下降阶段须精准调控功率避免涡环状态。矢量推进型在垂直起降和巡航之间还包含倾转工况。
2.2 能量密度需求与质量恶性循环
eVTOL设计航程、飞行高度和悬停时间的增加会引发质量恶性循环：为满足更高能耗而增加的电池质量，反而会因总质量提升进一步推高能耗、降低效率。因此，突破这一瓶颈的关键在于提高电池包能量密度。
研究表明，当电池能量密度达到400 W·h·kg⁻¹时，纯电动eVTOL在短途航程中将展现出显著优势。未来eVTOL对能量密度的要求甚至将达到1000 W·h·kg⁻¹。Alam等对比了同等质量下特斯拉电池在eVTOL飞行任务中的性能，采用能量密度更高的4680电池替代2170电池可使航程增加15 km。丁水汀等的升力+巡航eVTOL整机与动力总成模型表明，最大连续放电倍率对电池能量密度的敏感性高于储能能量，提升能量密度可以更有效地降低对最大连续放电倍率的要求，减轻电极极化，延长电池使用寿命。
2.3 功率密度需求与垂降环节约束
eVTOL不仅需要高能量密度，还需要高功率密度，尤其在垂直起降阶段。与电动汽车制动时可回收能量不同，eVTOL在垂降阶段仍持续消耗功率。Fredericks等基于“第一性原理”分析发现，随飞行时间延长和容量下降，电池端电压降低，垂降阶段为维持与垂起相近的功率输出，需更高的放电倍率（>4C）。
因此，垂降阶段是eVTOL飞行的关键限制环节。若未在全工况评估电池输出特性，可能导致eVTOL能起飞但无法安全着陆。为提高应急能力，通常须配置备用电源或提高放电截止容量，以确保在复飞和垂直降落时具备足够的能量与功率裕度。
然而，电池的高能量密度与高倍率性能通常难以兼顾。高能量密度设计常依赖厚电极，但会增大曲折度并降低孔隙率，阻碍锂离子扩散，使内阻升高并限制最大放电倍率。Samson等测试发现，液态高镍三元电池虽然能量密度接近300 W·h·kg⁻¹，但在低SOC下直流内阻过高，导致端电压迅速跌落至截止电压，无法在规定的放电深度内完成完整eVTOL飞行任务。Fay等对比300种商用电池也指出，高镍三元电池在eVTOL模拟测试后SOC低于30%，而硫化物固态电池“SiSu”可维持在60%以上，凸显了固态电池在高功率输出和有效能量利用方面的优势。
2.4 循环寿命与安全需求
为提升经济性与用户体验，eVTOL倾向于采用小尺寸电池与快充技术相结合的技术路线，动力电池须具备超长循环寿命以应对更频繁的高倍率深度充放电。行业标准要求固态电池1C充放电循环寿命超过1000次。Dixit等对液态锂离子电池施加45 s 15C放电电流模拟eVTOL垂起需求，随后以C/3放电模拟巡航。85个循环后，因极化内阻增大和容量衰减，高倍率放电时端电压已接近截止电压，无法满足起飞要求。拆解分析发现负极出现析锂，源于高电流下电解液中锂离子浓度梯度导致电极界面锂离子耗尽。
eVTOL的功率需求远高于电动汽车，总热量生成率可达电动汽车的10倍以上。高能量密度所需的高镍三元材料热稳定性较差，高温会诱发微裂纹与相变，导致性能加速退化。液态有机电解液在高温下易分解产气，增加热失控概率。低温下电池极化增加，电化学反应速率降低，极大限制eVTOL冷启动能力。随着飞行高度上升，空气稀薄导致对流换热减弱，使电池更难维持理想工作温度。
三、面向eVTOL应用的固态电池关键技术
固态电池采用固态电解质取代传统液态电解液和隔膜，从根本上解决了易燃问题。依据材料体系，主流固态电解质可分为聚合物、氧化物和硫化物三大类。三类电解质各具优劣势，产业界仍在探索最适合固态电池量产的技术路线。短期来看，半固态电池首选氧化物路线，其技术成熟度更高，与现有液态锂电池产线兼容性较强；长期来看，硫化物路线更适配全固态体系，离子电导率接近液态电解质。
3.1 高能量密度技术
当前商用锂离子电池中，磷酸铁锂和三元体系能量密度分别约为140和250 W·h·kg⁻¹。为满足eVTOL对400 W·h·kg⁻¹的能量密度需求，同时避免因厚电极设计导致功率性能下降，固态电池采用金属锂负极和高压正极，并将固态电解质膜控制在30 μm以下。
聚合物固态电解质（PSE）具有易于制备、安全性高和柔韧性好的优点，但室温离子电导率和机械强度偏低。PSE可制备超薄电解质膜以提升能量密度。Zhang等将聚乙二醇二丙烯酸酯填充到多孔电纺聚丙烯腈纤维膜，制备了厚度仅10 μm的自支撑超薄PSE。清华大学张强团队提出“富阴离子溶剂化结构”设计新策略，成功开发出一种新型含氟聚醚电解质，通过热引发原位聚合技术，有效增强了固态界面的物理接触与离子传导能力。基于该电解质构建的8.96 Ah聚合物软包全电池在施加1 MPa外压下，能量密度实现跨越式提升。Wang等在富锂正极表面构建含负电荷和高介电常数的层状结构，优化了4.6 V高电压下的界面电场分布。An等在聚环氧乙烷基体中引入Mg²⁺和Al³⁺作为路易斯酸添加剂，将工作电压从4.2提升至4.8 V。
氧化物固态电解质（OSE）拥有卓越的机械强度和热稳定性，但本征脆性和润湿性差导致界面接触阻抗较大。OSE循环过程中易破碎，常须与聚合物基质复合以提升力学与电化学性能。Bao等通过流延-烧结构建锂镧锆氧陶瓷骨架，再注入聚合物前驱体并紫外固化，制得仅12 μm厚的复合电解质。Xu等将钽掺杂锂镧锆氧填料表面构建超薄聚合氰乙基纤维素界面层，隔离其与聚偏二氟乙烯的直接接触，避免脱氢氟化反应，将截止电压提升至4.8 V。海目星公司参与研发的固态电池采用氧化物固态电解质和金属锂负极，能量密度达到450 W·h·kg⁻¹以上。
硫化物固态电解质（SSE）具有可与液态电解质媲美的高离子电导率（10⁻³10⁻² S·cm⁻¹）和良好的机械延展性，但对水分敏感，与高电压正极的界面稳定性差。硫元素半径更大，离子传导通道更大且电负性较小，离子电导率可媲美液态电解液。传统测试方法常高估SSE电化学稳定窗口，如Li₁₀GeP₂S₁₂的实际稳定窗口仅为1.712.14 V。Li等将NCM811正极表面的残留锂化合物转化为Li₃VO₄涂层，有效抑制了与Li₆PS₅Cl电解质的界面副反应。Nature Communications于2025年报道了一项重要进展：研究者提出在LiCoO₂正极表面构建Li₂ZrF₆涂层，该涂层与SSE的反应极小，且分解产物不含电子导体，同时有效抑制了LiCoO₂从层状结构向尖晶石/岩盐结构的表面相变。采用该策略的In-Li|Li₆PS₅Cl|Li₂ZrF₆-LiCoO₂全固态电池在25 °C下、高LiCoO₂面质量负载（30.19 mg·cm⁻²）和3.9 V截止电压（对应Li⁺/Li电位4.5 V）条件下，实现了5.2 mAh·cm⁻²的初始面容量和1500次循环后80.5%的容量保持率。SSE的非流动性适于双极堆叠技术，相邻单元共享集流体，通过降低非活性材料比重提升能量密度。美国电池制造商Microvast于2025年1月公布了全固态电池技术，采用双极堆叠架构在单个电池电芯内实现串联连接，工作电压范围可达12~21 V，而传统液态电池每个电芯的标称电压仅为3.2~3.7 V。Hu等利用热压制备25 μm的LPSC电解质膜，并采用双极堆叠技术实现多层电池串联。
三类固态电解质均已展现出突破400 W·h·kg⁻¹的潜力。孚能科技已完成第二代硫化物全固态电池技术开发，采用富锂锰基/高镍三元正极与锂金属负极，能量密度提升至500 W·h·kg⁻¹。需要注意的是，文献中报道的能量密度通常仅基于电池活性材料计算，实际系统能量密度通常仅为单体值的60%~75%。
3.2 高功率密度技术
eVTOL的飞行剖面和快充需求对功率特性提出了极为苛刻的要求，起降阶段要求瞬间充放电倍率在5C以上。固态电池固-固界面接触阻抗高、离子电导率偏低的问题制约了高功率输出。提升离子电导率（σ）、锂离子迁移数（t⁺）并改善界面传输动力学是攻克这一难题的关键。
由于聚合物链运动受限及与Li⁺的强配位作用，PSE室温离子电导率通常仅为10⁻⁶~10⁻⁵ S·cm⁻¹，远低于液态电解质。Gao等在PVDF中引入羧基功能化离子液体和金属-有机框架，利用弱相互作用促进锂盐解离并构建快离子通道，在30 °C下实现1.14×10⁻³ S·cm⁻¹的高电导率，使锂金属固态电池在6C倍率下循环500次后容量保持率达98.9%。Nie等利用Li₆.₂₅Al₀.₂₅La₃Zr₂O₁₂纳米球构筑额外离子传输通道，将电导率提升至1.13×10⁻³ S·cm⁻¹，支持电池在10C超高倍率下稳定运行。
提高t⁺可以减轻电极界面处的离子消耗和浓度梯度，抑制大电流下的浓差极化。Yang等在PVDF-LATP复合体系中引入2,2,2-三氟乙酰胺溶剂，通过弱相互作用降低Li⁺结合能，将t⁺提升至0.67，使电池以5C、4.5 V截止电压条件下稳定循环3000次。Pei等开发的多位点交联聚醚-脲烷基PSE为Li⁺提供高速单向传输网络，t⁺达0.84，实现了超过8000 h的均匀锂沉积/剥离。高t⁺可在低SOC下维持较高端电压，增强eVTOL垂降阶段的功率安全裕度。
SSE应用难点在于高倍率工况下的界面化学与机械稳定性。Ma等在钴酸锂正极表面涂覆Li₃InCl₆快离子导体涂层，可隔离电极-电解质界面并缩短离子传输路径，使电池支持20C超高倍率运行。Wang等设计的复合软碳-纳米氮化硅中间层兼具高离子电导率与电子阻隔特性，全电池在25C极端倍率下循环超过22000次。
从产业化角度看，已有固态电池产品实现了5C大倍率放电能力，50% SOC峰值放电功率设计超过2.5 kW/kg。孚能科技已量产的电芯产品实现最高大于8C长脉冲功率性能，第二代eVTOL半固态电芯长脉冲功率高达10C。欣旺达Gen2航空电池能量密度达380 W·h·kg⁻¹，可实现10分钟快充至80%。
3.3 高可靠性技术
eVTOL运行安全是商业化的生命线，须应对高海拔与极端工况导致的剧烈温变，杜绝空中热失控事件。固态电池通过摒弃液态有机电解质提升了本征安全性，但仍须解决枝晶生长、界面退化及机械失效等可靠性挑战。
界面接触与枝晶抑制。固态电池需要电极-电解质界面紧密接触，适应循环中的体积变化并抑制锂枝晶生长。传统固态电池中，“离子传导”与“离子储存”功能分别由电解质和电极材料承担，导致电极/电解质界面阻抗大、离子传输效率低。中国科学院金属研究所科研团队创新性地在聚合物体系中实现了具有分子尺度界面的一体化电极-电解质材料，从根本上解决了这一瓶颈问题。原位聚合技术是解决界面接触问题的有效方案。Lee等利用原位聚合构建了具有3D互连结构的弹性体PSE，可均匀分布锂离子流，抑制锂枝晶生成；电极与电解质间无缝接触，界面附着力较非原位提升一个数量级。中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟团队创新性地提出了一种电诱导加速聚合的界面修复策略，借助电润湿效应在界面原位形成均匀涂层，可优先填充电解质表面的裂纹与孔隙，有效阻止枝晶诱导的裂纹扩展。构筑高强度复合电解质同样可以有效抑制锂枝晶生长。Fan等通过静电纺丝将聚偏二氟乙烯-六氟丙烯和LLZO纳米颗粒复合，形成“豌豆荚状”结构电解质，既能建立连续离子通道降低局部电场集中，又凭借高机械强度分散应力。
宽温域适应性。固态电池须在极端温度下保持性能并具备不燃性。Zhou等开发的原位聚合高熵PSE，即使对软包电池进行明火灼烧亦未点燃。宽温域性能是保障eVTOL全气候安全运营的关键。泰睿锂电的三元硅碳电池单体能量密度可达390 W·h·kg⁻¹，在-40 °C低温环境下电池容量保持率仍超70%。Zhu等在PVDF-LLZTO复合电解质中引入N-甲基-2,2,2-三氟乙酰胺配体，降低了Li⁺的去溶剂化能垒，支持电池在-30~50 °C循环。Wei等开发Li₆.₅Sb₀.₅Ge₀.₅S₅I电解质并与卤化物添加剂结合，实现-20~60 °C内的稳定运行。聚圣科技发布的超高比能固态电池能够在-40~100 °C的超宽温度范围内正常工作。孚能科技半固态电池产品可承受-40 °C至80 °C的极端温度波动。欣旺达“欣·云霄1.0”半固态航空动力电池已在零下30 °C环境下通过验证。
硫化物电解质的空气稳定性。硫化物固态电解质对水分敏感，易与水分反应产生H₂S气体。中国汽车工程学会于2025年发布了T/CSAE 477-2025《硫化物固体电解质空气稳定性测试方法》标准，描述了通过测定离子电导率保持率来表征空气稳定性的方法。研究者通过掺杂改性、保护层工程、合成工艺优化等策略提升硫化物电解质的空气稳定性。华科余创团队建立了磷酸基团掺杂策略，可同步提升硫化物电解质的离子传输效率、空气稳定性和界面相容性。
四、面向eVTOL的固态电池管理系统
尽管材料创新使固态电池多项性能超越液态体系，但这些成果多基于实验室理想条件。面对eVTOL真实运行中的复杂动态与多场耦合作用，亟须开发与之协同的固态BMS。
当前基于LE-LIB发展成熟的BMS设计范式集中于“电-热”二维状态的估计与管控。固态电池在离子传输机制与多场耦合特性方面与LE-LIB存在显著差异，面临以下独特挑战：
（1）状态估计复杂性：固态电池的界面阻抗可达50~100 mΩ，是传统液态电池（10~20 mΩ）的5倍以上，且阻抗随温度、循环次数的变化更剧烈。固态电池电压-SOC曲线更“陡峭”，SOC从20%到80%的电压变化幅度较液态电池提升40%。
（2）热管理需求变化：固态电池热传导效率比液态电池低30%，局部热点更难扩散。尽管本征安全性提高，但部分体系需在高温下运行，热管理须在电芯保温与热失控预防之间重新权衡。
（3）力管理必要性：维持最佳且均匀的堆叠压力是保证固态电池界面紧密接触、抑制锂枝晶生长的关键前提。eVTOL飞行中的振动与冲击使得压力管理必须是动态的、自适应的实时调控过程。
4.1 能量管理系统
电池模型。电池模型是开发高效管理策略的理论基础。基于浓溶液理论的伪二维电化学模型不适用于固态电池，须采用Nernst-Planck方程等对电解质的迁移和扩散动力学重新描述。Toghyani等利用P2D模型优化复合固态电解质中OSE填料比例，实现能量密度618 W·h·kg⁻¹。Laue等通过三维微观结构模型模拟电极制备工艺，使固态电池兼具高比能与高功率。等效电路模型方面，传统2阶模型利用两个RC网络分别模拟电化学极化和浓差极化，但固态电池对于单离子导体不存在浓差极化，界面离子传输形成的空间电荷层会引入额外极化阻抗。Liu等对此进行了改进，提升了低频区阻抗模拟精度。Journal of Power Sources于2025年发表的一项研究建立了一种新型固态界面电热耦合模型，通过分析电化学阻抗谱充分反映了固态电池的电化学过程，并基于该模型结合卡尔曼滤波实现了SOC与核心温度的联合实时估计，在US06动态温度变化实验条件下，SOC估计的平均绝对误差为1.12%，温度估计的平均绝对误差为0.69 °C。数据驱动方法将电池视为黑箱，但严重依赖大量高质量数据，当前固态电池在eVTOL工况下的全生命周期数据匮乏。
状态估计与功率评估。状态估计是BMS的核心功能。传统BMS的电压采样误差≤±1 mV，而适配固态电池的BMS需提升至±0.5 mV。未适配的BMS在固态电池上SOC误差可达±10%，适配后可降至±2%以内。BMS需重新标定开路电压-SOC模型，引入“阻抗因子修正”——通过实时监测电池阻抗，动态调整OCV与SOC的对应关系。Jiang等在1阶RC等效电路基础上，采用改进型扩展卡尔曼滤波结合后验克拉美罗下界分析提高固态电池SOC估计精度。Sun等以电化学阻抗谱特定频率下的阻抗为特征，结合高斯过程回归模型，可在25 s内实现SOC的快速准确估计。针对固态电池退化机理复杂和数据有限的问题，Wang等通过深度融合健康指标和治愈记忆机制，在早期退化阶段利用少量数据即可实现高精度RUL预测。BMS的温度感知也需优化，需在电池包的电极界面、固态电解质层、集流体等关键位置增加温度传感器（从传统的5~8个增至12~15个），并采用“热传导模型”推算局部温度。Hatherall等提出两阶段测试程序，测定不同工况下电池可完成恒定功率脉冲的最低SOC，强调应结合电池SOH、环境条件与实时功率需求动态调整放电策略。
充电策略优化。固态电池的快充瓶颈在于“界面极化”——高电流下锂离子在固态电解质与电极的界面容易堆积，导致极化电压升高。BMS需采用“极化自适应充电策略”：通过实时监测电压极化值动态调整充电电流——当极化电压超过50 mV，自动降低充电功率10%~20%。例如，某硫化物固态电池的BMS在快充时先以0.8C电流预充，待界面极化稳定后提升至2C恒流充电，最后以动态恒压收尾（电压上限从传统的4.2 V提升至4.4 V），实现“15分钟充至80%”且界面无损伤。
4.2 热管理系统
热特性差异。固态电池热特性与LE-LIB存在显著差异。在工作温度方面，LE-LIB理想工作区间为20~45 °C，而固态电池为获得足够的离子传导性能，常在60~80 °C进行测试与运行。Chen等研究发现，原位聚合的聚合物准固态电池热失控触发温度（339.3 °C）远高于LE-LIB（205.4 °C），但其热失控最高温度较LE-LIB升高81.1 °C，总释放热量更大。全固态聚合物电池在350 °C范围内未出现热失控。硫化物固态电池热失控机制受材料与老化状态影响，层状氧化物正极热分解产生的O₂与SSE的反应是触发热失控的关键诱因。
冷却与加热技术。固态电池因更宽的工作温度区间和增加的热失控放热量，系统须在高温时高效散热并在冷启动阶段快速升温。固态电池工作温度较高，冷却需求较LE-LIB低约一个数量级，可采用风冷替代部分液冷结构以减轻系统质量。Yang等采用微沟槽平板热管与主动空冷的混合冷却策略，散热性能优于传统铝板冷却。高空环境中空气稀薄导致对流换热减弱，进一步增加了热管理难度。在冷启动方面，Ye等提出在SPE固态电池集流体中嵌入超薄镍箔作为内部热调制器，可在1 min内将电池从室温自加热至70~90 °C，峰值功率提升达15倍，且镍箔质量仅为传统铝集流体的2/5，显著减小了系统质量与体积。
4.3 压力管理系统
力特性与堆叠压力作用。压力管理是保障固态电池高性能与长寿命的关键，也是固态BMS区别于传统液态系统的最显著特征。LE-LIB中流动的电解液可浸润多孔电极，自适应充放电过程的体积变化。而固态电池的有效离子传输依赖于电极与固态电解质间的紧密接触，这种接触极易受电极体积膨胀或收缩而恶化。
堆叠压力对固态电池的作用主要体现在三方面：一是抑制锂金属负极剥离时的空洞形成，促进锂均匀沉积，避免局部电流密度过高引发枝晶生长；二是减少电极与电解质界面接触损失，降低界面阻抗；三是通过约束副反应伴随的体积变化，拓宽电解质的电化学窗口。然而，过高堆叠压力会导致电极颗粒破裂、集流体变形及锂金属微挤出等损伤。
不同固态电解质体系的力特性差异显著：SPE呈现各向异性，电池设计须考虑负载方向；OSE模量高、脆性大，须缓冲eVTOL飞行中的振动冲击；SSE粒界电阻较大、孔隙率较高，须施加几十至上百兆帕的高压以保障界面紧密。
动态工况下的压力需求。美国普渡大学Partha P. Mukherjee团队通过实验与建模结合的方法，揭示了eVTOL任务剖面对固态电池界面空隙生长与恢复的影响机制。研究者采用Li金属为阳极、Li₆PS₅Cl为固态电解质构建不对称电池，通过475 MPa烧结制备电解质pellet，再以20 MPa压合电极。实验中模拟了两种eVTOL运行工况（Mission A：30 km航程、130 kg载荷的多旋翼架构；Mission B：115 km航程、30 kg载荷的复合翼架构）的动态电流需求。研究发现：Mission A需22 MPa压力抑制界面接触损失，Mission B则需54 MPa（2.5倍压力）。不同工况下压力需求的差异主要是由于放电功率不同——Mission B的放电电流密度是A的两倍多。在多旋翼机型中，载重增加二十公斤，平均电流仅增加4.5%，但过电位会增加三倍；而在复合翼机型中，有效载荷的增加和航程缩短引起了过电位6~11倍的增长。在低功率阶段（如巡航和下降），电池的极化电压会显著下降，这是由于界面处的接触部分恢复——锂的自扩散和蠕变变形在低功率阶段更显著，促进了空洞的愈合。这项研究揭示了eVTOL放电工况对锂/固态电解质界面的相互作用机制：悬停阶段会导致过电位显著增大，从而影响后续任务阶段的界面稳定性；而巡航、下降等低功率阶段则有助于调控空隙生长并促进界面接触恢复。该研究提出基于失效模式的差异化压力调控策略，建议开发适配复杂飞行工况的动态压力反馈系统，实现压力随电流、温度的实时调节。
加压技术。当前固态电池研究多采用夹具施加静态压力。单轴加压通过刚性板和螺母预紧，但循环中压力会随体积变化波动，且难以保证大尺寸电芯的压力均匀性。有研究采用弹簧补偿，将压力波动从兆帕级降低至百帕级。低堆叠压力是保持全固态电池良好运行的关键，本质是对界面问题的改善，主要通过材料掺杂和结构设计两方面实现。等静压技术通过流体介质施加各向均匀压力，不仅可以减少材料损伤，还能通过调节流体压力实时控制。Chen等利用空气作为介质对SSE电池施加仅2 MPa的压力即实现良好界面接触，100次循环后容量保持率较单轴加压提升33.1%。然而，当前所有固态电池的加压方案均依赖于刚性部件或流体执行机构等附加结构，不可避免增加了系统质量、体积与复杂度，制约了其本征高能量密度优势。开发高集成、轻量化且可动态调控的主动压力管理系统，是推动eVTOL固态电池系统商业应用的关键。
五、结论与展望
固态电池凭借高能量密度与卓越的安全性，已成为支撑下一代eVTOL动力系统的关键技术路径。本文系统分析了eVTOL在能量密度、功率密度、循环寿命及安全性方面对动力电池的需求，表明LE-LIB已难以满足其商业化运营。围绕聚合物、氧化物和硫化物三类固态电解质，综述了其在提升eVTOL综合性能方面的最新进展，并进一步提出了涉及电、热、力多物理场的固态BMS架构。
从技术进展来看，三类固态电解质各具优势与短板。聚合物电解质柔韧性好、易于加工，但室温离子电导率偏低；氧化物电解质机械强度和热稳定性优异，但界面接触阻抗大；硫化物电解质离子电导率最高（可达10⁻² S·cm⁻¹），但空气稳定性和界面兼容性亟待改善。产业界正探索聚合物+氧化物、聚合物+硫化物等复合电解质路线，以期取长补短。短期来看，半固态电池首选氧化物路线；长期来看，硫化物路线更适配全固态体系。
从产业化进程来看，国内多家企业已取得实质性突破。孚能科技第二代半固态电池（330 W·h·kg⁻¹）已小批量投产，第三代目标400 W·h·kg⁻¹。欣旺达Gen1（320 W·h·kg⁻¹）、Gen2（380 W·h·kg⁻¹）两代半固态电池已实现规模化生产。恩力动力实现300~400 W·h·kg⁻¹半固态电池量产，Fleet准固态系列能量密度达400~500+ W·h·kg⁻¹。国轩高科发布G垣准固态电池，电芯设计寿命可达10年或50万公里。宁德时代主攻硫化物全固态，目标2027年小批量量产。比亚迪60 Ah电芯已下线，2027年完成示范性装车。中国汽车工程学会于2025年发布了T/CSAE 477-2025《硫化物固体电解质空气稳定性测试方法》标准，2025年3月国家层面提出建立全固态电池标准体系。随着技术成熟度与产能爬坡，固态电池商业化正从远景加速走向现实。
然而，当前研究仍缺乏对eVTOL系统集成与实际工况下管理策略的有效验证。未来须从固态电池材料优化与单体制造走向系统应用，通过多学科协同创新，发展高集成度、轻量化与高可靠性的固态电池系统，并结合人工智能等先进管理技术，实现eVTOL动力系统的智能管控与安全运行。具体而言：
在材料层面，应持续推进固态电解质的离子电导率提升与界面工程优化，重点攻克硫化物电解质的空气稳定性难题和高压正极匹配的界面副反应问题，开发兼具高离子电导率、宽电化学窗口和优良力学性能的下一代固态电解质材料。
在电芯层面，应突破大尺寸、薄电解质膜的规模化制备工艺，解决固-固界面在长期循环中的稳定性问题，实现400 W·h·kg⁻¹以上能量密度与5C以上倍率性能的统一。双极堆叠技术有望成为提升系统能量密度的重要方向。
在系统层面，应发展面向eVTOL全飞行剖面的多物理场耦合模型，建立固态电池专用BMS架构，实现电-热-力状态的协同感知与闭环控制。尤其须突破轻量化主动压力管理技术的工程化应用，根据飞行工况动态调节堆叠压力。
在应用层面，应加快推进航空级固态电池的适航认证标准体系建设，通过实际飞行测试积累全生命周期数据，验证固态电池系统在真实eVTOL运行环境中的可靠性与耐久性。固态电池工作温度范围可扩至-40 °C~120 °C，这一宽温域特性为eVTOL在高寒、高热等极端气候条件下的运行提供了可能。
随着低空经济的持续升温与固态电池技术的加速成熟，固态电池+eVTOL的组合有望在2030年前后实现规模化商业应用。这一技术路径不仅将重塑城市空中交通的能源格局，也将为全球电池产业开辟新的增长空间。
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