eVTOL需要什么樣的電池和基礎設施？

3月27日工信部聯合三部委發布《通用航空裝備創新應用實施方案（2024-2030年）》[1]，針對動力電池部分提出“推動400Wh/kg級航空鋰電池產品投入量產，實現500Wh/kg級航空鋰電池產品應用驗證。”，針對基礎設施提出“完善導航定位、通信、氣象、充電等功能服務。”

摘要

電池：eVTOL要求電池高安全、高能量密度、高功率密度，固態/半固態電池或爲未來主流路线。其中，高安全是指電池系統需要達到航空級的安全性，而能量密度和功率密度直接決定eVTOL載重、續航裏程等性能指標。現有電池技術水平均未能完美滿足eVTOL對於電池能量密度和功率密度的要求，主流在研技術路线有鋰電池和氫燃料電池兩種，我們看好固態/半固態鋰電池成爲未來主流技術路线，寧德等電池企業已進行針對性布局。

► 鋰電池：鋰電池屬於當前商業化進展較爲領先的電池，我們估計Joby S4、峰飛盛世龍等主流eVTOL採用液態和半固態鋰電池方案；但eVTOL對於電池包能量密度和峰值功率密度的理想要求分別爲400-500Wh/kg和1.5-2.0kW/kg，目前已量產的前沿鋰電池技術基本難以兼顧eVTOL兩者要求，市場主要通過研發固態/半固態鋰電池去提升能量密度上限和安全性、來適應eVTOL應用場景。

► 氫燃料電池：氫燃料電池能量密度高、充能速度快、低溫性能好，能量密度目前能達到600Wh/kg-1000Wh/kg，但功率密度只能達到600W/kg、遠低於eVTOL對於峰值功率密度要求；目前氫燃料電池仍處於商業化早期階段，我們預計氫鋰混動系統有望成爲過渡。

補能：充電或爲未來主流方案。充電是目前主機廠選擇的主流補能方案，其核心優勢在於初始投資和後續運營成本低，缺點是充電速度較慢，我們認爲後續充電功率提升有望進一步節約充電時間，綜合考慮成本收益、充電或將成爲未來eVTOL主流補能方案，目前有Joby、Beta等推出eVTOL充電解決方案。相比充電，換電補能速度更快，但投建和運維成本更高，主機廠中Volocopter採用換電方式進行補能。

風險

政策落地不及預期，產業化進程不及預期。

eVTOL需要怎樣的電池？

動力電池是eVTOL發展的關鍵突破點，技術水平亟待提升

eVTOL的電驅動系統多採用分布式部署，以滿足飛行器高冗余性和高安全性的嚴苛要求。這種分布式動力總成架構主要由高壓電池、低壓電池、飛行控制計算機（FCC）、電子調速器（ESC）、部件冷卻系統、线纜、管路、電機和旋翼/螺旋槳組成。動力總成主要被分爲兩大功能模塊，1）儲能模塊由高壓電池和低壓電池組成，承擔能量存儲功能、2）能量轉化模塊由ESC和電機構成，負責將儲能模塊中的能量轉化爲機械能。此外，每個電機和每個 ESC 對應着一套獨立工作的冷卻系統，所有高壓電池共用一套液體冷卻系統。

圖表：典型eVTOL動力總成架構

資料來源：《復合翼eVTOL電池需求及對動力總成安全性的影響》（丁水汀，2024），中金公司研究部

動力電池是電動化飛行得以實現的重要組成部分，其技術層次和安全水准對eVTOL的商業化推廣尤爲重要。對於全電推進動力系統，電池是動力系統的核心部件，承擔着爲電動機等動力輸出部件穩定提供能量、保證飛行需求的責任，動力電池的性能直接影響到eVTOL的續航裏程、飛行速度、載重能力等關鍵指標。在現有技術水平下，電池能量密度不足、放電倍率低等是阻礙eVTOL產業化發展的核心瓶頸之一。同時，動力電池佔整機價值量比重較大，目前多旋翼型eVTOL（例如八旋翼，六旋翼等）價格在500-800 萬之間，電機、電池、航電“三電”價值量佔比較高達70%，電池成本約佔整體成本的 20% 左右。

eVTOL要求高安全、高能量密度、高功率密度的快充電池

eVTOL需搭載高安全、高能量密度、長壽命的快充電池。電池是動力系統的核心部件，其指標直接決定了eVTOL的安全性和飛行性能。eVTOL電池需要穩定地爲電機供能、保證eVTOL在發生緊急狀況時能有較大的能量余度，還要避免快速充放電加速電池壽命衰退帶來安全隱患，實現電池壽命最大化。我們認爲，eVTOL獨特的運行剖面和任務循環以及苛刻的運行環境對電池系統提出了更高的要求，eVTOL電池相比車載電池在性能和安全性上有着更加嚴苛的要求，需要全面提升電池系統的能量密度、功率密度、安全性、充電倍率、循環壽命等指標。

► 安全性：eVTOL屬於航空飛行器、需要航空級的安全性，其對於安全性的要求遠超新能源車，美國FAA第23部分認證要求發生事故的概率控制在千萬分之一，而歐盟EASA要求概率控制在十億分之一。在電池上會要求更安全的材料和結構體系，以及更高的一致性、可靠性。

► 能量密度：由於起飛需要，eVTOL需要高能量密度的電池來減輕自身負重、提供更長的續航時間和更多的載客空間。目前商用鋰離子電池的能量密度在 250Wh/kg，續航200-300km需要100kWh 的電池包。而eVTOL垂直起飛所需要的動力是地面行駛的10-15倍，商用門檻高達400Wh/kg，遠高於當前車用動力電池的能量密度。

► 功率密度：由於起降場景的特殊性，電池的瞬間充放電倍率高於傳統電池。根據2018年William L. Fredericks等人的研究，eVTOL與電動車的放電功率需求存在明顯差異，起飛時放電倍率是4C、下降時最高達到5C（下降時電壓降低、需輸出更高電流支撐功率），而巡航期間放電倍率在1C 左右。此外，爲應對電量不足時的平穩安全降落或迫降等情況，eVTOL電池功率要求更高。

► 快充性能：eVTOL 的快速充電倍率達到5C，能夠增加飛行器日使用頻次、提升空中出租車的投資經濟性，電池快充性能對於推進eVTOL商業化進程非常關鍵。

► 循環壽命：增加電池循環壽命能夠降低電池更換成本、增加eVTOL在全生命周期的盈利能力，同樣有助於商業化進程。

eVTOL電池認證要求嚴格，標准化測試和安裝標准不斷完善。2015年美國聯邦航空局（FAA）的AC 20-184通告集成了標准RTCA DO-311和RTCA DO-160G等，爲制造商和安裝人員提供了可接受的合規方法的指示，以滿足在飛機上安裝鋰電池和電池系統的安裝、操作、維護和適航要求。2017年RTCA DO-311A完善了航空鋰離子電池測試標准。2020年歐洲航空安全局（EASA）發布專用條件SC E-19，明確關於垂直起降飛行器動力裝置的審定要求。2024年1月中國民航局航空器適航審定司也參考了RTCA DO-311A形成了《可充電鋰電池和電池系統》（CTSO-C179b）。我們認爲，這些法規將爲eVTOL動力電池標准提供導向信息，有利於進行更全面的監督，推進電池技術水平提升。

圖表：eVTOL電池測試和認證標准

資料來源：FAA，EASA，中國民用航空總局，中金公司研究部

目前eVTOL有哪些技術方案以及應用案例？

鋰電池：聚焦高能量密度固態路线研發，現有案例或主要採用液態鋰離子電池

能量密度較低爲當前鋰電池核心技術難點，固態電池或爲破局之法。鋰電池屬於當前商業化進展較爲領先的高能量密度電池，在新能源車、儲能、二輪車、消費電子、工具電池等下遊領域應用廣泛，技術也相對比較成熟。但目前技術成熟並且商業化程度較高的鋰電池主要爲液態鋰離子電池，其在電池包層面的能量密度上限爲250-300Wh/kg，可以滿足載人數量較少、續航裏程較短的eVTOL的使用需求，但仍難以達到eVTOL對於電池包能量密度400-500Wh/kg的理想要求。爲了打破鋰電池理論能量密度上限、滿足eVTOL能量密度要求，當前市場主要從電池材料創新來提升能量密度的上限，其中負極主要採用高能量密度的鋰金屬，電解液由電解液向固液混合以及固態電解質進化。

► 鋰金屬負極：理論容量高、量產成本低，鋰枝晶問題尚未完全解決。商業化的石墨負極容量在360mAh/g 左右，已非常接近其理論比容量372mAh/g，而鋰金屬負極理論容量高達3860mAh/g，遠超石墨負極。由此，鋰金屬電池可以實現350Wh/kg以上的能量密度，較當前主流鋰離子質量/體積能量密度均有大幅提升，並且由於鋰金屬負極工藝簡化、回收效果更好，SES認爲長期看鋰金屬電池的量產成本或低於鋰離子電池。但相比傳統石墨負極，鋰金屬負極內生具有高活性和高體積變化率，這兩種固有特性導致負極與電解質的界面不穩定，易出現成分和結構波動、SEI（Solid Electrolyte Interphase）斷裂甚至坍塌，進而導致出現鋰枝晶等問題，縮短電池壽命、影響電池快充性能和安全性。

► 固態電解質：適配高能量密度正負極、提升電池能量密度。固態電解質替代電解液和隔膜，可以保障電池運行中電解質與高能量電極更穩定的匹配，避免電極出現分解、析氧、枝晶生長等威脅電池安全的因素。其優點在於1）固態電解質不可燃燒、安全性更高，2）擁有更寬的電化學窗口、更易搭載高電壓正極材料，負極也可以有效兼容鋰金屬負極，進而提高電池能量密度，3）具有較高的機械模量、能夠有效抑制枝晶生長，提高倍率性能。由於採用全固態電解質技術難度相對較高，並且產業化配套有限、成本高昂，目前多數電池廠主要推出採用固液混合電解質的半固態電池，例如寧德時代的凝聚態電池、其單體能量密度最高達500Wh/kg，全固態電池仍處於研發孵化階段。

由於鋰金屬負極與液態電解質界面副反應較多，而固態電解質可以更有效兼容鋰金屬負極，因此目前eVTOL電池研發的主要方向爲固態/半固態電池。固態電池的技術路线衆多，如果按照正負極劃分有Li-LMO（鋰金屬負極-鋰金屬氧化物正極）、Li-S（鋰金屬負極-硫正極）和Li-Air（鋰金屬負極-氧氣正極）三類，這三類的理論能量密度基本能夠符合eVTOL對於電池系統能量密度的要求，目前Li-LMO是全球電池廠主流布局路线，LGES等日韓電池廠在Li-S電池有所布局。

除能量密度以外，固態電池仍需解決功率密度問題。對於eVTOL，電池的能量密度和功率密度直接決定其載重、續航裏程等性能指標。而固態電池技術理論能量密度能夠滿足eVTOL電池的能量密度要求，但固態電池採用固態電解質，後者會產生更大的內阻和接觸阻抗，導致固態電池功率密度相對液態鋰離子電池更低，因此提高功率密度也是固態電池技術需要解決的另一個核心問題。

圖表：鋰離子電池與三類固態鋰電池質量能量密度對比

資料來源：Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries（Cui，2017），中金公司研究部

圖表：鋰離子電池與三類固態鋰電池體積能量密度對比

資料來源：Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries（Cui，2017），中金公司研究部

應用案例：現有eVTOL電池仍以液態和半固態方案爲主。固態電池仍處於研發階段，同時結合各家電池參數情況，我們估計液態鋰離子電池以及半固態電池爲目前eVTOL主流電池方案。根據Shashank Sripad等人對於eVTOL電池性能的研究，結合主流eVTOL整機廠電池數據，我們認爲當前相對前沿、同時已經實現量產的電池技術能量密度基本能夠滿足eVTOL 5座+250公裏續航的要求，但從功率密度角度來看，eVTOL降落時對於電池功率密度要求較高、達到1.5-2.0kW/kg，目前已量產的前沿電池技術基本難以兼顧eVTOL對於能量密度以及降落時峰值功率密度的要求。

圖表：當前eVTOL電池方案一覽（截至2024年4月6日）

資料來源：公司官網，中金公司研究部

圖表：當前eVTOL電池包能量密度和功率密度與鋰電池技術發展情況對比

注：“Current Li-ion”代表已經大規模生產的電池技術，“Novel/prototype Li-ion”表示最近开發的或用於高性能應用電池技術，“Advanced”表示尚未商業化的新型電池技術；橫坐標爲能量密度，主要代表着航程需求，平行於橫坐標的水平誤差條表示在空重（等於最大起飛重量減去有效載荷和電池重量）佔整機重量的比例在0.45-0.55時的估計值；縱坐標爲功率密度，主要代表着起降需求，平行於縱坐標的誤差條顯示降落時的功率要求資料來源：《The promise of energy-efficient battery-powered urban aircraft》（Shashank Sripad，2021），中金公司研究部

氫燃料電池：當前仍處商業化早期、氫鋰混動系統或爲過渡

氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置，由陰極（氧氣）、陽極（氫氣）和電解質膜組成，其基本原理是電解水的逆反應，將氫氣與氧氣在電極上催化反應，產生電能和水，驅動電動機產生推力。根據電解質的不同，氫燃料電池大致分爲質子交換膜燃料電池（PEMFC）、鹼性燃料電池（AFC）、磷酸鹽燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC），目前最適合飛機使用的氫燃料電池技術爲低溫質子交換膜（LT-PEM）燃料電池，這種技術除了能夠增加能量的存儲量，還能夠幫助系統實現載荷追蹤和峰值調整以優化氫燃料電池的體積。

圖表：質子膜燃料電池單體電池結構

資料來源：《氫能與燃料電池關鍵科學技術:挑战與前景》（朱明原，2021），中金公司研究部

圖表：氫燃料電池電動風扇發動機

資料來源：世紀能源網，中金公司研究部

圖表：氫燃料電池分類與性能對比

資料來源：《質子交換膜燃料電池關鍵材料與技術》（劉建國，2021），中金公司研究部

對比鋰電池，氫燃料電池能量密度高、充能速度快、低溫性能好，應用潛力大。相比於鋰電池，氫燃料電池能量密度遠高於鋰離子電池，目前能達到600Wh/kg-1000Wh/kg，其理論上限是10,000-20,000Wh/kg，提升空間巨大，有助於延長eVTOL的續航裏程。同時，不同於鋰電池在-20℃以下無法充電且裏程損失可能達30%，氫燃料電池低溫性能好，-30℃仍可自啓動、-40℃仍可存儲。此外，氫燃料電池還有轉換效率高、容量大、功率範圍廣、換氫時間短等優點。長期來看，氫燃料電池的高能量密度特點契合eVTOL的發展需求，具有廣闊的應用前景。

政策支持氫能航空發展，氫能航空商業化提速。近年來，我國氫能航空領域在政策的支持下正加速推進。2021年起，我國先後發布了《“十四五”民用航空發展規劃》[2]、《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》[3]、《氫能產業標准體系建設指南（2023版）》[4]等政策，積極探索燃料電池航空器等領域的應用，推動大型氫能航空器研發。2023年10月四部門聯合發布《綠色航空制造業發展綱要（2023-2035年）》[5]，提出“截至2025年，完成電動垂直起降航空器（eVTOL）實現試點運行、氫能源飛機關鍵技術完成可行性驗證”的發展目標，並強調要"積極布局氫能航空等新賽道"。此外，各地方也積極探索氫能及燃料電池在航空領域的示範應用，廣州市提出，到2030年燃料電池系統在汽車、船舶、航空等領域裝機超過10萬套[6]。在政策支持下，我們認爲氫能航空關鍵技術研發有望進一步加速，打通與氫能源上下遊協同創新的技術應用模式、加速產業化進度。

短期內，氫燃料電池在功率密度上存在不足，氫鋰混動系統有望加速推進。雖然氫燃料電池在能量密度、充能速度、低溫性能等性能上具備顯著優勢，但目前氫燃料電池系統的功率密度只能達到600W/kg，距離航空器通常要求1.0-1.5kW/kg的功率密度還有較大差距，難以滿足eVTOL起飛和降落所需功率。鑑於氫燃料電池功率密度難以快速提升，而鋰離子電池具有較高的功率密度，可以在起飛、降落、懸停等高功率需求階段釋放能量，我們預計短期內氫鋰混動系統有望加速推進。氫鋰耦合技術路线將氫燃料電池和鋰電池並聯提供混合動力，結合了兩種電池技術的優勢，其中，鋰電池可用於啓動和提供快速變化的功率輸出，氫燃料電池可用於續航中的能量輸出，從而滿足eVTOL對高功率密度和高能量密度的要求。

圖表：氫燃料電池和鋰離子電池混合動力電推進系統

資料來源：航電科技圈，中金公司研究部

我們看好eVTOL催化固態/半固態應用場景

我們看好固態/半固態鋰電池成爲未來eVTOL電池主流技術路线

固態/半固態鋰電池技術有望主流技術路线，Li-LMO體系或能滿足城郊通航能量密度需求。我們認爲，目前鋰電池技術相對氫燃料電池技術更成熟穩定、倍率性能更好，固態電池路线亦有望突破當前鋰離子電池能量密度限制，我們看好未來固態/半固態鋰電池成爲eVTOL電池系統的主流技術路线。根據Alexander Bills等關於下一代電動飛行器電池的研究，續航裏程越長和體積越大的飛機越需要更高能量密度的電池，其中電池包能量密度達到500Wh/kg、便能夠支撐載客量30-75人的區域飛機實現230公裏左右的飛行航程，而載客量在150-200人左右窄體飛機實現300公裏左右航程需要電池包能量密度達到800Wh/kg。由上述研究可以看出，不同飛行裏程和載人需求的航空器所需電池包能量密度要求不同；而考慮到當前eVTOL載人數量和續航裏程，我們認爲Li-LMO體系電芯層面能量密度能夠達到500Wh/kg、或能支撐載客20人以下的城郊通航（飛行航程200-300公裏）。

圖表：體積越大、航程越遠的eVTOL需要更高能量密度的電池

注：Regional區域飛機航程500海裏(926公裏)，載客量30-75人，Narrow窄體客機飛行航程1000海裏(1852公裏)，載客量在區域飛機和寬體飛機之間，Wide寬體飛機續航大於2000海裏(3704公裏)，載客量200-400人資料來源：《Performance Metrics Required of Next Generation Batteries to Electrify Commercial Aircraft》（Alexander Bills，2020），中金公司研究部

電池企業布局情況一覽

► 寧德時代[7]：23年4月公司發布凝聚態電池，具備高比能和高安全性。凝聚態電池的單體能量密度最高達500Wh/kg，根據公司規劃，車規級產品於2023年底具備量產能力，而民用航空會稍後，目前與合作夥伴共同推進民用電動載人飛機項目开發，公司於23年7月與中國商飛、上海交大企業發展集團共同成立商飛時代（上海）航空有限公司。

► 孚能科技[8]：公司三元軟包技術成熟，目前已量產285Wh/kg電芯，可支持10C以上放電倍率，最高時速320km/h，單次最長巡航250km，循環壽命10000次以上。客戶方面，公司在2020年向電動飛機領域的客戶首次供應樣品，隨後完成樣件認證；2022年完成第一代產品交付，並完成了第二代產品體系驗證；2023年將第一代三元產品交付給終端客戶。產品研發方面，公司預計320Wh/kg電芯即將量產，350Wh/kg 電芯已有A樣原型、預計2026年實現量產。

► 億緯鋰能[9]：公司22年底發布330Wh/kg半固態電池，目前處於裝車驗證階段，24年將針對電動飛行器領域推出鋰金屬二次電池產品，能量密度可達500Wh/kg、循環壽命超過1000次，並可支持5C快充。目前公司已在飛行汽車、無人機等低空領域布局電池產品，推進國內外OEM客戶的合作。

► 國軒高科[10]：22年公司首次推出半固態電池產品，能量密度達360Wh/kg，400Wh/kg的三元半固態電池目前在實驗室已有原型樣品，公司預計25年後投產。23年12月公司與億航智能籤訂战略合作協議，爲億航智能的無人駕駛eVTOL產品定制研發、量身打造符合中國民用航空局適航標准且“高安全性、高能量密度、高放電功率、高質量標准”的eVTOL動力電池解決方案。此外，公司表示雙方合作還將專注於大功率超級充電樁和儲能系統等基礎設施的开發，以提高充電效率，共建充電網絡，從而提升eVTOL的運營效率。

圖表：電池企業固態/半固態電池布局及eVTOL合作進展

資料來源：公司官網，交易所投資者互動平台，中金公司研究部

eVTOL如何進行補能？

充電：當前eVTOL補能主流方案，充電時間或進一步縮短

充電是目前eVTOL主機廠選擇的主流補能方案。相比換電，對eVTOL進行充電補能不需要購买冗余電池（電池在eVTOL成本佔比達到20%）、不需要進行電池裝卸，核心優勢在於初始投資和後續運營成本低；缺點是充電速度始終慢於換電，但當前快充技術較爲成熟、能夠實現eVTOL快速補能，例如Beta Technologies表示其Charge Cube通過持續350kW功率輸出、可以在50分鐘內實現對於ALIA N250UT機型的充電[11]，我們認爲後續充電功率提升或將進一步節約充電時間，綜合考慮成本收益、充電或將成爲未來eVTOL主流補能方案。

從充電設施建設成本來看，eVTOL充電原理與電動車相似，但前者電池包容量更大，對於充電功率要求更高，導致其與電動車充電設備存在充電功率、電網負荷與適用場景等差異，最終導致eVTOL充電設備建設成本大幅高於電動車充電設備。根據NREL研究[12]，美國公交的高速充電設備平均成本（含設備+建設成本）在70萬美元左右，這些充電設備峰值功率爲325kW，考慮到eVTOL充電設備功率與其相近，我們認爲美國eVTOL充電設備建設成本可近似參考該成本數據。

► 充電功率：根據NREL研究2，主流eVTOL峰值直流充電功率在300-1000kW，因此eVTOL充電設備單槍功率一般在300kW及以上，相比新能源車單槍功率普遍在60-80kW明顯增加。

► 電網負荷：由於eVTOL單槍充電功率較高、會顯著增加電網負荷，NREL建議垂直起降機場部署1MW及以上的電網容量來保障持續運營。

► 適用場景：eVTOL充電不僅發生在水平地面，例如垂直起降機場，還可能發生在建築頂部。此外，eVTOL無法像電動車一樣自主靠近充電設備，其起降點離固定充電設備仍有一定距離，因此eVTOL充電設備需要更長的充電线纜，例如5-10米，去滿足eVTOL充電需求。

應用案例：部分eVTOL廠商已开始布局充電系統。當前公布充電方案的eVTOL公司主要包括Beta Technologies和Joby兩家，其中前者產品採用在新能源車上應用廣泛的CCS充電接口、已獲得友商認可，後者獨創了GEACS充電體系、希望能夠在全球電動航空領域得到推廣。

► Beta Technologies：推出Charge Cube產品，該產品採用CCS充電接口、可用於eVTOL和新能源車充電，持續輸出功率320kW，最大充電電壓1000V。該產品得到了友商認可，Archer公司已經購买數個Charge Cube、用於其Midnight飛機充電。

► Joby：創立一個充電接口GEACS（全球電動航空充電系統，簡稱GEACS），並基於GEACS發布充電器產品。該產品最大充電電壓1000V，充電接口包含多個直流通道，可同時爲多個獨立冗余電池組充電。目前，GEACS接口充電器已在Joby位於加利福尼和洛杉磯的基地投入使用。

圖表：Beta公司Charge Cube向eVTOL充電

資料來源：公司官網，中金公司研究部

圖表：Joby的GEACS充電器接口示意圖

資料來源：公司官網，中金公司研究部

換電：補能速度更快，投建和運維成本更高

補能速度更快，投建和運維成本更高。相對於充電，換電的核心優勢在於1）速度快，換電只需要5分鐘左右，2）電池在更換後在合理溫度下進行慢速充電、能夠延長電池使用壽命，3）可以在電價更低的時候進行充電、實現套利，缺點主要在於1）初始投資成本高，一個是需要購买更多電池，另一個是需要建設換電基礎設施，2）後續運營成本高，包括電池物流成本、人力成本等，3）eVTOL設計需便於電池的日常更換。

應用案例：Volocopter採用換電進行補能。目前大部分eVTOL主機廠採用充電進行補能，而Volocopter認爲換電能夠延長電池壽命，所以堅持採用換電進行eVTOL補能。

圖表：Volocopter員工展示Volocity模型機換電