综述：可持续推进技术和先进的能源存储系统，助力实现航空领域的净零排放

《Energy & Environmental Science》：Sustainable propulsion and advanced energy-storage systems for net-zero aviation

　　净零航空需要SAF、氢燃料电池、先进电池和混合电动技术的协同发展。SAF可减少89%的碳排放，但面临原料和成本挑战；氢燃料电池能量密度高但储存复杂；固态电池和锂硫电池提升能量密度但仍需解决安全和重量问题；混合电动系统（如串联、并联、涡轮电）在效率和减排上表现突出，但整合复杂且认证标准不统一。未来需在技术突破（如高能电池、绿氢生产）、政策支持（碳定价、基础设施投资）和跨领域合作（航空、能源、材料）方面持续投入。

　　航空业向可持续推进系统的转型需要对能源系统、储能技术以及排放策略进行根本性的变革。本文回顾并评估了可持续航空燃料（SAF）、氢燃料电池、先进电池和混合电动推进系统，以实现净零排放的目标。SAF能够实现高达89%的生命周期二氧化碳减排，并且与现有基础设施兼容，但在原料供应、生产成本和全球可扩展性方面存在限制。氢气的比能量密度约为120 MJ/kg，具有长期潜力，但受到低温储存和机翼结构改造的制约。电动航空在锂离子、锂硫（400–600 Wh/kg）和固态化学技术方面取得了进展，但当前的能量密度限制了其航程和载荷能力。混合电动推进系统，包括串联、并联和涡轮电动配置，表现出增强的排放减少和能量管理能力，特别是在与SAF或氢气结合使用时。例如，空客的EcoPulse、罗尔斯·罗伊斯的E-Fan X和Ampaire的Electric EEL已经验证了混合电动和SAF的可行性，而氢动力飞行则由H2FLY的HY4和ZeroAvia的Dornier 228推动。生命周期评估显示，每千公里乘客飞行的排放减少了57–88%。未来的可扩展性取决于安全性、热管理、可回收性、材料创新、双认证和统一的政策。

航空业面临在满足全球连通性需求的同时减少温室气体排放的紧迫挑战。尽管航空业仅贡献了全球二氧化碳排放量的2–3%，但其整体气候影响因高空的非二氧化碳效应而显著放大。预计到2050年，航空交通将翻倍，除非采取技术干预，否则排放量可能不受控制。与地面运输不同，航空业受到严格的能量与重量比以及安全要求的限制，使脱碳变得尤为复杂。本文评估了新兴推进和储能技术的技术成熟度、能量效率、生命周期排放和集成可行性，包括可持续航空燃料、氢燃料电池、锂基电池和混合电动系统。我们强调了演示飞行器、混合架构和固态电池在实现清洁天空方面的作用。本文分析结合了生命周期评估、安全、认证和回收的见解，对政策、行业和研究界具有高度相关性。该路线图突出了在快速变化的能源格局中，将技术创新与监管和基础设施发展相结合的必要性。

SAF在航空业的环境影响中扮演着关键角色。SAF是一种由非生物或非耗尽生物原料制成的喷气燃料，符合严格的ASTM规格，并且与当前的飞机引擎和燃料基础设施兼容，如表1所示。其核心优势在于能够通过生物量或废物中的碳封存实现碳循环，从而将生命周期二氧化碳排放降至比传统喷气燃料低得多的水平。由于SAF是“可直接使用”的燃料，可以在不修改航空或燃料加注基础设施的情况下轻松且经济地整合到现有航空实践中。原料包括木质纤维素生物质、市政固体废物、藻类、农业残渣、非食品油和湿废物。尽管SAF具有巨大潜力，但目前仅占可用航空燃料的不到1%，且比传统喷气燃料贵约四倍，这对其采用构成了经济挑战。根据国际民航组织（ICAO）的建议，航空业在2050年实现净零目标可以带来63%的排放减少。然而，这需要广泛的政治支持和对SAF基础设施的大量投资。

SAF的生产技术分为三类：化学、生物和热化学路线。化学转化过程，如酯和脂肪酸加氢（HEFA）和费托合成（FT），是最先进的。HEFA依赖于对动物脂肪和植物油的加氢，以产生石蜡烃。相比之下，FT依赖于生物质的气化（CO和H2合成气）以生产合成航空煤油。生物过程，如醇到航空燃料（ATJ）和异烷烃合成（SIP），通过微生物发酵将糖转化为醇或法尼烯，再通过加氢转化为航空燃料。路径提供了基于成本、原料供应和所需燃料参数的定制解决方案。例如，催化快速热解（CFP）在木质纤维素生物质转化为航空级燃料方面表现出高效的转化效率。水热液化（HTL）是另一种有前景的SAF原料生产技术，符合航空业的性能标准。然而，商业规模部署受到缓慢审批流程和原料供应物流的限制，通常需要超过400升的样本进行认证。

尽管SAF在操作和气候方面显示出许多好处，但其部署面临诸多挑战。例如，其高生产成本，如PtL SAF的生产成本为每公斤5.16英镑，全球变暖潜力为每兆焦耳21.43克的二氧化碳当量，是其采用的障碍。例如，在非洲部署SAF需要在50%混合情况下补贴34.9–37.8亿美元。SAF可以在南美洲减少69.3–113.5百万吨排放，具体取决于碳价格高于每单位0.273美元。e燃料，如通过直接空气捕集和电解生产的e航空煤油，六年内产量从190万加仑增加到1580万加仑。预计到2050年，e燃料将具有与传统燃料竞争的成本优势。然而，其规模化受到可再生能源增长和供应链发展的高度依赖。

在社会可持续性方面，SAF的必要支柱尚未得到充分研究。需要利益相关者的合作来实现公平的商业化；在这方面，研究已经集中在将社会指标纳入SAF评估系统中。从技术干预来看，碳定价、发电补贴和SAF混合配额等政策已显示出可衡量的成功。例如，加州的低碳燃料标准通过生成可交易的信用额度来促进低碳替代品，帮助缓解SAF与Jet A-1燃料的价格差异。这些政策和技术激励措施的协同效应有潜力改善SAF的成本效益并减少环境影响。

氢气作为绿色航空能源载体，具有极高的比能量密度（约120 MJ/kg，约33,336 Wh/kg），约为传统喷气燃料的三倍。然而，其低体积能量密度（约8 MJ/L，相比喷气燃料的约35 MJ/L）给设计带来巨大限制，需要大量的机载储罐，使飞机更重并增加空气动力学阻力和燃料消耗。氢气可以通过热化学过程（如气化、热解、蒸汽重整）或电解法生产，但只有在使用可再生能源时才可持续。氢气航空自早期的NACA和图波列夫飞行以来已被证明是实际可行的。近期研究建立了氢气燃烧发动机和燃料电池动力系统，提供了零碳替代传统航空燃料的解决方案。氢气燃烧可以减少CO?、SO?和烟尘排放，NO?排放减少超过70%。然而，氢气燃料电池虽然表现出更高的能量到重量比，但需要突破低温储存材料和轻量化热绝缘技术，才能在商业航空运输中成为现实的解决方案。

当前研究重点在于氢气驱动飞行系统的模拟、新的电化学概念和提高氢气驱动飞行的功率。例如，针对商业飞机（如LM-100J货运飞机）的氢气燃料电池研究已经成功利用氢气储存，替代电池需求并利用氧气副产品。氢气航空设计旨在最小化重量，提高电化学效率，改善氢气储存平衡，从而将推进系统的能量效率提高10%。通过溅射方法制备的薄型SOFC也实现了高达1.17 kW/kg的特定功率，标志着电动飞行的转折点。然而，电池系统的研发仍然需要新的材料、回收方法和工程策略，以解决大规模实施中的问题。

电池技术在航空电动化中扮演着关键角色，尤其是在需要高能量密度和轻量化的情况下。尽管锂离子电池（LIBs）目前是区域和短途电动飞机的主要选择，但其能量密度仍远低于传统喷气燃料（约12,000 Wh/kg）。LIBs的体积能量密度约为250–300 Wh/kg，因此只能提供有限的航程。在航空环境中，LIBs面临诸如低能量密度、供应链可持续性和安全风险等挑战。解决这些限制需要优化生产过程、提高充放电循环寿命以及优化可回收性，以减少资源枯竭。由于国际能源署（IEA）预测锂和钴需求将增加30倍，与锂提取相关的政治、伦理和生态问题已成为首要关注点。虽然第二生命使用最大化了LIBs的应用，但确定电池健康和制造复杂性仍是大规模应用的障碍。缺乏标准的回收协议和监管规范也增加了可持续性问题，提高了成本并限制了使用寿命的管理机会。

除了材料和技术问题，电池电动飞行的经济可行性也受到质疑。电动飞行的平准化电力成本（LCOE）仍远高于碳氢燃料或甚至可直接使用的生物燃料。目前研究表明，电池应低于每千瓦时100美元，才能在有碳税政策的情况下具有商业吸引力。虽然电动推进在运营成本方面可能通过提高动力系统效率而降低，但基础设施和飞机设计的前期投资是一个重大障碍。与可直接使用的可持续燃料相比，电池动力航空需要对飞机进行根本性的设计改造，例如增加电池储存体积和广泛的监管调整。这些限制意味着，电池电动航空的短期前景主要限于区域和短途应用，而长途电动化依赖于储能技术、飞机设计和监管政策的进展。然而，对高能量密度电池化学、循环经济和低成本生产方法的持续投资将决定电池电动航空是否能在未来几十年内普及。

锂离子电池（LIBs）由于其高能量密度和技术成熟度，在航空领域得到了广泛应用。LIBs在航空应用中表现出色，尤其是对于电动和混合电动飞机，它们的重量节省直接提升了飞行航程和燃料效率。此外，使用非易燃固态电解质的固态LIBs已知具有更高的安全性，通过阻止电解质泄漏和减少热失控（TR）的风险，成为航空储能系统的有力候选。这些电池还承诺减少充电时间并延长使用寿命，适合下一代可持续航空系统。然而，LIBs在航空应用中仍然面临热失控和安全挑战。锂金属阳极与电解质之间的放热反应，特别是在铝电流收集器的作用下，可能在故障事件中产生严重热量，增加热失控的可能。在飞行中，低气压条件进一步加剧了这一问题，因为它们减少了热量释放，但增加了易燃和有毒气体的排放，这在封闭的飞机环境中构成重大危害。航空平台的严格重量和体积限制也限制了引入坚固的热管理或含蓄系统，使电池更容易受到传播风险的影响。为了缓解这些风险，正在探索先进的轻量级热管理系统、材料创新如固态电解质以及复杂的检测和控制策略，以在异常条件下提供早期预警和干预。因此，实现航空级固态电池需要超越材料层面的系统级安全策略。

锂硫（Li–S）电池因其高达2500–2600 Wh/kg的理论能量密度，成为下一代储能技术的候选。Li–S电池采用锂金属阳极和硫阴极，其潜在应用在于航空领域，其中最小化重量和最大化能量密度是关键因素。硫是一种轻便、便宜且丰富的材料，使其成为比锂离子系统更清洁和经济可持续的选择。然而，即使有这些优势，Li–S技术仍面临固有问题，主要是由于硫和锂硫化物的绝缘性质，需要导电添加剂来促进电极中的电子传输。导电相的应用，包括聚合物基质和碳结构，已被研究以实现高导电性和可逆的锂离子移动。著名的穿梭效应，由锂多硫化物中间体在电解质中的溶解引起，导致严重的容量衰减和低循环稳定性。这一问题促使研究者探索先进的阴极架构和电解质改性，以克服多硫化物的溶解，最终提高电池的寿命和效率。

Li–S技术的一个主要缺点是放电时硫的显著体积膨胀（高达80%），导致电极退化、活性材料损失和电气分离。为此，研究人员采用了将硫加载在多孔碳框架上的方法，并开发了硫-石墨烯纳米复合材料，以提供机械强度和电化学性能的增强。最重要的是，石墨烯氧化物阴极的进步使Li–S电池能够达到500次循环。同时，基于离子液体的电解质也延长了其寿命，达到在6C放电速率下超过1500次循环的循环寿命。最近的突破引入了能量密度超过500 Wh/kg的Li–S电池，代表了相对于当前LIB技术的两倍改进，同时报告了1350次循环，标志着向航空集成的显著进展。

尽管这些进展，Li–S系统在航空环境中的安全挑战仍然存在，特别是热失控。Li–S的高特定能量使其成为航空飞机的吸引力，但任何热失控事件都可能释放大量热量和气体产物，增加在未解决的情况下发生灾难性故障的可能性。航空飞机设计中所需的密集模块进一步加剧了这一风险，实验证据表明，在恶劣条件下，相邻的电池可能迅速点燃。航空环境加剧了这些风险：在高空，温度波动和低气压条件已被证明会加速挥发性和降低热稳定性。为了解决这些问题，正在探索先进的热管理解决方案，如被动热吸收结构和高导热性散热器，以在飞行过程中耗散或淬灭热失控。同时，嵌入式热和压力传感器被强调为检测热失控起始的关键，而符合NASA和FAA安全协议的航空级Li–S电池包被设计为减少传播风险。

固态电池（SSBs）正在成为传统锂离子系统的颠覆性技术，旨在克服其显著的局限性，包括电解质不稳定性、易燃性、有限的循环寿命和狭窄的电压窗口。通过使用固态离子导电材料代替液态电解质，这些电池提供了增强的热和电化学稳定性，消除了安全风险并提高了能量密度。固态技术的一个显著特点是使用陶瓷或聚合物电解质与锂金属阳极结合，锂金属阳极具有极高的理论容量（3860 mAh/g）和低电化学势（-3.04 V）。这种配置显著提高了能量存储能力，减少了充电时间，并确保了热失控的安全性，因此SSBs是电动航空的可能解决方案。尽管固态电解质提高了热稳定性，但最近的研究表明，SSBs在极端热和机械条件下仍不是完全免疫于热失控事件。高速热成像和热力学研究显示，固态电池包的热失控传播速度比传统LIBs快五倍，热流接近十倍，这对飞机电池模块构成重大安全风险。这突显了在重量受限平台中进行航空特定设计修改的必要性，特别是在需要热耗散和抗撞击性的长距离飞行中。

SAFs、氢燃料电池、先进电池技术和混合电动推进系统在航空领域的应用面临一系列技术挑战，包括热管理、能量存储、充电策略和安全措施。例如，SAFs的集成相对简单，因为它们与现有燃料基础设施和热管理策略兼容。然而，挑战包括由于某些SAFs芳香含量较低而引起的燃料润滑性和泵性能变化。发动机和机翼制造商正在评估批准的SAFs混合比例的兼容性，而先进的材料如气凝胶正在被探索以提高热效率。创新如基于微管的热交换器，由霍尼韦尔和反应引擎的联合研究，可实现高达30%的重量节省并改善热排放。SAFs还提供了混合电动推进的辅助热源。优化SAFs在混合电动系统中的热集成将是行业向多燃料策略转变的关键。

氢燃料电池在航空领域的应用面临独特的热集成挑战，从低温储存到废热排放，需要创新的解决方案。例如，Filipe等人强调了氢气低温储存（20 K）作为能源来源和热源的双重优势，使得在没有压缩蒸气系统的情况下，区域飞机的重量、能量消耗和阻力减少了10–23%。K?sters等人展示了使用氢气反应流冷却PEM燃料电池堆的轻量级热管理方法，有效维持热阈值。此外，Quaium等人展示了利用风冷热排放的双相冷却剂系统，使系统质量减少了43%。英国FlyZero计划强调了高温PEM燃料电池（HT-PEMFCs，工作温度高于160°C）的优势，实现了每公斤20 kW的热排放率，相比之下低温模型的热排放率仅为每公斤5 kW。这些见解表明，利用氢气作为燃料和冷却剂可以实现高效的、轻量级的热架构，用于下一代燃料电池飞机。

电池技术在电池供电的电动飞机中的热管理至关重要，特别是在航空特定的应力因素如高放电率和低温条件下。热失控分为三个阶段：初始过热、气体释放和燃烧。缓解策略包括坚固的设计、使用防火屏障进行热隔离，以及在低气压环境中使用先进的通风策略。在起飞和爬升阶段，热耗散需求高，放电率可达3–5C。传统冷却系统往往无法满足航空需求，但浸入冷却液的冷却系统提供了显著的热量去除能力。纳米流体系统可以将电池温度降低50%，而结合相变材料（PCMs）的混合方法可以管理基础和峰值热负荷。高空环境复杂了热管理，因为低压条件可能增加燃烧率并导致通风失败。先进的电解质可以增强低温条件下的稳定性，而基于机器学习的自适应冷却系统正在被探索以动态优化冷却。此外，通过采用先进的冷却方法，如振荡热管和PCMs辅助系统，可以实现高效的热排放，同时最小化重量惩罚。研究纳米流体冷却剂和自适应ECS-TMS耦合显示了减少系统尺寸同时保持可接受燃料消耗（1.4%）的潜力。通过增加允许的接点温度（380–400 K），可以提高巡航性能并消除阻力惩罚。总体而言，多回路模块化架构结合多学科设计优化和AI驱动的热控制是商业航空中安全高效部署混合电动推进的关键。

混合电动推进（HEP）系统在航空业中扮演着重要角色，其核心在于将传统燃烧引擎与电动机和电池或燃料电池结合，实现多样化的能源供应和更高效的飞行。HEP系统在减少排放和提高能源管理方面表现出色，特别是在与SAFs或氢气结合使用时。混合系统能够实现高达49%的能源节省和4%的CO?排放减少，相比传统推进系统。然而，这些系统也面临机械连接、能量管理和冷却需求等挑战。为了确保燃烧引擎和电动机协同工作，需要复杂的系统设计。先进的控制系统和能量管理对于平衡燃烧引擎和电动机的工作负荷，提高效率和延长电池寿命至关重要。虽然HEP系统比串联配置具有更少的组件，但同时进行充电和推进可能会产生热应力，因此需要经过工程设计和强化的冷却策略。研究表明，使用轻量级传动系统和更好的电动机集成可以维持高性能，同时减少额外重量。在架构上，有两种配置：单轴配置，其中燃烧引擎和电动机在同一个轴上，这简化了系统但增加了控制难度；而双轴配置将燃烧引擎和电动机分装在不同的轴上，允许更精确的功率控制。这种分离增强了不同飞行阶段的效率，如爬升和巡航。选择合适的配置在决定系统复杂性、控制和整体性能方面起着关键作用。

在航空领域的混合电动推进系统中，热管理是关键挑战之一。这些系统需要解决电池、电动机、燃料电池和环境控制系统（ECS）之间的热交互。混合平台如STARC-ABL和EcoPulse的研究突显了集成液冷回路的重要性，使用如PGW30或PSF-5等液体以维持热稳定性。先进的架构，如双回路系统，可以高效管理各种组件的热量。创新的冷却方法，如振荡热管和PCMs辅助系统，可以实现高效的热排放，同时最小化重量惩罚。研究纳米流体冷却剂和自适应ECS-TMS耦合已显示出减少系统尺寸同时保持可接受燃料消耗（1.4%）的潜力。提高允许的接点温度（380–400 K）可以提高巡航性能并消除阻力惩罚。总体而言，多回路模块化架构结合多学科设计优化和AI驱动的热控制是安全高效部署混合电动推进的关键。

电池技术在航空领域的应用仍面临诸多挑战，特别是在高放电率和低温条件下。热失控的高风险需要先进的设计、热隔离和通风策略。在起飞和爬升阶段，热耗散需求高，放电率可达3–5C。传统冷却系统往往无法满足航空需求，但浸入冷却液的冷却系统提供了显著的热量去除能力。纳米流体系统可以将电池温度降低50%，而结合相变材料（PCMs）的混合方法可以管理基础和峰值热负荷。高空环境对热管理提出了复杂要求，因为低压条件可能增加燃烧率并导致通风失败。先进的电解质可以增强低温条件下的稳定性，而基于机器学习的自适应冷却系统正在被探索以动态优化冷却。此外，通过采用先进的冷却方法，如振荡热管和PCMs辅助系统，可以实现高效的热排放，同时最小化重量惩罚。研究纳米流体冷却剂和自适应ECS-TMS耦合已显示出减少系统尺寸同时保持可接受燃料消耗（1.4%）的潜力。提高允许的接点温度（380–400 K）可以提高巡航性能并消除阻力惩罚。总体而言，多回路模块化架构结合多学科设计优化和AI驱动的热控制是安全高效部署混合电动推进的关键。

在航空领域，混合电动推进系统的热管理需要多层次的方法，以应对电池、电动机、燃料电池和环境控制系统（ECS）之间的相互作用。研究表明，混合平台如STARC-ABL和EcoPulse强调了集成液冷回路的重要性，使用如PGW30或PSF-5等液体以维持热稳定性。先进的架构，如双回路系统，可以高效管理各种组件的热量。创新的冷却方法，如振荡热管和PCMs辅助系统，可以实现高效的热排放，同时最小化重量惩罚。研究纳米流体冷却剂和自适应ECS-TMS耦合已显示出减少系统尺寸同时保持可接受燃料消耗（1.4%）的潜力。提高允许的接点温度（380–400 K）可以提高巡航性能并消除阻力惩罚。总体而言，多回路模块化架构结合多学科设计优化和AI驱动的热控制是安全高效部署混合电动推进的关键。

混合电动推进系统的设计和应用也面临其他挑战，如电池能量密度、热控制和认证规则。例如，一个研究显示，使用并联混合系统进行900海里飞行可减少16%的燃料消耗，但未能达到3300海里的长距离目标，除非增加机翼尺寸。这种限制凸显了航空电池技术在能量密度和系统重量方面的瓶颈。为了推动混合电动飞机的商业化，需要突破电池化学、功率分配架构和热管理技术。未来需要行业、学术界和监管机构的持续投资和联合研发，以推动混合电动飞机进入更长的航程、更大的容量和商业化阶段。

SAFs和氢燃料电池在航空领域的应用展示了技术发展的多样性。例如，空客的EcoPulse?飞行器，基于Daher TBM 900设计，于2024年底完成了超过100小时的测试，配备了六具机翼上的50 kW电动推进器，由100 kW辅助动力单元（APU）和电池供电，显著提高了空气动力学性能和噪音减少。在欧洲，空客、罗尔斯·罗伊斯和西门子合作开发了E-Thrust项目，利用超导电机，最终发展出EcoPulse?演示飞行器。此外，NASA和波音正在开发X-66A，一种新型单通道飞机，采用特殊的跨音速桁架机翼（TTBW）设计，旨在将燃料效率提高30%，其首飞计划于2028年进行。这些演示飞行器的进展表明，混合电动推进系统在航空脱碳方面具有重要潜力，但也凸显了技术挑战和监管障碍。

在航空领域，SAFs、氢燃料电池、电池技术和混合电动推进系统的安全、认证和可靠性是实现可持续发展的关键。SAFs的主要优势在于其与Jet A或Jet A-1燃料的混合使用，无需对飞机引擎或燃料系统进行重大改动。SAFs的认证遵循ASTM D7566指南，包括批准的生产方法如HEFA-SPK、FT-SPK和ATJ-SPK。当以特定比例混合时，SAFs满足商业航空使用的ASTM标准。然而，它们的低芳香含量可能影响旧引擎，因此需要长期兼容性测试。为了确保安全和可靠性，制造商和航空当局会进行全面的评估，包括测试排放、燃料系统和燃烧室。尽管SAFs具有明显的环境和操作优势，但认证过程仍面临挑战，如在不同法规下协调认证流程和确保在各种操作条件下的性能一致性。未来，将SAFs与新技术如结构电池或混合电动引擎结合，需要新的安全标准和动态认证策略，这对于维持航空业的高安全和性能一致性标准至关重要。

氢燃料电池在航空中的应用面临特定的安全和认证挑战。主要关注点是氢气的安全储存，尤其是在高压气体或液态形式下的储存。低温储存的氢气必须储存在低于-253°C的条件下，需要先进的隔热和大量容器以防止泄漏。高压储存（350到700巴）可能因负载变化和材料疲劳而带来结构失效的风险。任何泄漏都可能与空气形成爆炸性混合物，而静电或高温表面可能引发点火。系统需要氢气传感器、良好通风和分隔设计以减少爆炸风险。空客的Blue Condor和ZeroAvia的Dornier 228演示飞机已采用这些策略来管理氢气风险。然而，氢气系统的认证规则仍在发展中。当前航空燃料法规（如EASA CS-25、FAR Part 25）为测试提供了基础，但针对氢气的具体标准，如频繁的泄漏检测和冷浸泡测试，仍在制定中，需要在全球机构间进行协调。

电池系统在航空中的安全和可靠性至关重要，尤其是在电动飞机中使用的锂离子电池（LIBs）。这些电池由于热失控、过充或物理损坏而可能起火或爆炸。在航空条件下，如低压和高空，这些风险增加，突显了对电池组进行全面测试和验证的必要性。为了减少这些风险，飞机电池系统包括多个安全功能：热隔离、压力释放和被动防火装置。此外，使用多个独立运行的电池模块是关键的故障安全机制，以防止局部故障。"为安全设计"的概念已成为必要，要求在电池系统设计过程中早期解决潜在风险。

采用先进的电池管理系统（BMS）是支持硬件解决方案的关键。这些系统使用实时监控、前沿算法，以及越来越多的机器学习和物联网技术来监控电池单元行为、预测故障并延长电池寿命。这种预测能力提高了可靠性，并允许根据实际条件进行维护，这在高利用率的航空机队中特别有用。公司必须符合如RTCA DO-311A、EUROCAE ED-40和UN 38.3等标准以获得认证。这些标准要求进行各种机械、电气和热滥用测试，如过充、短路、压碎和极端温度暴露，以应对环境因素如振动、高度和湿度。然而，随着新技术如固态电池和硅阳极系统的开发，认证规则可能变得复杂。认证过程可能漫长且昂贵，这会减缓新技术的推出。航空业现在倡导更灵活、协调和国际一致的规则，以简化批准流程并鼓励创新。此外，随着对环境责任的关注增加，未来的认证必须考虑可持续的原料来源、回收和使用寿命管理。这需要行业、监管机构和环保组织之间的合作。

在航空电池系统中，关键的权衡是实现高性能与维持严格的安全标准，这在电池驱动的eVTOL平台上尤为重要。先进的化学，如高镍阴极和锂金属阳极，提供了所需的能量密度以延长飞行航程，但它们的高反应性在恶劣条件下增加了热失控的可能性。同样，为了满足城市空中交通的短周转时间设计的快速充电协议可能加速锂镀层和枝晶生长，从而降低循环寿命并减少安全边际。在电池组层面，节省重量的策略，如限制主动冷却或减少保护外壳，提高了比能效率，但降低了对热和机械滥用的容忍度，特别是在低压和变温的航空环境中，热失控的传播行为与地面系统不同。这些机制相互作用突显了性能提升往往缩小安全缓冲区，强化了先进BMS、轻量级热管理系统和航空特定认证框架的必要性，这些框架要求冗余和故障安全操作。这些综合方法对于确保高性能电池在eVTOL和其他电动航空应用中的安全和可靠部署至关重要。尽管电池和燃料电池提供了零排放的推进，但在混合电动系统中整合多种能源来源提出了动态协调和故障隔离的独特挑战。

混合电动推进系统结合了燃烧引擎和电动机，以降低排放和噪音，同时保持操作的灵活性。然而，这些系统在控制架构、功率流动、扭矩共享和燃烧引擎与电动机之间的实时热管理方面具有复杂性。不同的混合配置（串联、并联和串联-并联）必须在起飞或紧急下降等关键阶段之间平滑切换。使用硬件在环测试的能源管理系统对于建模这些系统并在影响安全前识别模式不匹配或能源短缺等问题至关重要。先进的容错性也是必要的。例如，H型架构即使在系统部分失效的情况下也能继续提供推进，允许在不关闭整个系统的情况下进行故障隔离。

混合系统的认证和安全评估是一个不断发展的挑战。当前的法规（如CS-23和DO-160）专注于传统引擎，不完全涵盖电气和机械部分之间的相互作用。新的标准包括双域验证协议，以解决过热、电动机短路、引擎故障和燃料与电力系统之间的问题。记录混合系统，包括安全标准、分析可能的缺陷和动力系统对故障的反应，需要比传统引擎更多的资源。使用先进的宽禁带半导体如氮化镓（GaN）在电力电子中增加了组件的耐用性和响应速度，使系统更加坚固。冗余策略，如分体逆变器、多个电池组和互联的电力总线，有助于确保单个故障不会危及飞行连续性。随着混合电动飞机从演示过渡到认证使用，航空监管机构和行业之间的合作对于这些复杂系统的安全和及时引入至关重要。表10提供了不同推进系统的安全挑战、认证成熟度和集成要求的比较概述，以突出航空部署中的跨技术考虑。

SAFs、氢燃料电池、电池技术和混合电动系统的生命周期分析表明，每种技术都有其独特的可持续性优势和局限性。例如，SAFs在现有基础设施中具有良好的兼容性，但其部署受到生产成本、原料供应和生命周期碳变化的限制。氢燃料电池具有高效率和零排放，但需要解决低温储存、材料兼容性和安全系统的问题。电池技术虽然在短途航空中提供了电动化，但其生命周期影响和认证要求仍然是关键挑战。混合电动系统通过结合不同能源来源，为航空业提供了多样化的解决方案，同时也带来了协调和故障隔离的挑战。这些技术的综合比较和市场趋势在图15a和b中有所展示，涵盖了混合配置的排放和电池回收预测。随着SAFs、氢燃料电池、电池和混合电动配置的进步，未来十年将是从演示到认证市场适应平台的转折点。通过有针对性的投资、材料创新、双系统基于的安全认证协调以及强大的行业-政策对齐，航空业可以从概念验证过渡到全面实施，使零碳飞行成为可扩展的现实。