From lithium-ion baseline to emerging chemistries: a certification framework assessment for aeronautic energy storage systems

The progressive electrification of aircraft systems has led to an increase in the adoption of battery technologies in aeronautics. Initially confined to backup power and auxiliary functions, rechargeable battery systems are now becoming central elements in More Electric Aircraft architectures and emerging hybrid-electric and fully electric propulsion concepts. This rapid expansion helps significantly the aviation sector to achieve climate neutrality requirements by 2050. The current state of art is represented by the Lithium-ion (Li-ion) technologies. Li-ion batteries offer high energy density, high efficiency and long operational lifetime, making them suitable for safety-critical onboard applications. Alongside all the advantages, the main drawbacks of Li-ion technologies are related to intrinsic risk of thermal runaway, material availability, and scalability for future electrified aircraft. The challenges are not only related to the technological limits of current energy storage solutions but also the adequacy of existing airworthiness certification frameworks. Within this context, this thesis investigates the role of advanced battery technologies as enablers of the aviation energy transition, with particular emphasis on non-propulsive air craft applications. The research establishes a multidisciplinary analytical framework com bining electrochemical fundamentals, performance benchmarking, and regulatory analysis under the European certification system. Li-ion technology, specifically lithium iron phosphate chemistry,is assessed as reference baseline since it is one of the few chemistry currently qualified for aeronautic applications according to the existing airworthiness standards (RTCA DO-311A). The study critically evaluates emerging battery chemistries, including sodium-ion, solid state lithium and zinc-air battery systems. Each technology is analyzed with respect to gravimetric and volumetric energy density, degradation mechanisms, intrinsic safety characteristics, and compatibility with current certification requirements. While the tech nical performance of these emerging systems can be analyzed through available scientific literature, the regulatory framework remains explicitly tailored to lithium-ion technology. To address this gap, a structured evaluation tool was developed to systematically assess certification applicability and identify regulatory mismatches for alternative chemistries. The results demonstrate that while next-generation chemistries offer significant theoretical performance improvements, their certification feasibility remains constrained by unre solved issues related to statistical reliability, aging behavior, manufacturing variability, and failure propagation. By integrating technological evaluation with regulatory assessment, this thesis contributes to the definition of a preliminary, technology-agnostic certification framework suitable for emerging energy storage systems in aviation. The findings support the broader objective of enabling safe and scalable electrification pathways while preserving aircraft-level safety objectives in an evolving aeronautical landscape.

La progressiva elettrificazione dei sistemi aeronautici ha portato a un aumento dell’adozione delle tecnologie a batteria in ambito aeronautico. Inizialmente limitati alle funzioni di alimentazione di emergenza e ai servizi ausiliari, i sistemi di batterie ricaricabili stanno diventando elementi centrali nelle architetture More Electric Aircraft e nei concetti emer genti di propulsione ibrido-elettrica e completamente elettrica. Questa rapida espansione contribuisce in modo significativo al raggiungimento degli obiettivi di neutralità climatica del settore aeronautico entro il 2050. Lo stato dell’arte è attualmente rappresentato dalle tecnologie agli ioni di litio (Li-ion). Le batterie Li-ion offrono elevata densità energetica, alta efficienza e lunga vita operativa, rendendole adatte ad applicazioni di bordo safety-critical. Accanto ai numerosi vantaggi, i principali svantaggi delle tecnologie Li-ion sono legati al rischio intrinseco di thermal runaway, alla disponibilità dei materiali e alla scalabilità per i futuri velivoli elettrificati. Le sfide non riguardano soltanto i limiti tecnologici delle attuali soluzioni di accumulo en ergetico, ma anche l’adeguatezza degli attuali quadri di certificazione di aeronavigabilità. In questo contesto, la presente tesi indaga il ruolo delle tecnologie di batterie avanzate come abilitatori della transizione energetica dell’aviazione, con particolare attenzione alle applicazioni aeronautiche non propulsive. La ricerca stabilisce un quadro analitico multidisciplinare che combina fondamenti elettrochimici, benchmarking prestazionale e analisi regolatoria nell’ambito del sistema di certificazione europeo. La tecnologia Li-ion, in particolare la chimica al litio ferro fosfato, è assunta come riferi mento di base poiché è una delle poche chimiche attualmente qualificate per applicazioni aeronautiche secondo gli standard di aeronavigabilità esistenti (RTCA DO-311A). Lo studio valuta criticamente le chimiche di batterie emergenti, includendo sistemi sodio ione, litio allo stato solido e zinco-aria. Ciascuna tecnologia è analizzata rispetto a densità energetica gravimetrica e volumetrica, meccanismi di degradazione, caratteristiche di sicurezza intrinseca e compatibilità con gli attuali requisiti di certificazione. Sebbene le prestazioni tecniche di tali sistemi emergenti possano essere analizzate attraverso la letteratura scientifica disponibile, il quadro regolatorio rimane esplicitamente modellato sulla tecnologia agli ioni di litio. Per colmare questo divario è stato sviluppato uno strumento di valutazione strutturato, finalizzato ad analizzare sistematicamente l’applicabilità della certificazione e identificare disallineamenti normativi per chimiche alternative. I risultati dimostrano che, sebbene le chimiche di nuova generazione offrano significativi miglioramenti prestazionali teorici, la loro fattibilità certificativa rimane limitata da problematiche irrisolte relative ad affidabil ità statistica, comportamento di invecchiamento, variabilità produttiva e propagazione dei guasti. Integrando la valutazione tecnologica con l’analisi regolatoria, questa tesi contribuisce alla definizione di un quadro preliminare di certificazione indipendente dalla tecnologia, idoneo ai sistemi di accumulo energetico emergenti in ambito aeronautico. I risultati supportano l’obiettivo più ampio di abilitare percorsi di elettrificazione sicuri e scalabili, preservando al contempo gli obiettivi di sicurezza a livello di aeromobile in un panorama aeronautico in evoluzione.