無人機(jī)機(jī)身能當(dāng)電池用？南航00后科研成果登國際頂刊

近日，南京航空航天大學(xué)00后科研小將周恒，在國際頂刊《Advanced Materials》發(fā)表成果——研發(fā)的新型碳纖維結(jié)構(gòu)超級電容器，讓無人機(jī)“機(jī)身即電池”成為可能，有望為破解無人機(jī)“續(xù)航載重不可兼得”的困局提供全新思路。

無人機(jī)“想飛更遠(yuǎn)卻難負(fù)其重”，結(jié)構(gòu)儲能成破局關(guān)鍵

“電影里無人機(jī)能輕松運裝備，可現(xiàn)實里它們常載不重，也飛不遠(yuǎn)。”2023級碩士生周恒指著無人機(jī)模型感慨。剛?cè)雽W(xué)時，他隨導(dǎo)師朱孔軍教授調(diào)研物流企業(yè)，見操作員因無人機(jī)電量反復(fù)調(diào)整路線，企業(yè)負(fù)責(zé)人為載重發(fā)愁，便暗下決心攻關(guān)。

當(dāng)前的主流無人機(jī)機(jī)身采用航空級碳纖維復(fù)合材料，密度僅為鋼的1/4，強(qiáng)度卻是鋼的7倍，能最大程度減重。“10公斤機(jī)身用碳纖維做，只要2.5公斤，像換了‘輕量化骨骼’。”周恒輕敲碳纖維板材，發(fā)出清脆聲響。

可傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)成了“絆腳石”。周恒算賬，一架載重5公斤的物流無人機(jī)，電池占3公斤，還需加0.5公斤配重保持平衡。“就像背著3公斤背包跑步，再綁沙袋，既跑不快，也跑不遠(yuǎn)。”朱孔軍教授見過企業(yè)為多飛5公里，不得不減少1公斤貨載，“這種不得已的‘取舍’讓很多企業(yè)陷入兩難。”

全球科研人員都在尋找出路。“傳統(tǒng)思路提升電池能量密度，像在‘螺螄殼里做道場 ’，空間越來越小。”朱孔軍教授說，他在一次國際會議上接觸到“結(jié)構(gòu)儲能一體化”概念，便靈光一閃：“能不能讓機(jī)身結(jié)構(gòu)本身儲能？”此后，他便帶領(lǐng)學(xué)生們著手研發(fā)碳纖維結(jié)構(gòu)超級電容器，周恒便是其中之一。

在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下，周恒將碳纖維電極和環(huán)氧樹脂基固體電解質(zhì)結(jié)合，嘗試做成“能承重的儲能器件”，讓“無人機(jī)機(jī)翼、機(jī)身不再只是‘骨架’，還能當(dāng)‘電池’用。”

近百次試驗破“瓶頸”，師徒攜手找“儲能秘方”

周恒回憶2023年加入課題組的情景。朱孔軍教授給了他寬泛方向：“先讀文獻(xiàn)，再找突破口。”

接下來的日子，周恒大把的時間花在查閱相關(guān)文獻(xiàn)。他看到釩氧化物儲能材料論文時突發(fā)奇想：“釩氧化物能反復(fù)儲存和釋放能量，還原氧化石墨烯導(dǎo)電快，兩者結(jié)合或許能讓碳纖維儲存更多電？”朱孔軍教授鼓勵他，“思路有意思，可以做實驗驗證下”，并協(xié)調(diào)設(shè)備支持。“朱老師從不限定方案，非常支持我們的想法。”周恒說道。

探索充滿挑戰(zhàn)，電解質(zhì)配比成難題。這種特殊“膠水”既要導(dǎo)電好，又要夠結(jié)實，周恒試了多種比例，要么儲電少，要么力學(xué)強(qiáng)度低。“一次配料差了一點點，儲電量就降了三成。”他反復(fù)排查，才發(fā)現(xiàn)是實驗室濕度太高影響了材料性能。

為找最優(yōu)配方，他們做了近40次試驗。“隨時都會出問題”，周恒一度想放棄，朱教授鼓勵他：“科研沒捷徑，多試幾次就有經(jīng)驗，堅持就有希望。”

歷經(jīng)近百次試驗，團(tuán)隊終于確定“秘方”：用一步高溫混合水熱法做出關(guān)鍵材料，電解質(zhì)按特定比例搭配，在穩(wěn)定濕溫條件下制作。周恒說：“做出達(dá)標(biāo)樣品的那一刻，非常開心。”

這款新材料性能超出預(yù)期。“還原氧化石墨烯像‘電流高速公路 ’，讓電傳得快；釩氧化物像‘能量倉庫'，能存更多電。”朱孔軍教授展示樣品，“一層薄薄的涂層，就有望讓碳纖維儲電量提升數(shù)倍。”

能扛壓、抗損壞、可拓展，有望助力航空航天

將10厘米見方的樣品固定在壓力設(shè)備上，當(dāng)壓力達(dá)到無人機(jī)機(jī)翼常規(guī)承受力時，儲電量仍保持80%以上。“普通儲能設(shè)備受壓后儲電量會降，我們的反而更好。”周恒解釋，材料受壓時結(jié)合更緊密，電傳輸更順暢，“像裝了‘抗壓buff’，越受力越穩(wěn)。”

更難得的是抗損壞能力。用刀片劃口子、用鉆頭鉆孔后，仍能進(jìn)行工作，沒出現(xiàn)短路。“無人機(jī)遇上碰撞、刮擦，儲能系統(tǒng)還能工作，可為應(yīng)急迫降爭取時間。”周恒介紹，他還測試了擴(kuò)展能力——它們可以像搭積木一樣，根據(jù)實際需求進(jìn)行靈活組合：需要更高電壓時就串聯(lián)，需要更大容量時就并聯(lián)。

周恒以一組模擬數(shù)據(jù)描繪了團(tuán)隊的技術(shù)目標(biāo)：讓一款現(xiàn)載重5公斤、續(xù)航20公里的無人機(jī)，在將電池從3公斤減至2公斤的同時，將載重提升至7公斤，續(xù)航延長至30公里。“這旨在讓以往兩架無人機(jī)的任務(wù)，由一架高效完成，從而實現(xiàn)作業(yè)效率的倍增。”

“衛(wèi)星太陽能電池板支架、飛機(jī)機(jī)艙壁都能用，既減重又能供電。”“若在零下三十多度的低溫下，超級電容器還能保持八成以上性能，能用的地方就更多了。”他憧憬將研究深入推進(jìn)，拓展到航空航天領(lǐng)域，“讓無人機(jī)飛得更遠(yuǎn)、載得更重，為綠色物流和航空航天助力。”

通訊員 周新華 現(xiàn)代快報/現(xiàn)代+記者 于露

（學(xué)校供圖）