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

無人機“想飛更遠卻難負其重”，結構儲能成破局關鍵

“電影里無人機能輕松運裝備，可現(xiàn)實里它們常載不重，也飛不遠?！?023級碩士生周恒指著無人機模型感慨。剛入學時，他隨導師朱孔軍教授調研物流企業(yè)，見操作員因無人機電量反復調整路線，企業(yè)負責人為載重發(fā)愁，便暗下決心攻關。

當前的主流無人機機身采用航空級碳纖維復合材料，密度僅為鋼的1/4，強度卻是鋼的7倍，能最大程度減重?！?0公斤機身用碳纖維做，只要2.5公斤，像換了‘輕量化骨骼’?！敝芎爿p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，電池占3公斤，還需加0.5公斤配重保持平衡?！熬拖癖持?公斤背包跑步，再綁沙袋，既跑不快，也跑不遠?！敝炜总娊淌谝娺^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?！?/p>

全球科研人員都在尋找出路?！皞鹘y(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?！敝炜总娊淌谡f，他在一次國際會議上接觸到“結構儲能一體化”概念，便靈光一閃：“能不能讓機身結構本身儲能？”此后，他便帶領學生們著手研發(fā)碳纖維結構超級電容器，周恒便是其中之一。

在導師的悉心指導下，周恒將碳纖維電極和環(huán)氧樹脂基固體電解質結合，嘗試做成“能承重的儲能器件”，讓“無人機機翼、機身不再只是‘骨架’，還能當‘電池’用?！?/p>

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，再找突破口。”

接下來的日子，周恒大把的時間花在查閱相關文獻。他看到釩氧化物儲能材料論文時突發(fā)奇想：“釩氧化物能反復儲存和釋放能量，還原氧化石墨烯導電快，兩者結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)調設備支持?！爸炖蠋煆牟幌薅ǚ桨福浅ＶС治覀兊南敕??！敝芎阏f道。

探索充滿挑戰(zhàn)，電解質配比成難題。這種特殊“膠水”既要導電好，又要夠結實，周恒試了多種比例，要么儲電少，要么力學強度低?！耙淮闻淞喜盍艘稽c點，儲電量就降了三成。”他反復排查，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?！半S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?！?/p>

歷經(jīng)近百次試驗，團隊終于確定“秘方”：用一步高溫混合水熱法做出關鍵材料，電解質按特定比例搭配，在穩(wěn)定濕溫條件下制作。周恒說：“做出達標樣品的那一刻，非常開心?！?/p>

這款新材料性能超出預期?！斑€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備上，當壓力達到無人機機翼常規(guī)承受力時，儲電量仍保持80%以上?！捌胀▋δ茉O備受壓后儲電量會降，我們的反而更好?！敝芎憬忉專牧鲜軌簳r結合更緊密，電傳輸更順暢，“像裝了‘抗壓buff’，越受力越穩(wěn)?！?/p>

更難得的是抗損壞能力。用刀片劃口子、用鉆頭鉆孔后，仍能進行工作，沒出現(xiàn)短路?！盁o人機遇上碰撞、刮擦，儲能系統(tǒng)還能工作，可為應急迫降爭取時間?！敝芎憬榻B，他還測試了擴展能力——它們可以像搭積木一樣，根據(jù)實際需求進行靈活組合：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)描繪了團隊的技術目標：讓一款現(xiàn)載重5公斤、續(xù)航20公里的無人機，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?！斑@旨在讓以往兩架無人機的任務，由一架高效完成，從而實現(xiàn)作業(yè)效率的倍增?！?/p>

“衛(wèi)星太陽能電池板支架、飛機機艙壁都能用，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?！彼裤綄⒀芯可钊胪七M，拓展到航空航天領域，“讓無人機飛得更遠、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

（學校供圖）