江苏
近日，南京航空航天大学00后科研小将周恒，在国际顶刊《Advanced Materials》发表成果——研发的新型碳纤维结构超级电容器，让无人机“机身即电池”成为可能，有望为破解无人机“续航载重不可兼得”的困局提供全新思路。
无人机“想飞更远却难负其重”，结构储能成破局关键
“电影里无人机能轻松运装备，可现实里它们常载不重，也飞不远。”2023级硕士生周恒指着无人机模型感慨。刚入学时，他随导师朱孔军教授调研物流企业，见操作员因无人机电量反复调整路线，企业负责人为载重发愁，便暗下决心攻关。
当前的主流无人机机身采用航空级碳纤维复合材料，密度仅为钢的1/4，强度却是钢的7倍，能最大程度减重。“10公斤机身用碳纤维做，只要2.5公斤，像换了‘轻量化骨骼’。”周恒轻敲碳纤维板材，发出清脆声响。
可传统的电池系统成了“绊脚石”。周恒算账，一架载重5公斤的物流无人机，电池占3公斤，还需加0.5公斤配重保持平衡。“就像背着3公斤背包跑步，再绑沙袋，既跑不快，也跑不远。”朱孔军教授见过企业为多飞5公里，不得不减少1公斤货载，“这种不得已的‘取舍’让很多企业陷入两难。”
全球科研人员都在寻找出路。“传统思路提升电池能量密度，像在‘螺蛳壳里做道场 ’，空间越来越小。”朱孔军教授说，他在一次国际会议上接触到“结构储能一体化”概念，便灵光一闪：“能不能让机身结构本身储能？”此后，他便带领学生们着手研发碳纤维结构超级电容器，周恒便是其中之一。
在导师的悉心指导下，周恒将碳纤维电极和环氧树脂基固体电解质结合，尝试做成“能承重的储能器件”，让“无人机机翼、机身不再只是‘骨架’，还能当‘电池’用。”
近百次试验破“瓶颈”，师徒携手找“储能秘方”
周恒回忆2023年加入课题组的情景。朱孔军教授给了他宽泛方向：“先读文献，再找突破口。”
接下来的日子，周恒大把的时间花在查阅相关文献。他看到钒氧化物储能材料论文时突发奇想：“钒氧化物能反复储存和释放能量，还原氧化石墨烯导电快，两者结合或许能让碳纤维储存更多电？”朱孔军教授鼓励他，“思路有意思，可以做实验验证下”，并协调设备支持。“朱老师从不限定方案，非常支持我们的想法。”周恒说道。
探索充满挑战，电解质配比成难题。这种特殊“胶水”既要导电好，又要够结实，周恒试了多种比例，要么储电少，要么力学强度低。“一次配料差了一点点，储电量就降了三成。”他反复排查，才发现是实验室湿度太高影响了材料性能。
为找最优配方，他们做了近40次试验。“随时都会出问题”，周恒一度想放弃，朱教授鼓励他：“科研没捷径，多试几次就有经验，坚持就有希望。”
历经近百次试验，团队终于确定“秘方”：用一步高温混合水热法做出关键材料，电解质按特定比例搭配，在稳定湿温条件下制作。周恒说：“做出达标样品的那一刻，非常开心。”
这款新材料性能超出预期。“还原氧化石墨烯像‘电流高速公路 ’，让电传得快；钒氧化物像‘能量仓库'，能存更多电。”朱孔军教授展示样品，“一层薄薄的涂层，就有望让碳纤维储电量提升数倍。”
能扛压、抗损坏、可拓展，有望助力航空航天
将10厘米见方的样品固定在压力设备上，当压力达到无人机机翼常规承受力时，储电量仍保持80%以上。“普通储能设备受压后储电量会降，我们的反而更好。”周恒解释，材料受压时结合更紧密，电传输更顺畅，“像装了‘抗压buff’，越受力越稳。”
更难得的是抗损坏能力。用刀片划口子、用钻头钻孔后，仍能进行工作，没出现短路。“无人机遇上碰撞、刮擦，储能系统还能工作，可为应急迫降争取时间。”周恒介绍，他还测试了扩展能力——它们可以像搭积木一样，根据实际需求进行灵活组合：需要更高电压时就串联，需要更大容量时就并联。
周恒以一组模拟数据描绘了团队的技术目标：让一款现载重5公斤、续航20公里的无人机，在将电池从3公斤减至2公斤的同时，将载重提升至7公斤，续航延长至30公里。“这旨在让以往两架无人机的任务，由一架高效完成，从而实现作业效率的倍增。”
“卫星太阳能电池板支架、飞机机舱壁都能用，既减重又能供电。”“若在零下三十多度的低温下，超级电容器还能保持八成以上性能，能用的地方就更多了。”他憧憬将研究深入推进，拓展到航空航天领域，“让无人机飞得更远、载得更重，为绿色物流和航空航天助力。”
通讯员 周新华 现代快报/现代+记者 于露
（学校供图）
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