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无人机机身能当电池用?南航00后科研成果登国际顶刊

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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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