为“东风之眼”续航!大连理工大学学子斩获全国大赛特等奖!

发布时间:2023-11-16 15:04   来源:大连理工大学 聂陈昱 任亭钰   阅读 0一键复制本页标题和网址

表彰奖励

在刚落幕的本届“挑战杯”决赛上

大工再度捧得“优胜杯” 创造历史最好成绩

其中 我校材料科学与工程学院学生团队凭借

“临近空间飞行器用宽温域长寿命

锂硫电池开发及应用研究”项目

成功斩获主体赛特等奖

该项目将助力我国的临近空间

全天候太阳能侦察无人机

实现从“看得见”到“看得久”的跨越

打破发达国家技术封锁 把握主动权

一起来看获奖背后的故事!

团队同学和指导老师、学院老师 在“挑战杯”决赛展台合影 (受访者提供)

临近空间,是指距地面20—100公里的空域;临近空间飞行器,是指在临近空间作长期、持续飞行的飞行器,具有航空、航天飞行器所不具有的优势,特别是在通信保障、预警、民用等方面极具发展潜力。大工这支特等奖团队的同学们研制出能够在零下80℃极端环境下长效稳定服役的高性能锂硫电池,为极端条件下作业的临近空间飞行器提供更持久的续航保障。换下西装,回归校园日常的他们,在谈起获奖项目时,眼中依然闪烁着光芒。

面向国家重大需求 为“东风之眼”续航

被网友称为“东风快递,使命必达”的东风导弹,是我国一系列中程和洲际弹道导弹的统称,作为王牌武器,一直是我国国防力量的坚实根基。临近空间全天候太阳能无人机作为东风导弹的“眼睛”,可以探测到目标位置,进而实现精准打击。然而,临近空间作业环境最低温度为零下80℃,因此无人机动力电池的续航能力成为核心关键。

材料学院2020级硕士研究生毛润钥(2023级博士研究生)平时就喜欢研读政治、历史、军事等方面的书籍,在跟随导师胡方圆教授学习期间,他了解到:虽然我国是世界上第三个拥有临近空间太阳能无人机的国家,但无人机的续航时间仅为发达国家新一代无人机的15%。如何打破发达国家技术垄断,实现从“看得见”到“看得久”的转变?毛润钥结合国家重大需求和自己的研究方向,决定“做一些东西,改变一些东西”,他开始牵头组队,陆续吸引到了另外四位志同道合的伙伴,他们是2021级硕士研究生杨江浦,2022级硕士研究生曲云鹏、苏畅,2019级本科生郭子睿(2023级硕士研究生)。他们也都是蹇锡高院士团队的学生,有的是出于对课题的兴趣而主动融入,有的是出于对科研的热爱而主动请缨,有的则是被胡方圆教授的课程和学术水平吸引而加入,大家的目标高度一致,“要面向国家重大需求,解决实际问题!”

左起:郭子睿、曲云鹏、毛润钥、杨江浦、苏畅 (受访者提供) 于交叉处柳暗花明 自主创新立前沿

要提升无人机动力电池的续航能力,关键是提高其能量密度并延长其循环寿命。目前,我国太阳能无人机采用的锂离子电池无法满足临近空间极端环境的服役要求,而发达国家采用的是新一代锂硫电池,其能量密度高且续航时间长。毛润钥和队员们的目标,就是为中国做出更好的新型高性能锂硫电池。

何为更好?他们发现,锂硫电池虽然具有高能量密度,然而循环寿命欠佳问题难以解决,需要针对电极材料和电池工艺进行创新;临近空间温度低至零下80℃,导致电池容量在低温下骤减,需要改善电池在低温环境的服役性能。

这些是行业痛点,更是研究难点。但团队并不畏难,蹇锡高院士和胡方圆教授常对他们说:“做科研就像医生诊脉,首先是‘把脉’找问题,然后是对症下药‘开药方’。”影响电池循环寿命的关键因素是锂硫电池的多硫化物转化效率低。针对上述问题,团队成员们开展实验,尝试不同的官能团之间的相互作用,探索制备过程化学反应的适宜条件,并进行理论计算模拟机理。他们既有守在实验室不断钻研的毅力与坚持,也有跳脱出常规思维的探索与突破。在不断尝试后,团队从高分子角度出发,首次提出分子间吸附-配对策略,并创制出原位协同高性能正极材料。官能团吸附与离子配对协同,避免了传统异质结构漫长的扩散过程,实现了多硫化物的原位高效转化。电池容量达到了1450mAh/g,且充放电500次后容量几乎没有衰减,实现了电池可兼顾高容量和长寿命性能。

翻过崇山,又见峻岭。针对电池在低温下容量骤减难题,团队成员们苦思冥想,无奈受电池材料本身限制,极限服役温度难以达到零下80℃。目前,国外先进的电池加热技术也存在加热效率低、热能大量逸散、无法精准加热的问题。胡方圆教授得知后,启发成员们:“咱们做的是电极材料,但电、光、磁、热在电子层面具有关联性,如果把这些方面交叉融合、深入思考,进而开发出新技术和新装置,应该可以解决这个问题。

受老师点拨,团队首次提出低温快响应原位控温新技术,这也是团队第二个核心技术。他们从材料设计和器件优化角度出发,成功开发出首款智能多功能一体化粘结剂新材料,在多场耦合作用下,实现了在电池内部电极/电解液界面原位控温,使电池在零下80℃极端环境下能够稳定服役,与国外先进的加热技术相比,速度更快、温区更宽、能耗更少!

团队研制的锂硫电池实物图 (受访者提供)

从2020年面向国家重大需求组队开始,成员们一步步提出新策略、创制新材料、开发新技术、研发新装置,到最后成功构筑性能稳定、可耐极寒的高性能锂硫软包电池新器件。在这个过程中,他们不断成长,也获得了成果:累计发表高水平论文10篇,影响因子共计186.8;同时申请多项国家发明专利。更得到了多位专家的高度评价:中国工程院院士刘中民评价该作品“思路新颖,具有颠覆性”;中国工程院院士张立群评价该作品“有望应用于临近空间或极端环境下需高效服役的军民两用领域”;中国工程院院士蹇锡高评价该作品“具有变革性,成果突出”;作为全国唯一入选2023东北亚人才交流会的能源类项目,与会专家评价该作品具备颠覆性,处于国际先进水平。团队也获光明日报、人民网等多家主流媒体广泛报道。

团队成员们更希望学术成果能够“走出实验室,投入到应用中,为国家安全贡献力量”。目前,他们的成果已获得相关单位及企业适用证明2项,并通过了第三方安全性测试。团队也正在与相关科研院所开展合作攻坚,争取早日实现应用,真正为我国的临近空间全天候太阳能侦察无人机实现从“看得见”到“看得久”的跨越,打破发达国家技术封锁,把握主动权。

参赛历程步步难忘 好汉也需三个帮

接受采访时,5名同学刚刚参加完“挑战杯”决赛回到学校,但当问起获奖感受时,大家的回答都很沉稳:“‘挑战杯’是我们前进过程中的一个站点,但我们的项目不是为了参赛获奖而做。”回忆起参赛历程,他们提到了许多要感谢的人:“中国工程院院士、校党委书记项昌乐对我们进入全国决赛环节的每个项目进行了逐一打磨,从技术到PPT制作、讲解都给予了详细指导,对我们项目质量的提升起到了关键作用;校领导亲临比赛现场,为我们加油打气,坚定了我们的信心,并给予了诸多宝贵的建议和意见。”“校团委为我们邀请了多位专家进行项目指导,对我们的PPT进行了多次的反复打磨与修改,还帮助我们优化展位的布置,真的为我们付出了很多。”“指导教师蹇锡高院士、胡方圆老师、李胜铭老师一路陪伴我们,从原理验证、技术支持、打磨项目、现场演示到决赛答辩都倾注了大量心血;学院老师还帮我们联系了当地的大工校友,帮我们提前保存了干冰,使得我们的现场低温演示环节顺利完成。”

成员们一一历数参赛历程中收获的帮助和指导,不断提到的,是对指导老师们的崇敬和感谢。蹇锡高院士不仅为项目提供了科研经费和仪器,还为成员们提供想法上的支持,“蹇老师经常教导我们,首先要天天好心情,另外要以本身的专业技术为主。我们的两个技术创新点都是以高分子材料为背景,这也是为什么我们能做出而别人做不到。”谈到胡方圆教授,成员们都对老师的长远眼光和独到见解有深刻印象:“胡老师对学生非常关心,经常跟学生促膝长谈,在科研上也很有自己的见解。遇到挫折的时候,胡老师总能一针见血地指出问题在哪,然后告诉我们下一步应该怎么走。”在器件构筑方面,创新创业学院的李胜铭老师为团队提供了很多帮助:“因为项目涉及学科交叉,包括材料、机械、微电子等方面,而我们主要是做材料的,一开始做的器件不太成熟。跟李老师探讨之后,他给我们提供了很多交叉学科专业技术指导与支撑,进一步优化完善了器件性能。”

团队成员与老师们在“挑战杯”决赛留念 (受访者提供)

“坚持面向国家重大需求及学术前沿,致力于培养有理想有本领有担当的复合型拔尖创新人才”是蹇锡高院士团队的宗旨,也是团队成员的初心与目标。“挑战杯”告一段落,但团队仍在加倍努力,助力我国实现锂硫电池产业化研究。“目前做锂硫电池的人少,因为技术复杂,产业化也比较困难,但我们还在坚持做。老师也鼓励我们在这个方向上继续深耕。”毛润钥说:“从长远角度看,锂硫电池有很大的发展潜力,也能发挥巨大作用。方向选对了,努力才有意义。”他们将继续坚定前行,开拓创新,让科研成果真正服务于国家重大需求,为推动产业发展贡献大工人的力量!

文字作者 | 聂陈昱 任亭钰

图片来源 | 受访者提供

编辑排版 | 任亭钰

审核校对 | 赫铭 周学飞


声明:凡来源或标记以“大学生云报”之内容均为本网合法拥有版权或有权使用的作品,至发布之日起七日后方可原文转载,转载时请注明来源及有效联系方式。

审定:    责编:赵旭 + 投诉举报

0 赞
  • 相关新闻
    为你推荐