破解無人機(jī)續(xù)航困局，南航“00后”學(xué)生科研成果登國際頂刊！
來源： 紫牛新聞
2025-11-06 21:05:00
清晨的城郊農(nóng)場(chǎng)，剛采摘的蘋果被裝上無人機(jī)，朝著20公里外的配送站飛去，可飛行過半，低電量警報(bào)突然響起，無人機(jī)只能迫降路邊。這是如今無人機(jī)物流行業(yè)的常見困境。
近日，南京航空航天大學(xué)“00后”碩士生周恒在國際頂刊《Advanced Materials》（影響因子 29.4）發(fā)表成果——他研發(fā)的新型碳纖維結(jié)構(gòu)超級(jí)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(chǔ)能成破局關(guān)鍵
“電影里無人機(jī)能輕松運(yùn)裝備，可現(xiàn)實(shí)里它們常載不重，也飛不遠(yuǎn)?！?023級(jí)碩士生周恒指著無人機(jī)模型感慨。剛?cè)雽W(xué)時(shí)，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)。
隨著國家“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，無人機(jī)已廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)巡查、城市配送等領(lǐng)域。當(dāng)前的主流無人機(jī)機(jī)身采用航空級(jí)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?！?0公斤機(jī)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(jī)，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(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?！?/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(chǎng) ’，空間越來越小?！敝炜总娊淌谡f，他在一次國際會(huì)議上接觸到“結(jié)構(gòu)儲(chǔ)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(chǔ)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(jí)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(chǔ)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?！?/p>
近百次試驗(yàn)破“瓶頸”
師徒攜手找“儲(chǔ)能秘方”
“這一方向的國內(nèi)外論文不到50篇，成熟方案極少。”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?！?/p>
接下來的日子，周恒大把的時(shí)間花在查閱相關(guān)文獻(xiàn)。他看到釩氧化物儲(chǔ)能材料論文時(shí)突發(fā)奇想：“釩氧化物能反復(fù)儲(chǔ)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(chǔ)存更多電？”朱孔軍教授鼓勵(lì)他：“思路有意思，可以做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證下”，并協(xié)調(diào)設(shè)備支持?！爸炖蠋煆牟幌薅ǚ桨?，非常支持我們的想法?！敝芎阏f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(shí)，周恒試了多種比例，要么儲(chǔ)電少，要么力學(xué)強(qiáng)度低?！耙淮闻淞喜盍艘稽c(diǎn)點(diǎn)，儲(chǔ)電量就降了三成?！彼磸?fù)排查，才發(fā)現(xiàn)是實(shí)驗(yàn)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(yàn)?！半S時(shí)都會(huì)出問題”，周恒一度想放棄，朱教授鼓勵(lì)他：“科研沒捷徑，多試幾次就有經(jīng)驗(yàn)，堅(jiān)持就有希望?！?/p>
歷經(jīng)近百次試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)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?！?/p>
這款新材料性能超出預(yù)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?！敝炜总娊淌谡故緲悠?，“一層薄薄的涂層，就有望讓碳纖維儲(chǔ)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(shí)，儲(chǔ)電量仍保持80%以上?！捌胀▋?chǔ)能設(shè)備受壓后儲(chǔ)電量會(huì)降，我們的反而更好?！敝芎憬忉?，材料受壓時(shí)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?！盁o人機(jī)遇上碰撞、刮擦，儲(chǔ)能系統(tǒng)還能工作，可為應(yīng)急迫降爭(zhēng)取時(shí)間?！敝芎憬榻B，他還測(cè)試了擴(kuò)展能力——它們可以像搭積木一樣，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活組合：需要更高電壓時(shí)就串聯(lián)，需要更大容量時(shí)就并聯(lián)。
周恒以一組模擬數(shù)據(jù)描繪了團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(jī)的任務(wù)，由一架高效完成，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)效率的倍增?！?/p>
“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?！薄叭粼诹阆氯喽鹊牡蜏叵?，超級(jí)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(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?！?/p>
通訊員 周新華
揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞?dòng)浾? 楊甜子
校對(duì) 陶善工