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》（影响因子 29.4）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。
随着国家“双碳”目标推进，无人机已广泛应用于机场巡查、城市配送等领域。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”
“这一方向的国内外论文不到50篇，成熟方案极少。”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。
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。
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。”
