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為中國“深空之光”璀璨長駐

——北理工孫克寧教授空間電源系統研究側記

供稿: 黨委宣傳部 王朝陽,學生記者 趙盧楷 攝影: 黨委宣傳部 郭強,化學與化工學院 編輯: 王朝陽
(2019-04-03) 閱讀次數:
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  空間電源系統,顧名思義就是應用于航天器上的電池組件,被稱為“航天器的心臟”,對保障航天器正常工作起著決定性作用。空間電源系統一旦出現問題,航天器將會徹底失去工作能力。

  空間電源系統如此關鍵,卻也是航天器上最容易出現問題的部分,在空間特殊環境下高強度的工作以及更換困難是最大挑戰,對于低軌道運行的航天器來說,電池組件需要滿足8年的使用壽命,而對于在地球同步軌道運行的航天器而言,需要擁有18年以上的使用壽命。

  目前,在全世界范圍內,電池技術依然是制約航天器總體水平的短板,我國同樣缺乏自主研發、穩定可靠的空間電源系統。

  2019年1月8日,北京理工大學化學與化工學院孫克寧教授團隊的“高比能量鋰離子電池關鍵技術及應用”項目,在人民大會堂被授予國家科學技術發明獎二等獎。獲獎的背后,是團隊歷經20年的奮斗不輟,這個北理工團隊用具有完全自主知識產權的創新成果,實現了中國空間電源系統在比能量和輕量化方面的突破,使中國空間電源系統的技術水平實現了跨越性提升。

把“一張白紙”寫滿精彩

  “電源系統絕對不允許出任何問題!”2004年4月,西昌衛星中心發射現場,“兩彈一星”元勛、時任中國探月工程總設計師的孫家棟院士這樣堅定地說到,這讓當時還是一名青年教師的孫克寧深受觸動,他暗自立志要為中國的空間電源系統研究做出自己的貢獻。

  1999年,孫克寧開始涉獵空間電源系統研究領域,他深知國家的需要就是科學家的使命,這也是他專心投身該領域的初衷。“世界范圍內專業做航天電源的公司很少,我國在航天電源技術方面還遠遠落后于國外。”孫克寧回憶道。

  同年,孫克寧開始了航天電源的研究,而此時在他面前可謂是“一張白紙”。毫無借鑒和積累的探索,注定是坎坷的,很快孫克寧就意識到鎳氫電池存在比能量低、可靠性差等問題,無法滿足航天器對高性能電源系統的需求。孫克寧并不氣餒,又將目光投向性能更為優異的鋰離子電池。2005年,孫克寧提出的空間電源系統研究獲得立項,但仍然面對無成熟設備、無商業化材料和無工藝技術的種種困難。

  2009年,孫克寧來到北京理工大學,成為學校化學工程與技術學科能源電化學工程方向的帶頭人。“北理工在化學化工領域研究底蘊深厚,發展至今研究基礎非常好,而且學校對新興產業研究領域非常重視,所以來到北理工后,我感到如魚得水。”孫克寧這樣介紹到。之后,在北理工的沃土上,孫克寧帶領團隊聚焦鋰離子電池,針對電極材料、隔膜材料、制造工藝等方面深入研究,不斷突破,形成研究優勢。

孫克寧主持中英青年學者城市交通可持續能源先進技術研討會

  經過20年的潛心研究,孫克寧團隊在空間電源系統領域已擁有完全自主產權的專利23項,發表了50多篇具有國際影響力的論文,推動我國制造出“高比能、高可靠、輕量化”的空間電源系統,孫克寧也連續五年成為愛思唯爾發布的中國高被引學者(能源類)。

拼搏奮斗的“青年軍”

  “我們團隊有個特點就是年輕,九名教師,平均年齡37歲,整體氛圍非常開放包容。”孫克寧談到自己的團隊,充滿自豪。在“點亮”中國航天器電源系統的攻堅中,孫克寧帶領的這支“青年軍”不僅充滿干勁,也充滿了創新思維。“仰望星空,要永葆好奇心。”這是孫克寧經常與團隊分享的理念。

  “我覺得北理工務實的品質非常吸引我,所以畢業之后我就來了,并且在團隊里找到了志同道合的伙伴,讓我覺得很有施展空間。”團隊中的青年教師王振華,2009年博士畢業于哈爾濱工業大學電化學專業,來到團隊從事航天電池研究已經有十個年頭了。

  作為最早的團隊成員,王振華親歷了團隊拿下化學電源與綠色催化北京市重點實驗室、電化學關鍵技術與化學電源教育部創新團隊、教育部獎、國家獎等一個個成績。但成績斐然的背后,卻是一路的拼搏與奮斗。

  “測試電池和測試別的東西不太一樣,為了及時測量出電池的性能,初期有些研究只能靠人工隨時跟進檢測。人要跟著機器走,機器運轉到什么時候停止我們就要跟進測試。吃住在企業,凌晨三點去測電池參數,早上七點鐘繼續工作也是常有的事。”王振華這樣談到。

  做出中國人自己的航天電源,孫克寧的研究絕不僅僅只是理論上的突破,他心中要的是實實在在產品。帶著這樣的理念,團隊從理論基礎、技術路線到產品研發,每一步都考慮工程化需要,但這也對團隊提出更高的要求。

  空間電源系統的組裝必須在固定空間內完成,一旦上天,就“決不能出錯”,這嚴苛的標準就是對空間電源系統的基本要求。面對嚴苛的標準,電源工程化卻又只能面對尺寸、能量、重量等最宏觀的要求,這始終是對團隊極大的考驗。

  “不實驗不相信,不驗證不科學”,這是孫克寧團隊中師生們常常掛在嘴邊的話,正是憑借這股“鉆勁”,團隊從“零基礎”開始,自己搭建設備、合成材料,開始探索航天器電源的“中國制造”。“既然我們研究的是國家的技術短板,那就一定要克服困難、一定要做好!”

培養學生有“兩把刷子”

孫克寧為學生講授《電源工藝學》課程

  “知全局,明亮點。知需求,明方向。知難點,明細節。知能力,明途徑。”這是孫克寧對學生們的要求。在科研上不斷取得突破的孫克寧,始終將培養出優秀的學生作為團隊成績的重要組成。他還要求學生們必須具有兩把“刷子”:一是瞄準國際前沿,創新基礎研究;二是對接國家需求,注重工程應用。

  “我是2014年進入團隊讀的博士,2015年開始選擇將鋰離子電池高容量正極材料作為自己的研究方向。”提及為何選擇來到孫克寧團隊,博士生盧丞一坦言:“標簽清晰,方向明確,孫老師一直致力于電池研究,一直深耕能源領域。只有長久不移的研究才能把科研做深做大,而盲目跟風則沒有前途,孫老師給我們樹立了學習的榜樣。”

盧丞一完成博士學位論文答辯后與導師孫克寧合影

  盧丞一的研究主要是高性能鋰離子電池正極材料的開發,旨在提高鋰離子單體電池放電比容量和循環倍率性。正是得益于導師孫克寧的悉心指導,使盧丞一收獲不小。

  “磷酸鐵鋰電極材料因其相對較高的安全性被廣泛應用于鋰離子電池中,但它的缺陷是比容量不太高。在一次實驗中,我偶然發現了磷酸鐵鋰的放電容量有了較大幅度的提升。孫老師沒有放過這一偶然發生的實驗結果,而是鼓勵和指導我進一步觀察思考其中的機理。最終,我們反復試驗,通過構造氮氧自由基對其進行復合能量的提升,實現磷酸鐵鋰比容量的“超容”。而當時全世界只有少數幾篇論文談到如何實現磷酸鐵鋰的“超容”,我們的結果可以說是開辟了一個新的方向。”盧丞一通過“無機+有機”工藝復合,使得磷酸鐵鋰的比容量達到了190mAh/g,這不僅超過當時業內可實現的最高實際比容量160 mAh/g的水平,更是突破了170 mAh/g的理論比容量水平。

  從普通的制備中發現問題,從而證明猜想,然后主動優化,最后驗證結果,這樣一條完整的科學研究閉環,孫克寧對于自己和學生們,都要求不僅完整不可缺失,還必須每一步要走得非常扎實。

  “我覺得最有意思的是每學期一次的實驗技能比拼大賽。我們每人會有5次機會,通過5次制備,拿出其中最好的數據進行比拼,所有人中誰的數據最好,誰就是冠軍。通過這種方式,我們不僅提高了動手能力,有時候還能獲得很多靈感。”團隊學生徐春明談到這個內部競賽總是津津樂道。而這樣的比拼,只是孫克寧啟發式培養人才的一個縮影,不論是指導團隊里的青年教師,還是課題組的研究生們,孫克寧都十分注重啟發思維。“孫老師喜歡思想交流,樂于分享自己的研究經驗,但他從不一股腦地灌輸給我們。無論是平常備課還是申請項目,孫老師會和大家一起討論出框架,然后非常細致地幫我們修改,一稿、二稿……終稿,草稿上滿滿當當地都是他的筆跡,這個過程中,也讓我們有常學常新的感覺。”團隊教師孫旺這樣談到。

  不忘初心,為中國“深空之光”璀璨長駐,牢記使命,用奮斗建功立業新時代。“這是我們科研人員應該做的,也是每一個北理工人需要做的,所以我們就做了。”在榮獲國家獎勵之際,孫克寧如是說。


(審核:肖雄、趙文祥)

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