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为中国“深空之光”璀璨长驻

——兴旺娱乐官方网站工孙克宁教授空间电源系统研究侧记

供稿: 党委宣传部 王朝阳,学生记者 赵卢楷 摄影: 党委宣传部 郭强,化学与化工学院 编辑: 王朝阳
(2019-04-03) 阅读次数:
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  空间电源系统,顾名思义就是应用于航天器上的电池组件,被称为“航天器的心脏”,对保障航天器正常工作起着决定性作用。空间电源系统一旦出现问题,航天器将会彻底失去工作能力。

  空间电源系统如此关键,却也是航天器上最容易出现问题的部分,在空间特殊环境下高强度的工作以及更换困难是最大挑战,对于低轨道运行的航天器来说,电池组件需要满足8年的使用寿命,而对于在地球同步轨道运行的航天器而言,需要拥有18年以上的使用寿命。

  目前,在全世界范围内,电池技术依然是制约航天器总体水平的短板,我国同样缺乏自主研发、稳定可靠的空间电源系统。

  2019年1月8日,兴旺娱乐官方网站 化学与化工学院孙克宁教授团队的“高比能量锂离子电池关键技术及应用”项目,在人民大会堂被授予国家科学技术发明奖二等奖。获奖的背后,是团队历经20年的奋斗不辍,这个兴旺娱乐官方网站工团队用具有完全自主知识产权的创新成果,实现了中国空间电源系统在比能量和轻量化方面的突破,使中国空间电源系统的技术水平实现了跨越性提升。

把“一张白纸”写满精彩

  “电源系统绝对不允许出任何问题!”2004年4月,西昌卫星中心发射现场,“两弹一星”元勋、时任中国探月工程总设计师的孙家栋院士这样坚定地说到,这让当时还是一名青年教师的孙克宁深受触动,他暗自立志要为中国的空间电源系统研究做出自己的贡献。

  1999年,孙克宁开始涉猎空间电源系统研究领域,他深知国家的需要就是科学家的使命,这也是他专心投身该领域的初衷。“世界范围内专业做航天电源的公司很少,我国在航天电源技术方面还远远落后于国外。”孙克宁回忆道。

  同年,孙克宁开始了航天电源的研究,而此时在他面前可谓是“一张白纸”。毫无借鉴和积累的探索,注定是坎坷的,很快孙克宁就意识到镍氢电池存在比能量低、可靠性差等问题,无法满足航天器对高性能电源系统的需求。孙克宁并不气馁,又将目光投向性能更为优异的锂离子电池。2005年,孙克宁提出的空间电源系统研究获得立项,但仍然面对无成熟设备、无商业化材料和无工艺技术的种种困难。

  2009年,孙克宁来到兴旺娱乐官方网站 ,成为学校化学工程与技术学科能源电化学工程方向的带头人。“兴旺娱乐官方网站工在化学化工领域研究底蕴深厚,发展至今研究基础非常好,而且学校对新兴产业研究领域非常重视,所以来到兴旺娱乐官方网站工后,我感到如鱼得水。”孙克宁这样介绍到。之后,在兴旺娱乐官方网站工的沃土上,孙克宁带领团队聚焦锂离子电池,针对电极材料、隔膜材料、制造工艺等方面深入研究,不断突破,形成研究优势。

孙克宁主持中英青年学者城市交通可持续能源先进技术研讨会

  经过20年的潜心研究,孙克宁团队在空间电源系统领域已拥有完全自主产权的专利23项,发表了50多篇具有国际影响力的论文,推动我国制造出“高比能、高可靠、轻量化”的空间电源系统,孙克宁也连续五年成为爱思唯尔发布的中国高被引学者(能源类)。

拼搏奋斗的“青年军”

  “我们团队有个特点就是年轻,九名教师,平均年龄37岁,整体氛围非常开放包容。”孙克宁谈到自己的团队,充满自豪。在“点亮”中国航天器电源系统的攻坚中,孙克宁带领的这支“青年军”不仅充满干劲,也充满了创新思维。“仰望星空,要永葆好奇心。”这是孙克宁经常与团队分享的理念。

  “我觉得兴旺娱乐官方网站工务实的品质非常吸引我,所以毕业之后我就来了,并且在团队里找到了志同道合的伙伴,让我觉得很有施展空间。”团队中的青年教师王振华,2009年博士毕业于哈尔滨工业大学电化学专业,来到团队从事航天电池研究已经有十个年头了。

  作为最早的团队成员,王振华亲历了团队拿下化学电源与绿色催化北京市重点实验室、电化学关键技术与化学电源教育部创新团队、教育部奖、国家奖等一个个成绩。但成绩斐然的背后,却是一路的拼搏与奋斗。

  “测试电池和测试别的东西不太一样,为了及时测量出电池的性能,初期有些研究只能靠人工随时跟进检测。人要跟着机器走,机器运转到什么时候停止我们就要跟进测试。吃住在企业,凌晨三点去测电池参数,早上七点钟继续工作也是常有的事。”王振华这样谈到。

  做出中国人自己的航天电源,孙克宁的研究绝不仅仅只是理论上的突破,他心中要的是实实在在产品。带着这样的理念,团队从理论基础、技术路线到产品研发,每一步都考虑工程化需要,但这也对团队提出更高的要求。

  空间电源系统的组装必须在固定空间内完成,一旦上天,就“决不能出错”,这严苛的标准就是对空间电源系统的基本要求。面对严苛的标准,电源工程化却又只能面对尺寸、能量、重量等最宏观的要求,这始终是对团队极大的考验。

  “不实验不相信,不验证不科学”,这是孙克宁团队中师生们常常挂在嘴边的话,正是凭借这股“钻劲”,团队从“零基础”开始,自己搭建设备、合成材料,开始探索航天器电源的“中国制造”。“既然我们研究的是国家的技术短板,那就一定要克服困难、一定要做好!”

培养学生有“两把刷子”

孙克宁为学生讲授《电源工艺学》课程

  “知全局,明亮点。知需求,明方向。知难点,明细节。知能力,明途径。”这是孙克宁对学生们的要求。在科研上不断取得突破的孙克宁,始终将培养出优秀的学生作为团队成绩的重要组成。他还要求学生们必须具有两把“刷子”:一是瞄准国际前沿,创新基础研究;二是对接国家需求,注重工程应用。

  “我是2014年进入团队读的博士,2015年开始选择将锂离子电池高容量正极材料作为自己的研究方向。”提及为何选择来到孙克宁团队,博士生卢丞一坦言:“标签清晰,方向明确,孙老师一直致力于电池研究,一直深耕能源领域。只有长久不移的研究才能把科研做深做大,而盲目跟风则没有前途,孙老师给我们树立了学习的榜样。”

卢丞一完成博士学位论文答辩后与导师孙克宁合影

  卢丞一的研究主要是高性能锂离子电池正极材料的开发,旨在提高锂离子单体电池放电比容量和循环倍率性。正是得益于导师孙克宁的悉心指导,使卢丞一收获不小。

  “磷酸铁锂电极材料因其相对较高的安全性被广泛应用于锂离子电池中,但它的缺陷是比容量不太高。在一次实验中,我偶然发现了磷酸铁锂的放电容量有了较大幅度的提升。孙老师没有放过这一偶然发生的实验结果,而是鼓励和指导我进一步观察思考其中的机理。最终,我们反复试验,通过构造氮氧自由基对其进行复合能量的提升,实现磷酸铁锂比容量的“超容”。而当时全世界只有少数几篇论文谈到如何实现磷酸铁锂的“超容”,我们的结果可以说是开辟了一个新的方向。”卢丞一通过“无机+有机”工艺复合,使得磷酸铁锂的比容量达到了190mAh/g,这不仅超过当时业内可实现的最高实际比容量160 mAh/g的水平,更是突破了170 mAh/g的理论比容量水平。

  从普通的制备中发现问题,从而证明猜想,然后主动优化,最后验证结果,这样一条完整的科学研究闭环,孙克宁对于自己和学生们,都要求不仅完整不可缺失,还必须每一步要走得非常扎实。

  “我觉得最有意思的是每学期一次的实验技能比拼大赛。我们每人会有5次机会,通过5次制备,拿出其中最好的数据进行比拼,所有人中谁的数据最好,谁就是冠军。通过这种方式,我们不仅提高了动手能力,有时候还能获得很多灵感。”团队学生徐春明谈到这个内部竞赛总是津津乐道。而这样的比拼,只是孙克宁启发式培养人才的一个缩影,不论是指导团队里的青年教师,还是课题组的研究生们,孙克宁都十分注重启发思维。“孙老师喜欢思想交流,乐于分享自己的研究经验,但他从不一股脑地灌输给我们。无论是平常备课还是申请项目,孙老师会和大家一起讨论出框架,然后非常细致地帮我们修改,一稿、二稿……终稿,草稿上满满当当地都是他的笔迹,这个过程中,也让我们有常学常新的感觉。”团队教师孙旺这样谈到。

  不忘初心,为中国“深空之光”璀璨长驻,牢记使命,用奋斗建功立业新时代。“这是我们科研人员应该做的,也是每一个兴旺娱乐官方网站工人需要做的,所以我们就做了。”在荣获国家奖励之际,孙克宁如是说。


(审核:肖雄、赵文祥)

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