在剛落幕的第十八屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽上，大連理工大學以團體總分第八名再度捧得“優勝杯”，創造歷史最好成績。其中，材料科學與工程學院學生團隊憑借“臨近空間飛行器用寬溫域長壽命鋰硫電池開發及應用研究”項目，成功斬獲主體賽特等獎。決賽當晚，掌聲與歡呼匯聚，興奮和喜悅交織。
（團隊同學和指導老師、學院老師在“挑戰杯”決賽展臺合影）
臨近空間，是指距地面20-100公里的空域；臨近空間飛行器，是指在臨近空間作長期、持續飛行的飛行器，具有航空、航天飛行器所不具有的優勢，特別是在通信保障、預警、民用等方面極具發展潛力。大連理工大學這支特等獎團隊的同學們研制出能夠在零下80℃極端環境下長效穩定服役的高性能鋰硫電池，為極端條件下作業的臨近空間飛行器提供更持久的續航保障。換下西裝，回歸校園日常的他們，在談起獲獎項目時，眼中依然閃爍著光芒。
面向國家重大需求 為“東風之眼”續航
被網友戲稱為“東風快遞，使命必達”的東風導彈，是我國一系列中程和洲際彈道導彈的統稱，作為王牌武器，一直是我國國防力量的堅實根基。臨近空間全天候太陽能無人機作為東風導彈的“眼睛”，可以探測到敵方航母的位置，進而實現精準打擊。然而，臨近空間作業環境最低溫度為零下80℃，因此無人機動力電池的續航能力成為核心關鍵。
材料學院2020級碩士研究生毛潤鑰（2023級博士研究生）平時就喜歡研讀政治、歷史、軍事等方面的書籍，在跟隨導師胡方圓教授學習期間，他了解到：雖然我國是世界上第三個擁有臨近空間太陽能無人機的國家，但無人機的續航時間僅為發達國家新一代無人機的15%。如何打破發達國家技術壟斷，實現從“看得見”到“看得久”的轉變？毛潤鑰結合國家重大需求和自己的研究方向，決定“做一些東西，改變一些東西”，他開始牽頭組隊，陸續吸引到了另外四位志同道合的伙伴，他們是2021級碩士研究生楊江浦，2022級碩士研究生曲云鵬、蘇暢，2019級本科生郭子睿（2023級碩士研究生）。他們也都是胡方圓教授課題組的學生，有的是出于對課題的興趣而主動融入，有的是出于對科研的熱愛而主動請纓，有的則是被胡方圓教授的課程和學術水平而吸引加入，大家的目標高度一致，“要面向國家重大需求，解決實際問題！”
（從左至右：郭子睿、曲云鵬、毛潤鑰、楊江浦、蘇暢）
于交叉處柳暗花明 自主創新立前沿
要提升無人機動力電池的續航能力，關鍵是提高其能量密度并延長其循環壽命。目前，我國太陽能無人機采用的鋰離子電池無法滿足臨近空間極端環境的服役要求，而發達國家采用的是新一代鋰硫電池，其能量密度高且續航時間長。毛潤鑰和隊員們的目標，就是為中國做出更好的新型高性能鋰硫電池。
何為更好？他們發現，鋰硫電池雖然具有高能量密度，然而循環壽命欠佳問題難以解決，需要針對電極材料和電池工藝進行創新；臨近空間溫度低至零下80℃，導致電池容量在低溫下驟減，需要改善電池在低溫環境的服役性能。
這些是行業痛點，更是研究難點。但團隊并不畏難，胡方圓教授常對他們說：“做科研就像醫生診脈，首先是‘把脈’找問題，然后是對癥下藥‘開藥方’?！庇绊戨姵匮h壽命的關鍵因素是鋰硫電池的多硫化物轉化效率低。針對上述問題，團隊成員們開展實驗，嘗試不同的官能團之間的相互作用，探索制備過程化學反應的適宜條件，并進行理論計算模擬機理。他們既有守在實驗室不斷鉆研的毅力與堅持，也有跳脫出常規思維的探索與突破。在不斷嘗試后，團隊從高分子角度出發，首次提出分子間吸附-配對策略，并創制出原位協同高性能正極材料。官能團吸附與離子配對協同，避免了傳統異質結構漫長的擴散過程，實現了多硫化物的原位高效轉化。電池容量達到了1450mAh/g，且充放電500次后容量幾乎沒有衰減，實現了電池可兼顧高容量和長壽命性能。
翻過崇山，又見峻嶺。針對電池在低溫下容量驟減難題，團隊成員們苦思冥想，無奈受電池材料本身限制，極限服役溫度難以達到零下80℃。目前，國外先進的電池加熱技術也存在加熱效率低、熱能大量逸散、無法精準加熱的問題。團隊指導老師胡方圓教授得知后，啟發成員們：“咱們做的是電極材料，但電、光、磁、熱在電子層面具有關聯性，如果把這些方面交叉融合、深入思考，進而開發出新技術和新裝置，應該可以解決這個問題?！?/p>
受老師點撥，團隊首次提出低溫快響應原位控溫新技術，這也是團隊第二個核心技術。他們從材料設計和器件優化角度出發，成功開發出首款智能多功能一體化粘結劑新材料，在多場耦合作用下，實現了在電池內部電極/電解液界面原位控溫，使電池在零下80℃極端環境下能夠穩定服役，與國外先進的加熱技術相比，速度更快、溫區更寬、能耗更少！
（團隊研制的鋰硫電池實物圖）
從2020年面向國家重大需求組隊開始，成員們一步步提出新策略、創制新材料、開發新技術、研發新裝置，到最后成功構筑性能穩定、可耐極寒的高性能鋰硫軟包電池新器件。在這個過程中，他們不斷成長，也獲得了成果：累計發表高水平論文10篇，影響因子共計186.8；同時申請多項國家發明專利。更得到了多位專家的高度評價：中國工程院院士劉中民評價該作品“思路新穎，具有顛覆性”；中國工程院院士張立群評價該作品“有望應用于臨近空間或極端環境下需高效服役的軍民兩用領域”；中國工程院院士蹇錫高評價該作品“具有變革性，成果突出”；作為全國唯一入選2023東北亞人才交流會的能源類項目，與會專家評價該作品具備顛覆性，處于國際先進水平。團隊也獲光明日報、人民網等多家主流媒體廣泛報道。
團隊成員們更希望學術成果能夠“走出實驗室，投入到應用中，為國家安全貢獻力量”。目前，他們的成果已獲得相關單位及企業適用證明2項，并通過了第三方安全性測試。團隊也正在與相關科研院所開展合作攻堅，爭取早日實現應用，真正為我國的臨近空間全天候太陽能偵察無人機實現從“看得見”到“看得久”的跨越，打破發達國家技術封鎖，把握戰爭主動權。
參賽歷程步步難忘 好漢也需三個幫
接受采訪時，5名同學剛剛參加完“挑戰杯”決賽回到學校，但當問起獲獎感受時，大家的回答都很沉穩：“‘挑戰杯’是我們前進過程中的一個站點，但我們的項目不是為了參賽獲獎而做?！被貞浧饏①悮v程，他們提到了許多要感謝的人：“中國工程院院士、校黨委書記項昌樂對我們進入全國決賽環節的每個項目進行了逐一打磨，從技術到PPT制作、講解都給予了詳細指導，對我們項目質量的提升起到了關鍵作用；校黨委副書記張言軍親臨比賽現場，為我們加油打氣，堅定了我們的信心，并給予了諸多寶貴的建議和意見?！薄靶F委劉精晶書記、趙顯嵩副書記及王旭老師為我們邀請了多位專家進行項目指導，團委多位老師對我們的PPT進行了百余次的反復打磨與修改，還幫助我們優化展位的布置，真的為我們付出了很多。”“指導教師蹇錫高院士、胡方圓老師、李勝銘老師一路陪伴我們，從原理驗證、技術支持、打磨項目、現場演示到決賽答辯都傾注了大量心血；材料科學與工程學院董紅剛書記、盧一平院長、楊艷華副書記和趙博老師還幫我們聯系了當地的大工校友，幫我們提前保存了干冰，使得我們的現場低溫演示環節順利完成?！?/p>
成員們一一歷數參賽歷程中收獲的幫助和指導，不斷提到的，是對指導老師們的崇敬和感謝。蹇錫高院士不僅為項目提供了科研經費和儀器，還為成員們提供想法上的支持，“蹇老師經常教導我們，首先要天天好心情，另外要以本身的專業技術為主。我們的兩個技術創新點都是以高分子材料為背景，這也是為什么我們能做出而別人做不到?！闭劦胶綀A教授，成員們都對老師的長遠眼光和獨到見解有深刻印象：“胡老師對學生非常關心，經常跟學生促膝長談，在科研上也很有自己的見解。遇到挫折的時候，胡老師總能一針見血地指出問題在哪，然后告訴我們下一步應該怎么走?！痹谄骷嬛矫妫瑒撔聞摌I學院的李勝銘老師為團隊提供了很多幫助：“因為項目涉及學科交叉，包括材料、機械、微電子等方面，而我們主要是做材料的，一開始做的器件不太成熟。跟李老師探討之后，他給我們提供了很多交叉學科專業技術指導與支撐，進一步優化完善了器件性能?！?/p>
（團隊成員與老師們在“挑戰杯”決賽留念）
“堅持面向國家重大需求及學術前沿，致力于培養有理想有本領有擔當的復合型拔尖創新人才”是胡方圓教授課題組的宗旨，也是團隊成員的初心與目標。“挑戰杯”告一段落，但團隊仍在加倍努力，助力我國實現鋰硫電池產業化研究?！澳壳白鲣嚵螂姵氐娜松?，因為技術復雜，產業化也比較困難，但我們還在堅持做。老師也鼓勵我們在這個方向上繼續深耕。”毛潤鑰說：“從長遠角度看，鋰硫電池有很大的發展潛力，也能發揮巨大作用。方向選對了，努力才有意義?！彼麄儗⒗^續堅定前行，開拓創新，讓科研成果真正服務于國家重大需求，為推動產業發展貢獻大工人的力量?。▉碓矗狐h委宣傳部 新聞中心 作者：聶陳昱 任亭鈺）
