近日，應(yīng)用了高比能氫-鋰混合動(dòng)力系統(tǒng)的工業(yè)無人機(jī)在黃山市黃山區(qū)完成了一系列多場景應(yīng)用示范。受訪單位供圖

近日，在安徽黃山腳下，薄霧縈繞的茶山間，一架工業(yè)無人機(jī)輕盈掠過層層疊疊的綠浪。它無須頻繁折返充電，單次飛行即可完成整片茶園的病蟲害監(jiān)測與預(yù)警。驅(qū)動(dòng)這架無人機(jī)的，是中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員陳忠偉團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的高比能氫-鋰混合動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于團(tuán)隊(duì)的兩項(xiàng)核心技術(shù)——高比能超低溫電池技術(shù)與高比能氫-鋰混動(dòng)技術(shù)，成功破解了工業(yè)無人機(jī)“續(xù)航短、載重小”的行業(yè)難題。

【資料圖】

兩項(xiàng)技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，為低空經(jīng)濟(jì)飛行器提供了適應(yīng)極端環(huán)境、超長航時(shí)、高機(jī)動(dòng)性的多元化、高性能能源解決方案，將有力推動(dòng)我國低空產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級與應(yīng)用拓展。

打破“續(xù)航天花板”

傳統(tǒng)鋰電池驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)普遍存在“續(xù)航天花板”，多數(shù)機(jī)型續(xù)航僅30分鐘至1小時(shí)，且載重能力有限，在山地、高溫、極寒等復(fù)雜環(huán)境下性能衰減顯著。陳忠偉團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)低空飛行器（無人機(jī)、eVTOL等）對能源系統(tǒng)的需求，研發(fā)兩項(xiàng)核心技術(shù)。

團(tuán)隊(duì)電源技術(shù)負(fù)責(zé)人張盟告訴科技日報(bào)記者，在漠河零下36攝氏度的極寒測試中，高比能超低溫鋰電池可驅(qū)動(dòng)六旋翼無人機(jī)完成穩(wěn)定飛行與物資運(yùn)輸任務(wù)。其能量密度達(dá)每千克400瓦時(shí)，工作溫度區(qū)間為零下40攝氏度至50攝氏度。電池在零下40攝氏度的放電容量可保持80%以上，零下20攝氏度仍可充電，功率輸出穩(wěn)定，已服務(wù)于極地科考。

張盟介紹，高比能氫-鋰混合動(dòng)力系統(tǒng)通過“氫燃料電池+鋰電池”雙能源耦合，可實(shí)現(xiàn)單次任務(wù)連續(xù)巡航2小時(shí)以上，較傳統(tǒng)鋰電池方案續(xù)航提升超100%。

“我們給無人機(jī)裝上了‘雙動(dòng)力引擎’。” 陳忠偉形象地比喻，鋰電池如同“短跑健將”，負(fù)責(zé)起飛、爬升、急轉(zhuǎn)等瞬時(shí)高功率需求；氫燃料電池則是“馬拉松選手”，持續(xù)輸出穩(wěn)定電能滿足長航時(shí)巡航。兩者通過智能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)同，既彌補(bǔ)了氫燃料動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的短板，又避免鋰電池深度放電。

氫鋰搭檔實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行

這套“雙引擎”的核心，在于智能能量管理系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)度。張盟解釋：“就像汽車的混動(dòng)模式，起飛時(shí)鋰電池瞬間釋放高功率（峰值可達(dá)20千瓦），氫燃料電池則在巡航階段（功率約5千瓦）負(fù)責(zé)主力供電，同時(shí)為鋰電池補(bǔ)電。”這種“削峰填谷”模式，使系統(tǒng)始終運(yùn)行在高效區(qū)間，較單一能源方案能耗降低18%。

團(tuán)隊(duì)智能能量管理系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人吳私介紹，為突破傳統(tǒng)氫燃料電池的“水土不服”難題，團(tuán)隊(duì)在材料與控制層面實(shí)現(xiàn)雙重創(chuàng)新。

他們采用8微米超薄質(zhì)子交換膜及自主開發(fā)的復(fù)合催化劑和親水基團(tuán)修飾技術(shù)，使膜電極具備自增濕功能，無需增加加濕系統(tǒng)，且抗反極能力提升至2000分鐘；陰極擴(kuò)散層設(shè)計(jì)為梯度孔徑結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氣流分布，避免水淹或膜干；動(dòng)態(tài)模型可預(yù)測和調(diào)節(jié)氣流量，確保了無人機(jī)劇烈飛行時(shí)的穩(wěn)定性；高比表面積散熱翅片和傳質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)提高了散熱效率并優(yōu)化反應(yīng)效率，保證電池高效穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，團(tuán)隊(duì)通過電解液“抗凍配方”與負(fù)極材料改性，還破解了鋰電池的超低溫性能衰減問題。團(tuán)隊(duì)鋰電技術(shù)負(fù)責(zé)人陳建設(shè)說，在電解液中引入新型電解質(zhì)添加劑，可將工作溫度降至零下50攝氏度以下；負(fù)極采用納米硅碳復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過多孔碳骨架緩沖硅顆粒膨脹，使電池在零下40攝氏度及100次循環(huán)后，容量保持率達(dá)92%。上述技術(shù)搭配自適應(yīng)熱管理系統(tǒng)，使得無人機(jī)在極寒地區(qū)作業(yè)時(shí)續(xù)航衰減控制在20%以內(nèi)。

一系列技術(shù)進(jìn)展，有效解決了低空飛行器電源系統(tǒng)續(xù)航短的問題，顯著提升了無人機(jī)的載重能力和續(xù)航表現(xiàn)。

構(gòu)建全鏈條生態(tài)

技術(shù)突破的最終價(jià)值，在于推動(dòng)“創(chuàng)新鏈—產(chǎn)業(yè)鏈”深度融合。張盟介紹，通過多次試飛試驗(yàn)，他們建立了多場景、多環(huán)境、多動(dòng)態(tài)載荷下電池?cái)?shù)據(jù)庫，為全天候、寬溫域、跨地域飛行積累數(shù)據(jù)，提高了技術(shù)成熟度。目前，氫-鋰混合動(dòng)力技術(shù)已完成中試定型，進(jìn)入商業(yè)化加速期。

搭載了高比能氫-鋰混合動(dòng)力系統(tǒng)的無人機(jī)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、文旅、林業(yè)、漁業(yè)、應(yīng)急等多個(gè)領(lǐng)域。在漁業(yè)方面，其可監(jiān)測景區(qū)水質(zhì)、藻類，巡視監(jiān)察景區(qū)非法捕撈；在林業(yè)方面，可監(jiān)測林場資源、巡檢與預(yù)警林場火情；在農(nóng)業(yè)方面，可監(jiān)測與預(yù)警茶園病蟲害以及茶葉生長狀態(tài)；在寒環(huán)境應(yīng)用方面，無人機(jī)可遠(yuǎn)程運(yùn)送物資。

“我們正在構(gòu)建‘材料—部件—系統(tǒng)—場景’的全鏈條生態(tài)。” 陳忠偉介紹，上海洗霸科技股份有限公司已成立了專注于氫混動(dòng)力電源及高比能鋰電池生產(chǎn)的企業(yè)。其生產(chǎn)線正在加緊建設(shè)中，規(guī)劃年產(chǎn)能7500套動(dòng)力系統(tǒng)。展望未來，團(tuán)隊(duì)將力爭在2026年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)線落地，完成物流、巡檢場景、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的商業(yè)化閉環(huán)，產(chǎn)品交付1000套以上；2028年推出高原專用型、海洋型、高溫型、低溫型等細(xì)分型號，拓展至邊境巡邏、海上風(fēng)電巡檢和極寒等應(yīng)用場景；到2030年，團(tuán)隊(duì)將建立“氫—鋰混合動(dòng)力”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，累計(jì)交付10000套以上。

陳忠偉表示，團(tuán)隊(duì)將持續(xù)深耕氫-鋰耦合技術(shù)，讓“中國動(dòng)力”成為全球低空經(jīng)濟(jì)的綠色新標(biāo)桿。