近日，應(yīng)用了高比能氫-鋰混合動力系統(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。

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、高機(jī)動性的多元化、高性能能源解決方案，將有力推動我國低空產(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，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，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)定電能滿足長航時巡航。兩者通過智能系統(tǒng)動態(tài)協(xié)同，既彌補(bǔ)了氫燃料動態(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：“就像汽車的混動模式，起飛時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)突破的最終價值，在于推動“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“中國動力”成為全球低空經(jīng)濟(jì)的綠色新標(biāo)桿。

關(guān)鍵詞：