為中國(guó)“深空之光”璀璨長(zhǎng)駐
——北理工孫克寧教授空間電源系統(tǒng)研究側(cè)記
發(fā)布日期：2019-04-03 供稿：黨委宣傳部 王朝陽(yáng),，學(xué)生記者 趙盧楷 攝影：黨委宣傳部 郭強(qiáng),，化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：王朝陽(yáng) 審核：肖雄、趙文祥 閱讀次數(shù)：
空間電源系統(tǒng),，顧名思義就是應(yīng)用于航天器上的電池組件,，被稱(chēng)為“航天器的心臟”,，對(duì)保障航天器正常工作起著決定性作用?？臻g電源系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題,，航天器將會(huì)徹底失去工作能力。
空間電源系統(tǒng)如此關(guān)鍵,，卻也是航天器上最容易出現(xiàn)問(wèn)題的部分,，在空間特殊環(huán)境下高強(qiáng)度的工作以及更換困難是最大挑戰(zhàn)，對(duì)于低軌道運(yùn)行的航天器來(lái)說(shuō),，電池組件需要滿(mǎn)足8年的使用壽命,，而對(duì)于在地球同步軌道運(yùn)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(nèi)，電池技術(shù)依然是制約航天器總體水平的短板，我國(guó)同樣缺乏自主研發(fā),、穩(wěn)定可靠的空間電源系統(tǒng),。
2019年1月8日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院孫克寧教授團(tuán)隊(duì)的“高比能量鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目,，在人民大會(huì)堂被授予國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng),。獲獎(jiǎng)的背后，是團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)20年的奮斗不輟,，這個(gè)北理工團(tuán)隊(duì)用具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)空間電源系統(tǒng)在比能量和輕量化方面的突破,，使中國(guó)空間電源系統(tǒng)的技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)了跨越性提升,。
把“一張白紙”寫(xiě)滿(mǎn)精彩
“電源系統(tǒng)絕對(duì)不允許出任何問(wèn)題！”2004年4月,，西昌衛(wèi)星中心發(fā)射現(xiàn)場(chǎng),，“兩彈一星”元?jiǎng)住r(shí)任中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師的孫家棟院士這樣堅(jiān)定地說(shuō)到,，這讓當(dāng)時(shí)還是一名青年教師的孫克寧深受觸動(dòng),，他暗自立志要為中國(guó)的空間電源系統(tǒng)研究做出自己的貢獻(xiàn)。
1999年,，孫克寧開(kāi)始涉獵空間電源系統(tǒng)研究領(lǐng)域,，他深知國(guó)家的需要就是科學(xué)家的使命，這也是他專(zhuān)心投身該領(lǐng)域的初衷,?！笆澜绶秶鷥?nèi)專(zhuān)業(yè)做航天電源的公司很少，我國(guó)在航天電源技術(shù)方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外,?！睂O克寧回憶道。
同年,，孫克寧開(kāi)始了航天電源的研究,，而此時(shí)在他面前可謂是“一張白紙”。毫無(wú)借鑒和積累的探索,，注定是坎坷的,，很快孫克寧就意識(shí)到鎳氫電池存在比能量低、可靠性差等問(wèn)題,，無(wú)法滿(mǎn)足航天器對(duì)高性能電源系統(tǒng)的需求,。孫克寧并不氣餒，又將目光投向性能更為優(yōu)異的鋰離子電池,。2005年,，孫克寧提出的空間電源系統(tǒng)研究獲得立項(xiàng)，但仍然面對(duì)無(wú)成熟設(shè)備、無(wú)商業(yè)化材料和無(wú)工藝技術(shù)的種種困難,。
2009年,，孫克寧來(lái)到北京理工大學(xué)，成為學(xué)?；瘜W(xué)工程與技術(shù)學(xué)科能源電化學(xué)工程方向的帶頭人,。“北理工在化學(xué)化工領(lǐng)域研究底蘊(yùn)深厚,，發(fā)展至今研究基礎(chǔ)非常好,，而且學(xué)校對(duì)新興產(chǎn)業(yè)研究領(lǐng)域非常重視，所以來(lái)到北理工后,，我感到如魚(yú)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)聚焦鋰離子電池,，針對(duì)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?jī)?yōu)勢(shì)。
孫克寧主持中英青年學(xué)者城市交通可持續(xù)能源先進(jìn)技術(shù)研討會(huì)
經(jīng)過(guò)20年的潛心研究,，孫克寧團(tuán)隊(duì)在空間電源系統(tǒng)領(lǐng)域已擁有完全自主產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利23項(xiàng),，發(fā)表了50多篇具有國(guó)際影響力的論文，推動(dòng)我國(guó)制造出“高比能,、高可靠,、輕量化”的空間電源系統(tǒng)，孫克寧也連續(xù)五年成為愛(ài)思唯爾發(fā)布的中國(guó)高被引學(xué)者（能源類(lèi)）,。
拼搏奮斗的“青年軍”
“我們團(tuán)隊(duì)有個(gè)特點(diǎn)就是年輕,，九名教師，平均年齡37歲,，整體氛圍非常開(kāi)放包容,。”孫克寧談到自己的團(tuán)隊(duì),，充滿(mǎn)自豪,。在“點(diǎn)亮”中國(guó)航天器電源系統(tǒng)的攻堅(jiān)中，孫克寧帶領(lǐng)的這支“青年軍”不僅充滿(mǎn)干勁,，也充滿(mǎn)了創(chuàng)新思維,。“仰望星空，要永葆好奇心,?！边@是孫克寧經(jīng)常與團(tuán)隊(duì)分享的理念。
“我覺(jué)得北理工務(wù)實(shí)的品質(zhì)非常吸引我,，所以畢業(yè)之后我就來(lái)了,，并且在團(tuán)隊(duì)里找到了志同道合的伙伴，讓我覺(jué)得很有施展空間,?！眻F(tuán)隊(duì)中的青年教師王振華，2009年博士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電化學(xué)專(zhuān)業(yè),，來(lái)到團(tuán)隊(duì)從事航天電池研究已經(jīng)有十個(gè)年頭了,。
作為最早的團(tuán)隊(duì)成員，王振華親歷了團(tuán)隊(duì)拿下化學(xué)電源與綠色催化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,、電化學(xué)關(guān)鍵技術(shù)與化學(xué)電源教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、教育部獎(jiǎng),、國(guó)家獎(jiǎng)等一個(gè)個(gè)成績(jī),。但成績(jī)斐然的背后，卻是一路的拼搏與奮斗,。
“測(cè)試電池和測(cè)試別的東西不太一樣,，為了及時(shí)測(cè)量出電池的性能，初期有些研究只能靠人工隨時(shí)跟進(jìn)檢測(cè),。人要跟著機(jī)器走,，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)到什么時(shí)候停止我們就要跟進(jìn)測(cè)試。吃住在企業(yè),，凌晨三點(diǎn)去測(cè)電池參數(shù),，早上七點(diǎn)鐘繼續(xù)工作也是常有的事?！蓖跽袢A這樣談到,。
做出中國(guó)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(shí)實(shí)在在產(chǎn)品,。帶著這樣的理念，團(tuán)隊(duì)從理論基礎(chǔ),、技術(shù)路線(xiàn)到產(chǎn)品研發(fā),，每一步都考慮工程化需要，但這也對(duì)團(tuán)隊(duì)提出更高的要求,。
空間電源系統(tǒng)的組裝必須在固定空間內(nèi)完成,，一旦上天，就“決不能出錯(cuò)”，這嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)就是對(duì)空間電源系統(tǒng)的基本要求,。面對(duì)嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn),，電源工程化卻又只能面對(duì)尺寸、能量,、重量等最宏觀(guān)的要求,，這始終是對(duì)團(tuán)隊(duì)極大的考驗(yàn)。
“不實(shí)驗(yàn)不相信,，不驗(yàn)證不科學(xué)”,，這是孫克寧團(tuán)隊(duì)中師生們常常掛在嘴邊的話(huà)，正是憑借這股“鉆勁”,，團(tuán)隊(duì)從“零基礎(chǔ)”開(kāi)始,，自己搭建設(shè)備、合成材料,，開(kāi)始探索航天器電源的“中國(guó)制造”,。“既然我們研究的是國(guó)家的技術(shù)短板,，那就一定要克服困難,、一定要做好！”
培養(yǎng)學(xué)生有“兩把刷子”
孫克寧為學(xué)生講授《電源工藝學(xué)》課程
“知全局,，明亮點(diǎn),。知需求，明方向,。知難點(diǎn),，明細(xì)節(jié)。知能力,，明途徑,。”這是孫克寧對(duì)學(xué)生們的要求,。在科研上不斷取得突破的孫克寧,，始終將培養(yǎng)出優(yōu)秀的學(xué)生作為團(tuán)隊(duì)成績(jī)的重要組成。他還要求學(xué)生們必須具有兩把“刷子”：一是瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿,，創(chuàng)新基礎(chǔ)研究,；二是對(duì)接國(guó)家需求，注重工程應(yīng)用,。
“我是2014年進(jìn)入團(tuán)隊(duì)讀的博士,，2015年開(kāi)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?！碧峒盀楹芜x擇來(lái)到孫克寧團(tuán)隊(duì),，博士生盧丞一坦言：“標(biāo)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(lǐng)域,。只有長(zhǎng)久不移的研究才能把科研做深做大，而盲目跟風(fēng)則沒(méi)有前途,，孫老師給我們樹(shù)立了學(xué)習(xí)的榜樣,。”
盧丞一完成博士學(xué)位論文答辯后與導(dǎo)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(kāi)發(fā),，旨在提高鋰離子單體電池放電比容量和循環(huán)倍率性,。正是得益于導(dǎo)師孫克寧的悉心指導(dǎo)，使盧丞一收獲不小,。
“磷酸鐵鋰電極材料因其相對(duì)較高的安全性被廣泛應(yīng)用于鋰離子電池中,，但它的缺陷是比容量不太高。在一次實(shí)驗(yàn)中,，我偶然發(fā)現(xiàn)了磷酸鐵鋰的放電容量有了較大幅度的提升,。孫老師沒(méi)有放過(guò)這一偶然發(fā)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是鼓勵(lì)和指導(dǎo)我進(jìn)一步觀(guān)察思考其中的機(jī)理,。最終,，我們反復(fù)試驗(yàn)，通過(guò)構(gòu)造氮氧自由基對(duì)其進(jìn)行復(fù)合能量的提升,，實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰比容量的“超容”。而當(dāng)時(shí)全世界只有少數(shù)幾篇論文談到如何實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰的“超容”,，我們的結(jié)果可以說(shuō)是開(kāi)辟了一個(gè)新的方向,。”盧丞一通過(guò)“無(wú)機(jī)+有機(jī)”工藝復(fù)合,，使得磷酸鐵鋰的比容量達(dá)到了190mAh/g,，這不僅超過(guò)當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的最高實(shí)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(fā)現(xiàn)問(wèn)題,，從而證明猜想，然后主動(dòng)優(yōu)化,，最后驗(yàn)證結(jié)果,，這樣一條完整的科學(xué)研究閉環(huán)，孫克寧對(duì)于自己和學(xué)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(shí)。
“我覺(jué)得最有意思的是每學(xué)期一次的實(shí)驗(yàn)技能比拼大賽,。我們每人會(huì)有5次機(jī)會(huì),，通過(guò)5次制備,，拿出其中最好的數(shù)據(jù)進(jìn)行比拼，所有人中誰(shuí)的數(shù)據(jù)最好,，誰(shuí)就是冠軍,。通過(guò)這種方式，我們不僅提高了動(dòng)手能力,，有時(shí)候還能獲得很多靈感,。”團(tuán)隊(duì)學(xué)生徐春明談到這個(gè)內(nèi)部競(jìng)賽總是津津樂(lè)道,。而這樣的比拼,，只是孫克寧啟發(fā)式培養(yǎng)人才的一個(gè)縮影，不論是指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)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(fā)思維?！皩O老師喜歡思想交流,，樂(lè)于分享自己的研究經(jīng)驗(yàn)，但他從不一股腦地灌輸給我們,。無(wú)論是平常備課還是申請(qǐng)項(xiàng)目,，孫老師會(huì)和大家一起討論出框架，然后非常細(xì)致地幫我們修改,，一稿,、二稿……終稿，草稿上滿(mǎn)滿(mǎn)當(dāng)當(dāng)?shù)囟际撬墓P跡,，這個(gè)過(guò)程中,，也讓我們有常學(xué)常新的感覺(jué)?！眻F(tuán)隊(duì)教師孫旺這樣談到,。
不忘初心，為中國(guó)“深空之光”璀璨長(zhǎng)駐,，牢記使命,，用奮斗建功立業(yè)新時(shí)代?！斑@是我們科研人員應(yīng)該做的,，也是每一個(gè)北理工人需要做的，所以我們就做了,?！痹跇s獲國(guó)家獎(jiǎng)勵(lì)之際，孫克寧如是說(shuō),。
