2023年10月27日-31日，第十八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛（以下简称“挑战杯”）终审决赛在贵州大学圆满落幕。由我校胡方圆教授、蹇锡高院士、李胜铭老师共同指导，研究生毛润钥、杨江浦、曲云鹏、苏畅、郭子睿完成的作品《临近空间飞行器用宽温域长寿命锂硫电池开发及应用研究》获得主体赛全国特等奖，是我院在全国“挑战杯”竞赛中获得的历史最佳成绩。

大连理工大学校党委副书记张言军莅临挑战杯现场展位指导

团队成员与指导教师、学院领导合影

临近空间飞行器用宽温域长寿命锂硫电池，听起来晦涩难懂。可能有些人会问：虽然这个名字看起来高大上，说到底不就还是一块电池吗？那么，这一块小小的电池究竟“厉害”在哪？首先，什么是临近空间呢？这是一个“飞机上不去，卫星下不来”的区域，是距离地面两万米到十万米范围的空域，其下面的空域通常被称为“天空”，其上面的空域就是我们常说的“太空”，因此，又被形象地称为“空天过渡区”。相较于相邻大气圈层，临近空间的物质构成、能量输运以及相互作用极其复杂，临近空间蕴含着丰富的待探测的物理现象和待发现的科学规律，科学认知有待深入。更为重要的是，临近空间特殊的位置使其成为联结空与天的桥梁，更是实现空天一体不可逾越的环节，在战略上可达到上可制天，下可制空、制地、制海的特殊效果，也是一个独立于航空空间和航天空间之外的新高地，具有独特的军事应用价值和战略地位。此外，利用临近空间探测平台搭载一些科学试验载荷，可为大气科学、空间科学和交叉学科的发展提供有效的数据支持。临近空间以广阔的民用前景和巨大的军事价值，成为近些年以来国内外争相研究的热点。随着技术的不断发展，越来越多的国家重视临近空间的开发，并且将临近空间视为国家安全领域新的“高边疆”。

临近空间飞行器则是占领这一新阵地的主力军。与传统航空航天飞行器相比，临近空间飞行器在活动范围、运行时间、功能作用和使用效费比上均具有较为明显而独特的优势，其在高空侦察、情报搜集、空间突防等军事领域均承担重要角色。同时，它还可用于气象科学研究、信息中继站、自然灾害预警等民用领域。但是临近空间空气相对稀薄，环境压力低，环境温度变化大。高空长航时太阳能无人机在平流层底部长时间巡航飞行，高空低温、低气压等特殊使用环境，对高空长航时无人机提出新要求。温度随飞行高度的增加而降低，低温几乎对所有的基体材料特别是动力电池都有极其不利的影响。此外，由于深空探测轨道上的光强随着对日距离的增加而逐渐减弱，电池在该轨道上的工作温度也逐渐降低。因此在设计时必须充分考虑低温导致动力电池的容量衰减问题。仅基于现有电池的临近空间无人机，难以满足抢占临近空间战略制高点的重大需求，因此需要将新型储能技术与临近空间无人机融合进行颠覆式创新。因此，亟需大幅度提高电池的能量密度，解决循环次数和电池在临近空间使用的环境适应性问题。

团队研制的宽温域锂硫电池实物图

与我们手机、电动车、新能源汽车所采用的传统锂电池相比，锂硫电池成本低，且具有超高的理论能量密度，有望满足现有临近空间无人机的长续航要求。然而，锂硫电池存在多硫化物转化慢、穿梭效应等问题，使其导电活性物质损失与库伦效率下降，导致其容量衰减、循环稳定性差。同时，临近空间用电池服役工作温度极低，易导致锂硫电池容量迅速衰减。通俗来讲，团队要解决的核心问题，就是变“不稳定”为“稳定”，保证电池不会在超低温下被“冻没电”。

这不仅是行业痛点，更是研究难点。但团队迎难而上，蹇锡高院士常对同学们说：“做科研就像医生诊脉，首先是‘把脉’找问题，才能对症下药‘开药方’。”团队成员针对锂硫电池多硫化物转化效率低导致寿命欠佳的问题，积极探索制备过程化学反应的适宜条件，并进行理论计算模拟机理。团队从高分子角度出发，提出了分子间吸附-配对策略，创制出原位协同高性能正极材料。官能团吸附与离子配对协同，避免了传统异质结构漫长的扩散过程，实现了多硫化物的原位高效转化，电池容量达到了1450 mAh/g，且充放电500次后容量保持率90%以上，突破了电池难以兼顾高容量和长寿命的问题。

翻过崇山，又见峻岭。针对电池在低温下容量骤减难题，团队成员们苦思冥想，无奈受电池材料本身限制，极限服役温度难以达到零下80℃。目前，国外先进的电池加热技术也存在加热效率低、热能大量逸散、无法精准加热的问题。团队指导老师胡方圆教授得知后，启发成员们：“咱们做的是电极材料，但电、光、磁、热在电子层面具有关联性，如果把这些方面交叉融合、深入思考，进而开发出新技术和新装置，应该可以解决这个问题。”

基于此，团队开发出低温快响应原位控温新技术，这也是团队第二个核心技术。从材料设计和器件优化角度出发，创制出智能多功能一体化粘结剂新材料，在多场耦合作用下，实现了在电池内部电极/电解液界面原位控温，使电池在零下80℃极端环境下也能够稳定服役。

胡方圆教授组织团队成员研讨方案细节

从2021年面向国家重大需求组队开始，成员们一步步提出新策略、创制新材料、开发新技术、研发新装置，到最后成功构筑性能稳定、可耐极寒的高性能锂硫软包电池新器件。在这个过程中，同学们不断成长，也获得了成果：累计发表高水平论文10篇，影响因子共计186.8；同时申请多项国家发明专利。受邀作为全国唯一入选2023东北亚人才交流会的能源类项目。

团队成员们更希望学术成果能够“走出实验室，投入到应用中，为国家安全贡献力量”。团队也正在与相关科研院所开展合作攻坚，争取早日实现应用，为我国的临近空间全天候太阳能无人机实现从“看得见”到“看得久”的跨越，打破发达国家技术封锁，助力我国大力发展临近空间，抢占新的战略制高点。

蹇锡高院士课题组合影

“坚持面向国家重大需求及学术前沿，致力于培养有理想有本领有担当的复合型拔尖创新人才”是蹇锡高院士团队培养人才的宗旨，也是团队成员的初心与目标。“挑战杯”告一段落，但团队仍在加倍努力，助力我国实现锂硫电池产业化研究。他们将继续坚定前行，开拓创新，让科研成果真正服务于国家重大需求，为推动产业发展贡献材料人的力量！