為中國“深空之光”璀璨長駐
——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,，學(xué)生記者 趙盧楷 攝影：黨委宣傳部 郭強,，化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：王朝陽 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,，被稱為“航天器的心臟”,，對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)問題,，航天器將會徹底失去工作能力。
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)問題的部分,，在空間特殊環(huán)境下高強度的工作以及更換困難是最大挑戰(zhàn)，對于低軌道運行的航天器來說,，電池組件需要滿足8年的使用壽命,，而對于在地球同步軌道運行的航天器而言，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)院孫克寧教授團隊的“高比能量鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項目,，在人民大會堂被授予國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎二等獎。獲獎的背后,，是團隊歷經(jīng)20年的奮斗不輟,，這個北理工團隊用具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果，實現(xiàn)了中國空間電源系統(tǒng)在比能量和輕量化方面的突破,，使中國空間電源系統(tǒng)的技術(shù)水平實現(xiàn)了跨越性提升,。
把“一張白紙”寫滿精彩
“電源系統(tǒng)絕對不允許出任何問題！”2004年4月,，西昌衛(wèi)星中心發(fā)射現(xiàn)場,，“兩彈一星”元勛、時任中國探月工程總設(shè)計師的孫家棟院士這樣堅定地說到,，這讓當時還是一名青年教師的孫克寧深受觸動,，他暗自立志要為中國的空間電源系統(tǒng)研究做出自己的貢獻,。
1999年，孫克寧開始涉獵空間電源系統(tǒng)研究領(lǐng)域,，他深知國家的需要就是科學(xué)家的使命,，這也是他專心投身該領(lǐng)域的初衷?！笆澜绶秶鷥?nèi)專業(yè)做航天電源的公司很少,，我國在航天電源技術(shù)方面還遠遠落后于國外?！睂O克寧回憶道,。
同年，孫克寧開始了航天電源的研究,，而此時在他面前可謂是“一張白紙”,。毫無借鑒和積累的探索，注定是坎坷的,，很快孫克寧就意識到鎳氫電池存在比能量低、可靠性差等問題,，無法滿足航天器對高性能電源系統(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，但仍然面對無成熟設(shè)備,、無商業(yè)化材料和無工藝技術(shù)的種種困難,。
2009年，孫克寧來到北京理工大學(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?！氨崩砉ぴ诨瘜W(xué)化工領(lǐng)域研究底蘊深厚,，發(fā)展至今研究基礎(chǔ)非常好，而且學(xué)校對新興產(chǎn)業(yè)研究領(lǐng)域非常重視,，所以來到北理工后,，我感到如魚得水?！睂O克寧這樣介紹到,。之后，在北理工的沃土上,，孫克寧帶領(lǐng)團隊聚焦鋰離子電池,，針對電極材料,、隔膜材料、制造工藝等方面深入研究,，不斷突破,，形成研究優(yōu)勢。
孫克寧主持中英青年學(xué)者城市交通可持續(xù)能源先進技術(shù)研討會
經(jīng)過20年的潛心研究,，孫克寧團隊在空間電源系統(tǒng)領(lǐng)域已擁有完全自主產(chǎn)權(quán)的專利23項,，發(fā)表了50多篇具有國際影響力的論文，推動我國制造出“高比能,、高可靠,、輕量化”的空間電源系統(tǒng)，孫克寧也連續(xù)五年成為愛思唯爾發(fā)布的中國高被引學(xué)者（能源類）,。
拼搏奮斗的“青年軍”
“我們團隊有個特點就是年輕,，九名教師，平均年齡37歲,，整體氛圍非常開放包容,。”孫克寧談到自己的團隊,，充滿自豪,。在“點亮”中國航天器電源系統(tǒng)的攻堅中，孫克寧帶領(lǐng)的這支“青年軍”不僅充滿干勁,，也充滿了創(chuàng)新思維,。“仰望星空,，要永葆好奇心,。”這是孫克寧經(jīng)常與團隊分享的理念,。
“我覺得北理工務(wù)實的品質(zhì)非常吸引我,，所以畢業(yè)之后我就來了，并且在團隊里找到了志同道合的伙伴,，讓我覺得很有施展空間,。”團隊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)專業(yè),，來到團隊從事航天電池研究已經(jīng)有十個年頭了。
作為最早的團隊成員,，王振華親歷了團隊拿下化學(xué)電源與綠色催化北京市重點實驗室,、電化學(xué)關(guān)鍵技術(shù)與化學(xué)電源教育部創(chuàng)新團隊、教育部獎,、國家獎等一個個成績,。但成績斐然的背后,，卻是一路的拼搏與奮斗。
“測試電池和測試別的東西不太一樣,，為了及時測量出電池的性能,，初期有些研究只能靠人工隨時跟進檢測。人要跟著機器走,，機器運轉(zhuǎn)到什么時候停止我們就要跟進測試,。吃住在企業(yè)，凌晨三點去測電池參數(shù),，早上七點鐘繼續(xù)工作也是常有的事,。”王振華這樣談到,。
做出中國人自己的航天電源,，孫克寧的研究絕不僅僅只是理論上的突破，他心中要的是實實在在產(chǎn)品,。帶著這樣的理念,，團隊從理論基礎(chǔ)、技術(shù)路線到產(chǎn)品研發(fā),，每一步都考慮工程化需要,，但這也對團隊提出更高的要求。
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”,，這嚴苛的標準就是對空間電源系統(tǒng)的基本要求,。面對嚴苛的標準，電源工程化卻又只能面對尺寸,、能量,、重量等最宏觀的要求，這始終是對團隊極大的考驗,。
“不實驗不相信,，不驗證不科學(xué)”，這是孫克寧團隊中師生們常常掛在嘴邊的話,，正是憑借這股“鉆勁”,，團隊從“零基礎(chǔ)”開始，自己搭建設(shè)備,、合成材料,，開始探索航天器電源的“中國制造”?！凹热晃覀冄芯康氖菄业募夹g(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,。知需求，明方向,。知難點,，明細節(jié)。知能力,，明途徑,。”這是孫克寧對學(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)生作為團隊成績的重要組成。他還要求學(xué)生們必須具有兩把“刷子”：一是瞄準國際前沿,，創(chuàng)新基礎(chǔ)研究,；二是對接國家需求，注重工程應(yīng)用,。
“我是2014年進入團隊讀的博士,，2015年開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擇來到孫克寧團隊,，博士生盧丞一坦言：“標簽清晰，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。只有長久不移的研究才能把科研做深做大,，而盲目跟風(fēng)則沒有前途,，孫老師給我們樹立了學(xué)習(xí)的榜樣?！?/p>
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,。在一次實驗中,，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。孫老師沒有放過這一偶然發(fā)生的實驗結(jié)果，而是鼓勵和指導(dǎo)我進一步觀察思考其中的機理,。最終,，我們反復(fù)試驗，通過構(gòu)造氮氧自由基對其進行復(fù)合能量的提升,，實現(xiàn)磷酸鐵鋰比容量的“超容”,。而當時全世界只有少數(shù)幾篇論文談到如何實現(xiàn)磷酸鐵鋰的“超容”，我們的結(jié)果可以說是開辟了一個新的方向,?！北R丞一通過“無機+有機”工藝復(fù)合，使得磷酸鐵鋰的比容量達到了190mAh/g,，這不僅超過當時業(yè)內(nèi)可實現(xiàn)的最高實際比容量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)問題,，從而證明猜想,，然后主動優(yōu)化，最后驗證結(jié)果,，這樣一條完整的科學(xué)研究閉環(huán),，孫克寧對于自己和學(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,。
“我覺得最有意思的是每學(xué)期一次的實驗技能比拼大賽。我們每人會有5次機會,，通過5次制備,，拿出其中最好的數(shù)據(jù)進行比拼，所有人中誰的數(shù)據(jù)最好,，誰就是冠軍,。通過這種方式，我們不僅提高了動手能力,，有時候還能獲得很多靈感?！眻F隊學(xué)生徐春明談到這個內(nèi)部競賽總是津津樂道,。而這樣的比拼，只是孫克寧啟發(fā)式培養(yǎng)人才的一個縮影,，不論是指導(dǎo)團隊里的青年教師,，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，樂于分享自己的研究經(jīng)驗，但他從不一股腦地灌輸給我們,。無論是平常備課還是申請項目,，孫老師會和大家一起討論出框架，然后非常細致地幫我們修改,，一稿,、二稿……終稿，草稿上滿滿當當?shù)囟际撬墓P跡,，這個過程中,，也讓我們有常學(xué)常新的感覺?！眻F隊教師孫旺這樣談到,。
不忘初心，為中國“深空之光”璀璨長駐,，牢記使命,，用奮斗建功立業(yè)新時代?！斑@是我們科研人員應(yīng)該做的,，也是每一個北理工人需要做的，所以我們就做了,?！痹跇s獲國家獎勵之際，孫克寧如是說,。
