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化学专业助力低空经济核心电池技术发展
随着低空经济在全球范围内迅速崛起，作为其关键支撑的动力系统 —— 电池技术，正成为科研与产业界关注的焦点。在众多推动低空经济发展的技术中，电池技术的突破对于提升飞行器性能、拓展应用场景有决定性作用。而化学专业在这一核心领域扮演着无可替代的关键角色。
低空经济与电池技术的紧密关联
低空经济涵盖无人机物流、城市空中出行（UAM）、电动垂直起降飞行器（eVTOL）等多元应用场景。飞行器的续航能力、载重水平、运营成本以及安全保障，很大程度上取决于电池的性能。例如，在无人机物流配送中，长续航的电池能够让无人机一次性完成更远距离的货物运输，减少充电频次，提高配送效率；对于 eVTOL 而言，高能量密度的电池是实现载人飞行并具备商业可行性的基础，它直接关系到飞行器的航程和有效载荷。
化学专业在电池关键技术中的贡献
电极材料研发
1.高镍三元正极材料创新：中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟院士团队在研发高比能宽温域锂离子电池时，通过创新高镍三元正极材料设计，大幅提升了电池比容量。化学专业人员深入研究材料的晶体结构、元素组成与性能之间的关系，通过精确调控镍、钴、锰等元素的比例，优化材料的电子结构和离子传输通道，使正极材料能够存储更多的锂离子，从而提高电池的能量密度。这种对材料微观层面的深入理解和精确调控，正是化学专业知识和技能的集中体现。
2.负极硅碳复合材料优化：同样在该团队的研究中，负极采用硅碳复合结构。硅具有较高的理论比容量，但在充放电过程中会发生较大的体积膨胀，导致电极结构破坏，循环寿命缩短。化学专业人员通过在硅颗粒表面包覆碳材料，构建多孔碳骨架等方法，有效缓冲硅颗粒的膨胀应力，提高材料的结构稳定性。同时，通过化学修饰等手段改善硅碳之间的界面性能，增强电子传导和离子传输效率，使负极材料能够更好地与正极材料匹配，提升电池整体性能。
电解液配方优化
特殊配方的超低温电解液是实现电池在宽温域稳定工作的关键技术之一。化学专业人员通过引入低冰点溶剂和功能化添加剂，显著降低电解液的冻结点。例如，在低温环境下，他们选择合适的有机溶剂，如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）等的混合溶剂，并添加特殊的功能添加剂，如氟代碳酸乙烯酯（FEC）等。这些添加剂能够在电极表面形成稳定的固体电解质界面（SEI）膜，抑制电解液的分解，确保在零下 40 摄氏度的环境下，离子仍能保持良好的传导性能，维持电池的充放电效率。对电解液各成分的精确选择、配比以及对其在不同温度下物理化学性质的深入研究，都是化学专业在电池技术领域的重要工作。
隔膜材料创新
研发兼具耐高温与抗低温性能的新型复合隔膜，对于保障电池的安全性和宽温域稳定性至关重要。化学专业人员运用化学合成、材料改性等手段，开发出具有特殊结构和性能的隔膜材料。例如，通过在传统聚烯烃隔膜表面涂覆耐高温的陶瓷颗粒或聚合物涂层，提高隔膜的热稳定性，防止在高温环境下隔膜收缩导致正负极短路。同时，对隔膜的微观孔隙结构进行精确调控，使其在低温环境下仍能保持良好的电解液浸润性和离子透过性。在材料的合成、改性以及对隔膜微观结构与性能关系的研究方面，化学专业的知识和技术发挥着核心作用。
化学专业推动电池技术发展的实际案例
中国科学院大连化学物理研究所研发的高比能宽温域锂离子电池，成功适配新型工业级复合翼无人机并完成试飞。该电池能量密度高达每公斤 400 瓦时，模组能量密度达 340 瓦时每公斤，可在零下 40 摄氏度至零上 60 摄氏度的宽温域环境中稳定工作。在试飞过程中，无人机顺利完成起飞、爬升、高速巡航、降落等环节，高质量完成 3 小时飞行试验。这一成果背后，是化学专业人员在电极材料、电解液、隔膜等多个关键技术方面的协同创新。又如中国航空发动机集团北京航材院的石墨烯电池，通过化学方法将石墨烯引入电池体系，利用其独特的二维结构，提升了电池的能量密度、低温性能和快充能力，能量密度提升 50%，在零下 40℃环境下仍可 3C 放电，适用于高原、极寒等特殊场景，为低空经济飞行器在复杂环境下的应用提供了可能。
化学专业在低空经济电池技术领域的未来展望
随着低空经济的快速发展，对电池技术的要求将不断提高。化学专业将在探索新型电池体系方面发挥重要作用，如固态电池、氢燃料电池、钠离子电池、锂硫电池等。在固态电池研究中，化学专业人员需要解决固体电解质与电极材料之间的界面兼容性问题，开发高性能的固体电解质材料，优化电池的制备工艺，降低成本，推动固态电池在低空经济领域的规模化应用。对于氢燃料电池，化学专业将聚焦于提高催化剂的活性和稳定性、优化膜电极结构、降低系统成本等关键技术难题。同时，在电池回收与二次利用方面，化学专业人员能够利用化学方法高效回收电池中的有价金属，实现资源的循环利用，降低环境污染，为低空经济的可持续发展提供保障。
低空经济与电池技术的紧密关联
低空经济涵盖无人机物流、城市空中出行（UAM）、电动垂直起降飞行器（eVTOL）等多元应用场景。飞行器的续航能力、载重水平、运营成本以及安全保障，很大程度上取决于电池的性能。例如，在无人机物流配送中，长续航的电池能够让无人机一次性完成更远距离的货物运输，减少充电频次，提高配送效率；对于 eVTOL 而言，高能量密度的电池是实现载人飞行并具备商业可行性的基础，它直接关系到飞行器的航程和有效载荷。
化学专业在电池关键技术中的贡献
电极材料研发
1.高镍三元正极材料创新：中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟院士团队在研发高比能宽温域锂离子电池时，通过创新高镍三元正极材料设计，大幅提升了电池比容量。化学专业人员深入研究材料的晶体结构、元素组成与性能之间的关系，通过精确调控镍、钴、锰等元素的比例，优化材料的电子结构和离子传输通道，使正极材料能够存储更多的锂离子，从而提高电池的能量密度。这种对材料微观层面的深入理解和精确调控，正是化学专业知识和技能的集中体现。
2.负极硅碳复合材料优化：同样在该团队的研究中，负极采用硅碳复合结构。硅具有较高的理论比容量，但在充放电过程中会发生较大的体积膨胀，导致电极结构破坏，循环寿命缩短。化学专业人员通过在硅颗粒表面包覆碳材料，构建多孔碳骨架等方法，有效缓冲硅颗粒的膨胀应力，提高材料的结构稳定性。同时，通过化学修饰等手段改善硅碳之间的界面性能，增强电子传导和离子传输效率，使负极材料能够更好地与正极材料匹配，提升电池整体性能。
电解液配方优化
特殊配方的超低温电解液是实现电池在宽温域稳定工作的关键技术之一。化学专业人员通过引入低冰点溶剂和功能化添加剂，显著降低电解液的冻结点。例如，在低温环境下，他们选择合适的有机溶剂，如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）等的混合溶剂，并添加特殊的功能添加剂，如氟代碳酸乙烯酯（FEC）等。这些添加剂能够在电极表面形成稳定的固体电解质界面（SEI）膜，抑制电解液的分解，确保在零下 40 摄氏度的环境下，离子仍能保持良好的传导性能，维持电池的充放电效率。对电解液各成分的精确选择、配比以及对其在不同温度下物理化学性质的深入研究，都是化学专业在电池技术领域的重要工作。
隔膜材料创新
研发兼具耐高温与抗低温性能的新型复合隔膜，对于保障电池的安全性和宽温域稳定性至关重要。化学专业人员运用化学合成、材料改性等手段，开发出具有特殊结构和性能的隔膜材料。例如，通过在传统聚烯烃隔膜表面涂覆耐高温的陶瓷颗粒或聚合物涂层，提高隔膜的热稳定性，防止在高温环境下隔膜收缩导致正负极短路。同时，对隔膜的微观孔隙结构进行精确调控，使其在低温环境下仍能保持良好的电解液浸润性和离子透过性。在材料的合成、改性以及对隔膜微观结构与性能关系的研究方面，化学专业的知识和技术发挥着核心作用。
化学专业推动电池技术发展的实际案例
中国科学院大连化学物理研究所研发的高比能宽温域锂离子电池，成功适配新型工业级复合翼无人机并完成试飞。该电池能量密度高达每公斤 400 瓦时，模组能量密度达 340 瓦时每公斤，可在零下 40 摄氏度至零上 60 摄氏度的宽温域环境中稳定工作。在试飞过程中，无人机顺利完成起飞、爬升、高速巡航、降落等环节，高质量完成 3 小时飞行试验。这一成果背后，是化学专业人员在电极材料、电解液、隔膜等多个关键技术方面的协同创新。又如中国航空发动机集团北京航材院的石墨烯电池，通过化学方法将石墨烯引入电池体系，利用其独特的二维结构，提升了电池的能量密度、低温性能和快充能力，能量密度提升 50%，在零下 40℃环境下仍可 3C 放电，适用于高原、极寒等特殊场景，为低空经济飞行器在复杂环境下的应用提供了可能。
化学专业在低空经济电池技术领域的未来展望
随着低空经济的快速发展，对电池技术的要求将不断提高。化学专业将在探索新型电池体系方面发挥重要作用，如固态电池、氢燃料电池、钠离子电池、锂硫电池等。在固态电池研究中，化学专业人员需要解决固体电解质与电极材料之间的界面兼容性问题，开发高性能的固体电解质材料，优化电池的制备工艺，降低成本，推动固态电池在低空经济领域的规模化应用。对于氢燃料电池，化学专业将聚焦于提高催化剂的活性和稳定性、优化膜电极结构、降低系统成本等关键技术难题。同时，在电池回收与二次利用方面，化学专业人员能够利用化学方法高效回收电池中的有价金属，实现资源的循环利用，降低环境污染，为低空经济的可持续发展提供保障。
- 来源：沈靖皓 黄梦涵 黄嘉穗 陈麟钰
- 发布时间：2025-08-28 阅读：
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