扎根新能源 交叉创未来 ——记华南理工大学机械与汽车工程学院袁伟教授
随着现代科技的不断发展，化石能源日趋紧张，探索新能源技术已经成为世界各国高度关注的焦点。在新能源领域，国家高度重视电池技术和相关产业发展，各行业对电池技术的要求也越来越高。除了材料本身外，电池结构是影响电池性能的又一重要因素。作为80后的研究人员，华南理工大学机械与汽车工程学院的袁伟教授，他长期从事机械制造与能源交叉课题研究，近年来主要围绕节能、新能源及储能器件、系统、高端装备、新能源汽车等领域的功能结构先进设计及制造技术开展研究。
袁伟担任“功能结构与器件高性能制造”研究中心主任，他带领团队在国内率先将表面功能结构概念引入电池研究，围绕燃料电池、金属离子电池、超级电容、强化传热器件的高效跨尺度功能结构设计及制造理论与方法开展了成体系的研究工作，从制造源头为实现能源高效转化和利用开辟了重要途径。他们利用自身在制造技术领域的优势，将超精密加工、增材制造、微纳制造等先进制造技术引入新能源领域，以电池功能结构设计和制造为突破口，开展包括电池系统关键零部件设计和制造、传质／传热高效管理、系统集成开发及应用等研究。现已取得了丰硕的研究成果，为高性能（比能量、续航、耐久性、安全性等）电池技术发展提供了系统化的理论和方法支撑，大力推动了新能源技术快速落地。
创新结构制造 提升电池性能
近年来，锂离子电池技术的研究日趋成熟，实际应用也十分广泛，但是由于锂电池存在不耐受过充或过放、受温度影响大、回收门槛高以及安全性问题等缺陷一直以来让人诟病。而燃料电池作为近乎理想的能源装置，具有转化率高、能量密度高、环境友好等特点，在未来能源转型升级中具有广阔应用前景。
关于这两者的对比，作为机械制造专业出身的科研人员，袁伟更关心的是这些电池内部的结构制造、创成方法和工艺放大问题、功能界面的优化及其构效关系问题等。他表示，以往能源研究大多都以材料、化学为主，很少有来自机械制造学科的人涉足能源领域，因此这是一个非常新的交叉领域。他立足机械制造学科，针对能源领域内难点、痛点和热点问题展开了成体系的研究工作，希望利用设计和制造优势来优化电池性能，作为电池材料研究的重要补充，推动新一代电池技术的应用落地。
一开始，由于机械专业本身偏工程、偏技术、偏应用，在从事机械、能源、材料多学科交叉研究时，袁伟常常会感到有些许“先天不足”，很多想法受限于专业和平台难以实现。但历经多年探索后，这个难题已经解决。如今，袁伟带领团队已经磨炼出了跨学科、跨专业、跨领域的研究能力，并且取得了一系列创新性的科研成果。其中，代表性成果包括：“金属纤维基跨尺度多孔微通道结构设计及制造理论与方法”、“燃料电池新型跨尺度功能结构设计及制造理论与方法”和“锂离子电池三维电极跨尺度设计及复合成形制造理论与方法”三个方面。
在燃料电池方面，针对传统流场结构的设计缺陷，在国家自然科学基金的支持下，袁伟带领团队深入开展了“基于切削金属纤维的甲醇燃料电池多孔流场板制造及优化基础研究”。袁伟创造性地提出采用多齿切削工艺加工金属纤维并经过高温烧结制造多孔流场板的技术路线，打通了从制造源头提升甲醇电池性能的途径，这在国内外均属首创。袁伟带领的课题组已经掌握纯甲醇供给技术并具备高比能、长续航电池开发能力。
在锂离子电池方面，针对电极功能结构长期存在的构效矛盾问题，袁伟提出通过在集流体表面原位创成跨尺度表面功能结构实现多层级新型电极的材料－结构－功能一体化和设计－加工－测量一体化，该方法效率高、成本低，为锂离子电池表面功能结构的制造提供了新的思路。相关技术已成功扩展至钠离子电池、锌离子电池、锂硫电池、金属锂电池、超级电容等新型储能器件研究和应用中。他带领的课题组能够对电池内部结构进行多层级、跨尺度、全组成优化设计并形成批量制造能力。
如今，通过基础理论和工艺技术的不断创新，袁伟凭着过硬的机械设计经验和先进的制造技术，在电池研究领域厚积薄发，取得的研究成果受到国内外同行的积极评价，围绕关键技术建立了自主知识产权体系，核心专利成功完成了许可和转化，已成长为我国能源制造领域科技创新领军人才，得到国家中组部、科技部、自然科学基金委的人才计划（或项目）支持，获得国家科学技术奖、中国专利优秀奖、广东省青年科技创新奖、霍英东青年科学奖、广东青年五四奖章等奖励或荣誉。
推动成果落地 助力制造强国
回首自己的科研人生，袁伟从本科到博士阶段学习的都是机械工程相关专业，一直从事的是机械制造相关科研工作，所以他对制造技术与能源的结合有着深刻的理解。他说，“制造，才是一切创新的出口”，要密切关注“怎么做出来”的问题。袁伟始终认为，制造业是立国之本、兴国之器、强国之基，没有强大的制造业，就没有国家和民族的强盛。
“科技是第一生产力，科研成果要造福于民”，在进行科研的同时，袁伟十分重视成果转化与创新，坚持把有价值的成果从“书架”搬到“货架”上。近些年，袁伟的研究专注于新能源、储能和新能源汽车等相关领域，他带着团队一边坚持基础研究，一边冲在产学研融合第一线，重点攻关生产应用中的“卡脖子”问题。以基础研究有力支撑着应用研究，同时，应用研究中的发现为基础研究也为他的科研方向提供了新的视角与灵感。他说，搞科研既要“顶天”也要“立地”，不仅要占领科学高地，还要解决生产生活中的实际问题。
现在，袁伟已经为10多家行业领先企业提供技术支持，与华为、广汽、大洋电机等行业龙头企业长期开展产学研合作，积累了丰富的产业技术攻关经验。2019年，广东省重点研发计划项目“燃料电池乘用车整车集成及动力系统平台开发”启动，袁伟带领团队与广州汽车集团股份有限公司等单位一起共同攻坚克难，合作开展研究，致力于推进燃料电池乘用车示范运行推广，以支撑广东省氢能与燃料电池发展战略的实施。作为技术支撑单位，袁伟和团队着力燃料电池动力系统水／热管理及冷启动技术研究，他们开发的Aion LX Fuel Cell车型已于2020年7月正式发布并示范运行，是广东省落地的首台具有自主知识产权的燃料电池乘用车，在百公里氢耗、续航里程、加氢时间等关键性能指标方面处于当前国内领先水平。
此外，袁伟还作为负责人与香港城市大学承担了粤港联合科技创新项目“动力电池电极热功能结构一体化原位制造及应用”，瞄准新能源汽车的“安全痛点”和“里程焦虑”问题，重点开发电极表面热控技术，在无须引入新材料和新元件的情况下，实现电池的高效热管理，从源头上缓解热失控带来的安全风险，相关研究得到香港研究资助局和珠海市引进创新团队项目支持，有力促进了粤港澳大湾区联合创新能力提升。
为了更好更快地实现科研成果落地，2020年，袁伟作为创始人成立了广东氢机智创科技有限公司，在佛山市引进创新团队项目的支持下，致力于将多年积累的新能源制造技术应用于氢能装备和产品中，打造面向高端智能装备及新能源领域的高水平创新团队及研发平台。目前，公司已经在燃料电池测试装备、燃料电池科教设备、燃料电池动力系统及新能源汽车等方向开发了系列产品，服务多家氢能企业、高校院所和科研机构，助力氢能及燃料电池产业可持续发展。
如果说科研是一场修行、一场苦旅，那么科研人要甘于寂寞，啃得了“硬骨头”、坐得住“冷板凳”，毫无疑问，袁伟就是那个人。现在，袁伟以梦为马、不负韶华，将梦想照进了现实，他的科研报国信念愈来愈发坚定，在“双碳”目标驱动下，他将带领团队继续在能源制造这条路上砥砺前行，打造以高性能为目标的制造技术及装备，为助力我国建设“制造强国”努力奋斗。（文／陈伟）
