大学生创新创业训练计划智能管理平台
第二十七期“上海交通大学大学生创新实践计划”
自然力驱动的自动充电储能材料与器件
创新训练项目
工学
材料类
创新类
材料科学与工程学院
林天全
指导教师
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指导教授作为项目负责人承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金（优秀青年基金、面上项目）、XX项目、上海市基础研究特区计划等多项与该课题密切相关的项目，可支持PRP项目顺利完成。
指导教授大力支持学生完成PRP项目。
1. 本实验室已建立完整的储能新材料与器件研发平台，可保障本项目顺利完成。
2. 导师承担了国家重点研发计划、国家优秀青年基金等项目，可保障学生的科研工作顺利进行。
2. 目前课题组学生较少，指导教授将手把手亲自指导学生。
发展清洁的可再生能源是解决能源短缺和环境污染、实现“碳达峰碳中和”目标的重要途径。直接将太阳能转换成电能的光伏发电技术是一种最清洁有效的太阳能利用方式之一。然而，昼夜交替和气候变化导致光伏间断性发电，不能持续的能源供给。为此，将光伏发电与储能器件集成，将太阳能转化为电能，并以化学能的形式可逆地储存电能，即时储存光伏产生的电能并在所需的时间和地点释放，可解决光伏发电不稳定的难题。当下最常见的集成方法是将光伏发电器件直接与储能器件串联，尽管这种集成方式简单，但是需要匹配两种器件的电压、电流和寿命等，且系统的质量和体积大，无法用作稳定的移动电源。将光伏单元和储能单元集成，在单个器件中实现能量转换和存储具有体积小、重量轻、效率高等优点。
高能量密度、高功率密度、高安全、长寿命（三高一长）的稳定电源是电动汽车、消费类电子设备、便携式军事装备等产业的发展关键。如在全球最先进的单兵作战系统中，发电+储电等电源重量占士兵总负荷的超过40%。“三高一长”的轻量化稳定电源，可大幅度提升作战效能，是各国军事智能化亟待解决的重要难题。基于无机材料构建的传统电池，都是以离子扩散或转化反应为储能机理，无法突破“三高一长”的瓶颈。本项目发展“发电+储电”一体的新技术，研发在阳光、空气等自然力驱动下即可自动充电的新材料和电源系统，对规模储能、便携式设备等产业具有重要的变革性意义。
针对不同应用场景提出两种方案：一是利用阳光自充电，一种材料同时实现光电转化与电荷存储；二是利用空气氧化放电态的电极材料，实现氧化自充电。为此，本课题提出“分子基元能量转化+限域微结构化学储能”的多功能材料设计新思想，借助机器学习，筛选三嗪、氰胺等多功能分子，在发电功能分子上构筑具有空间限域效应的微结构以实现储电功能，研发可移动、可自动充电的超时长稳定电源，为单兵作战系统提供轻量化的全天候可持续电源。