中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系談鵬特任教授團(tuán)隊(duì)提出了一種火星電池，由火星大氣成分作為電池反應(yīng)燃料物質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)性能。該成果以“A high-energy-density and long-cycling-lifespan Mars battery”為題發(fā)表在綜合類學(xué)術(shù)期刊《Science Bulletin》上。

鋰二氧化碳電池利用金屬鋰和二氧化碳作為反應(yīng)物，被認(rèn)為在火星探測(cè)中具有潛在應(yīng)用價(jià)值（火星大氣中二氧化碳含量高達(dá)95.32%）。然而，現(xiàn)有研究通常忽略了火星的復(fù)雜環(huán)境，包括多種氣體成分（95.32% CO2、2.7% N2、1.6% Ar、0.13% O2、0.08% CO）以及劇烈的溫度波動(dòng)（晝夜溫差約為60oC）。針對(duì)這一問題，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種以火星大氣為直接燃料的火星電池，并結(jié)合溫度波動(dòng)測(cè)試，極大程度地模擬了火星表面的真實(shí)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)輸出電能的火星電池系統(tǒng)。在0oC低溫下測(cè)得該電池的能量密度高達(dá)373.9 Wh/kg，循環(huán)壽命達(dá)1375小時(shí)（約2個(gè)火星月）。

研究表明，火星電池的電化學(xué)性能在0-60oC范圍內(nèi)具有顯著的溫度依賴性。在高溫條件下，電壓間隙為1.6V，倍率為0.4 A/g，功率密度為3.9 W/m²。具體來說，該電池在充放電過程中伴隨著碳酸鋰的生成和分解電化學(xué)反應(yīng)。通過一體化電極制備和折疊式電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)將電芯尺寸放大至2×2cm²，進(jìn)一步提升了軟包電池的能量密度至765 Wh/kg和630 Wh/L。這項(xiàng)研究為火星電池在實(shí)際火星環(huán)境中的應(yīng)用提供了概念驗(yàn)證，并為未來太空探索中的多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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火星電池的應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿?/div>

此前，團(tuán)隊(duì)的博士生張卓君作為論文的第一作者，通過時(shí)空分辨技術(shù)建立了一體化厚氣體電極的微觀行為與宏觀電化學(xué)性能之間的聯(lián)系。這一研究為本次火星電池中所采用的一體化厚氣體電極設(shè)計(jì)提供了理論和技術(shù)支持。相關(guān)成果以“Unravelling the Capacity Degradation Mechanism of Thick Electrodes in Lithium-Carbon Dioxide Batteries via Visualization and Quantitative Techniques”為題，作為“Editor’s Choice”發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》上。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)肖旭博士后為論文第一作者，談鵬特任教授為通訊作者。本工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)博士后基金會(huì)以及中國(guó)科大基金等項(xiàng)目的資助。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.06.033

https://doi.org/10.1002/adfm.202407422