科学家研发火星电池，用火星大气成分作为反应燃料，寿命约两个火星月

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近日，中国科学技术大学谈鹏教授团队造出一种火星电池。该电池可以使用火星大气成分，来作为电池反应燃料物质，并能实现较高的能量密度、以及较长时间的循环性能。

（来源：Science Bulletin）

在 0 摄氏度低温下，这款电池的能量密度达到 373.9Wh/kg，循环寿命达 1375 小时（约为两个火星月）。

对于相关论文审稿人评价称，本次研究详细展示了火星电池的概念、应用潜力和电化学性能，能为开发太空能源供应系统带来一定启发。

研究人员表示：“我们的目标就是希望开发能够实现火星资源原位利用的电源系统。”

虽然目前和实际应用尚有一定距离，但他们希望能为太空资源利用提供一定参考，即未来或能直接使用行星自身的环境资源来提供能源，从而开发更加有效的能量转化与存储系统。

图 | 谈鹏（来源：谈鹏）

为火星造电池

对于锂空气电池锂体系来说，空气中的氧气是电池中的反应物。由于空气不占据电池内的质量和空间，因此电池具有极高的能量密度。

为了确保电池能够稳定工作，需要尽可能地除去空气中的杂质气体，例如除去二氧化碳和水分，这也是一些电池被称为锂氧气电池的原因。

此前，曾有论文报道称如果将氧气换成二氧化碳，电池也能充放电，并且性能可以和锂氧气电池相媲美。

这引起了谈鹏极大的研究兴趣，但是受制于时间原因和实验条件，他在当时并未针对锂二氧化碳电池体系开展研究。

入职中国科学技术大学之后，他建立了自己的课题组，并开始研究锂氧气电池和锂二氧化碳电池等锂气体电池。

要想了解锂二氧化碳电池，先得了解一下锂气体电池体系。电池的结构主要包括：金属锂、多孔空气电极、以及含有电解质的隔膜。

由于锂和水会发生反应影响，并会影响电池的稳定性和安全性。

尽管这类电池的名字叫作空气电池，但是在这类电池完成组装之后，并不能放在空气中 ，而是要放在相对纯净的气体之中，例如放在氧气或放在二氧化碳中开展 。

为了营造这种 条件，人们通常会采用一个 舱，并让其中充满对应的气体。

通过使用这种 系统，该团队开始了相应的研究。锂氧气电池实验展现出较好的可重复性和稳定性。

在锂二氧化碳电池的实验中，课题组发现电池放电电压实验的可重复性较差。

理论上，电池的平衡电压是 2.8V。此前学界在已有文献中测出来的放电电压一般在 2.6V 左右。

但是，对于同样的电池材料，该团队在实际 时发现有时电压是 2.6V。尽管这和已有文献报道 接近，但是一旦进行放电，电压就会迅速下降到 2.0V。

于是他们开始猜测：是不是截止电压设得太高了？于是，他们将截止电压设得更低甚至接近 0V，结果发现尽管电池存在电压 ，但是电压仅仅在 1.5V 左右，和已有文献报道存在巨大差异。

这让课题组在很长一段时间里陷入了自我怀疑，即为何不能稳定地重复已有的文献结果？是不是电池夹有问题？是不是电池组装手法有问题？

在各种尝试均以失败告终之后，他们将目光转向 舱。大家开始猜想：会不会是 舱有问题？难道是密封不好出现了漏气？

于是，他们重新设计一个 系统，让电池的空气电极直接和 气氛相连，同时确保不会

受到其他气体的干扰。并针对电池本身的气密性加以 ，保证不存在气体泄露的情况。

（来源：资料图）

在这套 系统的帮助之下，他们先是 了锂氧气电池，结果发现性能和已有文献报道 一致，这说明系统的可靠性较高。

接着，他们 了二氧化碳气氛，发现电压只有 1.1V 左右，同时实验表现出较好的重复性。

随后，他们又进行新的 和表征，结果发现确实发生了锂和二氧化碳的电化学反应，同时并不存在任何机理问题。

为何实验中的电压和大部分已有文献报道存在差异？难道是 舱存在泄漏？如果是的话又是什么气体导致的？

为厘清上述问题，他们在二氧化碳气氛之中添加微量的杂质气体，结果发现只需微弱的水分和氧气，就能显著地提升电池的电压。

进一步地，只需将 舱拧松一点，电压就能神奇地变为 2.6V 左右。也就是说，在单纯的二氧化碳气氛之下，电池的电压只能处于较低水平。

而恰恰因为 舱漏气导致水分和氧气的进入，才让电池的电压得以提升。

通过此，该团队揭示了锂二氧化碳电池的真实工作电压。后来，他们将上述成果整理为论文，并发表在 PNAS 上 [1]。

针对这篇论文，有关媒体也发表了题为《锂二氧化碳电池未来发展方向或被重新定义》的报道文章。

在此基础之上课题组开始思考：既然纯净的二氧化碳气氛不会给电池电压带来太多优势，而杂质气氛却可以显著提升电压，那么锂二氧化碳电池到底能被用于哪些环境？

以火星为例，火星大气中含有 95% 以上的二氧化碳。事实上，在学界提出锂二氧化碳电池不久之后，就有论文指出可以将其用于火星。

对于火星的大气环境来说，不能仅仅考虑二氧化碳气氛。因为火星里不仅存在杂质气氛，而且还有剧烈的温度波动。

杂质气氛和温度变化，到底会对电池性能带来哪些影响？为此，该团队开展了本次关于火星电池的研究。

由于需要针对气氛进行调控，为此要调配出和火星气一样的气体组分和分压。还要针对温度加以良好控制，以确保能在低温下 较长的时间。

通过精心设计的实验他们发现：电池在充放电过程中，会伴随着碳酸锂的生成，同时还会分解电化学反应，并且电池性能存在强烈的温度依赖性。

而在投稿过程中，课题组也曾经历过一些波折。期间，曾有审稿人让他们探究宇宙射线和陨石对于电池安全性的影响。

“这显然已经超出了我们的研究范围和实验范畴。目前的成果只能说是一个阶段性成果，同时也 感谢 Science Bulletin 给予我们发表论文的机会。”研究人员表示。

日前，相关论文以《高能量密度和长循环寿命的火星电池》（A high-energy-density and long-cycling-lifes n Mars b tery）为题发在 Science Bulletin（IF 18.8）。

肖旭博士是 作者，谈鹏担任通讯作者 [2]。

图 | 相关论文（来源：Science Bulletin）

争取为深空探测贡献一份力量

整体来看，目前的工作还 初步，仅在概念上验证了原位利用火星资源的可行性，比如验证了当使用火星气体作为燃料发电时，能在一定的稳定范围内让电池进行工作。

如前所述，本次成果要想在火星环境中实现应用，还需要 一些挑战。

其一，火星大气之中除了存在 95% 的二氧化碳气体之外，还存在氮气、氩气、氧气等组分，这些组分的互相纠结，到底会给电池性能带来何种影响？

针对此还需进行深入研究，以便在利用有效气体的同时排除有害气体。

其二，火星表面的平均大气压强甚至达不到地球平均大气压强的 1%，即火星的大气压力 低。

这会导致作为反应气体的二氧化碳在电池中的浓度过低，以至于会影响反应动力学。

这会造成液态电解质的挥发，从而会影响火星气电池这种半开放系统的稳定性。

再次，火星的平均气温相对较低，只有大约零下 60 摄氏度，这不仅远远低于地球的平均温度，并且火星上昼夜温差极大的气候特点，会导致电池性能发生剧烈波动甚至失效。

火星上气体稀薄，并伴随着飓风，这会给电池的运行稳定性产生重要影响。

未来他们计划开展三方面的研究：

一方面，将深入研究电池内部机理，例如研究不同气体组分的影响、压强和温度，对于反应动力学的作用等。

二方面，将开发高性能的电池材料，包括开发高性能催化剂、高稳定金属电极、高透气率空气电极、稳定的电解质体系（例如半固态电解质或全固态电解质）。

三方面，将开发电芯辅助系统，包括通过开发气体调控单元来过滤有害气体组分，从而让气压调控单元为电池输入合适的压力，并让电池在合适的稳定范围之内工作。

对于本次火星电池的反应机理，尤其是微量气氛和温度对于反应路径的影响，目前该团队正在开展新的研究。后续，他们也将继续探究特殊环境之下的电池机理与性能优化。

他们希望开发出能在火星环境中稳定 工作的电源系统，从而为火星资源的原位利用提供可行性方案，争取为深空探测贡献一份力量。

对于锂二氧化碳电池来说，该团队认为火星电池是其中的一个分支应用方向。

既然二氧化碳气体能被作为燃料气体反应发电并能生成碳，而且杂质气体对于电池性能可能还存在促进作用，那么能否将该技术用于二氧化碳捕获？

要想实现这一目标需要克服几大难题：

针对气体组分加以调控，以便更有利于反应的进行。

实现固体产物的收集，也就是把生成的碳收集起来，避免造成多孔电极的堵塞。

由于金属电极是消耗品，因此还得设法实现金属燃料的补给。

（来源：课题组）

针对这些问题，课题组也已开展了一系列研究，还以《“碳锁”——面向工业废气“固碳-发电”的新型锂二氧化碳电池》为项目，参加全国大学生节能减排创新大赛并获得了特等奖。

“新的相关论文还在路上，有兴趣的话欢迎继续关注！”研究人员最后表示。

参考资料：

1.https://doi.org/10.1073/pnas.2217454120

2.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927324004584?via%3Dihub

排版：初嘉实