今天小編分享的科學經驗：最新成果！我國科學家研制出一種火星電池，能量密度高，循環壽命長，歡迎閲讀。
人類對太空的探索不斷深入，火星，這顆紅色星球，一直以來都充滿着神秘色彩。
火星車是火星探測的重要技術裝備，從美國的 " 勇氣号 " 和 " 機遇号 " 到中國的 " 祝融号 "，它們攜帶着先進的科技裝備，正逐步揭開火星的神秘面紗。然而，在這些探索任務的背後，能源供應始終是一個不可忽視的挑戰，提供能源的火星電池也逐漸成為各界的研究熱點。
火星。圖片來源：圖蟲創意
與我們生存的地球不同，火星上的環境較為特殊。火星的大氣主要由二氧化碳、氮氣、氩氣、氧氣、一氧化碳等組成。其中，二氧化碳的含量最為豐富，超過了 90%。此外，由于火星的軌道特點和稀薄的大氣層共同作用，火星的温差極大。
火星電池，顧名思義，是一種專為火星環境設計的電池系統。火星電池作為多能源互補系統的一部分，為火星探測任務提供穩定可靠的電力供應。目前，火星探測中使用的電池種類多樣，包括锂離子電池、核電池、太陽能電池等。
探測器在沙塵暴期間探索火星表面。圖片來源：圖蟲創意
锂離子電池是目前火星探測任務中廣泛使用的便攜式可充電電池，為火星車和其他探測設備提供電力，其工作原理主要通過锂離子在正負極之間的嵌入和脱嵌來實現充放電過程。
核電池使用放射性同位素作為燃料，利用換能器件将放射性同位素衰變時釋放出射線的能量轉換為電能，該電池具有壽命長和可靠性高的優點。
太陽能電池是另一種在火星探測中廣泛使用的能源供應方式。它們通過收集火星表面的太陽光來產生電力，為火星車和其他設備提供可再生能源。但是，火星上的光照條件和温度對太陽能電池的性能影響較大，雖然它們在光照條件下性能良好，但火星環境下的沙塵暴和日夜較大的温差會影響電池的性能。
随着對火星探測的深入，新型火星電池也在不斷開發。基于火星中二氧化碳含量巨大的特點，研究者開發了一種新型的 Li-CO2 電池（锂二氧化碳電池），該電池使用二氧化碳作為陰極材料，碳化锂作為正極材料。
電池基于锂離子和二氧化碳之間的電化學反應實現充放電。在放電過程中，锂離子在陽極被氧化，同時二氧化碳在陰極被還原，形成碳酸锂并釋放電能；充電過程則相反，碳酸锂被分解，锂離子在陰極被還原，二氧化碳在陽極被氧化。Li-CO2 電池比傳統锂離子電池在部門體積或質量所釋放出的電能更多，即能量密度更高，有利于設備長久續航，但是，純 CO2 反應機制無法完全适應火星大氣。
锂二氧化碳電池。圖片來源：參考文獻 [ 2 ]
近期，我國科學家研制了一種能夠利用火星大氣作為電池反應燃料的火星電池，可實現高能量密度和高循環性能。
在該火星電池的設計上，科學家巧妙地将電池放電時直接吸入的火星大氣作為燃料，極大減輕了電池的自身重量。該火星電池采用二氧化钌 / 碳納米管（CNT）作為陰極材料，能夠促進火星大氣中 CO2、O2 和 CO 的高效氧化還原反應。同時，選用低揮發性、高穩定性的四乙二醇二甲基醚作為電解液，滿足火星上較大温差變化情況的工作需求。
火星探測能源供應系統的定位和工作原理示意圖。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]
研究者對火星電池的性能進行測試。結果表明，該電池在 0 ℃低温下仍能驅動電子設備，在 0 ℃時測得該電池的能量密度高達 373.9 Wh/kg，循環壽命超過 1300 個小時，即該電池在火星上能夠持續使用約 2 個火星月。
經測試，該火星電池在 0 ℃ -60 ℃温度範圍内的電化學性能具有顯著的温度依賴性，輸出電壓和功率密度随温度升高而增加，電化學性能保持穩定。
同時，研究者通過一體化電極制備和折疊式電池結構設計，将電池的電芯尺寸進一步放大至 2 × 2cm ²，通過提升火星大氣的有效反應面積，來提升電池的能量密度。這種電池系統不僅大幅減輕了電池本身的重量，還通過循環利用火星大氣中的資源，實現了能源的自給自足，為未來太空探索中的多能互補能源系統的發展奠定了基礎。
火星電池的應用論證與發展潛力（a-c：電池分别在 0 ℃ ,20 ℃和完全黑暗的環境下為宇航員電子表供電；d：0 ℃，e：20 ℃的同步紅外影像；f-g：試驗前後的開路電壓；h：高能量密度電池照片；i：權重分布餅狀圖；j：火星電池與優化組件在 60 ℃時的能量密度對比圖）。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]
火星電池的出現不僅标志着能源儲存技術的又一次重大突破，更為人類探索宇宙的宏偉目标開辟了更加廣闊的道路。我們有理由相信，在不久的将來，火星電池将在火星探測任務中發揮更加重要的作用，為人類航天的未來發展貢獻出一份力量！
參考文獻
[ 1 ] Xiao X , Zhang Z , Yan A ,et al.A high-energy-density and long-cycling-lifespan mars battery [ J ] .Science Bulletin. DOI:10.1016/j.scib.2024.06.033.
[ 2 ] Hao Q Q , Zhang Z , Mao Y ,et al.Catalysts for LiCO2 Batteries: From Heterogeneous to Homogeneous [ J ] . ChemNanoMat, 2021. DOI:10.1002/cnma.202100381.
[ 3 ] Li C, Zheng Y, Wang X, et al. Layered subsurface in Utopia Basin of Mars revealed by Zhurong rover radar. Nature 2022;610:308 – 12.
[ 4 ] 譚沐風 , 黃冠龍 , 寧麒丞 . 火星表面散射光對太陽電池發電影響研究 [ J ] . 電源技術 , 2020, 44 ( 1 ) :4.DOI:CNKI:SUN:DYJS.0.2020-01-023.
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出品丨科普中國
作者丨石霧遙 生物學博士
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