新型火星电池研发成功：能量密度达373.9 Wh/kg，循环寿命超1350小时
新型火星电池研发成功：能量密度达373.9 Wh/kg，循环寿命超1350小时
火星探索是当前全球主要国家之间的经济和技术竞争领域。随着火星探测任务的不断深入，对能源供应系统的要求也越来越高。近日，中国科学家研发出一种新型火星电池，该电池直接利用火星大气作为动力源，在能量密度、循环寿命和温度适应性方面均取得了突破性进展，为未来火星探测任务提供了新的能源解决方案。
研究背景
火星探索已成为全球主要国家之间的经济和技术竞争领域。自2004年美国NASA的火星科学实验室成功着陆勇气号和机遇号火星车以来，火星探索取得了显著进展。2021年，中国的天问一号探测器成功在火星上着陆祝融号火星车，达到90个火星日的探索目标。与此同时，欧洲航天局和俄罗斯联邦航天局也计划于2022年进行ExoMars-2022项目。
火星车的能源供应系统是火星探索的重要技术之一，目前主要依赖便携式锂离子电池（LIBs）和太阳能板、核电池的组合。然而，LIBs的能量密度有限，约为350 Wh/kg，这降低了航天任务的容错性并增加了成本。因此，亟需更高能量密度和更长循环寿命的电池系统。
锂-二氧化碳（Li-CO2）电池被认为是适合火星探索的下一代储能系统，其理论能量密度可达到1876 Wh/kg。然而，火星大气的复杂成分影响了Li-CO2电池的性能，特别是微量的氧气和二氧化碳的存在。研究表明，少量的氧气可以正向激活CO2还原反应，并提高电池工作电压。
此外，火星的极端温差（昼夜温差约为60°C）对锂离子电池性能构成挑战，低温可能导致电池冻伤，影响反应界面和反应动力学。因此，研究锂-火星气体电池在宽温度范围内的电化学性能是至关重要的，以提高火星能源系统的实际应用能力。
研究思路
在这篇简短的通信中，研究人员提供了一个火星电池的概念证明，并评估了其在火星环境中的探索潜力。火星电池是一种特殊的能量存储系统，直接利用真实的火星大气作为驱动，展现出以下特点：
- 高能量密度：达到373.9 Wh/kg
- 长循环寿命：在低温（0°C）下超过1350小时
- 广泛的温度电化学性能：在日温差范围内表现出电压差距为1.6V，速率为0.4 A/g，以及功率能力为3.9 W/m²
此外，研究还探讨了低温火星电池在电子设备中的应用潜力，开发了一种尺寸为2 cm × 2 cm的软包电池，其单体能量密度高达765 Wh/kg和630 Wh/L。这项工作旨在提出一种锂-火星气体电池，以适应火星自然环境，并推进多功能的多能互补能源供应系统，为火星探索提供支持。
研究结果
图1.一流火星电池更新的火星探索能量供应系统。（a）火星探索能量供应系统中定位和工作原理的示意图。火星电池与锂-二氧化碳电池的性能比较。（b）在100 mA g⁻¹下的容量-电压曲线。（c）在0.1 mV s⁻¹扫描速率下的CV曲线。（d）多维性能。火星电池的性能优势。（e）代表性商业电池和报告电池的电池级特定（Wh kg⁻¹）和体积（Wh L⁻¹）能量密度的Ragone图，星号分别表示0、25和60℃时的最小值、中值和最大值。（f）在0℃低温下的超长工作寿命，500 mAh g⁻¹（放电/充电深度约20%）每循环在100 mA g⁻¹下，插图显示了最后四次循环曲线和锂阳极两侧的照片。
图2. 全温度火星电池的应用示范和发展潜力。 (a–c) 电池在0℃、20℃及完全黑暗环境中分别为宇航员模式和电子手表供电（详见在线电影S1）。同步红外图像分别为(d) 0℃和(e) 20℃。 (f, g) 测试前后开路电压的比较。 (h) 一张高能量密度袋式电池的照片，尺寸为2 cm × 2 cm，采用双层折叠电池结构，配备高负载的独立RuO2/CNT阴极。 (i) 重量分布饼图。 (j) 在60℃下优化组件的火星电池能量密度比较图。
研究结论
总结而言，我们已研发出一款火星电池，用于太空探索，其直接由火星大气提供动力。我们评估了该电池在火星上极端温度波动情况下的宽温电化学性能，以适应火星的严峻温度变化。火星电池的能量密度高达373.9 Wh kg(^{-1})，在0°C下循环寿命长达2个火星月。其宽温性能表现为电压差距为1.6 V，速率0.4 A g(^{-1})，功率能力为3.9 W m(^{-2})。通过优化结构和集成阳极，火星电池的单体性能进一步提升至765 Wh kg(^{-1})和630.1 Wh L(^{-1})。由于其电化学性能和环境适应性，该系统展现出巨大的应用潜力和发展前景，对于下一代火星电源具有极大的希望。