“火星電池”使我國火星探測(cè)事業(yè)“自給自足”

近日，中國科技大學(xué)的談鵬教授、博士后肖旭等人研制出了一種利用火星大氣組成(模擬火星大氣層的配比)為活性燃料的“火星電池”，具有較高的能量密度和較長(zhǎng)的壽命。有關(guān)結(jié)果已于《科學(xué)通報(bào)》刊登。它的能量密度為373.9 Whkg，使用壽命為1375個(gè)小時(shí)。

長(zhǎng)期以來，受限于火箭的承載能力，如何為火星探測(cè)器提供足夠持久的能量供給是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。盡管常規(guī)太陽電池板得到了廣泛的應(yīng)用，但是其在火星上風(fēng)沙彌漫的極端條件下，其效率將大大降低。然而，大規(guī)模的化學(xué)燃料電池存在重量大和安全隱患大等問題。

談鵬的研究小組選擇了另外一條路，從火星的大氣中尋找答案。該研究小組開發(fā)出一種獨(dú)一無二的“火星電池”，這種電池可以在釋放的過程中直接吸收火星的大氣層，從而大大降低了電池的重量。在沒有電的情況下，它還可以在火星上使用太陽能等能量，為下一次放電做好準(zhǔn)備。在此基礎(chǔ)上，課題組通過對(duì)火星地表溫度的變化進(jìn)行仿真，研制出了“火星電池”，并可持續(xù)發(fā)電。

但要把這種情況變成現(xiàn)實(shí)，卻不是一件容易的事?；鹦谴髿猸h(huán)境復(fù)雜，大氣組成多樣(二氧化碳95.32%，氮?dú)?.7%，氬氣1.6%，氧0.13%，一氧化碳0.08%)，氣溫起伏大(日溫差60℃)。談鵬教授的研究小組根據(jù)實(shí)際情況，研制了專門的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)不同溫度、壓力、氣體組分等條件下的電池性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，“火星電池”可以在零度以下的低溫環(huán)境中，持續(xù)輸出電力，達(dá)到了373.9瓦/千克的能量密度，以及1375小時(shí)的循環(huán)壽命!在0到60℃之間，“火星電池”的電化學(xué)特性與溫度有著明顯的相關(guān)性。鋰離子電池在充放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生碳酸鋰并進(jìn)行分解，而空氣中的氧、一氧化碳等元素將作為一種化學(xué)反應(yīng)催化劑，極大地提高了CO2的反應(yīng)速率。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目提出了一種新型的、可折疊的、可折疊的電極結(jié)構(gòu)，使火花氣體的有效反應(yīng)區(qū)域最大化。

此外，該小組還發(fā)現(xiàn)，該電池在較高溫度下也表現(xiàn)優(yōu)異。該電池在60℃的溫度范圍內(nèi)，其電壓差1.6 V，倍率0.4 A/g，功率密度3.9 W/m2，足以滿足火星探測(cè)器對(duì)能量的要求。

在下一步的研究中，固態(tài)“火星電池”將會(huì)被進(jìn)一步發(fā)展，這將是一個(gè)多能互補(bǔ)的能量體系的發(fā)展，為將來的空間探險(xiǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。