nachricht

kürzlich hat das team von professor tan peng an der universität für wissenschaft und technologie in china eine marsbatterie entwickelt.die batterie kann atmosphärische komponenten des mars als batteriereaktionsbrennstoffmaterial nutzen und eine höhere energiedichte und eine längere zyklusleistung erreichen.

bei einer niedrigen temperatur von 0 grad celsiusdiese batterie hat eine energiedichte von 373,9 wh/kg und eine zyklenlebensdauer von 1375 stunden (ungefähr zwei marsmonate).

rezensenten verwandter veröffentlichungen bemerkten, dass diese studie das konzept, das anwendungspotenzial und die elektrochemische leistung von marsbatterien im detail demonstrierte, was einige inspirationen für die entwicklung von weltraumenergieversorgungssystemen liefern könnte.

forscher erklärten:„unser ziel ist die entwicklung eines stromversorgungssystems, das eine in-situ-nutzung der marsressourcen ermöglichen kann.“

auch wenn es noch einen gewissen abstand zu praktischen anwendungen gibt, hoffen sie, einen anhaltspunkt für die nutzung der weltraumressourcen zu liefern. in zukunft könnten die eigenen umweltressourcen des planeten direkt zur energiebereitstellung genutzt werden, um so eine effektivere energieumwandlung zu entwickeln speichersysteme.

batterien für den mars bauen

bei lithium-luft-batterie-lithiumsystemen ist der luftsauerstoff ein reaktant in der batterie. da luft weder masse noch raum in der batterie einnimmt, weist die batterie eine extrem hohe energiedichte auf.

um jedoch sicherzustellen, dass die batterie stabil arbeiten kann, ist es notwendig, verunreinigte gase aus der luft so weit wie möglich zu entfernen, wie z. b. kohlendioxid und feuchtigkeit, weshalb einige batterien als lithium-sauerstoff-batterien bezeichnet werden.

zuvor wurde in einem artikel berichtet, dass die batterie auch geladen und entladen werden kann, wenn der sauerstoff durch kohlendioxid ersetzt wird, und dass ihre leistung mit der von lithium-sauerstoff-batterien vergleichbar ist.

dies weckte tan pengs großes forschungsinteresse, allerdings betrieb er zu diesem zeitpunkt aus zeitgründen und experimentellen bedingungen keine forschungen zu lithium-kohlendioxid-batteriesystemen.

nach seinem eintritt an die universität für wissenschaft und technologie in china gründete er seine eigene forschungsgruppe und begann, lithium-gasbatterien wie lithium-sauerstoff-batterien und lithium-kohlendioxid-batterien zu untersuchen.

um lithium-kohlendioxid-batterien zu verstehen, müssen sie zunächst das lithium-gas-batteriesystem verstehen. die struktur der batterie besteht hauptsächlich aus metallischem lithium, einer porösen luftelektrode und einem elektrolythaltigen separator.

lithium und wasser reagieren und beeinträchtigen die stabilität und sicherheit der batterie.

obwohl dieser batterietyp als luftbatterie bezeichnet wird, kann er nach dem zusammenbau nicht an der luft, sondern in einem relativ reinen gas wie sauerstoff oder kohlendioxid getestet werden.

um solche testbedingungen zu schaffen, nutzt man üblicherweise eine testkammer und füllt diese mit dem entsprechenden gas.

mit diesem testsystem begann das team mit der entsprechenden forschung. unter anderem zeigte das experiment mit der lithium-sauerstoff-batterie eine gute wiederholbarkeit und stabilität.

bei experimenten mit lithium-kohlendioxid-batterien stellte das forschungsteam jedoch fest, dass die wiederholbarkeit von batterieentladespannungsexperimenten schlecht war.

theoretisch beträgt die ausgleichsspannung der batterie 2,8 v. die bisher von akademischen kreisen in der vorhandenen literatur gemessene entladespannung liegt im allgemeinen bei etwa 2,6 v.

bei demselben batteriematerial stellte das team jedoch fest, dass die spannung während des tatsächlichen tests manchmal 2,6 v betrug. obwohl dies den vorhandenen literaturberichten sehr nahe kommt, sinkt die spannung nach der entladung schnell auf 2,0 v.

also begannen sie zu raten: ist die abschaltspannung zu hoch eingestellt? daher stellten sie die abschaltspannung niedriger oder sogar nahe bei 0 v ein. sie stellten fest, dass die batterie zwar über eine spannungsplattform verfügte, die spannung jedoch nur etwa 1,5 v betrug, was sich erheblich von den vorhandenen literaturberichten unterschied.

dies führte dazu, dass das forschungsteam lange zeit in selbstzweifel geriet. warum können sie die vorhandenen literaturergebnisse nicht stabil wiederholen? stimmt etwas mit dem batterieclip nicht? stimmt etwas mit der batteriemontagemethode nicht?

nachdem verschiedene versuche fehlschlugen, wandten sie ihre aufmerksamkeit der testkammer zu. alle fragten sich: könnte es ein problem mit der testkabine geben? könnte es sein, dass die dichtung nicht gut ist und luft austritt?

daher haben sie ein testsystem neu entwickelt, um die luftelektrode der batterie direkt mit der testatmosphäre zu verbinden und gleichzeitig sicherzustellen, dass keine luftelektrode vorhanden ist

störungen durch andere gase. und die luftdichtheit der batterie selbst wird getestet, um sicherzustellen, dass kein gas austritt.

mit hilfe dieses testsystems testeten sie zunächst die lithium-sauerstoff-batterie und stellten fest, dass die leistung sehr gut mit vorhandenen literaturberichten übereinstimmte, die zeigten, dass das system äußerst zuverlässig war.

dann testeten sie die kohlendioxidatmosphäre und stellten fest, dass die spannung nur etwa 1,1 v betrug und das experiment eine gute wiederholbarkeit zeigte.

anschließend führten sie neue tests und charakterisierungen durch und stellten fest, dass die elektrochemische reaktion zwischen lithium und kohlendioxid tatsächlich stattfand und es keine mechanischen probleme gab.

warum unterscheidet sich die spannung im experiment von den meisten vorhandenen literaturberichten? gibt es ein leck in der testkabine? wenn ja, welches gas verursacht es?

um die oben genannten probleme zu klären, fügten sie der kohlendioxidatmosphäre spuren von verunreinigungsgasen hinzu. sie stellten fest, dass nur geringe mengen an feuchtigkeit und sauerstoff die spannung der batterie signifikant erhöhen konnten.

darüber hinaus ändert sich die spannung durch einfaches lösen der prüfkammer auf magische weise auf etwa 2,6 v. mit anderen worten: in einer reinen kohlendioxidatmosphäre kann die spannung der batterie nur auf einem niedrigen niveau liegen.

gerade durch die leckage in der prüfkammer gelangen wasser und sauerstoff, wodurch die batteriespannung erhöht werden kann.

dadurch enthüllte das team die wahre betriebsspannung von lithium-kohlendioxid-batterien. später stellten sie die oben genannten ergebnisse in einem papier zusammen und veröffentlichten es in pnas auf [1].

als reaktion auf dieses papier veröffentlichten relevante medien auch einen artikel mit dem titel „die zukünftige entwicklungsrichtung von lithium-kohlendioxid-batterien könnte neu definiert werden.“

auf dieser grundlage begann die forschungsgruppe zu überlegen: in welchen umgebungen können dann lithium-kohlendioxid-batterien eingesetzt werden, da eine atmosphäre aus reinem kohlendioxid keinen großen vorteil für die batteriespannung bringt, eine verunreinigte atmosphäre die spannung jedoch deutlich erhöhen kann?

am beispiel des mars besteht die atmosphäre des mars zu mehr als 95 % aus kohlendioxid. tatsächlich wurde nicht lange nachdem die akademische gemeinschaft lithium-kohlendioxid-batterien vorgeschlagen hatte, in einem artikel darauf hingewiesen, dass sie auf dem mars eingesetzt werden könnten.

für die atmosphärische umgebung des mars kann man jedoch nicht nur die kohlendioxidatmosphäre berücksichtigen. denn auf dem mars herrscht nicht nur eine verunreinigte atmosphäre, sondern auch starke temperaturschwankungen.

welchen einfluss haben also verunreinigte atmosphäre und temperaturänderungen auf die batterieleistung? zu diesem zweck führte das team diese forschung an marsbatterien durch.

da die atmosphäre kontrolliert werden muss, müssen die gleiche gaszusammensetzung und der gleiche partialdruck wie beim marsgas hergestellt werden. gleichzeitig muss die temperatur gut kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass über einen längeren zeitraum bei niedrigen temperaturen getestet werden kann.

durch sorgfältig geplante experimente stellten sie fest, dass während des lade- und entladevorgangs der batterie lithiumcarbonat entsteht, es auch zu elektrochemischen zersetzungsreaktionen kommt und die batterieleistung eine starke temperaturabhängigkeit aufweist.

während des einreichungsprozesses erlebte das forschungsteam auch einige wendungen. während dieser zeit wurden sie von einem gutachter gebeten, die auswirkungen von kosmischer strahlung und meteoriten auf die batteriesicherheit zu untersuchen.

„dies liegt offensichtlich außerhalb des rahmens unserer forschung und unseres experiments. daher kann man die aktuellen ergebnisse nur als phasenergebnisse bezeichnen, und wir sind auch sehr dankbar.“ wissenschafts-bulletin geben sie uns die möglichkeit, unsere arbeit zu veröffentlichen. “, sagten die forscher.

kürzlich wurde ein verwandter artikel mit dem titel „eine marsbatterie mit hoher energiedichte und langer zyklenlebensdauer“ veröffentlicht wissenschafts-bulletin(wenn 18,8)。

dr. xiao xu ist der erstautor und tan peng fungiert als korrespondierender autor[2].

bemühen sie sich, zur erforschung des weltraums beizutragen

insgesamt sind die aktuellen arbeiten noch sehr vorläufig und prüfen lediglich konzeptionell die machbarkeit einer in-situ-nutzung der marsressourcen. beispielsweise wurde nachgewiesen, dass die batterie bei der verwendung von marsgas als treibstoff zur stromerzeugung innerhalb einer bestimmten stabilität betrieben werden kann reichweite.

allerdings müssen, wie oben erwähnt, noch einige herausforderungen gelöst werden, bevor dieses ergebnis auf die marsumgebung angewendet werden kann.

erstens gibt es in der marsatmosphäre neben 95 % kohlendioxid auch komponenten wie stickstoff, argon und sauerstoff. wie wirkt sich die verflechtung dieser komponenten auf die batterieleistung aus?

um schädliche gase zu eliminieren und gleichzeitig wirksame gase zu nutzen, sind eingehende forschungsarbeiten erforderlich.

zweitens beträgt der durchschnittliche atmosphärendruck auf der marsoberfläche nicht einmal 1 % des durchschnittlichen atmosphärendrucks auf der erde, das heißt, der atmosphärendruck auf dem mars ist sehr niedrig.

erstens führt dies zu einer zu geringen konzentration von kohlendioxid als reaktionsgas in der batterie, was auswirkungen auf die reaktionskinetik hat.

zweitens führt dies zur verflüchtigung des flüssigen elektrolyten, was die stabilität halboffener systeme wie mars-gasbatterien beeinträchtigen wird.

drittens ist die durchschnittstemperatur auf dem mars relativ niedrig, sie beträgt nur etwa minus 60 grad celsius. dies ist nicht nur weit niedriger als die durchschnittstemperatur auf der erde, sondern auch die klimaeigenschaften des mars mit einem enormen temperaturunterschied zwischen tag und nacht führen zu drastischen auswirkungen schwankungen in der batterieleistung oder sogar ein ausfall auftreten.

schließlich ist das gas auf dem mars dünn und wird von hurrikanen begleitet, was erhebliche auswirkungen auf die betriebsstabilität der batterie haben wird.

daher planen sie, in zukunft forschung in drei aspekten durchzuführen:

einerseits wird der interne mechanismus der batterie eingehend untersucht, beispielsweise durch die untersuchung des einflusses verschiedener gaskomponenten, des drucks und der temperatur sowie der auswirkung auf die reaktionskinetik.

auf der zweiten seite werden hochleistungsbatteriematerialien entwickelt, einschließlich der entwicklung von hochleistungskatalysatoren, hochstabilen metallelektroden, luftelektroden mit hoher luftdurchlässigkeit und stabilen elektrolytsystemen (wie halbfesten elektrolyten oder vollfesten elektrolyten). ).

im dritten aspekt wird das batteriehilfssystem entwickelt, einschließlich der entwicklung einer gassteuereinheit zum filtern schädlicher gasbestandteile, so dass die luftdrucksteuereinheit der batterie einen angemessenen druck zuführen und es der batterie ermöglichen kann, innerhalb eines angemessenen zeitraums zu arbeiten stabile reichweite.

das team führt derzeit neue untersuchungen zum reaktionsmechanismus dieser marsbatterie durch, insbesondere zum einfluss von spurenatmosphäre und temperatur auf den reaktionsweg. zukünftig werden sie auch weiterhin den batteriemechanismus und die leistungsoptimierung unter speziellen umgebungen erforschen.

generell hoffen sie, ein stromversorgungssystem zu entwickeln, das in der marsumgebung stabil und effizient arbeiten kann und so eine praktikable lösung für die in-situ-nutzung der marsressourcen bietet und einen beitrag zur erforschung des weltraums leistet.

darüber hinaus ist das team der ansicht, dass mars-batterien für lithium-kohlendioxid-batterien eine der anwendungsrichtungen der branche darstellen.

kann diese technologie zur kohlendioxidabscheidung eingesetzt werden, da kohlendioxidgas als brenngas zur stromerzeugung und kohlenstoffproduktion verwendet werden kann und verunreinigungsgase auch die batterieleistung fördern können?

um dieses ziel zu erreichen, müssen mehrere große herausforderungen bewältigt werden:

zunächst werden die gaskomponenten so eingestellt, dass sie die reaktion besser begünstigen.

zweitens wird die sammlung fester produkte erreicht, d. h. der erzeugte kohlenstoff wird gesammelt, um ein verstopfen der porösen elektrode zu vermeiden.

da metallelektroden schließlich verbrauchsmaterialien sind, muss metallbrennstoff nachgefüllt werden.

als reaktion auf diese probleme hat das forschungsteam auch eine reihe von studien durchgeführt und mit dem projekt „carbon lock“ – eine neue lithium-kohlendioxid-batterie für „ – am national college student energy saving and emission reduction innovation competition teilgenommen. „kohlenstoffsequestrierung und stromerzeugung“ aus industrieabgasen.

„neue verwandte artikel sind noch in arbeit. wenn sie interessiert sind, achten sie bitte weiterhin darauf!“, sagte der forscher schließlich.

referenzen:

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

2.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2095927324004584?via%3dihub

satz: chu jiashi