uutiset

äskettäin professori tan pengin tiimi kiinan tiede- ja teknologiayliopistossa loi mars-akun.akku voi käyttää marsin ilmakehän komponentteja akun reaktiopolttoaineena, ja se voi saavuttaa suuremman energiatiheyden ja pidemmän syklin suorituskyvyn.

matalalla 0 asteen lämpötilalla,tämän akun energiatiheys on 373,9 wh/kg ja syklin käyttöikä 1375 tuntia (noin kaksi marsin kuukautta).

asiaan liittyvien julkaisujen arvioijat kommentoivat, että tämä tutkimus osoitti yksityiskohtaisesti mars-akkujen konseptin, sovelluspotentiaalin ja sähkökemiallisen suorituskyvyn, mikä voi tuoda inspiraatiota avaruusenergian syöttöjärjestelmien kehittämiseen.

tutkijat totesivat:"tavoitteenamme on kehittää virtalähdejärjestelmä, joka pystyy hyödyntämään marsin resursseja in situ."

vaikka sen ja käytännön sovellusten välillä on vielä tietty etäisyys, he toivovat tarjoavansa jonkin verran referenssiä avaruusresurssien hyödyntämiseen. tulevaisuudessa planeetan omia ympäristöresursseja voidaan käyttää suoraan energian tuottamiseen, mikä kehittää tehokkaampaa energian muuntamista ja varastointijärjestelmät.

akkujen rakentaminen marsiin

litium-ilma-akkujen litiumjärjestelmissä ilmassa oleva happi on akun lähtöaine. koska ilma ei vie massaa tai tilaa akussa, akulla on erittäin korkea energiatiheys.

akun vakaan toiminnan varmistamiseksi on kuitenkin välttämätöntä poistaa epäpuhtaudet ilmasta mahdollisimman paljon, kuten hiilidioksidin ja kosteuden poistaminen, minkä vuoksi joitain akkuja kutsutaan litiumhappiakuiksi.

aikaisemmin eräässä paperissa kerrottiin, että jos happi korvataan hiilidioksidilla, akku voidaan myös ladata ja purkaa, ja sen suorituskyky on verrattavissa litium-happiakkuihin.

tämä herätti tan pengin suurta tutkimuskiinnostusta, mutta aikarajoitusten ja koeolosuhteiden vuoksi hän ei tuolloin tehnyt tutkimusta litiumhiilidioksidiakkujärjestelmistä.

liityttyään kiinan tiede- ja teknologiayliopistoon hän perusti oman tutkimusryhmän ja alkoi tutkia litiumkaasuakkuja, kuten litiumhappiakkuja ja litiumhiilidioksidiakkuja.

litium-hiilidioksidiakkujen ymmärtämiseksi sinun on ensin ymmärrettävä litiumkaasuakkujärjestelmä. akun rakenne sisältää pääasiassa: metallisen litiumin, huokoisen ilmaelektrodin ja elektrolyyttiä sisältävän erottimen.

litium ja vesi reagoivat ja vaikuttavat akun vakauteen ja turvallisuuteen.

siksi, vaikka tämän tyyppisen akun nimi on ilmaakku, sen tyyppisen akun kokoamisen jälkeen sitä ei voida testata ilmassa, vaan suhteellisen puhtaassa kaasussa, kuten hapessa tai hiilidioksidissa.

tällaisten testiolosuhteiden luomiseksi ihmiset käyttävät yleensä testikammiota ja täyttävät sen vastaavalla kaasulla.

tämän testijärjestelmän avulla ryhmä aloitti tutkimuksen vastaavasti. niistä litium-happiparistokoe osoitti hyvää toistettavuutta ja vakautta.

litium-hiilidioksidiakkujen kokeissa tutkimusryhmä havaitsi kuitenkin, että akun purkausjännitekokeiden toistettavuus oli huono.

teoriassa akun tasapainojännite on 2,8v. akateemisissa piireissä aiemmin olemassa olevan kirjallisuuden mittaama purkausjännite on yleensä noin 2,6 v.

saman akkumateriaalin osalta tiimi havaitsi kuitenkin, että jännite oli joskus 2,6 v varsinaisen testauksen aikana. vaikka tämä on hyvin lähellä olemassa olevia kirjallisuusraportteja, purkautumisen jälkeen jännite putoaa nopeasti 2,0 v:iin.

joten he alkoivat arvata: onko katkaisujännite asetettu liian korkeaksi? siksi he asettivat katkaisujännitteen pienemmäksi tai jopa lähelle 0 v. he havaitsivat, että vaikka akussa oli jännitetaso, jännite oli vain noin 1,5 v, mikä poikkesi merkittävästi olemassa olevista kirjallisista raporteista.

tämä aiheutti tutkimusryhmän pitkäksi aikaa itseepäilyn, eli miksi he eivät voi vakaasti toistaa olemassa olevia kirjallisuuden tuloksia? onko akun klipsissä jotain vikaa? onko akun kokoonpanotavassa jotain vikaa?

useiden epäonnistuneiden yritysten jälkeen he kiinnittivät huomionsa testikammioon. kaikki alkoivat ihmetellä: voisiko testihytissä olla ongelma? voisiko olla, että tiiviste ei ole kunnossa ja vuotaa ilmaa?

siksi he suunnittelivat uudelleen testijärjestelmän kytkeäkseen akun ilmaelektrodin suoraan testiympäristöön varmistaen samalla, ettei

muiden kaasujen aiheuttamat häiriöt. ja itse akun ilmatiiviys testataan sen varmistamiseksi, ettei kaasuvuotoa tapahdu.

tämän testijärjestelmän avulla he testasivat ensin litium-happiakkua ja havaitsivat, että suorituskyky vastasi hyvin olemassa olevia kirjallisuusraportteja, jotka osoittivat järjestelmän olevan erittäin luotettava.

sitten he testasivat hiilidioksidiatmosfääriä ja havaitsivat, että jännite oli vain noin 1,1 v, ja koe osoitti hyvää toistettavuutta.

myöhemmin he suorittivat uusia testejä ja karakterisointeja ja havaitsivat, että litiumin ja hiilidioksidin välinen sähkökemiallinen reaktio tapahtui, eikä mekaanisia ongelmia ollut.

joten miksi kokeen jännite eroaa useimmista olemassa olevista kirjallisuusraporteista? onko testihytissä vuoto? jos on, mikä kaasu sen aiheuttaa?

yllä olevien ongelmien selvittämiseksi he lisäsivät hiilidioksidiilmakehään pieniä määriä epäpuhtauskaasuja. he havaitsivat, että vain heikko määrä kosteutta ja happea pystyi lisäämään merkittävästi akun jännitettä.

edelleen, vain löysäämällä testikammiota hieman, jännite muuttuu maagisesti noin 2,6 v:iin. toisin sanoen puhtaassa hiilidioksidiilmakehässä akun jännite voi olla vain alhaisella tasolla.

juuri koekammion vuodon vuoksi, johon vesi ja happi tulevat, akun jännitettä voidaan nostaa.

tämän avulla tiimi paljasti litium-hiilidioksidiakkujen todellisen käyttöjännitteen. myöhemmin he kokosivat yllä olevat tulokset paperiksi ja julkaisivat sen pnas [1].

vastauksena tähän asiakirjaan asiaankuuluvat tiedotusvälineet julkaisivat myös artikkelin "litium-hiilidioksidiakkujen tuleva kehityssuunta voidaan määritellä uudelleen."

tältä pohjalta tutkimusryhmä alkoi pohtia: koska puhdas hiilidioksidiatmosfääri ei tuo paljon etua akun jännitteeseen, mutta epäpuhtausilmakehä voi merkittävästi lisätä jännitettä, niin missä ympäristöissä litium-hiilidioksidiakkuja voidaan käyttää?

esimerkkinä marsin ilmakehä sisältää yli 95 % hiilidioksidia. itse asiassa pian sen jälkeen, kun akateeminen yhteisö ehdotti litium-hiilidioksidiakkuja, eräässä paperissa huomautettiin, että niitä voitaisiin käyttää marsissa.

marsin ilmakehän ympäristössä ei kuitenkaan voida ottaa huomioon vain hiilidioksidiilmakehää. koska marsissa ei ole vain epäpuhtausilmakehää, vaan myös voimakkaita lämpötilanvaihteluita.

joten, mikä vaikutus epäpuhtausilmakehän ja lämpötilan muutoksilla on akun suorituskykyyn? tätä varten ryhmä suoritti tämän tutkimuksen marsin akuista.

koska ilmakehä on säädeltävä, on valmistettava sama kaasukoostumus ja osapaine kuin marsin kaasulla. samalla lämpötilaa on säädettävä hyvin, jotta sitä voidaan testata alhaisissa lämpötiloissa pidempään.

huolellisesti suunniteltujen kokeiden avulla he havaitsivat, että akun lataus- ja purkamisprosessin aikana syntyy litiumkarbonaattia ja tapahtuu myös hajoamissähkökemiallisia reaktioita, ja akun suorituskyvyllä on voimakas lämpötilariippuvuus.

hakuprosessin aikana tutkimusryhmä koki myös joitain käänteitä. tänä aikana arvioija pyysi heitä tutkimaan kosmisten säteiden ja meteoriittien vaikutusta akun turvallisuuteen.

"tämä ei selvästikään kuulu tutkimuksemme ja kokeilumme piiriin. siksi tämänhetkisiä tuloksia voidaan sanoa vain vaiheittain, ja olemme myös erittäin kiitollisia. tiedetiedote anna meille mahdollisuus julkaista lehtemme. ", sanoivat tutkijat.

äskettäin julkaistiin aiheeseen liittyvä artikkeli "korkean energiatiheyden ja pitkäkestoinen mars-akku". tiedetiedote(jos 18,8).

tri xiao xu on ensimmäinen kirjoittaja, ja tan peng toimii vastaavana kirjoittajana[2].

pyri osallistumaan syväavaruuden tutkimiseen

kaiken kaikkiaan nykyinen työ on vielä hyvin alustavaa ja se varmistaa vain käsitteellisesti marsin resurssien in situ -käytön toteutettavuuden. esimerkiksi on varmistettu, että kun marsin kaasua käytetään polttoaineena sähkön tuottamiseen, akku voi toimia tietyn stabiilin rajoissa. alue.

kuten edellä mainittiin, on kuitenkin vielä joitain haasteita, jotka on ratkaistava ennen kuin tätä tulosta voidaan soveltaa marsin ympäristöön.

ensinnäkin marsin ilmakehässä on 95 % hiilidioksidikaasun lisäksi myös komponentteja, kuten typpeä, argonia ja happea. miten näiden komponenttien kietoutuminen vaikuttaa akun suorituskykyyn?

haitallisten kaasujen eliminoimiseksi tehokkaita kaasuja hyödyntäen tarvitaan perusteellista tutkimusta.

toiseksi, keskimääräinen ilmanpaine marsin pinnalla ei ole edes 1 % maan keskimääräisestä ilmanpaineesta, eli marsin ilmanpaine on hyvin alhainen.

ensinnäkin tämä johtaa siihen, että akussa on liian alhainen hiilidioksidipitoisuus reaktiokaasuna, mikä vaikuttaa reaktiokinetiikkaan.

toiseksi tämä aiheuttaa nestemäisen elektrolyytin haihtumista, mikä vaikuttaa puoliavoimien järjestelmien, kuten marsin kaasuakkujen, vakauteen.

kolmanneksi, marsin keskilämpötila on suhteellisen alhainen, vain noin miinus 60 celsiusastetta. tämä ei ole pelkästään maan keskilämpötilaa alhaisempi, vaan myös marsin ilmasto-ominaisuudet, joissa on valtava lämpötilaero päivän ja yön välillä, aiheuttavat rajuja. akun suorituskyvyn vaihtelut tai jopa vika.

lopuksi marsin kaasu on ohutta ja siihen liittyy hurrikaaneja, joilla on tärkeä vaikutus akun toimintavakauteen.

siksi he aikovat tehdä tutkimusta kolmella osa-alueella tulevaisuudessa:

toisaalta akun sisäistä mekanismia tutkitaan perusteellisesti, kuten eri kaasukomponenttien, paineen ja lämpötilan vaikutusta sekä vaikutusta reaktiokinetiikkaan.

toisella puolella kehitetään korkean suorituskyvyn akkumateriaaleja, mukaan lukien tehokkaiden katalyyttien, erittäin stabiilien metallielektrodien, korkean ilmanläpäisevyyden ja stabiilien elektrolyyttijärjestelmien (kuten puolikiinteät elektrolyytit tai täysin kiinteät elektrolyytit) kehittäminen. ).

kolmannessa näkökohdassa kehitetään akun apujärjestelmää, mukaan lukien kaasunohjausyksikön kehittäminen haitallisten kaasukomponenttien suodattamiseksi, jotta ilmanpaineen säätöyksikkö voi syöttää sopivaa painetta akkuun ja antaa akun toimia asianmukaisessa tilassa. vakaa alue.

tiimi tekee parhaillaan uutta tutkimusta tämän marsin akun reaktiomekanismista, erityisesti ilmakehän ja lämpötilan vaikutuksesta reaktioreitille. jatkossa he jatkavat myös akkumekanismin ja suorituskyvyn optimoinnin tutkimista erityisissä ympäristöissä.

yleisesti ottaen he toivovat kehittävänsä virtalähdejärjestelmän, joka voi toimia vakaasti ja tehokkaasti marsin ympäristössä, tarjoten siten toteuttamiskelpoisen ratkaisun marsin resurssien in situ -käyttöön ja pyrkivänsä edistämään syväavaruuden tutkimusta.

lisäksi litium-hiilidioksidiakkujen osalta tiimi uskoo, että mars-akut ovat yksi haarautuvista sovellussuunnista.

koska hiilidioksidikaasua voidaan käyttää polttokaasuna sähkön ja hiilen tuottamiseen, ja epäpuhtauskaasut voivat myös edistää akun suorituskykyä, voidaanko tätä tekniikkaa käyttää hiilidioksidin talteenottoon?

on olemassa useita suuria haasteita, jotka on voitettava tämän tavoitteen saavuttamiseksi:

ensin kaasukomponentit säädetään reaktiota edistävämmiksi.

toiseksi saavutetaan kiinteiden tuotteiden kerääminen, eli muodostunut hiili kerätään huokoisen elektrodin tukkeutumisen välttämiseksi.

lopuksi, koska metallielektrodit ovat kulutusosia, metallipolttoainetta on lisättävä.

vastauksena näihin kysymyksiin tutkimusryhmä on myös suorittanut useita tutkimuksia ja osallistunut myös national college studentin energiansäästö- ja päästöjen vähentämisinnovaatiokilpailuun hankkeella ""carbon lock" - uusi litium-hiilidioksidiakku " hiilen sitominen ja sähköntuotanto" voitti erikoispalkinnon.

"uusia aiheeseen liittyviä papereita on vielä tulossa. jos olet kiinnostunut, jatkakaa tarkkaan, sanoi tutkija lopulta!"

viitteet:

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

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

ladonta: chu jiashi