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récemment, l’équipe du professeur tan peng de l’université des sciences et technologies de chine a créé une batterie pour mars.la batterie peut utiliser des composants atmosphériques martiens comme matériau combustible de réaction de batterie, et peut atteindre une densité énergétique plus élevée et des performances de cycle plus longues.

à une basse température de 0 degrés celsius,cette batterie a une densité énergétique de 373,9wh/kg et une durée de vie de 1375 heures (environ deux mois martiens).

les examinateurs d'articles connexes ont commenté que cette étude démontrait en détail le concept, le potentiel d'application et les performances électrochimiques des batteries martiennes, ce qui peut inspirer le développement de systèmes d'alimentation en énergie spatiale.

les chercheurs ont déclaré :"notre objectif est de développer un système d'alimentation électrique capable de réaliser une utilisation in situ des ressources de mars."

bien qu'il y ait encore une certaine distance entre cela et les applications pratiques, ils espèrent fournir une référence pour l'utilisation des ressources spatiales. à l'avenir, les ressources environnementales de la planète pourront être directement utilisées pour fournir de l'énergie, développant ainsi une conversion et une conversion énergétiques plus efficaces. systèmes de stockage.

construire des batteries pour mars

pour les systèmes de batterie lithium-air au lithium, l'oxygène présent dans l'air est un réactif dans la batterie. étant donné que l’air n’occupe ni masse ni espace à l’intérieur de la batterie, celle-ci a une densité énergétique extrêmement élevée.

cependant, afin de garantir que la batterie puisse fonctionner de manière stable, il est nécessaire d'éliminer autant que possible les gaz d'impuretés présents dans l'air, par exemple en éliminant le dioxyde de carbone et l'humidité, c'est pourquoi certaines batteries sont appelées batteries au lithium-oxygène.

auparavant, un article rapportait que si l'oxygène était remplacé par du dioxyde de carbone, la batterie pouvait également être chargée et déchargée et que ses performances étaient comparables à celles des batteries lithium-oxygène.

cela a suscité un grand intérêt de recherche chez tan peng, mais en raison de contraintes de temps et des conditions expérimentales, il n'a pas mené de recherches sur les systèmes de batteries au lithium et au dioxyde de carbone à cette époque.

après avoir rejoint l'université des sciences et technologies de chine, il a créé son propre groupe de recherche et a commencé à étudier les batteries au lithium-gaz telles que les batteries au lithium-oxygène et les batteries au lithium-dioxyde de carbone.

pour comprendre les batteries au lithium-dioxyde de carbone, vous devez d'abord comprendre le système de batterie au lithium-gaz. la structure de la batterie comprend principalement : du lithium métallique, une électrode à air poreuse et un séparateur contenant de l'électrolyte.

le lithium et l'eau réagiront et affecteront la stabilité et la sécurité de la batterie.

par conséquent, bien que le nom de ce type de batterie soit batterie à air, une fois ce type de batterie assemblé, il ne peut pas être testé dans l'air, mais dans un gaz relativement pur, tel que l'oxygène ou le dioxyde de carbone.

afin de créer de telles conditions de test, les gens utilisent généralement une chambre de test et la remplissent du gaz correspondant.

à l’aide de ce système de test, l’équipe a commencé ses recherches en conséquence. parmi eux, l’expérience sur la batterie lithium-oxygène a montré une bonne répétabilité et stabilité.

cependant, lors d'expériences sur des batteries au lithium et au dioxyde de carbone, l'équipe de recherche a constaté que la répétabilité des expériences sur la tension de décharge des batteries était médiocre.

théoriquement, la tension d'équilibre de la batterie est de 2,8 v. la tension de décharge précédemment mesurée par les milieux académiques dans la littérature existante est généralement de l'ordre de 2,6v.

cependant, pour le même matériau de batterie, l’équipe a constaté que la tension était parfois de 2,6 v lors des tests réels. bien que cela soit très proche des rapports de la littérature existante, une fois la décharge effectuée, la tension chutera rapidement à 2,0 v.

alors ils ont commencé à deviner : la tension de coupure est-elle trop élevée ? par conséquent, ils ont réglé la tension de coupure à un niveau inférieur, voire proche de 0 v. ils ont constaté que même si la batterie disposait d’une plate-forme de tension, la tension n’était que d’environ 1,5 v, ce qui était très différent des rapports de la littérature existante.

cela a amené l'équipe de recherche à douter pendant longtemps, c'est-à-dire pourquoi ne peuvent-ils pas répéter de manière stable les résultats de la littérature existante ? y a-t-il un problème avec le clip de batterie ? y a-t-il un problème avec la méthode d'assemblage de la batterie ?

après plusieurs tentatives infructueuses, ils se tournèrent vers la chambre d’essai. tout le monde a commencé à se demander : pourrait-il y avoir un problème avec la cabine d’essai ? se pourrait-il que l'étanchéité ne soit pas bonne et qu'il y ait une fuite d'air ?

par conséquent, ils ont repensé un système de test pour connecter l'électrode à air de la batterie directement à l'atmosphère de test tout en garantissant qu'aucun

interférence provenant d'autres gaz. et l'étanchéité à l'air de la batterie elle-même est testée pour garantir l'absence de fuite de gaz.

à l'aide de ce système de test, ils ont d'abord testé la batterie lithium-oxygène et ont constaté que les performances étaient très conformes aux rapports de la littérature existante, qui montraient que le système était très fiable.

ensuite, ils ont testé l’atmosphère de dioxyde de carbone et ont constaté que la tension n’était que d’environ 1,1 v, et l’expérience a montré une bonne répétabilité.

par la suite, ils ont effectué de nouveaux tests et caractérisations et ont constaté que la réaction électrochimique entre le lithium et le dioxyde de carbone s’était produite et qu’il n’y avait aucun problème mécanique.

alors, pourquoi la tension dans l’expérience est-elle différente de la plupart des rapports de la littérature existante ? y a-t-il une fuite dans la cabine d'essai ? si oui, quel gaz en est la cause ?

afin de clarifier les problèmes ci-dessus, ils ont ajouté des traces de gaz d'impuretés à l'atmosphère de dioxyde de carbone. ils ont découvert que seule une faible quantité d'humidité et d'oxygène pouvait augmenter considérablement la tension de la batterie.

de plus, simplement en desserrant un peu la chambre de test, la tension passe comme par magie à environ 2,6 v. en d’autres termes, dans une atmosphère de dioxyde de carbone pur, la tension de la batterie ne peut être qu’à un niveau faible.

c'est précisément à cause des fuites dans la chambre de test que l'eau et l'oxygène pénètrent, que la tension de la batterie peut être augmentée.

grâce à cela, l’équipe a révélé la véritable tension de fonctionnement des batteries au lithium-dioxyde de carbone. plus tard, ils ont compilé les résultats ci-dessus dans un article et l'ont publié dans pnas sur [1].

en réponse à cet article, les médias concernés ont également publié un article intitulé « l'orientation future du développement des batteries au lithium et au dioxyde de carbone pourrait être redéfinie ».

sur cette base, le groupe de recherche a commencé à réfléchir : étant donné qu'une atmosphère de dioxyde de carbone pur n'apporte pas beaucoup d'avantages à la tension de la batterie, mais qu'une atmosphère d'impuretés peut augmenter considérablement la tension, alors dans quels environnements les batteries au lithium et au dioxyde de carbone peuvent-elles être utilisées ?

en prenant mars comme exemple, l’atmosphère de mars contient plus de 95 % de dioxyde de carbone. en fait, peu de temps après que la communauté universitaire ait proposé des batteries au lithium et au dioxyde de carbone, un article a souligné qu'elles pourraient être utilisées sur mars.

cependant, pour l’environnement atmosphérique de mars, on ne peut pas considérer uniquement l’atmosphère de dioxyde de carbone. parce qu’il n’y a pas seulement une atmosphère d’impuretés sur mars, mais aussi de fortes fluctuations de température.

alors, quel impact l’atmosphère d’impuretés et les changements de température auront-ils sur les performances de la batterie ? à cette fin, l’équipe a mené cette recherche sur les batteries martiennes.

puisque l’atmosphère doit être contrôlée, la même composition de gaz et la même pression partielle que le gaz martien doivent être préparées. dans le même temps, la température doit être bien contrôlée pour garantir qu'elle puisse être testée à basse température pendant une période plus longue.

grâce à des expériences soigneusement conçues, ils ont découvert que pendant le processus de charge et de décharge de la batterie, du carbonate de lithium serait généré, qu'il y aurait également des réactions électrochimiques de décomposition et que les performances de la batterie dépendraient fortement de la température.

au cours du processus de soumission, l’équipe de recherche a également connu quelques rebondissements. durant cette période, un critique leur a demandé d'explorer l'impact des rayons cosmiques et des météorites sur la sécurité des batteries.

"cela dépasse évidemment la portée de nos recherches et de nos expériences. par conséquent, les résultats actuels ne peuvent être considérés que comme des résultats progressifs, et nous en sommes également très reconnaissants. bulletin scientifique donnez-nous l’opportunité de publier notre article. », ont déclaré les chercheurs.

récemment, un article connexe intitulé « une batterie mars à haute densité d'énergie et à longue durée de vie » a été publié dans bulletin scientifique(si 18,8)。

le dr xiao xu est le premier auteur et tan peng est l'auteur correspondant[2].

s'efforcer de contribuer à l'exploration de l'espace lointain

dans l’ensemble, les travaux en cours sont encore très préliminaires et ne vérifient que conceptuellement la faisabilité de l’utilisation in situ des ressources de mars. par exemple, il a été vérifié qu’en utilisant le gaz martien comme combustible pour produire de l’électricité, la batterie peut fonctionner dans une certaine stabilité. gamme.

cependant, comme mentionné ci-dessus, certains défis doivent encore être résolus avant que ce résultat puisse être appliqué à l’environnement martien.

premièrement, en plus du dioxyde de carbone à 95 %, l’atmosphère martienne contient également des composants tels que l’azote, l’argon et l’oxygène. comment l’entrelacement de ces composants affectera-t-il les performances de la batterie ?

des recherches approfondies sont nécessaires pour éliminer les gaz nocifs tout en utilisant des gaz efficaces.

deuxièmement, la pression atmosphérique moyenne à la surface de mars ne représente même pas 1 % de la pression atmosphérique moyenne sur terre, c'est-à-dire que la pression atmosphérique de mars est très basse.

premièrement, cela entraîne une concentration trop faible de dioxyde de carbone comme gaz de réaction dans la batterie, ce qui affecte la cinétique de réaction.

deuxièmement, cela entraînera la volatilisation de l’électrolyte liquide, ce qui affectera la stabilité des systèmes semi-ouverts tels que les batteries à gaz de mars.

troisièmement, la température moyenne de mars est relativement basse, seulement environ moins 60 degrés celsius. non seulement elle est bien inférieure à la température moyenne de la terre, mais les caractéristiques climatiques de mars, avec une énorme différence de température entre le jour et la nuit, provoqueront des conséquences drastiques. fluctuations des performances de la batterie, voire panne.

enfin, le gaz sur mars est mince et accompagné d'ouragans, ce qui aura un impact important sur la stabilité opérationnelle de la batterie.

par conséquent, ils prévoient de mener des recherches sur trois aspects à l’avenir :

d'une part, le mécanisme interne de la batterie sera étudié en profondeur, notamment en étudiant l'influence des différents composants gazeux, de la pression et de la température, ainsi que l'effet sur la cinétique de réaction.

d'autre part, des matériaux de batterie hautes performances seront développés, notamment le développement de catalyseurs hautes performances, d'électrodes métalliques hautement stables, d'électrodes à air à haute perméabilité à l'air et de systèmes électrolytiques stables (tels que des électrolytes semi-solides ou des électrolytes entièrement solides). ).

dans le troisième aspect, le système auxiliaire de la batterie sera développé, y compris le développement d'une unité de contrôle du gaz pour filtrer les composants gazeux nocifs, de sorte que l'unité de contrôle de la pression de l'air puisse introduire une pression appropriée dans la batterie et permettre à la batterie de fonctionner dans un délai approprié. plage stable.

l’équipe mène actuellement de nouvelles recherches sur le mécanisme de réaction de cette batterie martienne, en particulier l’impact des traces d’atmosphère et de température sur le chemin de réaction. à l’avenir, ils continueront également à explorer le mécanisme de la batterie et l’optimisation des performances dans des environnements spéciaux.

de manière générale, ils espèrent développer un système d'alimentation électrique capable de fonctionner de manière stable et efficace dans l'environnement martien, fournissant ainsi une solution réalisable pour l'utilisation in situ des ressources martiennes et s'efforçant de contribuer à l'exploration de l'espace lointain.

de plus, pour les batteries au lithium-dioxyde de carbone, l'équipe estime que les batteries mars sont l'une des directions d'application de la branche.

étant donné que le dioxyde de carbone peut être utilisé comme gaz combustible pour produire de l’électricité et produire du carbone, et que les gaz d’impuretés peuvent également améliorer les performances de la batterie, cette technologie peut-elle être utilisée pour le captage du dioxyde de carbone ?

plusieurs défis majeurs doivent être surmontés pour atteindre cet objectif :

premièrement, les composants gazeux sont ajustés pour être plus propices à la réaction.

deuxièmement, la collecte des produits solides est réalisée, c'est-à-dire que le carbone généré est collecté pour éviter le colmatage de l'électrode poreuse.

enfin, les électrodes métalliques étant des consommables, le combustible métallique doit être réapprovisionné.

en réponse à ces problèmes, l'équipe de recherche a également mené une série d'études et a également participé au concours d'innovation en matière d'économie d'énergie et de réduction des émissions des étudiants du national college avec le projet « carbon lock » - une nouvelle batterie au lithium et au dioxyde de carbone pour " séquestration du carbone et production d'électricité "des gaz résiduaires industriels".

"de nouveaux articles connexes sont toujours en cours. si vous êtes intéressé, continuez à y prêter attention!", a finalement déclaré le chercheur.

références :

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

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

composition : chu jiashi