berita

baru-baru ini, tim profesor tan peng di universitas sains dan teknologi tiongkok menciptakan baterai mars.baterai tersebut dapat menggunakan komponen atmosfer mars sebagai bahan bakar reaksi baterai, dan dapat mencapai kepadatan energi yang lebih tinggi serta kinerja siklus yang lebih lama.

pada suhu rendah 0 derajat celcius,baterai ini memiliki kepadatan energi 373,9wh/kg dan masa pakai siklus 1375 jam (kira-kira dua bulan mars).

peninjau makalah terkait berkomentar bahwa penelitian ini menunjukkan secara rinci konsep, potensi penerapan, dan kinerja elektrokimia baterai mars, yang dapat memberikan inspirasi bagi pengembangan sistem pasokan energi luar angkasa.

peneliti menyatakan:“tujuan kami adalah mengembangkan sistem pasokan listrik yang dapat mewujudkan pemanfaatan sumber daya mars di lapangan.”

meskipun masih ada jarak tertentu antara hal ini dan penerapan praktisnya, mereka berharap dapat memberikan beberapa referensi untuk pemanfaatan sumber daya ruang angkasa. di masa depan, sumber daya lingkungan di planet ini dapat langsung digunakan untuk menyediakan energi, sehingga mengembangkan konversi energi yang lebih efektif dan sistem penyimpanan.

membangun baterai untuk mars

untuk sistem litium baterai litium-udara, oksigen di udara merupakan reaktan di dalam baterai. karena udara tidak menempati massa atau ruang di dalam baterai, baterai mempunyai kepadatan energi yang sangat tinggi.

namun, untuk memastikan baterai dapat bekerja dengan stabil, gas pengotor di udara perlu dihilangkan sebanyak mungkin, seperti menghilangkan karbon dioksida dan kelembapan, itulah sebabnya beberapa baterai disebut baterai litium oksigen.

sebelumnya, sebuah makalah melaporkan bahwa jika oksigen diganti dengan karbon dioksida, baterai juga dapat diisi dan dikosongkan, dan kinerjanya sebanding dengan baterai lithium-oksigen.

hal ini membangkitkan minat penelitian tan peng yang besar, namun karena keterbatasan waktu dan kondisi percobaan, dia tidak melakukan penelitian pada sistem baterai litium karbon dioksida pada saat itu.

setelah bergabung dengan universitas sains dan teknologi china, ia mendirikan kelompok penelitiannya sendiri dan mulai mempelajari baterai gas litium seperti baterai litium oksigen dan baterai litium karbon dioksida.

untuk memahami baterai litium karbon dioksida, anda harus terlebih dahulu memahami sistem baterai gas litium. struktur baterai terutama meliputi: litium logam, elektroda udara berpori, dan pemisah yang mengandung elektrolit.

lithium dan air akan bereaksi dan mempengaruhi stabilitas dan keamanan baterai.

oleh karena itu, meskipun nama baterai jenis ini adalah baterai udara, namun setelah dirakit, baterai jenis ini tidak dapat diuji di udara, melainkan dalam gas yang relatif murni, seperti oksigen atau karbon dioksida.

untuk menciptakan kondisi pengujian seperti itu, orang biasanya menggunakan ruang uji dan mengisinya dengan gas yang sesuai.

dengan menggunakan sistem pengujian ini, tim memulai penelitian yang sesuai. diantaranya, percobaan baterai litium-oksigen menunjukkan kemampuan pengulangan dan stabilitas yang baik.

namun, dalam percobaan pada baterai litium karbon dioksida, tim peneliti menemukan bahwa pengulangan percobaan tegangan pelepasan baterai buruk.

secara teoritis, tegangan keseimbangan baterai adalah 2.8v. tegangan pelepasan yang sebelumnya diukur oleh kalangan akademisi pada literatur yang ada umumnya berkisar 2,6v.

namun, untuk bahan baterai yang sama, tim menemukan bahwa tegangan terkadang 2,6v selama pengujian sebenarnya. meskipun hal ini sangat mirip dengan laporan literatur yang ada, setelah pelepasan terjadi, tegangan akan turun dengan cepat menjadi 2.0v.

jadi mereka mulai menebak-nebak: apakah tegangan pemutusan disetel terlalu tinggi? oleh karena itu, mereka menetapkan tegangan pemutusan lebih rendah atau bahkan mendekati 0v. mereka menemukan bahwa meskipun baterai memiliki platform tegangan, tegangannya hanya sekitar 1,5v, yang sangat berbeda dari laporan literatur yang ada.

hal ini menyebabkan tim peneliti mengalami keraguan dalam waktu yang lama, yaitu mengapa mereka tidak dapat secara stabil mengulangi hasil literatur yang ada? apakah ada yang salah dengan klip baterainya? apakah ada yang salah dengan metode perakitan baterai?

setelah berbagai upaya gagal, mereka mengalihkan perhatian mereka ke ruang ujian. semua orang mulai bertanya-tanya: mungkinkah ada masalah dengan kabin uji? mungkinkah segelnya kurang bagus dan ada kebocoran udara?

oleh karena itu, mereka merancang ulang sistem pengujian untuk menghubungkan elektroda udara baterai langsung ke atmosfer pengujian sambil memastikan bahwa tidak ada

gangguan dari gas lain. dan kekencangan udara pada aki itu sendiri diuji untuk memastikan tidak ada kebocoran gas.

dengan bantuan sistem pengujian ini, mereka terlebih dahulu menguji baterai litium-oksigen dan menemukan bahwa kinerjanya sangat konsisten dengan laporan literatur yang ada, yang menunjukkan bahwa sistem tersebut sangat andal.

kemudian, mereka menguji atmosfer karbon dioksida dan menemukan bahwa tegangannya hanya sekitar 1,1v, dan percobaan tersebut menunjukkan kemampuan pengulangan yang baik.

selanjutnya, mereka melakukan pengujian dan karakterisasi baru, dan menemukan bahwa reaksi elektrokimia antara litium dan karbon dioksida memang terjadi, dan tidak ada masalah mekanis.

jadi, mengapa tegangan dalam percobaan berbeda dari kebanyakan laporan literatur yang ada? apakah ada kebocoran di kabin uji? jika ya, gas apa yang menyebabkannya?

untuk memperjelas masalah di atas, mereka menambahkan sejumlah kecil gas pengotor ke atmosfer karbon dioksida. mereka menemukan bahwa hanya sedikit uap air dan oksigen yang dapat meningkatkan tegangan baterai secara signifikan.

selanjutnya, hanya dengan sedikit melonggarkan ruang uji, tegangan secara ajaib berubah menjadi sekitar 2.6v. dengan kata lain, dalam atmosfer karbon dioksida murni, tegangan baterai hanya bisa berada pada level rendah.

justru karena adanya kebocoran pada ruang uji itulah air dan oksigen masuk, sehingga tegangan baterai bisa meningkat.

melalui ini, tim mengungkap tegangan operasi sebenarnya dari baterai lithium karbon dioksida. kemudian, mereka menyusun hasil di atas menjadi sebuah makalah dan mempublikasikannya di pnas pada [1].

menanggapi makalah ini, media terkait juga menerbitkan artikel berjudul "arah pengembangan baterai lithium karbon dioksida di masa depan mungkin didefinisikan ulang."

atas dasar ini, kelompok peneliti mulai berpikir: karena atmosfer karbon dioksida murni tidak memberikan banyak keuntungan pada tegangan baterai, tetapi atmosfer pengotor dapat meningkatkan tegangan secara signifikan, lalu di lingkungan apa baterai litium karbon dioksida dapat digunakan?

mengambil contoh mars, atmosfer mars mengandung lebih dari 95% karbon dioksida. faktanya, tidak lama setelah komunitas akademis mengusulkan baterai litium karbon dioksida, sebuah makalah menunjukkan bahwa baterai tersebut dapat digunakan di mars.

namun, untuk lingkungan atmosfer mars, kita tidak bisa hanya mempertimbangkan atmosfer karbon dioksida saja. karena mars tidak hanya memiliki atmosfer pengotor, tetapi juga fluktuasi suhu yang parah.

jadi, apa dampak pengotor atmosfer dan perubahan suhu terhadap kinerja baterai? untuk tujuan ini, tim melakukan penelitian pada baterai mars.

karena atmosfer perlu dikontrol, komposisi gas dan tekanan parsial yang sama dengan gas mars harus disiapkan. pada saat yang sama, suhu harus dikontrol dengan baik untuk memastikan dapat diuji pada suhu rendah untuk jangka waktu yang lebih lama.

melalui eksperimen yang dirancang dengan cermat, mereka menemukan bahwa selama proses pengisian dan pengosongan baterai, litium karbonat akan dihasilkan, dan juga akan terjadi reaksi elektrokimia penguraian, dan kinerja baterai memiliki ketergantungan yang kuat pada suhu.

dalam proses pengajuannya, tim peneliti juga mengalami lika-liku. selama periode ini, seorang pengulas meminta mereka untuk mengeksplorasi dampak sinar kosmik dan meteorit terhadap keamanan baterai.

“ini jelas di luar cakupan penelitian dan eksperimen kami. oleh karena itu, hasil yang ada saat ini hanya bisa dikatakan hasil bertahap, dan kami juga sangat bersyukur. buletin sains beri kami kesempatan untuk mempublikasikan makalah kami. kata para peneliti.

baru-baru ini, makalah terkait berjudul "baterai mars dengan kepadatan energi tinggi dan umur siklus panjang" diterbitkan di buletin sains(jika 18.8)。

dr. xiao xu adalah penulis pertama, dan tan peng bertindak sebagai penulis koresponden.

berusaha keras untuk berkontribusi pada eksplorasi luar angkasa

secara keseluruhan, pekerjaan saat ini masih sangat awal dan hanya secara konseptual memverifikasi kelayakan pemanfaatan sumber daya mars di lapangan. misalnya, telah diverifikasi bahwa ketika menggunakan gas mars sebagai bahan bakar untuk menghasilkan listrik, baterai dapat beroperasi dalam kondisi stabil tertentu jangkauan.

namun, seperti disebutkan di atas, masih ada beberapa tantangan yang perlu diselesaikan sebelum hasil ini dapat diterapkan di lingkungan mars.

pertama, selain 95% gas karbon dioksida, terdapat juga komponen seperti nitrogen, argon, dan oksigen di atmosfer mars. bagaimana jalinan komponen-komponen ini mempengaruhi kinerja baterai?

penelitian mendalam diperlukan untuk menghilangkan gas berbahaya sekaligus memanfaatkan gas yang efektif.

kedua, tekanan atmosfer rata-rata di permukaan mars bahkan tidak genap 1% dari tekanan atmosfer rata-rata di bumi, artinya tekanan atmosfer mars sangat rendah.

pertama, hal ini mengakibatkan konsentrasi karbon dioksida sebagai gas reaksi dalam baterai terlalu rendah sehingga mempengaruhi kinetika reaksi.

kedua, hal ini akan menyebabkan penguapan cairan elektrolit, yang akan mempengaruhi stabilitas sistem semi terbuka seperti baterai gas mars.

ketiga, suhu rata-rata mars yang relatif rendah, hanya sekitar minus 60 derajat celcius. tidak hanya jauh lebih rendah dari suhu rata-rata bumi, namun karakteristik iklim mars dengan perbedaan suhu yang sangat besar antara siang dan malam akan menyebabkan perubahan drastis. fluktuasi kinerja baterai atau bahkan kegagalan.

terakhir, gas di mars yang tipis dan disertai badai, akan berdampak penting pada stabilitas operasional baterai.

oleh karena itu, mereka berencana melakukan penelitian pada tiga aspek di masa depan:

di satu sisi, mekanisme internal baterai akan dipelajari secara mendalam, seperti mempelajari pengaruh berbagai komponen gas, tekanan dan suhu, serta pengaruhnya terhadap kinetika reaksi.

di sisi kedua, bahan baterai berkinerja tinggi akan dikembangkan, termasuk pengembangan katalis berkinerja tinggi, elektroda logam yang sangat stabil, elektroda udara dengan permeabilitas udara yang tinggi, dan sistem elektrolit yang stabil (seperti elektrolit semi-padat atau elektrolit padat). ).

pada aspek ketiga, akan dikembangkan sistem bantu baterai, termasuk pengembangan unit kendali gas untuk menyaring komponen gas berbahaya, sehingga unit kendali tekanan udara dapat memasukkan tekanan yang sesuai ke baterai dan memungkinkan baterai beroperasi dalam batas yang sesuai. jangkauan stabil.

tim saat ini sedang melakukan penelitian baru mengenai mekanisme reaksi baterai mars ini, khususnya dampak jejak atmosfer dan suhu pada jalur reaksi. kedepannya, mereka juga akan terus mengeksplorasi mekanisme baterai dan optimalisasi kinerja dalam lingkungan khusus.

secara umum, mereka berharap dapat mengembangkan sistem pasokan listrik yang dapat bekerja secara stabil dan efisien di lingkungan mars, sehingga memberikan solusi yang layak untuk pemanfaatan sumber daya mars di lapangan dan berupaya berkontribusi pada eksplorasi ruang angkasa yang mendalam.

selain itu, untuk baterai litium karbon dioksida, tim yakin baterai mars adalah salah satu arahan aplikasi cabang.

karena gas karbon dioksida dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk menghasilkan listrik dan menghasilkan karbon, dan gas pengotor juga dapat meningkatkan kinerja baterai, dapatkah teknologi ini digunakan untuk menangkap karbon dioksida?

ada beberapa tantangan besar yang perlu diatasi untuk mencapai tujuan ini:

pertama, komponen gas disesuaikan agar lebih kondusif untuk reaksi.

kedua, pengumpulan produk padat tercapai, yaitu karbon yang dihasilkan dikumpulkan untuk menghindari penyumbatan elektroda berpori.

terakhir, karena elektroda logam merupakan bahan habis pakai, bahan bakar logam harus diisi ulang.

menanggapi permasalahan tersebut, tim peneliti juga telah melakukan serangkaian penelitian, dan juga berpartisipasi dalam kompetisi inovasi penghematan energi dan pengurangan emisi mahasiswa nasional dengan proyek ""carbon lock" - baterai lithium karbon dioksida baru untuk " penyerapan karbon dan pembangkit listrik"gas limbah industri".

“makalah terkait baru masih dalam proses. jika anda tertarik, harap terus memperhatikannya!”

referensi:

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

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

penyusunan huruf: chu jiashi