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recentemente, il team del professor tan peng dell’università di scienza e tecnologia della cina ha creato una batteria per marte.la batteria può utilizzare componenti atmosferici marziani come materiale combustibile di reazione della batteria e può raggiungere una maggiore densità di energia e prestazioni di ciclo più lunghe.

a una temperatura bassa di 0 gradi celsius,questa batteria ha una densità di energia di 373,9 wh/kg e una durata di ciclo di 1375 ore (circa due mesi marziani).

i revisori di articoli correlati hanno commentato che questo studio ha dimostrato in dettaglio il concetto, il potenziale applicativo e le prestazioni elettrochimiche delle batterie per marte, che possono portare ispirazione allo sviluppo di sistemi di fornitura di energia spaziale.

i ricercatori hanno dichiarato:"il nostro obiettivo è sviluppare un sistema di alimentazione in grado di realizzare l'utilizzo in situ delle risorse di marte."

anche se c'è ancora una certa distanza tra questo e le applicazioni pratiche, sperano di fornire qualche riferimento per l'utilizzo delle risorse spaziali. in futuro, le risorse ambientali del pianeta potrebbero essere utilizzate direttamente per fornire energia, sviluppando così una conversione energetica più efficace sistemi di stoccaggio.

costruire batterie per marte

per i sistemi con batterie al litio-aria, l'ossigeno nell'aria è un reagente nella batteria. poiché l'aria non occupa massa o spazio all'interno della batteria, la batteria ha una densità di energia estremamente elevata.

tuttavia, per garantire che la batteria possa funzionare in modo stabile, è necessario rimuovere il più possibile i gas impuri presenti nell'aria, ad esempio rimuovendo l'anidride carbonica e l'umidità, motivo per cui alcune batterie sono chiamate batterie al litio-ossigeno.

in precedenza, un articolo riportava che se l’ossigeno viene sostituito con anidride carbonica, la batteria può anche essere caricata e scaricata e le sue prestazioni sono paragonabili a quelle delle batterie al litio-ossigeno.

ciò suscitò il grande interesse di ricerca di tan peng, ma a causa dei limiti di tempo e delle condizioni sperimentali, all'epoca non condusse ricerche sui sistemi di batterie al litio e anidride carbonica.

dopo essersi unito all'università di scienza e tecnologia della cina, ha fondato il proprio gruppo di ricerca e ha iniziato a studiare le batterie al litio-gas come le batterie al litio-ossigeno e le batterie al litio-anidride carbonica.

per comprendere le batterie al litio biossido di carbonio, è necessario prima comprendere il sistema delle batterie al litio gas. la struttura della batteria comprende principalmente: litio metallico, elettrodo ad aria porosa e separatore contenente elettrolita.

il litio e l'acqua reagiranno e influenzeranno la stabilità e la sicurezza della batteria.

pertanto, sebbene il nome di questo tipo di batteria sia batteria ad aria, dopo che questo tipo di batteria è stato assemblato, non può essere testato nell'aria, ma in un gas relativamente puro, come ossigeno o anidride carbonica.

per creare tali condizioni di prova, le persone solitamente utilizzano una camera di prova e la riempiono con il gas corrispondente.

utilizzando questo sistema di test, il team ha iniziato la ricerca di conseguenza. tra questi, l’esperimento con la batteria al litio-ossigeno ha mostrato buona ripetibilità e stabilità.

tuttavia, negli esperimenti sulle batterie al litio-anidride carbonica, il gruppo di ricerca ha scoperto che la ripetibilità degli esperimenti sulla tensione di scarica della batteria era scarsa.

teoricamente, la tensione di bilanciamento della batteria è di 2,8 v. la tensione di scarica precedentemente misurata dagli ambienti accademici nella letteratura esistente è generalmente intorno a 2,6 v.

tuttavia, per lo stesso materiale della batteria, il team ha scoperto che la tensione a volte era di 2,6 v durante i test effettivi. sebbene questo valore sia molto vicino a quanto riportato in letteratura, una volta avvenuta la scarica, la tensione scenderà rapidamente a 2,0 v.

quindi hanno iniziato a indovinare: la tensione di interruzione è impostata troppo alta? pertanto, hanno impostato la tensione di interruzione su un valore inferiore o addirittura vicino a 0 v. hanno scoperto che, sebbene la batteria avesse una piattaforma di tensione, la tensione era solo di circa 1,5 v, un valore significativamente diverso da quanto riportato in letteratura.

ciò ha portato il gruppo di ricerca a dubitare di se stesso per molto tempo, cioè perché non riescono a ripetere stabilmente i risultati della letteratura esistente? c'è qualcosa che non va con la clip della batteria? c'è qualcosa di sbagliato nel metodo di assemblaggio della batteria?

dopo vari tentativi falliti, hanno rivolto la loro attenzione alla camera di prova. tutti iniziarono a chiedersi: potrebbe esserci un problema con la cabina di prova? potrebbe essere che la tenuta non sia buona e ci siano perdite d'aria?

pertanto, hanno riprogettato un sistema di test per collegare l'elettrodo dell'aria della batteria direttamente all'atmosfera di prova garantendo al tempo stesso che no

interferenza di altri gas. e la tenuta all'aria della batteria stessa viene testata per garantire che non vi siano perdite di gas.

con l’aiuto di questo sistema di test, hanno prima testato la batteria al litio-ossigeno e hanno scoperto che le prestazioni erano molto coerenti con i rapporti della letteratura esistente, che dimostravano che il sistema era altamente affidabile.

quindi, hanno testato l’atmosfera di anidride carbonica e hanno scoperto che la tensione era solo di circa 1,1 v e l’esperimento ha mostrato una buona ripetibilità.

successivamente, hanno condotto nuovi test e caratterizzazioni e hanno scoperto che la reazione elettrochimica tra litio e anidride carbonica si verificava e non vi erano problemi meccanici.

quindi, perché la tensione nell'esperimento è diversa dalla maggior parte dei rapporti della letteratura esistente? c'è una perdita nella cabina di prova? se sì, quale gas lo causa?

per chiarire i problemi di cui sopra, hanno aggiunto tracce di gas impuri all'atmosfera di anidride carbonica. hanno scoperto che solo una debole quantità di umidità e ossigeno poteva aumentare significativamente la tensione della batteria.

inoltre, semplicemente allentando leggermente la camera di prova, la tensione cambia magicamente a circa 2,6 v. in altre parole, in un'atmosfera di pura anidride carbonica, la tensione della batteria può essere solo a un livello basso.

proprio a causa delle perdite nella camera di prova, dove entrano acqua e ossigeno, è possibile aumentare la tensione della batteria.

in questo modo, il team ha rivelato la reale tensione operativa delle batterie al litio e anidride carbonica. successivamente, hanno raccolto i risultati di cui sopra in un articolo e lo hanno pubblicato pnas su [1].

in risposta a questo documento, i media pertinenti hanno anche pubblicato un articolo intitolato "la futura direzione di sviluppo delle batterie al litio e anidride carbonica potrebbe essere ridefinita".

su questa base, il gruppo di ricerca ha iniziato a pensare: poiché un'atmosfera di pura anidride carbonica non apporta molti vantaggi alla tensione della batteria, ma un'atmosfera di impurità può aumentare significativamente la tensione, in quali ambienti possono essere utilizzate le batterie al litio biossido di carbonio?

prendendo marte come esempio, l'atmosfera di marte contiene più del 95% di anidride carbonica. infatti, non molto tempo dopo che la comunità accademica propose le batterie al litio e biossido di carbonio, un documento sottolineò che avrebbero potuto essere utilizzate su marte.

tuttavia, per l’ambiente atmosferico di marte non si può considerare solo l’atmosfera di anidride carbonica. perché su marte non c'è solo un'atmosfera impura, ma anche forti sbalzi di temperatura.

quindi, quale impatto avranno l’atmosfera impura e i cambiamenti di temperatura sulle prestazioni della batteria? a tal fine, il team ha condotto questa ricerca sulle batterie di marte.

poiché l'atmosfera deve essere controllata, è necessario preparare la stessa composizione di gas e la stessa pressione parziale del gas marziano. allo stesso tempo, la temperatura deve essere ben controllata per garantire che possa essere testata a basse temperature per un periodo di tempo più lungo.

attraverso esperimenti attentamente progettati, hanno scoperto che durante il processo di carica e scarica della batteria, verrà generato carbonato di litio e si verificheranno anche reazioni elettrochimiche di decomposizione e le prestazioni della batteria dipendono fortemente dalla temperatura.

durante il processo di presentazione, il gruppo di ricerca ha anche sperimentato alcuni colpi di scena. durante questo periodo, un revisore ha chiesto loro di esplorare l'impatto dei raggi cosmici e dei meteoriti sulla sicurezza della batteria.

"ciò va ovviamente oltre lo scopo della nostra ricerca e del nostro esperimento. pertanto, i risultati attuali possono solo dirsi risultati graduali e siamo anche molto grati. bollettino scientifico dateci l'opportunità di pubblicare il nostro articolo. ", hanno detto i ricercatori.

recentemente, è stato pubblicato su marte un articolo correlato intitolato "una batteria per marte ad alta densità di energia e con una lunga durata di ciclo". bollettino scientifico（se 18,8）

il dottor xiao xu è il primo autore e tan peng è l'autore corrispondente[2].

sforzati di contribuire all'esplorazione dello spazio profondo

nel complesso, il lavoro attuale è ancora molto preliminare e verifica solo concettualmente la fattibilità dell’utilizzo in situ delle risorse di marte. ad esempio, è stato verificato che quando si utilizza il gas marziano come combustibile per generare elettricità, la batteria può funzionare all’interno di una certa stabilità allineare.

tuttavia, come accennato in precedenza, ci sono ancora alcune sfide che devono essere risolte prima che questo risultato possa essere applicato all’ambiente marziano.

innanzitutto, oltre al 95% di anidride carbonica, nell’atmosfera marziana sono presenti anche componenti come azoto, argon e ossigeno. in che modo l’intreccio di questi componenti influirà sulle prestazioni della batteria?

è necessaria una ricerca approfondita per eliminare i gas nocivi utilizzando gas efficaci.

in secondo luogo, la pressione atmosferica media sulla superficie di marte non è nemmeno l'1% della pressione atmosferica media sulla terra, cioè la pressione atmosferica di marte è molto bassa.

innanzitutto, ciò si traduce in una concentrazione di anidride carbonica come gas di reazione nella batteria troppo bassa, influenzando la cinetica di reazione.

in secondo luogo, ciò causerà la volatilizzazione dell’elettrolita liquido, che influenzerà la stabilità dei sistemi semiaperti come le batterie a gas mars.

in terzo luogo, la temperatura media di marte è relativamente bassa, solo circa meno 60 gradi celsius. non solo è molto inferiore alla temperatura media della terra, ma le caratteristiche climatiche di marte con un'enorme differenza di temperatura tra il giorno e la notte causeranno cambiamenti drastici. fluttuazioni delle prestazioni della batteria o addirittura guasti.

infine, il gas su marte è scarso e accompagnato da uragani, che avranno un impatto importante sulla stabilità operativa della batteria.

pertanto, in futuro intendono condurre ricerche su tre aspetti:

da un lato, verrà studiato in modo approfondito il meccanismo interno della batteria, studiando ad esempio l'influenza dei diversi componenti del gas, pressione e temperatura, e l'effetto sulla cinetica di reazione.

dal secondo lato, verranno sviluppati materiali per batterie ad alte prestazioni, compreso lo sviluppo di catalizzatori ad alte prestazioni, elettrodi metallici altamente stabili, elettrodi ad aria ad alta permeabilità all'aria e sistemi elettrolitici stabili (come elettroliti semisolidi o elettroliti completamente solidi ).

nel terzo aspetto, verrà sviluppato il sistema ausiliario della batteria, compreso lo sviluppo di un'unità di controllo del gas per filtrare i componenti dannosi del gas, in modo che l'unità di controllo della pressione dell'aria possa immettere una pressione adeguata alla batteria e consentire alla batteria di funzionare entro un intervallo appropriato. intervallo stabile.

il team sta attualmente conducendo nuove ricerche sul meccanismo di reazione di questa batteria per marte, in particolare sull'impatto delle tracce di atmosfera e della temperatura sul percorso di reazione. in futuro, continueranno anche a esplorare il meccanismo della batteria e l’ottimizzazione delle prestazioni in ambienti speciali.

in generale, sperano di sviluppare un sistema di alimentazione che possa funzionare in modo stabile ed efficiente nell'ambiente marziano, fornendo così una soluzione fattibile per l'utilizzo in situ delle risorse marziane e sforzandosi di contribuire all'esplorazione dello spazio profondo.

inoltre, per le batterie al litio e anidride carbonica, il team ritiene che le batterie per marte siano una delle direzioni applicative più importanti.

poiché il gas di anidride carbonica può essere utilizzato come gas combustibile per generare elettricità e produrre carbonio, e i gas impuri possono anche favorire le prestazioni della batteria, questa tecnologia può essere utilizzata per la cattura dell’anidride carbonica?

ci sono diverse sfide importanti che devono essere superate per raggiungere questo obiettivo:

innanzitutto, i componenti del gas vengono regolati per essere più favorevoli alla reazione.

in secondo luogo, si ottiene la raccolta dei prodotti solidi, ovvero il carbonio generato viene raccolto per evitare l'intasamento dell'elettrodo poroso.

infine, poiché gli elettrodi metallici sono materiali di consumo, il combustibile metallico deve essere reintegrato.

in risposta a questi problemi, il gruppo di ricerca ha anche condotto una serie di studi e ha anche partecipato al concorso nazionale per l'innovazione sul risparmio energetico e sulla riduzione delle emissioni degli studenti universitari con il progetto "carbon lock" - una nuova batteria al litio e anidride carbonica per " sequestro del carbonio e produzione di energia" dai gas di scarico industriali". ha vinto il premio speciale.

"nuovi documenti correlati sono ancora in arrivo. se siete interessati, continuate a prestare attenzione!", ha infine detto il ricercatore.

riferimenti:

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

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

composizione tipografica: chu jiashi