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最近、中国科学技術大学のタン・ペン教授のチームが火星バッテリーを作成しました。この電池は、火星の大気成分を電池反応燃料材料として利用することができ、より高いエネルギー密度とより長いサイクル性能を実現することができる。

摂氏0度の低温下では、このバッテリーのエネルギー密度は 373.9wh/kg、サイクル寿命は 1375 時間 (火星の約 2 か月) です。

関連論文の査読者は、この研究は火星電池の概念、応用可能性、電気化学的性能を詳細に示しており、宇宙エネルギー供給システムの開発にインスピレーションをもたらす可能性があるとコメントした。

研究者は次のように述べています。「私たちの目標は、火星資源のその場利用を実現できる電力供給システムの開発です。」

実用化までにはまだ一定の距離があるが、将来的には地球そのものの環境資源を直接エネルギーとして利用し、より効率的なエネルギー変換や宇宙資源利用の参考にしたいとしている。ストレージシステム。

火星用バッテリーの構築

リチウム空気電池リチウム システムの場合、空気中の酸素が電池内の反応物質となります。空気はバッテリー内の質量や空間を占有しないため、バッテリーのエネルギー密度は非常に高くなります。

しかし、電池が安定して動作するためには、二酸化炭素や水分を除去するなど、空気中の不純物ガスを可能な限り除去する必要があるため、一部の電池はリチウム酸素電池と呼ばれています。

以前、酸素を二酸化炭素に置き換えれば充放電も可能となり、その性能はリチウム酸素電池に匹敵するという論文が発表されました。

これは tan peng 氏の研究への大きな関心を呼び起こしましたが、時間の制約と実験条件により、当時は炭酸リチウム二酸化電池システムの研究は行われませんでした。

中国科学技術大学に入学後、独自の研究グループを設立し、リチウム酸素電池やリチウム二酸化炭素電池などのリチウムガス電池の研究を開始した。

二酸化炭素リチウム電池を理解するには、まずリチウムガス電池システムを理解する必要があります。電池の構造は主に金属リチウム、多孔質空気極、電解質を含むセパレータで構成されています。

リチウムと水は反応し、バッテリーの安定性と安全性に影響を与えます。

そのため、この種の電池の名前は空気電池ですが、この種の電池を組み立てた後は、空気中での試験はできませんが、酸素や二酸化炭素などの比較的純粋な気体中で試験を行います。

このような試験条件を作り出すには、通常、試験室を使用し、それに対応するガスを充填します。

このテストシステムを使用して、チームはそれに応じて研究を開始しました。その中でも、リチウム酸素電池の実験は良好な再現性と安定性を示しました。

しかし、研究チームは二酸化炭素リチウム電池の実験で、電池の放電電圧実験の再現性が低いことを発見した。

理論的には、バッテリーのバランス電圧は 2.8v です。学術界が既存の文献で以前に測定した放電電圧は、一般に約 2.6v です。

ただし、同じバッテリー材料の場合、実際のテスト中に電圧が 2.6v になる場合があることがチームによってわかりました。これは既存の文献報告に非常に近いですが、放電が発生すると電圧は急速に 2.0v まで低下します。

そこで彼らは、カットオフ電圧の設定が高すぎるのではないかと推測し始めました。したがって、彼らはカットオフ電圧をより低く、あるいは 0v に近い値に設定しました。バッテリーには電圧プラットフォームがあるにもかかわらず、電圧はわずか 1.5v 程度であり、これは既存の文献報告とは大きく異なることがわかりました。

このため、研究チームは長い間、「なぜ既存の文献結果を安定して再現できないのか」という疑問に陥ることになりました。バッテリークリップに異常はありませんか？電池の組み付け方法が間違っていませんか？

さまざまな試みが失敗した後、彼らは試験室に注意を向けました。誰もが「試験室に問題があるのではないか？」と疑問に思い始めました。シールが悪くてエア漏れしているのでしょうか？

そのため、彼らは、バッテリーの空気極をテスト雰囲気に直接接続するようにテスト システムを再設計しました。

他のガスからの干渉。また、バッテリー自体の気密性を検査し、ガス漏れがないことを確認します。

このテスト システムを利用して、最初にリチウム酸素電池をテストしたところ、その性能が既存の文献報告と非常に一致しており、システムの信頼性が高いことがわかりました。

次に、二酸化炭素雰囲気をテストしたところ、電圧はわずか約 1.1v であり、実験の再現性が良好であることがわかりました。

その後、彼らは新たなテストと特性評価を実施し、リチウムと二酸化炭素の間で電気化学反応が実際に発生し、機械的な問題がないことが判明した。

では、なぜ実験での電圧が既存の文献報告のほとんどと異なるのでしょうか?試験室に漏れはありますか?もしそうなら、どのようなガスが原因でしょうか？

上記の問題を明らかにするために、彼らは二酸化炭素雰囲気に微量の不純物ガスを添加したところ、微量の水分と酸素だけが電池の電圧を大幅に上昇させることができることを発見しました。

さらに、テストチャンバーを少し緩めるだけで、電圧は魔法のように約 2.6v に変化します。言い換えれば、純粋な二酸化炭素雰囲気では、バッテリーの電圧は低いレベルにしかなりません。

試験室内に漏れがあり、水や酸素が侵入するからこそ、電池電圧が上昇するのです。

これにより、研究チームは二酸化炭素リチウム電池の真の動作電圧を明らかにしました。その後、彼らは上記の結果を論文にまとめ、雑誌に掲載しました。 pnas [1]について。

この論文を受けて関連メディアも「二酸化炭素リチウム電池の将来の開発方向は再定義される可能性がある」と題する記事を掲載した。

これに基づいて、研究グループは次のように考え始めました。純粋な二酸化炭素雰囲気は電池電圧にあまり有利ではありませんが、不純物雰囲気では電圧が大幅に上昇する可能性があるため、二酸化炭素リチウム電池はどのような環境で使用できるのでしょうか?

火星を例にとると、火星の大気には 95% 以上の二酸化炭素が含まれています。実際、学会が二酸化炭素リチウム電池を提案してから間もなく、論文は火星でも使用できると指摘した。

しかし、火星の大気環境は二酸化炭素大気だけを考えることはできません。火星には不純物の大気が存在するだけでなく、激しい温度変動もあるからです。

それでは、不純物雰囲気や温度変化はバッテリーの性能にどのような影響を与えるのでしょうか?この目的を達成するために、チームは火星のバッテリーについてこの研究を実施しました。

大気を制御する必要があるため、火星のガスと同じ組成と分圧を用意する必要があります。同時に、低温で長期間テストできるように、温度を適切に制御する必要があります。

慎重に設計された実験により、バッテリーの充放電プロセス中に炭酸リチウムが生成され、分解電気化学反応も起こり、バッテリーの性能が強い温度依存性を持つことが判明しました。

提出プロセス中に、研究チームも紆余曲折を経験しました。この期間中、審査員はバッテリーの安全性に対する宇宙線と隕石の影響を調査するよう依頼しました。

「これは明らかに私たちの研究と実験の範囲を超えています。したがって、今回の結果は段階的な結果としか言えず、私たちも非常に感謝しています。」 科学速報 私たちの論文を出版する機会を与えてください。 」と研究者らは語った。

最近、「高エネルギー密度および長サイクル寿命の火星バッテリー」と題された関連論文が、 科学速報（if18.8）。

xiao xu 博士が筆頭著者であり、tan peng が責任著者を務めています[2]。

深宇宙探査への貢献を目指します

全体として、現在の研究はまだ非常に予備的なものであり、火星資源のその場利用の実現可能性を概念的に検証しているだけであり、例えば、火星のガスを発電用の燃料として使用する場合、バッテリーは一定の安定した範囲内で動作できることが検証されている。範囲。

ただし、上で述べたように、この結果を火星の環境に適用する前に、解決する必要のある課題がまだいくつかあります。

まず、火星の大気中には 95% の二酸化炭素ガスのほかに、窒素、アルゴン、酸素などの成分が存在します。これらの成分の絡み合いは電池の性能にどのような影響を与えるのでしょうか。

有害なガスを除去しながら有効なガスを利用するには、綿密な研究が必要です。

次に、火星の表面の平均気圧は地球の平均気圧の1%にも満たず、火星の気圧は非常に低いということです。

まず、バッテリー内の反応ガスとしての二酸化炭素の濃度が低くなり、反応速度に影響を与えます。

第二に、これは液体電解質の揮発を引き起こし、火星ガス電池などの半開放システムの安定性に影響を与えます。

第三に、火星の平均気温はマイナス60度程度と比較的低く、地球の平均気温よりもはるかに低いだけでなく、昼夜の温度差が大きい火星の気候特性により、急激な気象変化が起こる可能性があります。バッテリーの性能の変動や故障の可能性もあります。

最後に、火星のガスは薄く、ハリケーンを伴うため、バッテリーの動作安定性に重要な影響を及ぼします。

したがって、彼らは将来的に次の 3 つの側面について研究を行う予定です。

一方で、さまざまなガス成分、圧力、温度の影響、反応速度論への影響など、バッテリーの内部メカニズムが詳しく研究されます。

2つ目は、高性能触媒、安定性の高い金属電極、空気透過性の高い空気極、安定した電解質系（半固体電解質や全固体電解質など）の開発など、高性能電池材料の開発です。 ）。

第三の側面では、空気圧制御ユニットがバッテリーに適切な圧力を入力し、バッテリーが適切な圧力内で動作できるように、有害なガス成分をフィルタリングするガスコントロールユニットの開発を含むバッテリー補助システムを開発します。安定した範囲。

研究チームは現在、この火星バッテリーの反応機構、特に微量大気と温度が反応経路に及ぼす影響について新たな研究を行っている。今後は、特殊な環境下での電池のメカニズムと性能の最適化についても研究を続けるとしている。

一般的に、彼らは火星の環境で安定かつ効率的に動作できる電力供給システムを開発し、それによって火星の資源をその場で利用するための実現可能なソリューションを提供し、深宇宙探査に貢献することを目指しています。

さらに、二酸化炭素リチウム電池については、研究チームは火星電池が応用方向性の 1 つであると考えています。

二酸化炭素ガスは発電して炭素を生成するための燃料ガスとして使用でき、不純物ガスも電池の性能を高める可能性があるため、この技術は二酸化炭素の回収に使用できますか?

この目標を達成するには、克服する必要のある大きな課題がいくつかあります。

まず、ガス成分が反応しやすくなるように調整されます。

第二に、固体生成物の収集が達成される。すなわち、生成された炭素が収集されて多孔質電極の目詰まりが回避される。

最後に、金属電極は消耗品であるため、金属燃料を補充する必要があります。

これらの課題に対応して、研究チームは一連の研究も実施し、全国大学生省エネ・排出削減イノベーションコンペティションにも「新型リチウム二酸化炭素電池「カーボンロック」」プロジェクトで参加した。 「産業排ガスの炭素隔離と発電」が特別賞を受賞しました。

「関連する新しい論文はまだ発表中です。興味のある方は引き続き注目してください！」と研究者は最後に言いました。

参考文献:

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

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

植字：朱佳史