소식

최근 중국 과학기술대학교 tan peng 교수 팀은 화성 배터리를 만들었습니다.배터리는 화성의 대기 성분을 배터리 반응 연료 물질로 사용할 수 있으며 더 높은 에너지 밀도와 더 긴 사이클 성능을 달성할 수 있습니다.

영하 0도의 낮은 온도에서이 배터리는 에너지 밀도가 373.9wh/kg이고 주기 수명은 1375시간(화성에서 약 2개월)입니다.

관련 논문 심사자들은 이번 연구가 화성 배터리의 개념과 활용 가능성, 전기화학적 성능을 상세히 입증해 우주 에너지 공급 시스템 개발에 영감을 줄 수 있다고 평가했다.

연구원들은 다음과 같이 말했습니다."우리의 목표는 화성 자원의 현장 활용을 실현할 수 있는 전원 공급 시스템을 개발하는 것입니다."

실제 적용과 아직 어느 정도 거리가 있지만, 미래에는 지구 자체의 환경 자원을 에너지 공급에 직접 사용하여 보다 효과적인 에너지 전환과 발전을 도모할 수 있는 우주 자원 활용에 대한 참고 자료를 제공할 수 있기를 바랍니다. 저장 시스템.

화성용 배터리 제작

리튬-공기 배터리 리튬 시스템의 경우 공기 중의 산소는 배터리의 반응물입니다. 공기는 배터리 내부의 질량이나 공간을 차지하지 않기 때문에 배터리의 에너지 밀도가 매우 높습니다.

하지만 배터리가 안정적으로 작동하려면 이산화탄소, 수분을 제거하는 등 공기 중의 불순물 가스를 최대한 제거해야 하기 때문에 일부 배터리를 리튬산소 배터리라고 부르기도 합니다.

앞서 산소를 이산화탄소로 대체하면 배터리 충전과 방전도 가능하며 성능은 리튬-산소 배터리와 맞먹는다는 논문이 보도된 바 있다.

이는 tan peng의 연구에 큰 관심을 불러일으켰지만 시간 제약과 실험 조건으로 인해 당시 그는 리튬 이산화탄소 배터리 시스템에 대한 연구를 수행하지 않았습니다.

그는 중국 과학기술대학에 입학한 후 자체 연구그룹을 설립하고 리튬산소전지, 리튬이산화탄소전지 등 리튬가스전지를 연구하기 시작했다.

리튬이산화탄소 배터리를 이해하려면 먼저 리튬가스 배터리 시스템을 이해해야 합니다. 배터리의 구조는 주로 금속 리튬, 다공성 공기 전극 및 전해질이 포함된 분리막으로 구성됩니다.

리튬과 물은 반응하여 배터리의 안정성과 안전성에 영향을 미칩니다.

따라서 이러한 유형의 배터리 이름은 공기 배터리이지만 이러한 유형의 배터리를 조립한 후에는 공기 중에서 테스트할 수 없으며 산소 또는 이산화탄소와 같은 비교적 순수한 가스에서 테스트를 수행합니다.

이러한 테스트 조건을 만들기 위해 사람들은 일반적으로 테스트 챔버를 사용하고 해당 가스로 채웁니다.

이 테스트 시스템을 사용하여 팀은 그에 따라 연구를 시작했습니다. 그 중 리튬-산소 배터리 실험은 좋은 반복성과 안정성을 보여주었다.

그러나 연구팀은 리튬이산화탄소전지 실험에서 배터리 방전전압 실험의 반복성이 좋지 않다는 사실을 발견했다.

이론적으로 배터리의 밸런스 전압은 2.8v이다. 기존 문헌에서 학계에서 측정한 방전전압은 일반적으로 2.6v 정도이다.

그러나 동일한 배터리 소재의 경우 실제 테스트에서 전압이 2.6v가 되는 경우가 있다는 사실을 연구진은 발견했다. 이는 기존 문헌 보고와 매우 유사하지만 일단 방전이 발생하면 전압은 빠르게 2.0v로 떨어집니다.

그래서 그들은 컷오프 전압이 너무 높게 설정되어 있지는 않은지 추측하기 시작했습니다. 따라서 차단 전압을 더 낮게 설정하거나 심지어 0v에 가깝게 설정한 결과, 배터리에 전압 플랫폼이 있음에도 불구하고 전압이 1.5v 내외에 불과해 기존 문헌 보고와 크게 다른 점을 발견했습니다.

이로 인해 연구팀은 오랫동안 자기 회의에 빠졌습니다. 즉, 왜 기존 문헌 결과를 안정적으로 반복할 수 없는 걸까요? 배터리 클립에 문제가 있나요? 배터리 조립방법에 문제가 있는 걸까요?

여러 시도가 실패하자 그들은 실험실로 시선을 돌렸다. 모두가 궁금해하기 시작했습니다. 테스트 객실에 문제가 있을 수 있을까요? 씰이 좋지 않아 에어누설이 있는 것은 아닐까요?

따라서 그들은 배터리의 공기 전극을 테스트 분위기에 직접 연결하는 동시에 테스트 시스템을 재설계했습니다.

다른 가스의 간섭. 그리고 배터리 자체의 기밀성을 테스트하여 가스 누출이 없는지 확인합니다.

이 테스트 시스템의 도움으로 그들은 먼저 리튬-산소 배터리를 테스트한 결과 성능이 기존 문헌 보고서와 매우 일치하여 시스템의 신뢰성이 매우 높다는 것을 확인했습니다.

그런 다음 이산화탄소 분위기를 테스트한 결과 전압이 약 1.1v에 불과한 것으로 나타났으며 실험의 반복성은 좋은 것으로 나타났습니다.

이후 새로운 테스트와 특성화를 실시한 결과, 리튬과 이산화탄소 사이의 전기화학적 반응이 일어나고 기계적 문제는 없는 것으로 확인됐다.

그렇다면 실험의 전압이 대부분의 기존 문헌 보고와 다른 이유는 무엇입니까? 시험실에 누출이 있습니까? 그렇다면 어떤 가스가 원인입니까?

위의 문제를 명확히 하기 위해 이산화탄소 분위기에 미량의 불순물 가스를 첨가한 결과, 약한 양의 수분과 산소만으로도 배터리의 전압을 크게 높일 수 있다는 사실을 발견했습니다.

또한 테스트 챔버를 약간만 풀면 전압이 마술처럼 약 2.6v로 변경됩니다. 즉, 순수한 이산화탄소 분위기에서는 배터리의 전압이 낮은 수준에 있을 수 밖에 없습니다.

테스트 챔버의 누출로 인해 물과 산소가 유입되어 배터리 전압이 높아질 수 있습니다.

이를 통해 연구팀은 리튬이산화탄소전지의 실제 작동전압을 밝혀냈다. 나중에 그들은 위의 결과를 논문으로 정리하여 다음과 같이 발표했습니다. 뉴스 [1]에.

이 논문을 두고 관련 매체에서도 '리튬이산화탄소전지의 미래 발전 방향이 재정의될 수 있다'는 제목의 기사를 게재하기도 했다.

이를 토대로 연구팀은 '순수한 이산화탄소 분위기는 배터리 전압에 큰 이점을 가져오지 못하지만, 불순물 분위기는 전압을 크게 높일 수 있으니, 그렇다면 어떤 환경에서 리튬이산화탄소 배터리를 사용할 수 있을까?'라고 생각하기 시작했다.

화성을 예로 들면, 화성의 대기에는 95% 이상의 이산화탄소가 포함되어 있습니다. 실제로 학계가 리튬이산화탄소 배터리를 제안한 지 얼마 지나지 않아 화성에서도 사용할 수 있다는 논문이 나왔다.

그러나 화성의 대기환경은 이산화탄소 대기만 고려할 수는 없다. 화성에는 불순물 대기뿐만 아니라 온도 변동도 심하기 때문입니다.

그렇다면 불순물 분위기와 온도 변화가 배터리 성능에 어떤 영향을 미칠까요? 이를 위해 연구팀은 화성 배터리에 대한 연구를 수행했습니다.

대기를 조절해야 하기 때문에 화성 가스와 동일한 가스 조성과 분압을 준비해야 합니다. 동시에 저온에서 장기간 테스트할 수 있도록 온도를 잘 제어해야 합니다.

신중하게 설계된 실험을 통해 그들은 배터리의 충전 및 방전 과정에서 탄산리튬이 생성되고 분해 전기화학 반응이 일어나며 배터리 성능이 온도 의존성이 크다는 것을 발견했습니다.

투고 과정에서 연구팀 역시 우여곡절을 겪었다. 이 기간 동안 한 리뷰어는 우주선과 운석이 배터리 안전에 미치는 영향을 조사해 달라고 요청했습니다.

"이것은 분명히 우리의 연구와 실험의 범위를 넘어서는 것입니다. 따라서 현재의 결과는 단계적인 결과라고 밖에 말할 수 없으며 우리도 매우 감사하고 있습니다. 과학 게시판 논문을 출판할 수 있는 기회를 주십시오. "라고 연구진은 말했다.

최근에는 '고에너지 밀도와 장수명 화성 배터리'라는 제목의 관련 논문이 게재됐다. 과학 게시판（if 18.8）。

xiao xu 박사가 제1저자이고 tan peng이 교신저자입니다[2].

심우주 탐사에 기여하기 위해 노력

전반적으로, 현재 작업은 아직 매우 예비적이며 화성 자원의 현장 활용 가능성을 개념적으로만 검증합니다. 예를 들어 화성 가스를 연료로 사용하여 전기를 생산할 때 배터리가 특정 안정 내에서 작동할 수 있음이 확인되었습니다. 범위.

그러나 위에서 언급한 바와 같이 이 결과가 화성 환경에 적용되기 위해서는 아직 해결해야 할 몇 가지 과제가 남아 있다.

먼저, 화성 대기에는 95%의 이산화탄소 가스 외에 질소, 아르곤, 산소 등의 성분도 존재합니다. 이들 성분의 얽힘은 배터리 성능에 어떤 영향을 미칠까요?

효과적인 가스를 활용하면서 유해가스를 제거하기 위해서는 심층적인 연구가 필요합니다.

둘째, 화성 표면의 평균 대기압은 지구 평균 대기압의 1%도 안 된다. 즉, 화성의 대기압은 매우 낮다.

첫째, 이로 인해 배터리 내 반응 가스인 이산화탄소의 농도가 너무 낮아 반응 동역학에 영향을 미칩니다.

둘째, 이는 액체 전해질의 휘발을 유발하여 화성 가스 배터리와 같은 반개방형 시스템의 안정성에 영향을 미칩니다.

셋째, 화성의 평균 기온은 섭씨 영하 60도 정도에 불과할 정도로 상대적으로 낮습니다. 이는 지구 평균 기온보다 훨씬 낮을 뿐만 아니라, 낮과 밤의 온도차가 큰 화성의 기후 특성으로 인해 극심한 기온 변화가 일어날 것입니다. 배터리 성능의 변동 또는 심지어 고장.

마지막으로, 화성의 가스는 희박하고 허리케인을 동반하므로 배터리의 작동 안정성에 중요한 영향을 미칩니다.

따라서 향후 세 가지 측면에서 연구를 진행할 예정이다.

한편으로는 다양한 가스 성분, 압력 및 온도의 영향, 반응 역학에 대한 영향을 연구하는 등 배터리의 내부 메커니즘을 심층적으로 연구합니다.

둘째, 고성능 촉매 개발, 안정성이 높은 금속전극 개발, 공기투과도 높은 공기극 개발, 안정적인 전해질 시스템(반고체 전해질, 전고체 전해질 등) 개발 등 고성능 배터리 소재를 개발한다. ).

세 번째 측면에서는 유해가스 성분을 필터링하는 가스제어장치의 개발을 포함하여, 공기압제어장치가 배터리에 적절한 압력을 입력하여 배터리가 적정 온도 내에서 작동할 수 있도록 하는 배터리 보조 시스템을 개발한다. 안정적인 범위.

연구팀은 현재 이 화성 배터리의 반응 메커니즘, 특히 미량 대기와 온도가 반응 경로에 미치는 영향에 대한 새로운 연구를 수행하고 있습니다. 앞으로도 그들은 특별한 환경에서 배터리 메커니즘과 성능 최적화를 계속해서 탐구할 것입니다.

일반적으로 화성 환경에서 안정적이고 효율적으로 작동할 수 있는 전원 공급 시스템을 개발하여 화성 자원의 현장 활용을 위한 실현 가능한 솔루션을 제공하고 심우주 탐사에 기여하기 위해 노력하고 있습니다.

또한, 리튬이산화탄소전지의 경우 화성전지가 분기적용 방향 중 하나라고 연구팀은 믿고 있다.

이산화탄소 가스를 연료가스로 활용해 전기를 생산하고 탄소를 생산할 수 있고, 불순물 가스도 배터리 성능을 향상시킬 수 있는데, 이 기술을 이산화탄소 포집에 활용할 수 있을까?

이 목표를 달성하기 위해 극복해야 할 몇 가지 주요 과제가 있습니다.

첫째, 가스 성분이 반응에 더 도움이 되도록 조정됩니다.

둘째, 고체 생성물의 포집이 이루어진다. 즉, 생성된 탄소를 포집하여 다공성 전극의 막힘을 방지한다.

마지막으로 금속전극은 소모품이므로 금속연료를 보충해야 한다.

이러한 문제에 대응하기 위해 연구팀도 일련의 연구를 진행해 왔으며, '탄소잠금' 프로젝트로 전국 대학생 에너지 절약 및 배출저감 혁신경진대회에도 참가했다. 산업폐기물의 탄소격리 및 발전'으로 특별상을 수상하였습니다.

"아직 새로운 관련 논문들이 나오고 있습니다. 관심 있으신 분들은 계속해서 관심을 가져주시길 바랍니다!"

참고자료:

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

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

조판: 추지아시(chu jiashi)