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recentemente, a equipe do professor tan peng da universidade de ciência e tecnologia da china criou uma bateria de marte.a bateria pode usar componentes atmosféricos marcianos como material combustível de reação da bateria e pode atingir maior densidade de energia e desempenho de ciclo mais longo.

a uma temperatura baixa de 0 graus celsius,esta bateria tem uma densidade de energia de 373,9wh/kg e um ciclo de vida de 1375 horas (aproximadamente dois meses marcianos).

os revisores de artigos relacionados comentaram que este estudo demonstrou detalhadamente o conceito, o potencial de aplicação e o desempenho eletroquímico das baterias de marte, o que pode trazer alguma inspiração para o desenvolvimento de sistemas de fornecimento de energia espacial.

os pesquisadores afirmaram:"nosso objetivo é desenvolver um sistema de fornecimento de energia que possa realizar a utilização in-situ dos recursos de marte."

embora ainda exista uma certa distância entre ele e as aplicações práticas, eles esperam fornecer alguma referência para a utilização dos recursos espaciais. no futuro, os próprios recursos ambientais do planeta poderão ser utilizados diretamente para fornecer energia, desenvolvendo assim uma conversão energética mais eficaz. sistemas de armazenamento.

construindo baterias para marte

para sistemas de bateria de lítio-ar, o oxigênio do ar é um reagente na bateria. como o ar não ocupa massa ou espaço dentro da bateria, a bateria possui densidade de energia extremamente alta.

porém, para garantir que a bateria funcione de forma estável, é necessário remover ao máximo os gases impuros do ar, como a remoção de dióxido de carbono e umidade, razão pela qual algumas baterias são chamadas de baterias de oxigênio e lítio.

anteriormente, um artigo relatou que se o oxigênio for substituído por dióxido de carbono, a bateria também pode ser carregada e descarregada, e seu desempenho é comparável ao das baterias de lítio-oxigênio.

isso despertou grande interesse de pesquisa em tan peng, mas devido a restrições de tempo e condições experimentais, ele não conduziu pesquisas sobre sistemas de baterias de lítio e dióxido de carbono naquela época.

depois de ingressar na universidade de ciência e tecnologia da china, ele estabeleceu seu próprio grupo de pesquisa e começou a estudar baterias de gás de lítio, como baterias de oxigênio de lítio e baterias de dióxido de carbono de lítio.

para entender as baterias de lítio e dióxido de carbono, você deve primeiro entender o sistema de bateria de gás de lítio. a estrutura da bateria inclui principalmente: lítio metálico, eletrodo de ar poroso e separador contendo eletrólito.

o lítio e a água reagirão e afetarão a estabilidade e a segurança da bateria.

portanto, embora o nome desse tipo de bateria seja bateria de ar, após a montagem desse tipo de bateria, ela não pode ser testada no ar, mas em um gás relativamente puro, como oxigênio ou dióxido de carbono.

para criar tais condições de teste, as pessoas geralmente usam uma câmara de teste e a enchem com o gás correspondente.

usando este sistema de teste, a equipe começou a pesquisar adequadamente. entre eles, o experimento com bateria de lítio-oxigênio mostrou boa repetibilidade e estabilidade.

no entanto, em experimentos com baterias de lítio e dióxido de carbono, a equipe de pesquisa descobriu que a repetibilidade dos experimentos de tensão de descarga da bateria era baixa.

teoricamente, a tensão de equilíbrio da bateria é 2,8v. a tensão de descarga anteriormente medida pelos círculos acadêmicos na literatura existente é geralmente em torno de 2,6v.

no entanto, para o mesmo material de bateria, a equipe descobriu que a tensão às vezes era de 2,6 v durante os testes reais. embora isso esteja muito próximo dos relatos da literatura existente, quando ocorrer a descarga, a tensão cairá rapidamente para 2,0v.

então eles começaram a adivinhar: a tensão de corte está muito alta? portanto, eles definiram a tensão de corte para um valor mais baixo ou até próximo de 0v. eles descobriram que, embora a bateria tivesse uma plataforma de tensão, a tensão era de apenas cerca de 1,5v, o que era significativamente diferente dos relatos da literatura existente.

isso fez com que a equipe de pesquisa caísse em dúvidas por um longo tempo, ou seja, por que eles não conseguem repetir de forma estável os resultados da literatura existente? há algo errado com o clipe da bateria? há algo errado com o método de montagem da bateria?

depois que várias tentativas falharam, eles voltaram sua atenção para a câmara de testes. todos começaram a se perguntar: poderia haver algum problema com a cabine de teste? será que a vedação não está boa e há vazamento de ar?

portanto, eles redesenharam um sistema de teste para conectar o eletrodo de ar da bateria diretamente à atmosfera de teste, garantindo ao mesmo tempo que nenhum

interferência de outros gases. e a estanqueidade da própria bateria é testada para garantir que não haja vazamento de gás.

com a ajuda deste sistema de teste, eles testaram primeiro a bateria de lítio-oxigênio e descobriram que o desempenho era muito consistente com os relatórios da literatura existente, que mostravam que o sistema era altamente confiável.

em seguida, eles testaram a atmosfera de dióxido de carbono e descobriram que a voltagem era de apenas 1,1 v, e o experimento mostrou boa repetibilidade.

posteriormente, realizaram novos testes e caracterizações e constataram que ocorreu a reação eletroquímica entre o lítio e o dióxido de carbono e não houve problemas mecânicos.

então, por que a tensão no experimento é diferente da maioria dos relatos da literatura existente? há um vazamento na cabine de teste? se sim, que gás está causando isso?

para esclarecer os problemas acima, eles adicionaram vestígios de gases impuros à atmosfera de dióxido de carbono. eles descobriram que apenas uma pequena quantidade de umidade e oxigênio poderia aumentar significativamente a voltagem da bateria.

além disso, apenas afrouxando um pouco a câmara de teste, a tensão muda magicamente para cerca de 2,6v. em outras palavras, em uma atmosfera pura de dióxido de carbono, a voltagem da bateria só pode estar em um nível baixo.

é justamente por causa do vazamento na câmara de teste por onde entram água e oxigênio, que a tensão da bateria pode ser aumentada.

com isso, a equipe revelou a verdadeira tensão operacional das baterias de lítio e dióxido de carbono. mais tarde, eles compilaram os resultados acima em um artigo e o publicaram em pnas em [1].

em resposta a este artigo, a mídia relevante também publicou um artigo intitulado "a futura direção do desenvolvimento das baterias de lítio e dióxido de carbono pode ser redefinida".

com base nisso, o grupo de pesquisa começou a pensar: como uma atmosfera pura de dióxido de carbono não traz muitas vantagens para a tensão da bateria, mas uma atmosfera impura pode aumentar significativamente a tensão, então em quais ambientes as baterias de lítio dióxido de carbono podem ser usadas?

tomando marte como exemplo, a atmosfera de marte contém mais de 95% de dióxido de carbono. na verdade, não muito depois de a comunidade acadêmica ter proposto baterias de lítio e dióxido de carbono, um artigo apontou que elas poderiam ser usadas em marte.

contudo, para o ambiente atmosférico de marte, não se pode considerar apenas a atmosfera de dióxido de carbono. porque não existe apenas uma atmosfera impura em marte, mas também fortes flutuações de temperatura.

então, que impacto a atmosfera de impurezas e as mudanças de temperatura terão no desempenho da bateria? para tanto, a equipe conduziu esta pesquisa em baterias de marte.

como a atmosfera precisa ser controlada, a mesma composição de gás e pressão parcial do gás marciano devem ser preparadas. ao mesmo tempo, a temperatura deve ser bem controlada para garantir que possa ser testada em baixas temperaturas por um longo período de tempo.

por meio de experimentos cuidadosamente elaborados, eles descobriram que durante o processo de carga e descarga da bateria, será gerado carbonato de lítio, e também haverá reações eletroquímicas de decomposição, e o desempenho da bateria tem uma forte dependência da temperatura.

durante o processo de submissão, a equipe de pesquisa também passou por algumas reviravoltas. durante este período, um revisor pediu-lhes que explorassem o impacto dos raios cósmicos e meteoritos na segurança da bateria.

“isso está obviamente além do escopo de nossa pesquisa e experimento. portanto, os resultados atuais só podem ser considerados resultados faseados, e também estamos muito gratos. boletim científico dê-nos a oportunidade de publicar nosso artigo. ”, disseram os pesquisadores.

recentemente, um artigo relacionado intitulado "uma bateria de marte de alta densidade energética e longa vida útil" foi publicado em boletim científico(se 18,8)。

xiao xu é o primeiro autor e tan peng é o autor correspondente[2].

esforce-se para contribuir para a exploração do espaço profundo

no geral, o trabalho actual ainda é muito preliminar e apenas verifica conceptualmente a viabilidade da utilização in-situ dos recursos de marte. por exemplo, verificou-se que ao utilizar o gás marciano como combustível para gerar electricidade, a bateria pode funcionar dentro de um determinado nível estável. faixa.

contudo, como mencionado acima, ainda existem alguns desafios que precisam ser resolvidos antes que este resultado possa ser aplicado no ambiente marciano.

primeiro, além de 95% de gás dióxido de carbono, também existem componentes como nitrogênio, argônio e oxigênio na atmosfera marciana. como o entrelaçamento desses componentes afetará o desempenho da bateria?

é necessária uma pesquisa aprofundada para eliminar gases nocivos e ao mesmo tempo utilizar gases eficazes.

em segundo lugar, a pressão atmosférica média na superfície de marte não é nem 1% da pressão atmosférica média na terra, ou seja, a pressão atmosférica de marte é muito baixa.

primeiro, isto resulta numa concentração de dióxido de carbono como gás de reacção na bateria que é demasiado baixa, afectando a cinética da reacção.

em segundo lugar, isto causará a volatilização do eletrólito líquido, o que afetará a estabilidade de sistemas semiabertos, como as baterias de gás de marte.

em terceiro lugar, a temperatura média de marte é relativamente baixa, apenas cerca de 60 graus celsius negativos. não só é muito inferior à temperatura média da terra, mas as características climáticas de marte, com uma enorme diferença de temperatura entre o dia e a noite, causarão drásticas. flutuações no desempenho da bateria ou até mesmo falha.

por fim, o gás em marte é escasso e acompanhado de furacões, o que terá um impacto importante na estabilidade operacional da bateria.

portanto, eles planejam realizar pesquisas em três aspectos no futuro:

por um lado, o mecanismo interno da bateria será estudado em profundidade, como o estudo da influência dos diferentes componentes do gás, pressão e temperatura, e o efeito na cinética da reação.

no segundo lado, serão desenvolvidos materiais de bateria de alto desempenho, incluindo o desenvolvimento de catalisadores de alto desempenho, eletrodos metálicos altamente estáveis, eletrodos de ar de alta permeabilidade ao ar e sistemas eletrolíticos estáveis ​​(como eletrólitos semissólidos ou eletrólitos totalmente sólidos ).

no terceiro aspecto, o sistema auxiliar da bateria será desenvolvido, incluindo o desenvolvimento de uma unidade de controle de gás para filtrar componentes de gases nocivos, de modo que a unidade de controle de pressão de ar possa fornecer pressão adequada à bateria e permitir que a bateria opere dentro de um nível apropriado. faixa estável.

a equipe está atualmente conduzindo novas pesquisas sobre o mecanismo de reação desta bateria de marte, especialmente o impacto dos traços da atmosfera e da temperatura no caminho da reação. no futuro, eles também continuarão a explorar o mecanismo da bateria e a otimização do desempenho em ambientes especiais.

em geral, eles esperam desenvolver um sistema de fornecimento de energia que possa funcionar de forma estável e eficiente no ambiente marciano, fornecendo assim uma solução viável para a utilização in-situ dos recursos marcianos e esforçando-se para contribuir para a exploração do espaço profundo.

além disso, para baterias de dióxido de carbono e lítio, a equipe acredita que as baterias de marte são uma das direções de aplicação do ramo.

uma vez que o gás dióxido de carbono pode ser usado como gás combustível para gerar eletricidade e produzir carbono, e os gases impuros também podem promover o desempenho da bateria, esta tecnologia pode ser usada para captura de dióxido de carbono?

existem vários desafios importantes que precisam ser superados para atingir esse objetivo:

primeiro, os componentes gasosos são ajustados para serem mais propícios à reação.

em segundo lugar, consegue-se a recolha de produtos sólidos, ou seja, o carbono gerado é recolhido para evitar o entupimento do eléctrodo poroso.

finalmente, como os eletrodos metálicos são consumíveis, o combustível metálico deve ser reabastecido.

em resposta a essas questões, a equipe de pesquisa também realizou uma série de estudos e também participou do concurso nacional de inovação em economia de energia e redução de emissões para estudantes universitários com o projeto "" carbon lock "- uma nova bateria de lítio e dióxido de carbono para" sequestro de carbono e geração de energia" de gases residuais industriais".

“novos artigos relacionados ainda estão a caminho. se você estiver interessado, continue prestando atenção!”, disse finalmente o pesquisador.

referências:

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

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

composição: chu jiashi