новости

недавно команда профессора тан пэна из университета науки и технологий китая создала марсианскую батарею.батарея может использовать компоненты марсианской атмосферы в качестве реакционного топливного материала и может достигать более высокой плотности энергии и более длительного цикла работы.

при низкой температуре 0 градусов цельсия.эта батарея имеет плотность энергии 373,9 втч/кг и срок службы 1375 часов (приблизительно два марсианских месяца).

рецензенты соответствующих статей отметили, что это исследование подробно продемонстрировало концепцию, потенциал применения и электрохимические характеристики марсианских батарей, которые могут вдохновить разработку систем космического энергоснабжения.

исследователи заявили:«наша цель — разработать систему энергоснабжения, которая сможет реализовать использование ресурсов марса на месте».

хотя между этим и практическим применением все еще существует определенная дистанция, они надеются дать некоторые рекомендации по использованию космических ресурсов. в будущем собственные ресурсы окружающей среды планеты могут быть напрямую использованы для производства энергии, тем самым развивая более эффективное преобразование энергии. системы хранения.

создание батарей для марса

в литиевых системах литий-воздушных батарей кислород воздуха является реагентом в батарее. поскольку воздух не занимает массы или пространства внутри батареи, батарея имеет чрезвычайно высокую плотность энергии.

однако для обеспечения стабильной работы батареи необходимо максимально удалить из воздуха примесные газы, например, удалить углекислый газ и влагу, поэтому некоторые батареи называются литий-кислородными батареями.

ранее в статье сообщалось, что если кислород заменить углекислым газом, батарею также можно заряжать и разряжать, а ее производительность сравнима с литий-кислородными батареями.

это вызвало большой исследовательский интерес тан пэна, но из-за нехватки времени и условий эксперимента он в то время не проводил исследования систем литиевых углекислотных батарей.

после поступления в китайский университет науки и технологий он основал собственную исследовательскую группу и начал изучать литий-газовые батареи, такие как литий-кислородные батареи и литиевые углекислотные батареи.

чтобы понять литиевые углекислотные батареи, вы должны сначала понять систему литиевых газовых батарей. в состав аккумулятора в основном входят: металлический литий, пористый воздушный электрод и сепаратор, содержащий электролит.

литий и вода вступят в реакцию и повлияют на стабильность и безопасность батареи.

поэтому, хотя название этого типа батареи — воздушная батарея, после сборки батареи этого типа ее нельзя тестировать на воздухе, а проводить испытания в относительно чистом газе, таком как кислород или углекислый газ.

чтобы создать такие условия испытаний, люди обычно используют испытательную камеру и наполняют ее соответствующим газом.

используя эту тестовую систему, команда начала соответствующие исследования. среди них эксперимент с литий-кислородной батареей показал хорошую повторяемость и стабильность.

однако в экспериментах с литиевыми углекислотными батареями исследовательская группа обнаружила, что повторяемость экспериментов по напряжению разряда батареи была плохой.

теоретически балансовое напряжение аккумулятора составляет 2,8в. напряжение разряда, ранее измеренное академическими кругами в существующей литературе, обычно составляет около 2,6 в.

однако для того же материала батареи команда обнаружила, что во время реальных испытаний напряжение иногда составляло 2,6 в. хотя это очень близко к существующим литературным данным, после возникновения разряда напряжение быстро упадет до 2,0 в.

вот и стали гадать: не слишком ли высокое напряжение отсечки установлено? поэтому они установили напряжение отсечки ниже или даже близко к 0 в. они обнаружили, что, хотя батарея имела платформу напряжения, напряжение составляло всего около 1,5 в, что значительно отличалось от существующих в литературе отчетов.

это заставило исследовательский коллектив надолго впасть в неуверенность в себе, то есть, почему они не могут стабильно повторять существующие литературные результаты? что-то не так с зажимом аккумулятора? что-то не так с методом сборки батареи?

после того, как различные попытки оказались безуспешными, они обратили внимание на испытательную камеру. все начали задаваться вопросом: а может ли быть проблема с испытательной кабиной? может быть, уплотнение плохое и есть утечка воздуха?

поэтому они перепроектировали испытательную систему, чтобы подключить воздушный электрод батареи непосредственно к испытательной атмосфере, гарантируя при этом отсутствие

помехи от других газов. а герметичность самой батареи проверяется на отсутствие утечки газа.

с помощью этой испытательной системы они впервые протестировали литий-кислородную батарею и обнаружили, что ее характеристики полностью соответствуют существующим литературным отчетам, которые показали, что система очень надежна.

затем они протестировали атмосферу углекислого газа и обнаружили, что напряжение составляет всего около 1,1 в, и эксперимент показал хорошую повторяемость.

впоследствии они провели новые испытания и характеристики и обнаружили, что электрохимическая реакция между литием и углекислым газом действительно произошла и не было никаких механических проблем.

итак, почему напряжение в эксперименте отличается от большинства существующих литературных отчетов? есть ли утечка в испытательной кабине? если да, то какой газ вызывает это?

чтобы прояснить вышеуказанные проблемы, они добавили в атмосферу углекислого газа следовые количества примесных газов. они обнаружили, что только небольшое количество влаги и кислорода может значительно повысить напряжение батареи.

далее, просто немного ослабив тестовую камеру, напряжение волшебным образом меняется примерно до 2,6в. другими словами, в атмосфере чистого углекислого газа напряжение аккумулятора может находиться только на низком уровне.

именно из-за негерметичности в испытательной камере попадания воды и кислорода напряжение аккумулятора может повыситься.

благодаря этому команда выявила истинное рабочее напряжение литиевых углекислотных батарей. позже они собрали приведенные выше результаты в статью и опубликовали ее в журнале. пнас на [1].

в ответ на эту статью соответствующие сми также опубликовали статью под названием «будущее направление развития литиевых углекислотных батарей может быть пересмотрено».

на этом основании исследовательская группа начала думать: поскольку атмосфера с чистым углекислым газом не приносит особой пользы напряжению батареи, а атмосфера с примесями может значительно повысить напряжение, то в каких средах можно использовать литиевые углекислотные батареи?

если взять в качестве примера марс, атмосфера марса содержит более 95% углекислого газа. фактически, вскоре после того, как академическое сообщество предложило литиевые углекислотные батареи, в документе указывалось, что их можно использовать на марсе.

однако атмосферной средой марса нельзя считать только атмосферу углекислого газа. потому что на марсе не только примесная атмосфера, но и сильные колебания температуры.

итак, какое влияние примеси атмосферы и изменения температуры окажут на работу батареи? с этой целью команда провела исследование марсианских батарей.

поскольку необходимо контролировать атмосферу, необходимо подготовить тот же состав газа и парциальное давление, что и у марсианского газа. в то же время необходимо хорошо контролировать температуру, чтобы обеспечить возможность проведения испытаний при низких температурах в течение более длительного периода времени.

в ходе тщательно спланированных экспериментов они обнаружили, что в процессе зарядки и разрядки аккумулятора будет образовываться карбонат лития, а также будут происходить электрохимические реакции разложения, а характеристики аккумулятора сильно зависят от температуры.

в процессе подачи заявки исследовательская группа также столкнулась с некоторыми неожиданными поворотами. в течение этого периода рецензент попросил их изучить влияние космических лучей и метеоритов на безопасность аккумуляторов.

«это явно выходит за рамки наших исследований и экспериментов. поэтому текущие результаты можно назвать лишь поэтапными, и мы тоже очень благодарны. научный вестник дайте нам возможность опубликовать нашу статью. — заявили исследователи.

недавно в журнале «марсианская батарея» была опубликована соответствующая статья под названием «марсианская батарея с высокой плотностью энергии и длительным сроком службы». научный вестник（если 18.8）。

доктор сяо сюй является первым автором, а тан пэн — автором-переписчиком[2].

стремитесь внести свой вклад в исследование дальнего космоса.

в целом, текущая работа все еще носит весьма предварительный характер и лишь концептуально проверяет возможность использования ресурсов марса на месте. например, было проверено, что при использовании марсианского газа в качестве топлива для выработки электроэнергии батарея может работать в пределах определенной стабильности. диапазон.

однако, как упоминалось выше, все еще существуют некоторые проблемы, которые необходимо решить, прежде чем этот результат можно будет применить в марсианской среде.

во-первых, помимо 95% углекислого газа, в марсианской атмосфере есть еще такие компоненты, как азот, аргон и кислород. как переплетение этих компонентов повлияет на работу батареи?

необходимы глубокие исследования для устранения вредных газов при использовании эффективных газов.

во-вторых, среднее атмосферное давление на поверхности марса не составляет даже 1% от среднего атмосферного давления на земле, то есть атмосферное давление марса очень низкое.

во-первых, это приводит к слишком низкой концентрации углекислого газа в качестве реакционного газа в батарее, что влияет на кинетику реакции.

во-вторых, это вызовет улетучивание жидкого электролита, что повлияет на стабильность полуоткрытых систем, таких как газовые батареи марса.

в-третьих, средняя температура марса относительно низкая, всего около минус 60 градусов по цельсию. это не только намного ниже средней температуры земли, но и климатические характеристики марса с огромной разницей температур между днем ​​и ночью приведут к резким изменениям. колебания производительности батареи или даже выход из строя.

наконец, газ на марсе тонкий и сопровождается ураганами, что окажет важное влияние на стабильность работы батареи.

поэтому в будущем они планируют проводить исследования по трем аспектам:

с одной стороны, внутренний механизм батареи будет тщательно изучен, например, изучение влияния различных газовых компонентов, давления и температуры, а также влияния на кинетику реакции.

во-вторых, будут разработаны высокоэффективные аккумуляторные материалы, включая разработку высокоэффективных катализаторов, высокостабильных металлических электродов, воздушных электродов с высокой воздухопроницаемостью и стабильных электролитных систем (таких как полутвердые электролиты или полностью твердые электролиты). ).

в третьем аспекте будет разработана вспомогательная система батареи, включая разработку блока управления газом для фильтрации вредных газовых компонентов, чтобы блок управления давлением воздуха мог подавать соответствующее давление в батарею и позволять батарее работать в пределах соответствующего диапазона. стабильный диапазон.

в настоящее время команда проводит новые исследования механизма реакции этой марсианской батареи, особенно влияния следов атмосферы и температуры на путь реакции. в будущем они также продолжат изучать механизм работы аккумулятора и оптимизацию производительности в особых условиях.

в целом они надеются разработать систему энергоснабжения, которая сможет стабильно и эффективно работать в марсианской среде, обеспечивая тем самым реальное решение для использования марсианских ресурсов на месте и стремясь внести свой вклад в исследование дальнего космоса.

кроме того, для литиевых углекислотных батарей команда считает, что батареи mars являются одним из отраслевых направлений применения.

поскольку углекислый газ можно использовать в качестве топливного газа для выработки электроэнергии и производства углерода, а примесные газы также могут повышать производительность аккумуляторов, можно ли использовать эту технологию для улавливания углекислого газа?

для достижения этой цели необходимо решить несколько серьезных задач:

во-первых, компоненты газа регулируются так, чтобы они были более благоприятными для реакции.

во-вторых, достигается сбор твердых продуктов, то есть образующийся углерод собирается во избежание засорения пористого электрода.

наконец, поскольку металлические электроды являются расходным материалом, металлическое топливо необходимо пополнять.

в ответ на эти вопросы исследовательская группа также провела ряд исследований, а также приняла участие в национальном студенческом конкурсе инноваций в области энергосбережения и сокращения выбросов с проектом «carbon lock» — новая литиевая углекислотная батарея для « «связывание углерода и производство электроэнергии» из промышленных газов. получил специальный приз.

«новые статьи по этой теме все еще находятся в стадии разработки. если вам интересно, пожалуйста, продолжайте обращать внимание!», - наконец сказал исследователь.

ссылки:

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

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

набор текста: чу цзяши