noticias

recientemente, el equipo del profesor tan peng de la universidad de ciencia y tecnología de china creó una batería de marte.la batería puede utilizar componentes atmosféricos marcianos como material combustible de reacción de la batería y puede lograr una mayor densidad de energía y un rendimiento de ciclo más largo.

a una temperatura baja de 0 grados celsius,esta batería tiene una densidad energética de 373,9wh/kg y un ciclo de vida de 1375 horas (aproximadamente dos meses marcianos).

los revisores de artículos relacionados comentaron que este estudio demostró en detalle el concepto, el potencial de aplicación y el rendimiento electroquímico de las baterías de marte, lo que puede aportar algo de inspiración para el desarrollo de sistemas de suministro de energía espacial.

los investigadores declararon:"nuestro objetivo es desarrollar un sistema de suministro de energía que pueda aprovechar in situ los recursos de marte".

aunque todavía existe una cierta distancia entre esto y las aplicaciones prácticas, esperan proporcionar alguna referencia para la utilización de los recursos espaciales. en el futuro, los propios recursos ambientales del planeta podrán usarse directamente para proporcionar energía, desarrollando así una conversión y conversión de energía más efectiva. sistemas de almacenamiento.

construyendo baterías para marte

para los sistemas de litio con batería de litio-aire, el oxígeno en el aire es un reactivo en la batería. debido a que el aire no ocupa masa ni espacio dentro de la batería, la batería tiene una densidad de energía extremadamente alta.

sin embargo, para garantizar que la batería pueda funcionar de manera estable, es necesario eliminar los gases impuros del aire tanto como sea posible, como eliminar el dióxido de carbono y la humedad, razón por la cual algunas baterías se denominan baterías de litio y oxígeno.

anteriormente, un artículo informó que si el oxígeno se reemplaza con dióxido de carbono, la batería también se puede cargar y descargar, y su rendimiento es comparable al de las baterías de litio-oxígeno.

esto despertó el gran interés de investigación de tan peng, pero debido a limitaciones de tiempo y condiciones experimentales, no realizó investigaciones sobre sistemas de baterías de litio y dióxido de carbono en ese momento.

después de unirse a la universidad de ciencia y tecnología de china, estableció su propio grupo de investigación y comenzó a estudiar baterías de gas litio, como las baterías de litio y oxígeno y las baterías de litio y dióxido de carbono.

para comprender las baterías de litio y dióxido de carbono, primero debe comprender el sistema de baterías de litio y gas. la estructura de la batería incluye principalmente: litio metálico, electrodo de aire poroso y separador que contiene electrolito.

el litio y el agua reaccionarán y afectarán la estabilidad y seguridad de la batería.

por lo tanto, aunque el nombre de este tipo de batería es batería de aire, una vez ensamblado este tipo de batería, no se puede probar en el aire, sino en un gas relativamente puro, como oxígeno o dióxido de carbono.

para crear estas condiciones de prueba, se suele utilizar una cámara de prueba y llenarla con el gas correspondiente.

utilizando este sistema de prueba, el equipo comenzó a investigar en consecuencia. entre ellos, el experimento con baterías de litio y oxígeno mostró buena repetibilidad y estabilidad.

sin embargo, en experimentos con baterías de litio y dióxido de carbono, el equipo de investigación descubrió que la repetibilidad de los experimentos de voltaje de descarga de la batería era deficiente.

teóricamente, el voltaje de equilibrio de la batería es de 2,8 v. el voltaje de descarga medido previamente por los círculos académicos en la literatura existente es generalmente de alrededor de 2,6 v.

sin embargo, para el mismo material de batería, el equipo descubrió que el voltaje a veces era de 2,6 v durante las pruebas reales. aunque esto está muy cerca de los informes de la literatura existente, una vez que se produce la descarga, el voltaje caerá rápidamente a 2,0 v.

entonces empezaron a adivinar: ¿la tensión de corte está demasiado alta? por lo tanto, establecieron el voltaje de corte por debajo o incluso cerca de 0 v. descubrieron que, aunque la batería tenía una plataforma de voltaje, el voltaje era solo de alrededor de 1,5 v, lo que era significativamente diferente de los informes de la literatura existente.

esto hizo que el equipo de investigación dudara durante mucho tiempo, es decir, ¿por qué no pueden repetir de manera estable los resultados de la literatura existente? ¿hay algún problema con el clip de la batería? ¿hay algún problema con el método de montaje de la batería?

después de que varios intentos fracasaron, dirigieron su atención a la cámara de pruebas. todos empezaron a preguntarse: ¿podría haber algún problema con la cabina de pruebas? ¿será que el sello no está bien y hay fuga de aire?

por lo tanto, rediseñaron un sistema de prueba para conectar el electrodo de aire de la batería directamente a la atmósfera de prueba y al mismo tiempo garantizar que no

interferencia de otros gases. y se prueba la estanqueidad de la batería para garantizar que no haya fugas de gas.

con la ayuda de este sistema de prueba, primero probaron la batería de litio-oxígeno y descubrieron que el rendimiento era muy consistente con los informes de la literatura existente, que mostraban que el sistema era altamente confiable.

luego, probaron la atmósfera de dióxido de carbono y descubrieron que el voltaje era sólo de aproximadamente 1,1 v, y el experimento mostró una buena repetibilidad.

posteriormente, realizaron nuevas pruebas y caracterizaciones, y comprobaron que sí se produjo la reacción electroquímica entre el litio y el dióxido de carbono, y no hubo problemas mecánicos.

entonces, ¿por qué el voltaje en el experimento es diferente al de la mayoría de los informes bibliográficos existentes? ¿hay alguna fuga en la cabina de pruebas? si es así, ¿qué gas lo está causando?

para aclarar los problemas anteriores, agregaron trazas de gases impuros a la atmósfera de dióxido de carbono y descubrieron que solo una pequeña cantidad de humedad y oxígeno podía aumentar significativamente el voltaje de la batería.

además, con sólo aflojar un poco la cámara de prueba, el voltaje cambia mágicamente a alrededor de 2,6 v. en otras palabras, en una atmósfera de dióxido de carbono puro, el voltaje de la batería sólo puede ser de un nivel bajo.

precisamente debido a la fuga en la cámara de prueba por la que entran agua y oxígeno, se puede aumentar el voltaje de la batería.

a través de esto, el equipo reveló el verdadero voltaje de funcionamiento de las baterías de litio y dióxido de carbono. más tarde, compilaron los resultados anteriores en un artículo y lo publicaron en pnas en [1].

en respuesta a este artículo, los medios relevantes también publicaron un artículo titulado "la dirección futura del desarrollo de las baterías de litio y dióxido de carbono puede redefinirse".

sobre esta base, el grupo de investigación comenzó a pensar: dado que una atmósfera de dióxido de carbono puro no aporta muchas ventajas al voltaje de la batería, pero una atmósfera de impurezas puede aumentar significativamente el voltaje, ¿en qué entornos se pueden utilizar las baterías de litio y dióxido de carbono?

tomando a marte como ejemplo, la atmósfera de marte contiene más del 95% de dióxido de carbono. de hecho, poco después de que la comunidad académica propusiera baterías de litio y dióxido de carbono, un artículo señaló que podrían usarse en marte.

sin embargo, para el entorno atmosférico de marte, no se puede considerar únicamente la atmósfera de dióxido de carbono. porque en marte no sólo hay una atmósfera impura, sino también fuertes fluctuaciones de temperatura.

entonces, ¿qué impacto tendrán la atmósfera de impurezas y los cambios de temperatura en el rendimiento de la batería? para ello, el equipo llevó a cabo esta investigación en baterías de marte.

dado que es necesario controlar la atmósfera, se debe preparar la misma composición de gas y presión parcial que el gas marciano. al mismo tiempo, la temperatura debe estar bien controlada para garantizar que se pueda probar a bajas temperaturas durante un período de tiempo más largo.

a través de experimentos cuidadosamente diseñados, descubrieron que durante el proceso de carga y descarga de la batería, se generará carbonato de litio y también habrá reacciones electroquímicas de descomposición, y el rendimiento de la batería tiene una fuerte dependencia de la temperatura.

durante el proceso de presentación, el equipo de investigación también experimentó algunos giros y vueltas. durante este período, un crítico les pidió que exploraran el impacto de los rayos cósmicos y los meteoritos en la seguridad de las baterías.

"esto obviamente está más allá del alcance de nuestra investigación y experimento. por lo tanto, los resultados actuales sólo pueden decirse como resultados graduales, y también estamos muy agradecidos. boletín de ciencia danos la oportunidad de publicar nuestro artículo. ”, dijeron los investigadores.

recientemente, se publicó en boletín de ciencia(si 18.8).

el dr. xiao xu es el primer autor y tan peng es el autor correspondiente[2].

esforzarse por contribuir a la exploración del espacio profundo.

en general, el trabajo actual es todavía muy preliminar y sólo verifica conceptualmente la viabilidad de la utilización in situ de los recursos de marte. por ejemplo, se ha comprobado que cuando se utiliza gas marciano como combustible para generar electricidad, la batería puede funcionar dentro de un cierto nivel estable. rango.

sin embargo, como se mencionó anteriormente, todavía quedan algunos desafíos por resolver antes de que este resultado pueda aplicarse en el entorno marciano.

en primer lugar, además del 95% de dióxido de carbono, también hay componentes como nitrógeno, argón y oxígeno en la atmósfera marciana. ¿cómo afectará el entrelazamiento de estos componentes al rendimiento de la batería?

se necesita una investigación en profundidad para eliminar los gases nocivos y al mismo tiempo utilizar gases eficaces.

en segundo lugar, la presión atmosférica promedio en la superficie de marte no es ni siquiera el 1% de la presión atmosférica promedio en la tierra, es decir, la presión atmosférica de marte es muy baja.

en primer lugar, esto da como resultado una concentración de dióxido de carbono como gas de reacción en la batería demasiado baja, lo que afecta a la cinética de reacción.

en segundo lugar, esto provocará la volatilización del electrolito líquido, lo que afectará a la estabilidad de sistemas semiabiertos como las baterías de gas de marte.

en tercer lugar, la temperatura media de marte es relativamente baja, sólo unos 60 grados centígrados bajo cero. no sólo es mucho más baja que la temperatura media de la tierra, sino que las características climáticas de marte, con una enorme diferencia de temperatura entre el día y la noche, provocarán cambios drásticos. fluctuaciones en el rendimiento de la batería o incluso fallos.

finalmente, el gas en marte es escaso y está acompañado de huracanes, lo que tendrá un impacto importante en la estabilidad operativa de la batería.

por ello, planean realizar investigaciones en tres aspectos en el futuro:

por un lado, se estudiará en profundidad el mecanismo interno de la batería, como estudiar la influencia de los diferentes componentes del gas, la presión y la temperatura, y el efecto sobre la cinética de reacción.

en el segundo lado, se desarrollarán materiales para baterías de alto rendimiento, incluido el desarrollo de catalizadores de alto rendimiento, electrodos metálicos altamente estables, electrodos de aire de alta permeabilidad al aire y sistemas de electrolitos estables (como electrolitos semisólidos o electrolitos totalmente sólidos). ).

en el tercer aspecto, se desarrollará el sistema auxiliar de la batería, incluido el desarrollo de una unidad de control de gas para filtrar los componentes dañinos del gas, de modo que la unidad de control de presión de aire pueda introducir la presión adecuada a la batería y permitir que la batería funcione dentro de un rango apropiado. rango estable.

actualmente, el equipo está llevando a cabo nuevas investigaciones sobre el mecanismo de reacción de esta batería de marte, especialmente el impacto de la atmósfera y la temperatura en la ruta de reacción. en el futuro, también seguirán explorando el mecanismo de la batería y la optimización del rendimiento en entornos especiales.

en general, esperan desarrollar un sistema de suministro de energía que pueda funcionar de manera estable y eficiente en el entorno marciano, proporcionando así una solución viable para la utilización in situ de los recursos marcianos y esforzándose por contribuir a la exploración del espacio profundo.

además, para las baterías de litio y dióxido de carbono, el equipo cree que las baterías de marte son una de las direcciones de aplicación de la rama.

dado que el gas dióxido de carbono se puede utilizar como gas combustible para generar electricidad y producir carbono, y los gases impuros también pueden mejorar el rendimiento de la batería, ¿se puede utilizar esta tecnología para capturar dióxido de carbono?

hay varios desafíos importantes que deben superarse para lograr este objetivo:

primero, los componentes del gas se ajustan para que sean más propicios para la reacción.

en segundo lugar se consigue la recogida de productos sólidos, es decir, se recoge el carbón generado para evitar la obstrucción del electrodo poroso.

finalmente, dado que los electrodos metálicos son consumibles, se debe reponer el combustible metálico.

en respuesta a estas cuestiones, el equipo de investigación también llevó a cabo una serie de estudios y también participó en el concurso nacional de innovación en reducción de emisiones y ahorro de energía para estudiantes universitarios con el proyecto "carbon lock", una nueva batería de litio y dióxido de carbono para " "secuestro de carbono y generación de energía" a partir de gases residuales industriales. ganó el premio especial.

"aún hay nuevos artículos relacionados en camino. si está interesado, ¡continue prestando atención!", dijo finalmente el investigador.

referencias:

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

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

composición tipográfica: chu jiashi