新成果！我國科學家研製出一種火星電池，能量密度高，循環壽命長

核電池使用放射性同位素作為燃料，利用換能器件將放射性同位素衰變時釋放出射線的能量轉換為電能，該電池具有壽命長和可靠性高的優點。

太陽能電池是另一種在火星探測中廣泛使用的能源供應方式。它們通過收集火星表面的太陽光來產生電力，為火星車和其他設備提供可再生能源。但是，火星上的光照條件和溫度對太陽能電池的性能影響較大，雖然它們在光照條件下性能良好，但火星環境下的沙塵暴和日夜較大的溫差會影響電池的性能。

隨著對火星探測的深入，新型火星電池也在不斷開發。基於火星中二氧化碳含量巨大的特點，研究者開發了一種新型的Li-CO2電池（鋰二氧化碳電池），該電池使用二氧化碳作為陰極材料，碳化鋰作為正極材料。

電池基於鋰離子和二氧化碳之間的電化學反應實現充放電。在放電過程中，鋰離子在陽極被氧化，同時二氧化碳在陰極被還原，形成碳酸鋰並釋放電能；充電過程則相反，碳酸鋰被分解，鋰離子在陰極被還原，二氧化碳在陽極被氧化。Li-CO2電池比傳統鋰離子電池在單位體積或質量所釋放出的電能更多，即能量密度更高，有利於設備長久續航，但是，純CO2反應機制無法完全適應火星大氣。

鋰二氧化碳電池。圖片來源：參考文獻[2]

近期，我國科學家研製了一種能夠利用火星大氣作為電池反應燃料的火星電池，可實現高能量密度和高循環性能。

在該火星電池的設計上，科學家巧妙地將電池放電時直接吸入的火星大氣作為燃料，極大減輕了電池的自身重量。該火星電池採用二氧化釕/碳納米管（CNT）作為陰極材料，能夠促進火星大氣中CO2、O2和CO的高效氧化還原反應。同時，選用低揮發性、高穩定性的四乙二醇二甲基醚作為電解液，滿足火星上較大溫差變化情況的工作需求。

火星探測能源供應系統的定位和工作原理示意圖。圖片來源：參考文獻[1]

研究者對火星電池的性能進行測試。結果表明，該電池在0℃低溫下仍能驅動電子設備，在0℃時測得該電池的能量密度高達373.9 Wh/kg，循環壽命超過1300個小時，即該電池在火星上能夠持續使用約2個火星月。

經測試，該火星電池在0℃-60℃溫度範圍內的電化學性能具有顯著的溫度依賴性，輸出電壓和功率密度隨溫度升高而增加，電化學性能保持穩定。

同時，研究者通過一體化電極製備和摺疊式電池結構設計，將電池的電芯尺寸進一步放大至2×2cm²，通過提升火星大氣的有效反應面積，來提升電池的能量密度。這種電池系統不僅大幅減輕了電池本身的重量，還通過循環利用火星大氣中的資源，實現了能源的自給自足，為未來太空探索中的多能互補能源系統的發展奠定了基礎。

火星電池的應用論證與發展潛力（a-c：電池分別在0℃,20℃和完全黑暗的環境下為太空人電子表供電；d：0℃，e：20℃的同步紅外圖像；f-g：試驗前後的開路電壓；h：高能量密度電池照片；i：權重分布餅狀圖；j：火星電池與優化組件在60℃時的能量密度對比圖）。圖片來源：參考文獻[1]

火星電池的出現不僅標誌著能源儲存技術的又一次重大突破，更為人類探索宇宙的宏偉目標開闢了更加廣闊的道路。我們有理由相信，在不久的將來，火星電池將在火星探測任務中發揮更加重要的作用，為人類航天的未來發展貢獻出一份力量！

參考文獻

[1]Xiao X , Zhang Z , Yan A ,et al.A high-energy-density and long-cycling-lifespan mars battery[J].Science Bulletin. DOI:10.1016/j.scib.2024.06.033.

[2]Hao Q Q , Zhang Z , Mao Y ,et al.Catalysts for LiCO2 Batteries: From Heterogeneous to Homogeneous[J]. ChemNanoMat, 2021. DOI:10.1002/cnma.202100381.

[3]Li C, Zheng Y, Wang X, et al. Layered subsurface in Utopia Basin of Mars revealed by Zhurong rover radar. Nature 2022;610:308–12.

[4]譚沐風,黃冠龍,寧麒丞.火星表面散射光對太陽電池發電影響研究[J].電源技術, 2020, 44(1):4.DOI:CNKI:SUN:DYJS.0.2020-01-023.

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出品丨科普中國

作者丨石霧遙 生物學博士

監製丨中國科普博覽

責編丨董娜娜

審校丨徐來 林林