中國科學技術大學熱科學和能源工程系談鵬特任教授團隊提出了一種火星電池，由火星大氣成分作為電池反應燃料物質，可實現高能量密度和長循環性能。該成果以“A high-energy-density and long-cycling-lifespan Mars battery”為題發表在綜合類學術期刊《Science Bulletin》上。
鋰二氧化碳電池利用金屬鋰和二氧化碳作為反應物，被認為在火星探測中具有潛在應用價值（火星大氣中二氧化碳含量高達95.32%）。然而，現有研究通常忽略了火星的復雜環境，包括多種氣體成分（95.32% CO2、2.7% N2、1.6% Ar、0.13% O2、0.08% CO）以及劇烈的溫度波動（晝夜溫差約為60oC）。針對這一問題，該團隊開發了一種以火星大氣為直接燃料的火星電池，并結合溫度波動測試，極大程度地模擬了火星表面的真實環境，從而實現了可持續輸出電能的火星電池系統。在0oC低溫下測得該電池的能量密度高達373.9 Wh/kg，循環壽命達1375小時（約2個火星月）。
研究表明，火星電池的電化學性能在0-60oC范圍內具有顯著的溫度依賴性。在高溫條件下，電壓間隙為1.6V，倍率為0.4 A/g，功率密度為3.9 W/m2。具體來說，該電池在充放電過程中伴隨著碳酸鋰的生成和分解電化學反應。通過一體化電極制備和折疊式電池結構設計，該團隊將電芯尺寸放大至2×2cm2，進一步提升了軟包電池的能量密度至765 Wh/kg和630 Wh/L。這項研究為火星電池在實際火星環境中的應用提供了概念驗證，并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。
圖：火星電池的應用和發展潛力
此前，團隊的博士生張卓君作為論文的第一作者，通過時空分辨技術建立了一體化厚氣體電極的微觀行為與宏觀電化學性能之間的聯系。這一研究為本次火星電池中所采用的一體化厚氣體電極設計提供了理論和技術支持。相關成果以“Unravelling the Capacity Degradation Mechanism of Thick Electrodes in Lithium-Carbon Dioxide Batteries via Visualization and Quantitative Techniques”為題，作為“Editor’s Choice”發表在國際學術期刊《Advanced Functional Materials》上。
中國科學技術大學肖旭博士后為論文第一作者，談鵬特任教授為通訊作者。本工作得到國家自然科學基金委、中國科學院、中國博士后基金會以及中國科大基金等項目的資助。
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.06.033
https://doi.org/10.1002/adfm.202407422
（熱科學和能源工程系、科研部）
