中国科学技术大学热科学和能源工程系谈鹏特任教授团队提出了一种火星电池，由火星大气成分作为电池反应燃料物质，可实现高能量密度和长循环性能。该成果以“A high-energy-density and long-cycling-lifespan Mars battery”为题发表在综合类学术期刊《Science Bulletin》上。

锂二氧化碳电池利用金属锂和二氧化碳作为反应物，被认为在火星探测中具有潜在应用价值（火星大气中二氧化碳含量高达95.32%）。然而，现有研究通常忽略了火星的复杂环境，包括多种气体成分（95.32% CO₂、2.7% N₂、1.6% Ar、0.13% O₂、0.08% CO）以及剧烈的温度波动（昼夜温差约为60^oC）。针对这一问题，该团队开发了一种以火星大气为直接燃料的火星电池，并结合温度波动测试，极大程度地模拟了火星表面的真实环境，从而实现了可持续输出电能的火星电池系统。在0^oC低温下测得该电池的能量密度高达373.9 Wh/kg，循环寿命达1375小时（约2个火星月）。

研究表明，火星电池的电化学性能在0-60^oC范围内具有显著的温度依赖性。在高温条件下，电压间隙为1.6V，倍率为0.4 A/g，功率密度为3.9 W/m²。具体来说，该电池在充放电过程中伴随着碳酸锂的生成和分解电化学反应。通过一体化电极制备和折叠式电池结构设计，该团队将电芯尺寸放大至2×2cm²，进一步提升了软包电池的能量密度至765 Wh/kg和630 Wh/L。这项研究为火星电池在实际火星环境中的应用提供了概念验证，并为未来太空探索中的多能互补能源系统的发展奠定了基础。

图：火星电池的应用和发展潜力

此前，团队的博士生张卓君作为论文的第一作者，通过时空分辨技术建立了一体化厚气体电极的微观行为与宏观电化学性能之间的联系。这一研究为本次火星电池中所采用的一体化厚气体电极设计提供了理论和技术支持。相关成果以“Unravelling the Capacity Degradation Mechanism of Thick Electrodes in Lithium-Carbon Dioxide Batteries via Visualization and Quantitative Techniques”为题，作为“Editor’s Choice”发表在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》上。

中国科学技术大学肖旭博士后为论文第一作者，谈鹏特任教授为通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、中国科学院、中国博士后基金会以及中国科大基金等项目的资助。

相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.06.033

https://doi.org/10.1002/adfm.202407422

（热科学和能源工程系、科研部）