中國科學(xué)院今天（7日）透露，“面向空間應(yīng)用的鋰離子電池電化學(xué)光學(xué)原位研究”項目已在中國空間站內(nèi)開展，神舟二十一號航天員乘組共同在軌操作該項目實驗。那么，這項實驗的目的是什么呢？專家介紹，該項目可以為優(yōu)化目前在軌電池系統(tǒng)，設(shè)計下一代高比能、高安全太空電池提供依據(jù)。
鋰離子電池是現(xiàn)代航天任務(wù)的“能量心臟”，電解液內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的分布狀態(tài)是決定電池功率和壽命的核心因素之一。而在地面實驗中，難以單獨厘清重力對電池內(nèi)部過程的影響；太空獨有的微重力環(huán)境，為突破這一科研瓶頸提供了理想實驗場。通過實驗，研究人員能夠發(fā)現(xiàn)什么？
鋰離子原型電池
鋰離子電池作為一種高性能的可充電電池，以其高能量密度、長壽命、輕質(zhì)化等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備、電動汽車、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域。然而，為什么中國空間站要開展鋰離子電池在軌實驗？電池和空間站之間，有哪些關(guān)聯(lián)呢？中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員楊曉飛解釋，鋰離子電池不僅可以廣泛應(yīng)用于日常生活中，也是現(xiàn)代航天任務(wù)的“能量心臟”。
楊曉飛：我們空間站上也是利用鋰離子電池進行供能，主要是通過太陽能電池板，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能儲存在鋰離子電池當(dāng)中，為空間站的各種電子設(shè)備供電。但是，在太空微重力條件下，電池的實際使用容量其實不到設(shè)計值的一半，這就意味著我們?yōu)榱诉_到相同的能量需求，太空往往需要配備比地面上多一倍的電池數(shù)量，直接導(dǎo)致重量和運輸成本的顯著增加。將1公斤地面上的東西帶到太空的成本和一公斤黃金價格差不多，因此，我們需要為太空電池進行瘦身。
據(jù)介紹，鋰離子電池電解液內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的分布狀態(tài)，是決定電池功率和壽命的核心因素之一，在地面實驗中，重力場始終與電場交織在一起，難以單獨厘清重力對電池內(nèi)部過程的影響。太空獨有的微重力環(huán)境，為突破這一科研瓶頸提供了理想實驗場。都是鋰離子電池，為什么上了太空就不同了？楊曉飛介紹，這也是這次實驗要探究的科學(xué)問題。
楊曉飛：主要是在太空微重力條件下，電池在充電過程中，鋰不在石墨層間進行生長了，而是在石墨表面進行沉積，長成這種樹枝狀的晶體，這樣的話它會刺穿隔膜導(dǎo)致熱失控。在地面上，鋰枝晶的生長規(guī)律已經(jīng)得到了充分研究，但是在太空微重力條件下，很多物理過程，包括離子運輸、氣泡行為和溫度分布都與地面上不同，因此，枝晶在太空中的生長習(xí)性目前還是未知數(shù)?，F(xiàn)有基于地面的理論模型和理論是否還適用？我們需要在太空做相應(yīng)的實驗，來解答上述問題。
電池裝袋、密封、打包
那么，這次太空實驗，將要怎么做？楊曉飛表示，在神舟二十一號發(fā)射之前，科研團隊就組裝了兩組完全相同的鋰離子電池，一組留在地面，一組隨神舟二十一號飛入太空，開展對照實驗。
楊曉飛：為了研究微重力對鋰枝晶生長的影響，我們需要將重力因素從復(fù)雜的電池內(nèi)部環(huán)境中剝離出來，這也就是這個實驗的關(guān)鍵，就是如何實現(xiàn)“天地同頻”。這兩組電池采用了完全相同的充放電節(jié)奏，包括經(jīng)歷一模一樣的測試流程，來確保整個實驗過程中唯一的變量就是太空的微重力環(huán)境。載荷專家會基于他的專業(yè)知識進行科學(xué)判斷，開展與地面上完全一樣的，微重力條件下的鋰枝晶光學(xué)觀察實驗，全程獲取鋰枝晶生長全流程影像，對實驗參數(shù)進行精準(zhǔn)調(diào)控和執(zhí)行，對關(guān)鍵科學(xué)現(xiàn)象進行識別和記錄等等。
同時，微重力環(huán)境也為實驗帶來了新挑戰(zhàn)——電池內(nèi)部液體行為與地面差異顯著，可能導(dǎo)致電池性能下降、安全性風(fēng)險增加。楊曉飛表示，對此，科研團隊前期也做了充分的準(zhǔn)備。
楊曉飛：將這樣一個從未經(jīng)過太空考驗的電池觀測系統(tǒng)送到空間站上，首先需要跨越的最基礎(chǔ)的信任門檻就是安全。因為這是第一次做，所以大家也不知道到底會有什么風(fēng)險，它會不會漏液，有沒有什么危險？因此我們在前期也對電池，包括相應(yīng)的原位觀察池進行了針對性設(shè)計，能夠確保這個太空中的實驗順利進行。
實驗人員
此次實驗的推進，有望突破重力場與電場耦合作用的認知瓶頸，推動電化學(xué)基礎(chǔ)理論的進一步發(fā)展。楊曉飛表示，該實驗也將為優(yōu)化目前在軌電池系統(tǒng)，設(shè)計下一代高比能、高安全太空電池提供依據(jù)。
楊曉飛：我們這次與航天員中心共同承擔(dān)的這個實驗項目，主要目標(biāo)有兩個：首先是希望通過對太空中鋰枝晶生長的直接觀測，驗證和修正現(xiàn)有的電池失效模型，希望這種模型可以進一步拓展到太空的微重力條件下。另外一方面，我們希望通過太空微重力條件下獲得的實驗數(shù)據(jù)，分析造成微重力條件下鋰枝晶生長的關(guān)鍵因素，進而指導(dǎo)微重力條件下的電池設(shè)計。例如通過電解液設(shè)計和電極材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控，進一步抑制微重力條件下的鋰枝晶生長，為優(yōu)化目前在軌電池系統(tǒng)，設(shè)計下一代高比能、高安全的太空電池提供依據(jù)。
