太空微重力下锂电池性能机制分析与优化路径

来源：科技日报

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1月7日，科技日报记者从中国科学院获悉，“面向空间应用的锂离子电池电化学光学原位研究”项目近日成功在中国空间站站内顺利开展。神州二十一号航天员乘组在轨共同完成了实验操作。作为载荷专家，中国科学院大连化学物理研究所研究员张洪章在实验中充分发挥了其专业优势。

该项目具体有哪些研究目标？这次实验是如何具体开展的？太空微重力环境对实验有何影响？实验结果未来有哪些应用？针对以上问题，科技日报记者采访了相关专家。

第一问：项目研究目标是什么？

锂离子电池因能量密度高、循环寿命长和安全可靠性高，已成为空间站、深空探测等航天任务的首选储能系统。

“当前航天任务对电源的研究，主要集中在微纳米尺度下电极表面离子在电解液中的传输、嵌入与脱出机理，尤其关注电场中离子的动态行为。”中国科学院大连化学物理研究所研究员杨晓飞表示，“然而，这一研究面临两大挑战：一是离子浓度梯度同时受电场和重力场的影响，难以将二者分离进行独立分析；二是地面实验无法完全模拟真实的太空微重力环境，难以揭示锂离子电池在微重力下的性能变化与衰减机制。”

正因如此，在实际航天应用中，工程师往往采取“浅充浅放”的保守策略来延长电池寿命，但这也在一定程度上牺牲了电池的能量输出效率。

“本项目旨在整合在轨实验与地面模拟实验，系统研究微重力环境对锂离子电池性能的影响机制，获取高精度实验数据，并据此提出优化设计方案，以提升锂离子电池在航天任务中的环境适应性与性能表现。”杨晓飞介绍，本次实验运用具备高精度数据采集与实时监测功能的电化学实验设备及电化学原位池，完成了在轨锂离子原位电化学过程研究。

第二问：太空微重力环境对实验有何影响？

“在微重力环境下，锂离子电池内部的电解液行为会发生根本性改变。电解液的流动模式、分布均匀性以及对电极材料的润湿效果，均与地面常态重力条件下存在显著差异。”杨晓飞强调，这些变化会直接降低离子在电解液中的传输效率，改变电极表面的电化学反应速率，并加剧锂枝晶的生长，从而直接影响电池的循环寿命与安全性。

“比如，在太空微重力环境中，电极与电解液界面的反应动力学特性可能发生显著变化。一方面，重力引起的液体自然流动减弱，使得离子迁移变慢，导致电极表面的电荷转移速率下降，进而影响电池的充电和放电效率；另一方面，电解液中物质浓度分布的差异也会发生改变，这可能加重电解液的分解等副反应，使电池容量更快下降。”杨晓飞举例说明。

第三问：实验结果未来有哪些应用？

杨晓飞介绍，这项实验主要从三个关键方向展开攻关：首先，在微重力环境下，开展离子输运多场耦合与解耦分析；其次，对金属锂沉积行为进行原位观测；最后，系统解析电极材料固液相变中的界面动力学机制。

“这些研究有望突破当前对重力场与电场耦合机制的认知局限，进而推动形成新一代空间储能管理策略。最终，研究成果将从根本上提升航天器能源系统的整体效能，为未来载人登月、火星探测等重大深空任务提供关键技术支撑。”杨晓飞说。（本报记者 陆成宽）