人类对太空的探索不断深入，火星，这颗红色星球，一直以来都充满着神秘色彩。
火星车是火星探测的重要技术装备，从美国的“勇气号”和“机遇号”到中国的“祝融号”，它们携带着先进的科技装备，正逐步揭开火星的神秘面纱。然而，在这些探索任务的背后，能源供应始终是一个不可忽视的挑战，提供能源的火星电池也逐渐成为各界的研究热点。
火星。图片来源：图虫创意
与我们生存的地球不同，火星上的环境较为特殊。火星的大气主要由二氧化碳、氮气、氩气、氧气、一氧化碳等组成。其中，二氧化碳的含量最为丰富，超过了90%。此外，由于火星的轨道特点和稀薄的大气层共同作用，火星的温差极大。
火星电池，顾名思义，是一种专为火星环境设计的电池系统。火星电池作为多能源互补系统的一部分，为火星探测任务提供稳定可靠的电力供应。目前，火星探测中使用的电池种类多样，包括锂离子电池、核电池、太阳能电池等。
探测器在沙尘暴期间探索火星表面。图片来源：图虫创意
锂离子电池是目前火星探测任务中广泛使用的便携式可充电电池，为火星车和其他探测设备提供电力，其工作原理主要通过锂离子在正负极之间的嵌入和脱嵌来实现充放电过程。
核电池使用放射性同位素作为燃料，利用换能器件将放射性同位素衰变时释放出射线的能量转换为电能，该电池具有寿命长和可靠性高的优点。
太阳能电池是另一种在火星探测中广泛使用的能源供应方式。它们通过收集火星表面的太阳光来产生电力，为火星车和其他设备提供可再生能源。但是，火星上的光照条件和温度对太阳能电池的性能影响较大，虽然它们在光照条件下性能良好，但火星环境下的沙尘暴和日夜较大的温差会影响电池的性能。
随着对火星探测的深入，新型火星电池也在不断开发。基于火星中二氧化碳含量巨大的特点，研究者开发了一种新型的Li-CO2电池（锂二氧化碳电池），该电池使用二氧化碳作为阴极材料，碳化锂作为正极材料。
电池基于锂离子和二氧化碳之间的电化学反应实现充放电。在放电过程中，锂离子在阳极被氧化，同时二氧化碳在阴极被还原，形成碳酸锂并释放电能；充电过程则相反，碳酸锂被分解，锂离子在阴极被还原，二氧化碳在阳极被氧化。Li-CO2电池比传统锂离子电池在单位体积或质量所释放出的电能更多，即能量密度更高，有利于设备长久续航，但是，纯CO2反应机制无法完全适应火星大气。
锂二氧化碳电池。图片来源：参考文献[2]
近期，我国科学家研制了一种能够利用火星大气作为电池反应燃料的火星电池，可实现高能量密度和高循环性能。
在该火星电池的设计上，科学家巧妙地将电池放电时直接吸入的火星大气作为燃料，极大减轻了电池的自身重量。该火星电池采用二氧化钌/碳纳米管（CNT）作为阴极材料，能够促进火星大气中CO2、O2和CO的高效氧化还原反应。同时，选用低挥发性、高稳定性的四乙二醇二甲基醚作为电解液，满足火星上较大温差变化情况的工作需求。
火星探测能源供应系统的定位和工作原理示意图。图片来源：参考文献[1]
研究者对火星电池的性能进行测试。结果表明，该电池在0℃低温下仍能驱动电子设备，在0℃时测得该电池的能量密度高达373.9 Wh/kg，循环寿命超过1300个小时，即该电池在火星上能够持续使用约2个火星月。
经测试，该火星电池在0℃-60℃温度范围内的电化学性能具有显著的温度依赖性，输出电压和功率密度随温度升高而增加，电化学性能保持稳定。
同时，研究者通过一体化电极制备和折叠式电池结构设计，将电池的电芯尺寸进一步放大至2×2cm²，通过提升火星大气的有效反应面积，来提升电池的能量密度。这种电池系统不仅大幅减轻了电池本身的重量，还通过循环利用火星大气中的资源，实现了能源的自给自足，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。
火星电池的应用论证与发展潜力（a-c：电池分别在0℃,20℃和完全黑暗的环境下为宇航员电子表供电；d：0℃，e：20℃的同步红外图像；f-g：试验前后的开路电压；h：高能量密度电池照片；i：权重分布饼状图；j：火星电池与优化组件在60℃时的能量密度对比图）。图片来源：参考文献[1]
火星电池的出现不仅标志着能源储存技术的又一次重大突破，更为人类探索宇宙的宏伟目标开辟了更加广阔的道路。我们有理由相信，在不久的将来，火星电池将在火星探测任务中发挥更加重要的作用，为人类航天的未来发展贡献出一份力量！
参考文献
[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]谭沐风,黄冠龙,宁麒丞.火星表面散射光对太阳电池发电影响研究[J].电源技术, 2020, 44(1):4.DOI:CNKI:SUN:DYJS.0.2020-01-023.
策划制作
出品丨科普中国
作者丨石雾遥 生物学博士
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
审校丨徐来 林林
