1月7日，從中國科學院獲悉，“面向空間應(yīng)用的鋰離子電池電化學光學原位研究”項目成功在中國空間站內(nèi)開展。神舟二十一號航天員乘組在軌共同完成了實驗操作。作為載荷專家，中國科學院大連化學物理研究所研究員張洪章在實驗中充分發(fā)揮了其專業(yè)優(yōu)勢。

該項目有哪些研究目標？這個實驗是如何具體開展的？太空微重力環(huán)境對實驗有何影響？實驗結(jié)果未來有哪些應(yīng)用？針對以上問題，科技日報記者采訪了相關(guān)專家。

第一問：項目研究目標是什么？

鋰離子電池因能量密度高、循環(huán)壽命長和安全可靠性高，已成為空間站、深空探測等航天任務(wù)的首選儲能系統(tǒng)。

“當前航天任務(wù)對電源的研究，主要集中在微納米尺度下電極表面離子在溶液中的傳輸、嵌入與脫出機理，尤其關(guān)注電場中離子的動態(tài)行為。”中國科學院大連化學物理研究所研究員楊曉飛說，“然而，這一研究面臨兩大挑戰(zhàn)：一是離子濃度梯度同時受電場和重力場的影響，難以將二者分離進行獨立分析；二是地面實驗無法完全模擬真實的太空微重力環(huán)境，難以揭示鋰離子電池在微重力下的性能變化與衰減機制。”

正因如此，在實際航天應(yīng)用中，工程師往往采取“淺充淺放”的保守策略來延長電池壽命，但這也在一定程度上犧牲了電池的能量輸出效率。

“本項目旨在整合在軌實驗與地面模擬實驗，系統(tǒng)研究微重力環(huán)境對鋰離子電池性能的影響機制，獲取高精度實驗數(shù)據(jù)，并據(jù)此提出優(yōu)化設(shè)計方案，以提升鋰離子電池在航天任務(wù)中的環(huán)境適應(yīng)性與性能表現(xiàn)?！睏顣燥w說，本次實驗運用具備高精度數(shù)據(jù)采集與實時監(jiān)測功能的電化學實驗設(shè)備及電化學原位池，完成了在軌鋰離子原位電化學過程研究。

第二問：太空微重力環(huán)境對實驗有何影響？

“在微重力環(huán)境下，鋰離子電池內(nèi)部的電解液行為會發(fā)生根本性改變。電解液的流動模式、分布均勻性以及對電極材料的潤濕效果，均與地面常態(tài)重力條件下存在顯著差異?！睏顣燥w強調(diào)，這些變化會直接降低離子在電解液中的傳輸效率，改變電極表面的電化學反應(yīng)速率，并加劇鋰枝晶的生長，從而直接影響電池的循環(huán)壽命與安全性。

“比如，在太空微重力環(huán)境中，電極與電解液界面的反應(yīng)動力學特性可能發(fā)生顯著變化。一方面，重力引起的液體自然流動減弱，使得離子遷移變慢，導致電極表面的電荷轉(zhuǎn)移速率下降，進而影響電池的充電和放電效率；另一方面，電解液中物質(zhì)濃度分布的差異也會發(fā)生改變，這可能加重電解液的分解等副反應(yīng)，使電池容量更快下降。”楊曉飛舉例道。

第三問：實驗成果未來有哪些應(yīng)用？

楊曉飛介紹，這項實驗主要從三個關(guān)鍵方向展開攻關(guān)：首先，在微重力環(huán)境下，開展離子輸運多場耦合與解耦分析；其次，對金屬鋰沉積行為進行原位觀測；最后，系統(tǒng)解析電極材料固液相變中的界面動力學機制。

“這些研究有望突破當前對重力場與電場耦合機制的認知局限，進而推動形成新一代空間儲能管理策略。最終，研究成果將從根本上提升航天器能源系統(tǒng)的整體效能，為未來載人登月、火星探測等重大深空任務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。”楊曉飛說。