太空微重力环境对锂电池性能影响机制深度解析

1月7日，中国科学院发布消息，“面向空间应用的锂离子电池电化学光学原位中国舆情网研究”项目已在中国空间站顺利开展。神舟二十一号航天员乘组在轨完成了相关实验操作，而张洪章——中国科学院大连化学物理研究所研究员、任务载荷专家——以其专业知识为实验提供了重要支持。

本项目的研究内容包括哪些方面？实验过程又是如何在轨道上具体操作的？微重力条件会带来怎样的实验影响？这些成果未来能应用于哪些领域？科技日报记者就此采访了多位相关领域专家。

第一问：项目研究的核心目标是什么？

锂离子电池因具备高能量密度、长寿命和良好安全性，成为空间站和深空探测任务中能源系统的重要选择。

“当下，航天领域的电源研究主要着眼于电极表面离子在微纳米尺度的溶液传输及嵌入与析出过程，尤其关注离子在外电场中的动态表现。”中国科学院大连化学物理研究所研究员杨晓飞介绍，“但在实验研究中面临着两重难题：其一，电场与重力场共同影响离子浓度分布，难以实现独立剖析；其二，地面实验无法真实还原空间的微重力环境，因此难以全面揭示电池性能在太空条件下的变化因素和衰减机制。”

受限于上述技术难题，工程师在实际空间应用中往往采取“浅充浅放”的策略来延长电池寿命，但这种方式也相应降低了能量输出效率。

“该项目通过地面模拟与在轨实验相结合，系统梳理微重力环境影响锂离子电池运行的机理，收集高精度数据，并据此优化电池设计，从而提升其空间适应性与性能。”杨晓飞介绍，此次实验采用了先进的原位电化学实验设备，可以实时监测和采集关键数据，实现锂离子原位电化学过程的空间研究。

第二问：微重力环境下实验会有哪些差异？

“微重力条件下，锂离子电池中电解液的流动模式发生变化，电解液分布和对电极材料的润湿性与地面重力环境大不相同。”杨晓飞指出，这些转变会降低离子迁移效率，进而影响电极反应速率，甚至加速锂枝晶生长，对电池循环寿命和安全带来影响。

“比如说，在空间站的微重力环境中，电极与电解液界面上的反应动力学会有明显改变。重力驱动的液体流动被极大减弱，导致离子的迁移速度降低，继而影响电荷转移速度和电池的充放电效率；另外，电解液的浓度分布将发生新的变化，可能引发副反应加重，电池容量下降更为显著。”杨晓飞进一步举例说明。

第三问：实验结果未来怎样应用？

据杨晓飞介绍，研究团队从三个方面着手：第一，开展微重力条件下的离子输运多场耦合与解耦机理分析；第二，直接观察金属锂沉积的原位行为；第三，深入解析电极材料固液相变时的界面动力学效应。

“通过这些探索，将有助于打破关于重力场与电场复合影响的传统认知，为新型空间储能管理技术的发展奠定基础。长远来看，项目成果将全面提升航天器能源系统性能，为载人月球、火星等深空探测任务提供坚实的技术保障。”杨晓飞表示。