人類對太空的探索不斷深入，火星，這顆紅色星球，一直以來都充滿著神秘色彩。
火星車是火星探測的重要技術裝備，從美國的「精神號」和「機會號」到中國的「祝融號」，它們攜帶著先進的科技裝備，正逐步揭開火星的神秘面紗。然而，在這些探索任務的背後，能源供應始終是一個不可忽視的挑戰，提供能源的火星電池也逐漸成為各界的研究熱點。
火星。圖片來源：圖蟲創意
與我們生存的地球不同，火星上的環境較為特殊。 火星的大氣主要由二氧化碳、氮氣、氬氣、氧氣、一氧化碳等組成。 其中，二氧化碳的含量最為豐富，超過了90%。此外，由於火星的軌域特點和稀薄的大氣層共同作用，火星的溫差極大。
火星電池，顧名思義，是一種專為火星環境設計的電池系統。火星電池作為多能源互補系統的一部份，為火星探測任務提供穩定可靠的電力供應。目前，火星探測中使用的電池種類多樣，包括鋰離子電池、核電池、太陽能電池等。
探測器在沙塵暴期間探索火星表面。圖片來源：圖蟲創意
鋰離子電池 是目前火星探測任務中廣泛使用的人員攜行式可充電電池，為火星車和其他探測裝置提供電力，其工作原理主要透過鋰離子在正負極之間的嵌入和脫嵌來實作充放電過程。
核電池 使用放射性同位素作為燃料，利用換能器件將放射性同位素衰變時釋放出射線的能量轉換為電能，該電池具有壽命長和可靠性高的優點。
太陽能電池 是另一種在火星探測中廣泛使用的能源供應方式。它們透過收集火星表面的太陽光來產生電力，為火星車和其他裝置提供可再生能源。但是，火星上的光照條件和溫度對太陽能電池的效能影響較大，雖然它們在光照條件下效能良好，但火星環境下的沙塵暴和日夜較大的溫差會影響電池的效能。
隨著對火星探測的深入，新型火星電池也在不斷開發。基於火星中二氧化碳含量巨大的特點， 研究者開發了一種新型的Li-CO2電池（鋰二氧化碳電池），該電池使用二氧化碳作為陰極材料，碳化鋰作為正極材料。
電池基於鋰離子和二氧化碳之間的電化學反應實作充放電。在放電過程中，鋰離子在陽極被氧化，同時二氧化碳在陰極被還原，形成碳酸鋰並釋放電能；充電過程則相反，碳酸鋰被分解，鋰離子在陰極被還原，二氧化碳在陽極被氧化。 Li-CO2電池比傳統鋰離子電池在單位體積或品質所釋放出的電能更多，即能量密度更高，有利於裝置長久續航， 但是，純CO2反應機制無法完全適應火星大氣。
鋰二氧化碳電池。圖片來源：參考文獻[2]
近期，中國科學家研制了一種能夠利用火星大氣作為電池反應燃料的火星電池，可實作高能量密度和高迴圈效能。
在該火星電池的設計上，科學家巧妙地將電池放電時直接吸入的火星大氣作為燃料，極大減輕了電池的自身重量。該火星電池采用二氧化釕/碳奈米管（CNT）作為陰極材料，能夠促進火星大氣中CO2、O2和CO的高效氧化還原反應。同時，選用低揮發性、高穩定性的四乙二醇二甲基醚作為電解液，滿足火星上較大溫差變化情況的工作需求。
火星探測能源供應系統的定位和工作原理示意圖。圖片來源：參考文獻[1]
研究者對火星電池的效能進行測試。結果表明，該電池在0℃低溫下仍能驅動電子裝置，在0℃時測得該電池的能量密度高達373.9 Wh/kg，迴圈壽命超過1300個小時，即該電池在火星上能夠持續使用約2個火星月。
經測試， 該火星電池在0℃-60℃溫度範圍內的電化學效能具有顯著的溫度依賴性，輸出電壓和功率密度隨溫度升高而增加，電化學效能保持穩定。
同時，研究者透過一體化電極制備和折疊式電池結構設計，將電池的電芯尺寸進一步放大至2×2cm²，透過提升火星大氣的有效反應面積，來提升電池的能量密度。 這種電池系統不僅大幅減輕了電池本身的重量，還透過迴圈利用火星大氣中的資源，實作了能源的自給自足， 為未來太空探索中的多能互補能源系統的發展奠定了基礎。
火星電池的套用論證與發展潛力（a-c：電池分別在0℃,20℃和完全黑暗的環境下為太空人電子表供電；d：0℃，e：20℃的同步紅外影像；f-g：試驗前後的開路電壓；h：高能量密度電池照片；i：權重分布餅狀圖；j：火星電池與最佳化元件在60℃時的能量密度對比圖）。圖片來源：參考文獻[1]
火星電池的出現不僅標誌著能源儲存技術的又一次重大突破，更為人類探索宇宙的宏偉目標開辟了更加廣闊的道路。我們有理由相信，在不久的將來，火星電池將在火星探測任務中發揮更加重要的作用，為人類航天的未來發展貢獻出一份力量！
參考文獻
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作者丨石霧遙 生物學博士
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