1月7日，從中國科學院獲悉，“面向空間應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揮了其專業優勢。

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

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的首選儲能系統。

“當前航天任務對電源的研究，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，尤其關注電場中離子的動態行為。”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：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，系統研究微重力環境對鋰離子電池性能的影響機制，獲取高精度實驗數據，并據此提出優化設計方案，以提升鋰離子電池在航天任務中的環境適應性與性能表現。”楊曉飛說，本次實驗運用具備高精度數據采集與實時監測功能的電化學實驗設備及電化學原位池，完成了在軌鋰離子原位電化學過程研究。

第二問：太空微重力環境對實驗有何影響？

“在微重力環境下，鋰離子電池內部的電解液行為會發生根本性改變。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，均與地面常態重力條件下存在顯著差異。”楊曉飛強調，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速率，并加劇鋰枝晶的生長，從而直接影響電池的循環壽命與安全性。

“比如，在太空微重力環境中，電極與電解液界面的反應動力學特性可能發生顯著變化。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，電解液中物質濃度分布的差異也會發生改變，這可能加重電解液的分解等副反應，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用？

楊曉飛介紹，這項實驗主要從三個關鍵方向展開攻關：首先，在微重力環境下，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的整體效能，為未來載人登月、火星探測等重大深空任務提供關鍵技術支撐。”楊曉飛說。