2026-12-21
據(jù)中國科學院消息，“面向空間應用的鋰離子電池電化學光學原位研究”項目已在中國空間站內(nèi)開展，神舟二十一號航天員乘組共同在軌操作該項目實驗，中國科學院研究員張洪章作為載荷專家發(fā)揮了其專業(yè)優(yōu)勢。
圖源：央視新聞
鋰離子電池是現(xiàn)代航天任務的“能量心臟”，具有能量密度高、循環(huán)壽命長、安全可靠等優(yōu)點。然而，在地面實驗中，很難單獨研究重力對電池內(nèi)部過程的影響。太空的微重力環(huán)境，為突破這一難題提供了獨特條件。
據(jù)悉，本次鋰離子電池上行實驗的推進，有望突破重力場與電場耦合作用的認知瓶頸，推動電化學基礎理論的進一步發(fā)展，為優(yōu)化目前在軌電池系統(tǒng)、設計下一代高比能高安全太空電池提供依據(jù)。
最佳電極元素——鋰
鋰是一種金屬元素，位于元素周期表第二周期IA族，元素符號為Li，被譽為綠色能源金屬和“白色石油”，廣泛應用于儲能、化工、電子工業(yè)等領域。
遇水會“燃燒”的鋰
鋰遇水會發(fā)生化學反應，向水分子輸送電子，最后會起火燃燒。化學反應式為：
2Li + 2H2O → 2LiOH + H2
圖源：《圖解中學化學》
鋰是智能手機、筆記本電腦及電動汽車等產(chǎn)品不可缺少的元素，它們使用的電池都是鋰離子電池。
圖源：維基百科，作者 MyXyloto
鋰離子電池是一種二次電池（蓄電池），可以反復充電，長期使用。放電時，鋰離子從負極向正極移動，從而產(chǎn)生電流。離子是指原子失去或得到電子而處于帶正電或負電的狀態(tài)。從外部向電池加電壓（充電）時，移到正極的鋰離子可返回負極，再次處于可放電的狀態(tài)。
電池主要利用負極材料與正極材料“釋放電子的難易程度差異”來產(chǎn)生電。容易釋放電子的材料用作負極，容易接收電子的材料用作正極。負極釋放電子的難度與正極接收電子的難度差異越大，電池的動力（電壓）越大。
鋰離子電池的工作原理（圖源：《科學世界》2016年第12期）
鋰離子電池主要依靠鋰離子（Li+）從負極移到正極來產(chǎn)生電。最初，鋰嵌在負極層狀碳的空隙中。用導線連接正負極后，鋰釋放出電子，變成鋰離子，穿過隔膜向正極移動，在正極被層狀結構的鈷酸鋰“捕獲”。充電時的反應與此完全相反。 鋰本身不用作負極材料，但是其混在碳中，實質(zhì)上起到了負極的作用。
釋放電子的難易程度（離子化傾向）取決于元素的種類。鋰是所有元素中最容易釋放電子（離子化傾向大）的元素，用作電池負極時，電壓最高。此外，鋰還是最輕的金屬元素，原子較小，是實現(xiàn)電池小型化與輕便化的最佳元素。
除了鋰元素，智能手機中還使用了很多金屬元素，例如揚聲器中使用的釹（Nd）、液晶屏中必不可少的銦（In）等。以手機為代表的家電產(chǎn)品中滿是化學元素，我們的生活正是因為巧妙地利用了化學才獲得可持續(xù)發(fā)展。
圖源：《圖解中學化學》
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