综述：解锁用于火星探索的金属-CO2电池

《Journal of Energy Storage》：Unlocking metal-CO 2 batteries for Mars exploration

本综述系统探讨了利用火星富含的CO2资源开发金属-CO2电池（如Li-CO2、Mg-CO2、Fe-CO2）的技术路径，重点分析了其关键组件（阴极催化剂、电解质、阳极）的挑战与创新策略，并展望了通过增材制造（3D打印）实现电池原位制造的前景，为建立可持续的火星能源存储系统提供了重要见解。

　　

概述

火星探索为人类超越地球、确保长期生存提供了充满希望的愿景。在这一宏伟蓝图下，可靠且可持续的能源存储系统对于长期任务至关重要。金属-二氧化碳（Metal-CO₂）电池作为一种新兴技术，通过利用火星大气中含量高达95%的CO₂，展现出成为为栖息地、漫游车和资源生产系统供能的理想候选者的巨大潜力。这篇综述深入探讨了金属-CO₂电池的发展，特别关注其在火星任务中的应用前景、当前面临的挑战以及未来的发展方向。

引言

地球正面临气候变化、资源枯竭和人口过剩等重大挑战，而火星探索则为人类的长期生存提供了新的可能性。在过去的火星任务中，如 Spirit、Opportunity 和 Curiosity 号漫游车，锂离子（Li-ion）电池一直是主要的能源存储解决方案。然而，锂离子电池的能量密度相对较低（约200 Wh/kg），这导致其质量和体积较大，减少了任务的有效载荷容量并增加了成本。虽然锂-空气（Li-air）电池具有更高的理论能量密度（3500 Wh/kg），但其依赖于氧气（O₂），在火星上应用需要额外储存或生成氧气，增加了任务的复杂性和重量。

鉴于火星大气含有95%的CO₂气体，利用火星上丰富的CO₂的锂-二氧化碳（Li-CO₂）电池提供了一种前景广阔的解决方案。这些电池通过电化学反应利用火星大气中的CO₂产生电能，减少了对进口氧气或燃料的需求，不仅能提供更高的能量密度，还能降低航天器的总重量和成本。此外，考虑到锂（Li）在火星上储量较少，而从地球补给成本高昂，利用火星风化层和表面矿物中大量存在的铁（Fe）和镁（Mg）资源，镁-二氧化碳（Mg-CO₂）和铁-二氧化碳（Fe-CO₂）电池成为原位资源利用（ISRU）的理想选择。金属-CO₂电池在发电过程中产生的副产品，如金属碳酸盐，还可以通过萨巴蒂尔（Sabatier）反应回收用于生产甲烷，从而支持可持续能源生产并最大限度地减少对地球的依赖。

当前最先进的火星任务与电池技术

火星的恶劣环境对电池的性能和寿命构成了重大挑战。火星大气主要由二氧化碳（CO₂）组成，约占其体积的95.1%。其余成分包括分子氮（N₂）、氩（Ar）、氧气（O₂）和微量的一氧化碳（CO）。极低的平均温度（约-60°C）、低大气压以及尘埃和辐射等因素，都对电池材料的稳定性和电化学性能提出了极高要求。

锂-二氧化碳电池技术概述

目前，对Li-CO₂电池的研究主要集中在改进阳极、阴极和电解质材料，以提高其效率、寿命和稳定性。

阳极通常由锂金属或锂合金材料制成。锂金属因其高理论容量（3860 mAh/g）和优异的电化学性能而备受青睐，但枝晶生长问题可能导致短路和电池故障，是需要解决的关键挑战。

阴极是CO₂还原反应（CRR）和CO₂析出反应（CER）发生的场所，其核心是催化剂材料。高效的催化剂对于降低反应过电位、促进不溶性放电产物（如Li₂CO₃和C）的可逆形成与分解至关重要。常用的催化剂包括贵金属（如Ru、Pt）、碳材料（如石墨烯、碳纳米管）以及单原子催化剂（SACs）等。

电解质在离子传输和电池稳定性方面起着关键作用，可分为非水系、水系和混合体系。非水系电解质应用广泛，但需要控制水分；水系电解质更安全，但可能面临析氢副反应等问题。

Li-CO₂电池的整体电化学性能通过能量密度、功率密度、循环寿命和库仑效率等关键参数来衡量。目前的研究致力于通过优化上述组件来提升这些性能指标。

模拟火星环境中的锂-二氧化碳电池技术

当前的金属-CO₂电池研究大多在纯CO₂环境和温和的压力温度下进行。然而，真实的火星大气是多种气体的混合物，除了CO₂，还含有氮气（N₂, 2.7%）、氩气（Ar, 1.6%）、氧气（O₂, 0.13%）和一氧化碳（CO, 0.08%）。虽然氮气和氩气在与锂金属或典型电解质相互作用时被认为是化学惰性的，但微量氧气和一氧化碳的存在可能会影响电化学过程，例如可能导致锂阳极钝化或参与副反应。因此，在更接近火星实际大气成分的环境下测试电池性能至关重要。

锂-二氧化碳电池在火星极端环境下的生存能力

火星的平均温度极低，约为-60°C，而大多数关于Li-CO₂电池的研究集中在室温或更高温度下的性能。低温会显著影响电池的电化学性质，包括降低离子电导率、增加界面阻抗和减慢反应动力学。因此，在室温下优化的Li-CO₂电池在低于0°C的温度下可能会表现不佳。开发能够在火星低温环境下稳定高效工作的电解质系统和电池材料，是未来研究的重要方向。

镁-二氧化碳电池：锂-二氧化碳系统的可行替代方案

镁-二氧化碳（Mg-CO₂）电池为火星任务提供了一种有前景的能源存储解决方案。火星风化层中含有丰富的镁资源，MgO占表面材料的31%（相当于18.7%的Mg）。此外，Mg-CO₂电池在低温环境下表现出强劲的性能，使其非常适合火星的严寒气候。镁金属阳极比锂金属阳极更安全，且在地球上储量更丰富。阴极通常使用基于碳的催化剂或金属基催化剂来促进CO₂的还原和析出。镁基电池的放电产物通常是碳酸镁（MgCO₃），其分解是循环过程中的一个挑战。

铁-二氧化碳电池：超越锂-二氧化碳系统的可持续能源存储

铁-二氧化碳（Fe-CO₂）电池为解决温室气体减排和火星任务高效能源存储这两个关键挑战提供了创新方案。该电池系统通过将CO₂转化为电能，不仅提供了一种可持续的二氧化碳利用方法，也成为地外应用的可靠动力源。与使用锂等稀有金属的传统金属-CO₂电池不同，铁-CO₂电池利用地球上储量丰富且火星上也可通过ISRU获取的铁资源，具有成本效益和可持续性优势。其工作原理涉及铁阳极的氧化和CO₂在阴极的还原，生成碳酸亚铁（FeCO₃）等放电产物。

金属-二氧化碳电池中对高效催化剂的需求

CO₂还原反应（CRR）和CO₂析出反应（CER）的缓慢动力学仍然是金属-CO₂电池面临的主要挑战，限制了其效率和循环寿命。此外，固有的低催化效率，加上绝缘且热力学稳定的金属碳酸盐放电产物的形成，限制了可充电性，因为这些碳酸盐在有机电解质中不溶。高充放电过电位、离子和电子导电性不足以及催化剂失活是常见问题。因此，开发高活性、高稳定性和高选择性的催化剂是推动金属-CO₂电池技术发展的核心。

回收金属-二氧化碳电池放电产物用于原位资源利用

金属-CO₂电池在放电过程中产生副产品，如金属碳酸盐（MCO₃）、氢气（H₂）和碳（C）。例如，在铁基系统中，反应会生成碳酸亚铁（FeCO₃）和氢气。在Li-CO₂电池系统中，根据电解质和操作条件，也可能发生固体碳沉积。这些副产品可以回收用于ISRU。例如，金属碳酸盐可以通过热处理分解，重新释放CO₂，并回收金属氧化物。产生的CO₂和H₂可以作为萨巴蒂尔（Sabatier）反应的原料，生产甲烷（CH₄）和水，从而为推进剂生产或生命支持系统提供资源，实现资源的闭环利用。

用于火星探索的金属-二氧化碳电池的制造

确保火星任务的可持续性需要利用ISRU来生产必要的基础设施，包括能源存储解决方案。考虑到火星风化层的成分，为电极、电解质、集流体和包装选择最佳的电池化学物质至关重要。增材制造（AM），即3D打印，有助于电池的现场生产，最大限度地减少对补给任务的依赖，同时支持人类探索任务的效率。利用火星原位材料（如富含金属氧化物的风化层）通过3D打印技术制造电池组件，是实现长期、自维持火星栖息地的关键途径。

展望

火星电池技术的未来侧重于效率、可持续性和对极端环境条件的适应性。金属-CO₂电池通过利用火星丰富的CO₂等原位资源，为火星提供了一种有前景的能源解决方案，减少了对地球供应材料的依赖。

除了碱金属和碱土金属（如Li, Na, K, Mg, Ca）外，过渡金属如锌（Zn）和铝（Al）也因其高能量密度、丰富储量和相对安全性而被探索用于金属-CO₂电池。未来的研究需要集中在开发先进的催化剂和电解质系统，以提高电池在火星真实环境（包括低温和复杂大气成分）下的性能、循环寿命和安全性。同时，将原位制造技术与电池回收相结合，对于在火星上建立完全自给自足的能源生态系统至关重要。