2026-10-14
據(jù)中國科學(xué)院消息，“面向空間應(yīng)用的鋰離子電池電化學(xué)光學(xué)原位研究”項(xiàng)目已在中國空間站內(nèi)開展，神舟二十一號(hào)航天員乘組共同在軌操作該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，中國科學(xué)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(wù)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(diǎn)。然而，在地面實(shí)驗(yàn)中，很難單獨(dú)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(dú)特條件。
據(jù)悉，本次鋰離子電池上行實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，有望突破重力場與電場耦合作用的認(rèn)知瓶頸，推動(dòng)電化學(xué)基礎(chǔ)理論的進(jìn)一步發(fā)展，為優(yōu)化目前在軌電池系統(tǒng)、設(shè)計(jì)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(hào)為Li，被譽(yù)為綠色能源金屬和“白色石油”，廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能、化工、電子工業(yè)等領(lǐng)域。
遇水會(huì)“燃燒”的鋰
鋰遇水會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，向水分子輸送電子，最后會(huì)起火燃燒。化學(xué)反應(yīng)式為：
2Li + 2H2O → 2LiOH + H2
圖源：《圖解中學(xué)化學(xué)》
鋰是智能手機(jī)、筆記本電腦及電動(dòng)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(fù)充電，長期使用。放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極向正極移動(dòng)，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(fù)電的狀態(tài)。從外部向電池加電壓（充電）時(shí)，移到正極的鋰離子可返回負(fù)極，再次處于可放電的狀態(tài)。
電池主要利用負(fù)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(fù)極，容易接收電子的材料用作正極。負(fù)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(dòng)力（電壓）越大。
鋰離子電池的工作原理（圖源：《科學(xué)世界》2016年第12期）
鋰離子電池主要依靠鋰離子（Li+）從負(fù)極移到正極來產(chǎn)生電。最初，鋰嵌在負(fù)極層狀碳的空隙中。用導(dǎo)線連接正負(fù)極后，鋰釋放出電子，變成鋰離子，穿過隔膜向正極移動(dòng)，在正極被層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰“捕獲”。充電時(shí)的反應(yīng)與此完全相反。 鋰本身不用作負(fù)極材料，但是其混在碳中，實(shí)質(zhì)上起到了負(fù)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(fù)極時(shí)，電壓最高。此外，鋰還是最輕的金屬元素，原子較小，是實(shí)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(jī)中還使用了很多金屬元素，例如揚(yáng)聲器中使用的釹（Nd）、液晶屏中必不可少的銦（In）等。以手機(jī)為代表的家電產(chǎn)品中滿是化學(xué)元素，我們的生活正是因?yàn)榍擅畹乩昧嘶瘜W(xué)才獲得可持續(xù)發(fā)展。
圖源：《圖解中學(xué)化學(xué)》
其實(shí)化學(xué)不只存在于實(shí)驗(yàn)室或者教科書里，我們的生活也和化學(xué)息息相關(guān)：它存在于廚房的調(diào)料中；存在于超市的貨架上；存在于家中的電器里......
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