中国科学院今天（7日）透露，“面向空间应用的锂离子电池电化学光学原位研究”项目已在中国空间站内开展，神舟二十一号航天员乘组共同在轨操作该项目实验。那么，这项实验的目的是什么呢？专家介绍，该项目可以为优化目前在轨电池系统，设计下一代高比能、高安全太空电池提供依据。
锂离子电池是现代航天任务的“能量心脏”，电解液内部化学物质的分布状态是决定电池功率和寿命的核心因素之一。而在地面实验中，难以单独厘清重力对电池内部过程的影响；太空独有的微重力环境，为突破这一科研瓶颈提供了理想实验场。通过实验，研究人员能够发现什么？
锂离子原型电池
锂离子电池作为一种高性能的可充电电池，以其高能量密度、长寿命、轻质化等优点广泛应用于移动设备、电动汽车、储能系统等领域。然而，为什么中国空间站要开展锂离子电池在轨实验？电池和空间站之间，有哪些关联呢？中国科学院大连化学物理研究所研究员杨晓飞解释，锂离子电池不仅可以广泛应用于日常生活中，也是现代航天任务的“能量心脏”。
杨晓飞：我们空间站上也是利用锂离子电池进行供能，主要是通过太阳能电池板，将太阳能转化成电能储存在锂离子电池当中，为空间站的各种电子设备供电。但是，在太空微重力条件下，电池的实际使用容量其实不到设计值的一半，这就意味着我们为了达到相同的能量需求，太空往往需要配备比地面上多一倍的电池数量，直接导致重量和运输成本的显著增加。将1公斤地面上的东西带到太空的成本和一公斤黄金价格差不多，因此，我们需要为太空电池进行瘦身。
据介绍，锂离子电池电解液内部化学物质的分布状态，是决定电池功率和寿命的核心因素之一，在地面实验中，重力场始终与电场交织在一起，难以单独厘清重力对电池内部过程的影响。太空独有的微重力环境，为突破这一科研瓶颈提供了理想实验场。都是锂离子电池，为什么上了太空就不同了？杨晓飞介绍，这也是这次实验要探究的科学问题。
杨晓飞：主要是在太空微重力条件下，电池在充电过程中，锂不在石墨层间进行生长了，而是在石墨表面进行沉积，长成这种树枝状的晶体，这样的话它会刺穿隔膜导致热失控。在地面上，锂枝晶的生长规律已经得到了充分研究，但是在太空微重力条件下，很多物理过程，包括离子运输、气泡行为和温度分布都与地面上不同，因此，枝晶在太空中的生长习性目前还是未知数。现有基于地面的理论模型和理论是否还适用？我们需要在太空做相应的实验，来解答上述问题。
电池装袋、密封、打包
那么，这次太空实验，将要怎么做？杨晓飞表示，在神舟二十一号发射之前，科研团队就组装了两组完全相同的锂离子电池，一组留在地面，一组随神舟二十一号飞入太空，开展对照实验。
杨晓飞：为了研究微重力对锂枝晶生长的影响，我们需要将重力因素从复杂的电池内部环境中剥离出来，这也就是这个实验的关键，就是如何实现“天地同频”。这两组电池采用了完全相同的充放电节奏，包括经历一模一样的测试流程，来确保整个实验过程中唯一的变量就是太空的微重力环境。载荷专家会基于他的专业知识进行科学判断，开展与地面上完全一样的，微重力条件下的锂枝晶光学观察实验，全程获取锂枝晶生长全流程影像，对实验参数进行精准调控和执行，对关键科学现象进行识别和记录等等。
同时，微重力环境也为实验带来了新挑战——电池内部液体行为与地面差异显著，可能导致电池性能下降、安全性风险增加。杨晓飞表示，对此，科研团队前期也做了充分的准备。
杨晓飞：将这样一个从未经过太空考验的电池观测系统送到空间站上，首先需要跨越的最基础的信任门槛就是安全。因为这是第一次做，所以大家也不知道到底会有什么风险，它会不会漏液，有没有什么危险？因此我们在前期也对电池，包括相应的原位观察池进行了针对性设计，能够确保这个太空中的实验顺利进行。
实验人员
此次实验的推进，有望突破重力场与电场耦合作用的认知瓶颈，推动电化学基础理论的进一步发展。杨晓飞表示，该实验也将为优化目前在轨电池系统，设计下一代高比能、高安全太空电池提供依据。
杨晓飞：我们这次与航天员中心共同承担的这个实验项目，主要目标有两个：首先是希望通过对太空中锂枝晶生长的直接观测，验证和修正现有的电池失效模型，希望这种模型可以进一步拓展到太空的微重力条件下。另外一方面，我们希望通过太空微重力条件下获得的实验数据，分析造成微重力条件下锂枝晶生长的关键因素，进而指导微重力条件下的电池设计。例如通过电解液设计和电极材料的结构调控，进一步抑制微重力条件下的锂枝晶生长，为优化目前在轨电池系统，设计下一代高比能、高安全的太空电池提供依据。