2026年1月7日，中国空间站传来喜讯——由中国科学院大连化学物理研究所主导的“面向空间应用的锂离子电池电化学光学原位研究”项目成功开展。神舟二十一号航天员乘组在微重力环境下完成了一系列精密实验，载荷专家张洪章研究员全程主导科学操作。这项实验不仅填补了太空电池研究的空白，更为下一代航天器能源系统的升级提供了关键依据。

为何要在太空研究锂电池？

锂离子电池被誉为现代航天任务的“能量心脏”，其能量密度高、循环寿命长、安全可靠的特性，使其成为卫星、空间站等航天器的核心能源装置。然而，地面实验始终面临一个难以逾越的障碍：重力场与电场的耦合干扰。

锂离子原型电池 中国科学院大连化学物理研究所供图

在地面环境中，电解液中的化学物质会因重力作用产生分层，导致科学家无法准确观测离子传输、电极反应等微观过程。例如，电解液中的锂盐浓度分布、电极表面锂枝晶的生长规律，这些直接影响电池性能与安全的关键因素，在地面实验中始终无法得到纯粹的研究数据。

太空的微重力环境为解决这一难题提供了理想条件。在这里，重力的影响被极大削弱，科学家可以更清晰地观测电池内部的动态过程。但微重力也带来了新挑战——电池内部液体的表面张力、流动特性与地面截然不同，可能导致电解液分布不均、电池性能下降甚至安全风险。

实验的核心目标与技术突破

本次实验的核心目标是直接观测与解析微重力环境对电池内部关键过程的影响机理。具体而言，科学家们希望通过原位光学观测技术，回答三个关键问题：

微重力如何改变锂离子在电解液中的传输路径？

电极表面锂枝晶的生长规律在太空环境中有何不同？

微重力是否会影响电池内部的热管理与安全性能？

为实现这些目标，实验团队开发了一套特殊的锂离子原型电池，配备了高精度光学观测系统。载荷专家张洪章在实验中完成了多项关键操作：

原位光学观测：通过高分辨率相机全程记录锂枝晶生长的动态影像，捕捉其从无到有、从细微到粗大的完整过程。

电化学参数调节：精确控制电池的充放电电流、电压等参数，模拟不同太空任务场景下的能源需求。

实时状态监控：对电池温度、压力、电解液分布等关键指标进行持续监测，确保实验安全与数据准确性。

这些操作不仅需要深厚的专业知识，更需要在微重力环境下的精细操作能力。张洪章研究员在核心舱模拟器中经过了长达数月的训练，最终在太空实验中完美执行了所有预定步骤。

实验成果的重大意义

本次实验的成功开展，标志着中国在太空能源领域取得了重要突破。其成果将从三个层面推动航天技术的发展：

基础科学层面：突破认知瓶颈

通过在微重力环境下的实验，科学家们首次获得了电池内部微观过程的纯电场观测数据。这将帮助他们厘清重力与电场的耦合作用机制，完善电化学基础理论。例如，实验中观测到的锂枝晶生长速率与形态变化，将为解释地面电池老化机理提供全新视角。

技术应用层面：优化现有系统

实验数据将直接用于改进当前在轨航天器的电池系统。例如，通过调整电解液配方或电极结构，可以减少微重力环境对电池性能的负面影响，提升能源利用效率。据估算，基于本次实验成果优化的电池系统，有望使航天器能源供应稳定性提升20%以上。

助力下一代电池设计

更重要的是，实验成果将为下一代高比能、高安全太空电池的研发提供关键依据。例如，科学家们计划开发一种适应微重力环境的新型电解液，或设计具有自修复功能的电极材料，以应对未来深空探测任务对能源系统的严苛要求。

从实验室到太空：背后的技术挑战

将锂电池实验搬上太空，面临着诸多技术挑战。首先是实验装置的小型化与轻量化——空间站的载荷能力有限，实验设备必须在保证性能的前提下尽可能缩小体积。其次是微重力环境下的操作难度——电池内部的液体在太空环境中可能出现“漂浮”现象，需要特殊的密封与固定设计。

张洪章在核心舱模拟器训练

（2025年6月9日摄）

为应对这些挑战，实验团队进行了大量地面模拟实验。例如，在2025年6月，张洪章研究员在核心舱模拟器中完成了数百次操作训练，模拟微重力环境下的电池安装、参数调节与数据记录流程。这些准备工作为太空实验的成功奠定了坚实基础。

展望：太空能源研究的未来方向

本次锂电池实验只是中国空间站科学研究的一个缩影。未来，科学家们还计划开展更多能源领域的太空实验，例如：研究新型燃料电池在微重力环境下的性能表现、探索太阳能电池与储能系统的协同工作机制、开发适用于深空探测的同位素温差发电技术，这些研究不仅将推动航天技术的进步，还可能为地面能源问题提供新的解决方案。例如，从太空电池实验中获得的微观机理知识，有望帮助改进电动汽车电池的性能与安全性。

正如中国科学院大连化学物理研究所所长所言：“太空是人类探索未知的前沿，也是解决地球问题的钥匙。通过在空间站开展锂电池实验，我们不仅在为下一代航天器提供更强大的‘能量心脏’，也在为人类能源技术的进步贡献中国智慧。”

本次实验的成功开展，标志着中国在太空能源领域取得了重要突破。

其成果将从三个层面推动航天技术的发展：通过在微重力环境下的实验，科学家们首次获得了电池内部微观过程的纯电场观测数据。这将帮助他们厘清重力与电场的耦合作用机制，完善电化学基础理论。例如，实验中观测到的锂枝晶生长速率与形态变化，将为解释地面电池老化机理提供全新视角。

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