摘要
随着深空探测与长周期在轨任务的飞速发展，研制适应空间极端环境的高可靠储能器件已成为航天技术发展的核心挑战。本文从空间多维极端环境出发，系统综述了储能器件在极端温度、高真空与复杂气压、粒子辐射及复杂重力场等多重极端条件下面临的核心科学问题，揭示了其在材料结构、界面稳定性和电化学动力学等方面的失效机理。在此基础上，重点梳理了近期在极端环境模拟、宽温域电池体系、高效控温功能材料、抗辐射太阳能电池和高精度储能结构等前沿方向的研究进展。最后，本文展望了该领域的未来趋势，指出通过智能材料设计、多元技术路径探索以及天地一致性评价体系的构建，推动下一代空间储能器件向高比能、高环境适应性及长寿命方向发展。
Abstract
With the rapid advancement of deep space exploration and long-duration on-orbit missions，the development of highly reliable energy storage devices capable of adapting to extreme space environments has become a central challenge in aerospace technologies.In this paper，the core scientific issues faced by energy storage devices under multiple extreme conditions，e. g.，extreme temperatures，high vacuum and complex atmospheric pressures，particle radiation，and dynamically variable gravity fields，are systematically summarized，starting from the multidimensional extreme environments in space.The failure mechanisms related to material structural degradation，interfacial instability，and electrochemical kinetic deterioration are further revealed. On this basis，recent research progress in key frontier areas，such as extreme environment simulation，wide-temperature-range battery systems，efficient thermal management functional materials，radiation-tolerant solar cells，and high-precision energy storage structural design，are highlighted.Finally，the future development trends in this field are outlined，emphasizing that the intelligent material design，exploration of diverse technological pathways，and establishment of ground-space consistent evaluation methods will drive the next generation of space energy storage devices toward higher specific energy，enhanced environmental adaptability，and extended service lifespan.
Keywords
0 引言
随着我国深空探测、载人航天和在轨服务等航天任务向更远、更久、更智能的方向发展，对航天器能源系统的可靠性、环境适应性和生存能力提出了前所未有的苛刻要求[1-3]。在深空极端温度、高真空、强粒子辐照、高低温交变和剧烈力学冲击等严苛空间环境下，能源材料和电源系统的稳定、高效运行，已成为制约长寿命卫星、高超声速飞行器及深空探测器等航天装备性能提升与技术突破的关键瓶颈[4-5]。面向未来航天任务对能源技术的战略需求，开展空间极端环境专用储能器件的研究，不仅是提升航天器在轨寿命和任务可靠性的核心保障，更是推动我国航天科技自立自强、迈向世界一流的重要基础，具有显著的科学研究价值与紧迫的工程应用意义。
本文基于“空间环境特性→核心科学问题→前沿解决方案→未来发展趋势”的逻辑脉络展开，系统探讨极端环境下储能器件设计与制造中的关键科学问题，重点围绕其在极端工况下的性能演化机理和优化设计原则进行深入分析。文章首先从极端温度、高真空与复杂气压、粒子辐射及复杂重力场等多重极端条件出发，深入剖析空间极端环境特征，探究能源器件面临的关键挑战。在此基础上，重点梳理了近期在极端环境模拟、宽温域电池体系、高效控温功能材料、抗辐射太阳能电池和高精度储能结构等前沿方向的研究进展。最后，总结当前技术发展瓶颈，展望未来研究方向，为高可靠储能器件的设计与工程应用提供理论参考与实践指引。
1 空间极端环境特征及其影响
立足于空间探测与航天装备研发的工程需求，人类急需开展各类天体探测任务，然而太阳系不同天体表面普遍存在苛刻的极端环境条件。太阳系主要天体表面环境参数[6]见表 1。总的来说，空间中极端环境的主要特征包括剧烈的温度波动、低/高气压环境、变化的引力场、源自太阳及宇宙空间的高能混合辐射场以及爆发性高能粒子事件等[7]。如图 1 所示，温度、气压、真空、重力、辐射五大类空间极端环境分别对应极区探索、航天器热控、行星探测、火箭发射、耐辐射太阳电池等各类航天工程应用场景，这些极端环境因素常以组合形式出现，对航天器性能产生重要影响。
图
1
空间极端环境及其存在场景
Fig.
1
Extreme space environments and their existing scenarios
1）极端低温环境。一般为自然环境，普遍存在于太阳系内自转周期较长的天体背阳面、火星以及更远天体的表面区域。例如，月面月夜温度可低至-196 ℃（基于“嫦娥四号”探测器实测数据）[8]，月球南极永久阴影坑内温度约-230 ℃[9]，火星极区最低温度约为-123 ℃[10]等。此类极端低温条件对储能器件的启动能力和循环稳定性提出了严峻挑战。同时，储能材料在深冷环境中发生的相变、离子电导率衰减及界面阻抗激增等关键性能参数的演化，也将直接影响器件的整体效能和可靠性，亟须在材料设计和系统优化中予以重点关注。
2）极端高温环境。主要源于太阳持续辐射、天体表面高温及航天器制动过程，常见于近太阳区域、金星表面及着陆舱长时间日照工况。例如，水星昼侧表面温度可达 430 ℃，金星表面平均温度约464 ℃，而月表赤道区域白天温度亦超过 120 ℃[11]。此类高温条件对储能器件热管理及高温稳定性提出严峻挑战。电极材料晶格失稳、电解液/电极界面膜（负极界面（Solid Electrolyte Interphase，SEI）、正极界面（Cathode Electrolyte Interphase，CEI））高温分解、隔膜收缩熔融以及电解液氧化分解等现象会随温度升高而加剧，导致电池内阻激增、循环寿命衰减及热失控风险显著上升[12]。因此，开发耐高温电极/电解质体系、构建稳定界面防护层并优化热管理策略，已成为提升电源空间极端环境适应性的关键研究方向。
3）高真空与复杂气压环境。由于地球引力的作用，地球表面包裹着一层厚厚的大气，但随着距地球高度的增加，大气密度急剧下降，多数航天器运行于高真空（通常指压强低于 1×10-5Pa）环境中。然而，部分地外天体表面则呈现显著不同于地球的气压条件，例如火星表面平均气压仅约 636 Pa（主要成分为 CO2），金星表面气压高达 9.2 MPa（相当于地球的 90 倍，主要成分为 CO2），而木星等气态巨行星则为极高压的H2 氛围[11，13]。此类悬殊的气压条件对航天器热控、材料和电源系统构成多重挑战。在极高真空条件下，气体分子输热能力可忽略，系统散热主要依赖热辐射，这对储能器件热管理设计提出了特殊要求。如在金星表面的高压环境中，气体导热性增强，依赖真空层的多层隔热材料性能显著衰退，被动热控效果受限。同时，材料表面易发生升华、释气，挥发物可能在光学表面、电极或敏感器部件上凝结，污染电气接口、改变材料表面属性并诱发局部放电，进而导致储能器件内阻升高和绝缘性能下降。此外，高压气体也更易渗入设备壳体，对密封结构、电源模块封装及电气绝缘强度构成严峻考验，可能引起电解质成分变化、界面副反应加剧乃至结构变形，直接影响储能系统的效率与安全运行[14]。
4）强辐射环境。在太空应用中，航天器关键电气部件缺乏类似地球大气的保护层，直接暴露于极端恶劣的辐射环境中。太空环境中存在强烈的银河宇宙射线辐射和太阳粒子辐射。此外，众多天体自身具有磁场，能够俘获来自宇宙的高能带电粒子，从而形成强度极高的辐射带[15]。太空中的辐射以粒子辐射为主，与地面常见的电磁辐射不同，其组成粒子具有静止质量和电荷，属于高能带电粒子。这类辐射虽通量相对较低，但单个粒子能量高，电离能力强。当它们穿透生物体或电子器件时，会沿轨迹产生显著的电离效应，引起材料结构损伤、细胞破坏或电子器件性能退化，对航天活动构成重要影响[16-18]。
5）超重/微重力环境。为满足地外探测任务的需求，储能装置必须适应不同于地球的各类重力环境。在微重力（<9.8 m·s-2）条件下，重力作用显著减弱，导致原本依赖重力存在的物理现象（如自然对流、沉淀分离等）基本消失，气-液两相流的受力平衡和界面行为随之发生根本性变化。而在木星、土星等巨型气态行星表面，或航天器在发射、制动和再入过程中，系统则需承受超重力（>9.8 m·s-2）作用[19]。例如，在月球探测任务中，储能设备必须在发射和返回阶段的强烈超重力环境中保持稳定运行。然而，目前对电化学储能装备等在超重力条件下的电化学形成过程和循环性能研究仍较为缺乏。
2 储能器件在空间极端环境下面临的核心科学问题
极端环境对储能器件内部结构具有显著影响，对于电池而言，常引发离子扩散缓慢、电导率降低、界面阻抗升高、材料应变裂纹或缺陷、电解质泄漏乃至燃烧等问题。在实际运行过程中，还可能进一步导致性能衰减和内部短路，严重制约储能器件在极端工况下的可靠应用。本节将聚焦高低温、高压、辐射、微/超重力等空间极端环境，系统梳理储能器件在上述条件下所面临的核心科学问题，重点总结其失效机理及对性能的关键影响。
2.1 极端温度
尽管飞行器外部环境温度范围可覆盖-200 ℃至+200 ℃乃至更宽，但在工程实践中，储能器件通常通过航天器热控系统（如主动加热、热管、多层隔热材料等）被维持在相对温和的温区内[20-21]。例如，典型低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO）和地球同步轨道（Geostationary Orbit，GEO）卫星的电池舱温度控制在-10 ℃~+40 ℃，火星车电池工作温度范围为-70 ℃~+50 ℃[22]。然而，随着航天任务对轻量化、低成本、无热控设计的需求日益增加，以及部分储能器件被迫安装在热控受限的舱段或外表面（如航天服、着陆器底盘），宽温域（-80 ℃~+80 ℃）储能技术成为研究热点。因此，本文后续讨论的“极端温度”特指这一对储能器件具有实际意义且挑战突出的温区。
针对空间极端温度下储能器件工作机制的研究，本文主要围绕低温工况和高温工况两大方向展开。储能器件在极端温度环境下面临的核心科学问题如图 2 所示：极端高温环境下，储能器件易出现电池副反应加剧、材料与界面结构退化、微观结构与组分失稳、金属电池安全挑战等问题；极端低温环境则会诱发电解液传输性能下降、电荷转移动力学迟滞、金属析出风险升高、电极界面恶化等系列问题。由于温度直接决定电化学反应速率，其变化将显著影响电解质传输特性、电极界面稳定性及离子脱嵌动力学行为，进而成为制约空间储能器件电化学性能和安全可靠性的关键因素。
图
2
储能器件在极端温度环境下面临的核心科学问题
Fig.
2
Core scientific issues faced by energy storage devices in extreme temperature environments
2.1.1 极端高温
从根本上说，温度变化会显著影响电池材料中原子和分子的热振动行为。高温会加剧晶格和分子振动，在一定范围内有利于提升电池内部的化学反应速率，改善电荷转移动力学，从而使倍率性能得到增强，对电池整体性能表现出积极影响[23]。然而，温度持续升高也会带来一系列负面效应：
1）电池副反应加剧。根据 Nernst 方程和Gibbs-Helmholtz 关系，随着工作温度升高，正极材料的化学势能向负方向偏移，而电解液的最高占据分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital，HOMO）和最低未占据分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital，LUMO）能级也相应发生变化。当电解液的 HOMO 能级高于正极费米能级时，电解液溶剂会在正极表面失去电子，发生氧化分解反应，导致产气与性能衰减；同时，在负极侧，能级的正向偏移和电解液的 LUMO 能级的负移也会加剧界面副反应，显著增加高温下的安全风险[23]。
3）微观结构与组分失稳。温度上升还会引发隔膜孔隙收缩变形、溶剂挥发以及电解液中溶质的结晶析出，加剧电极与电解液之间的副反应，严重时可能诱发电池胀气甚至热失控[25]。
4）金属电池体系的安全挑战。在高温条件下，金属电池仍面临枝晶生长引起的内部短路问题，以及金属电极材料本身的高反应性可能触发热失控，为其设计与开发带来严峻安全挑战[26]。
2.1.2 极端低温
展望未来，随着载人航天、深空探测、高轨卫星以及在轨服务等空间任务不断拓展，对能够在极低温度环境下稳定运行的高性能储能电池的需求日益迫切。然而，传统离子电池在低温条件下往往难以发挥其最佳性能，严重制约了航天器及空间装备在极端环境下的可靠运行。因此，开发可适应长期或周期性极寒工况的新型储能体系已成为当前空间能源领域的研究重点。目前，制约储能电池低温性能的关键因素主要可归纳为以下 3 个方面：
1）电解液传输性能下降。低温会导致电解液黏度上升、流动性减弱，甚至发生凝固，显著降低离子在正负极间的迁移速率，造成电解液离子电导率急剧恶化[27]。
2）界面电荷转移动力学迟滞。低温下，SEI 的电荷迁移阻抗明显增大，加剧充放电过程中的电极极化现象[28]。特别是在锂离子电池中，Li+的去溶剂化过程变得极为缓慢，成为电荷转移阻抗的主要来源，使得界面处的电荷转移阻抗随温度下降呈指数级上升，严重损害电池的循环寿命和容量保持率。
3）金属析出与界面恶化风险。在低温恒流充电后期，电池内部易引发金属锂（或相应金属）的析出反应，不仅破坏 SEI 结构的完整性，还会进一步加剧界面副反应，导致电池循环性能迅速衰减[29]。
目前学界普遍认为，在上述机制中，低温对电解液中离子电导率及迁移行为的影响，相较于其对电极材料本征性能的影响，在决定全电池低温性能方面更具主导作用[30]。
2.2 高真空与复杂气压环境
高真空是绝大多数航天器面临的基准工况。在地球轨道及深空环境中，极低的压强会引发地面环境中未曾遭遇的效应。此外复杂多变的气压环境直接关联特定探测任务的成功。系统评估高真空与复杂气压环境对储能器件的综合影响，不仅是提升航天器在轨寿命和任务可靠性的工程基石，更能牵引出耐挥发电解质、新型密封材料、自适应热管理等一系列前沿技术创新，最终为人类深入探索太阳系提供坚实、安全的能源保障。高真空与复杂气压环境下的储能器件主要面临如下核心挑战：
1）液态电解液汽化。真空环境气压极低，液态物质饱和蒸汽压高于外界气压，更易汽化[31]。
2）电池结构变形。与大气压环境相比，电池内外的压差会减小，将导致电极片增厚速度加快，且产气速率超过消耗速率。特别是在软包装锂离子电池体系中，电极片膨胀速度的提升会加剧电池的鼓胀现象，随着循环次数增加，电池的不可逆鼓胀会不断累积，最终导致更严重的变形[32]。
3）温度控制困难。真空环境缺乏空气等传热介质，无法通过对流传递热量，传统冷却方式（包括对流冷却）在真空环境中完全失效，这使得电池内部温度控制面临挑战，安全性也大幅下降[33]。
2.3 强辐射环境
根据美国国家地球物理数据中心统计，1971 年至 1986 年间运行于地球同步和准同步轨道的 39 颗卫星中，超过 70% 的在轨异常由空间粒子辐射引起，其中包括电子、质子、中子等高能粒子，以及伽马（γ）射线和 X 射线等高能光子[19]。这表明，在包含宽能谱高能粒子与光子的空间辐射环境中，严酷的辐射场对储能性能的影响不容忽视。然而实际使用条件下，需考虑电池外壳及整星结构的屏蔽作用：对于低能质子和电子（包括 β 射线），电池铝外壳及卫星结构可提供良好屏蔽，阻挡大部分入射粒子。但 γ 射线的穿透能力远超质子和电子，是空间辐射中穿透性最强的成分，因而外壳对 γ 射线的屏蔽效果极为有限[34]。近年研究表明，辐射场作用下锂离子电池性能会出现显著衰减，电解质、电极活性材料及黏合剂等关键组分均可能发生分解或结构损伤[35-36]，从而影响电池的循环寿命和可靠性。因此，深入揭示辐射场对电池材料和界面的作用机制，对提升其在空间辐射环境下的适用性和稳定性具有重要意义，其主要包括以下 2 个方面。
1）电离效应对材料造成损伤。电离效应是指高能粒子（如 γ 射线、X 射线或中子）或光子与材料相互作用，将能量传递给晶格中的电子，使其发生能级跃迁并脱离原子轨道的过程[37]。在电化学储能器件中，电离效应对有机组分（如电解质溶剂和电极黏合剂）的影响尤为显著，它不仅会破坏分子键结构，生成自由基、激发态分子及离子等不稳定产物，还可能引发后续的交联、链断裂、分解或氧化还原等副反应，从而损害电池性能与寿命。电解液恶化带来的多维度界面失效如图 3 所示：正极侧主要包括电解液副反应导致黏合剂失效、CEI 层异常增厚、活性材料结构破坏；负极侧主要包括副产物引发 SEI 层增厚、锂枝晶生长、负极多孔化，直接加剧电池的极化和容量衰减[36]。有研究表明，γ 射线辐射后溶剂分子电离产生的自由基，不仅会导致溶剂本身的分解，还会导致锂盐的分解。如图 4 所示[36]，在一个典型电池体系中，正极活性物质为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）、LiCoO2（LCO）、LiFePO4（LFP）等，负极为锂金属，黏合剂为聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF）、聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）、聚环氧乙烷（Polyethylene oxide，PEO）、羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）等。当将受辐照的 LiPF6添加到碳酸乙烯酯（Ethylene Carbonate，EC）/碳酸二乙酯（Diethyl carbonate，DEC）/碳酸甲乙酯（Ethyl methyl carbonate，EMC）中时，电解液的颜色明显加深，并且随着辐射剂量的增加（从 0 到 20 kGy）而加深。
Fig.
4
Schematic diagram of γ-ray irradiated electrolyte and the optical photos after irradiation[36]
2）位移效应造成材料内部出现缺陷。位移效应源于高能粒子（如中子）与材料原子核的碰撞，导致原子脱离晶格位置，形成点缺陷。该过程存在阈值能量（如 Fe 为 40 eV，W 为 95 eV），入射能量需高于此值才能引发原子位移。最终，位移效应导致材料内部出现大量缺陷，包括肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷[38]。在锂离子电池中，位移效应会显著影响电极材料的结晶性和离子迁移通道，从而损害其电化学性能和结构稳定性。若位移效应发生在太阳能电池半导体材料中，会改变平衡载流子浓度，缩短少数载流子寿命，将直接导致太阳能电池电性能衰退[39]。
2.4 超重/微重力环境
在微重力环境下，由于重力作用极弱，所有由重力引发的影响都会减弱，重力相关现象也会消失。而在超重力环境中，重力效应被放大，这可能出现在木星、土星等大质量行星表面，也可能源于航天器发射、变轨或再入过程中的加减速阶段。超重/微重力环境对储能器件的影响主要包括以下几个方面：
1）影响流体分布与温度分布。重力变化对“受力平衡与界面效应共同作用下的气/液两相流行为”具有重要影响，这一现象在质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel by the Cell，PEMFC）中尤为显著。不同重力条件下，电池内部流体与温度分布模式发生改变，进而影响电化学反应路径，最终导致其输出性能产生系统性差异。具体而言，微重力环境中重力驱动对流的减弱将影响反应物和产物的传输均匀性，从而改变局部反应速率[40]。在锂离子电池体系中也存在重力环境的显著作用，例如微重力条件下，离子扩散过程所受限制减小，传质行为得以强化，这在特定条件下有助于提升电池的整体性能[41]。
2）改变电极材料的应力状态。日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）的研究表明，微重力可有效降低电极材料所承受的机械应力，从而有望延缓材料老化、维持其结构完整性，并最终延长电池循环寿命[42]。
3）调控溶剂化结构。超重力对电解质在分子层面的溶剂化结构具有显著调控作用，并促使阳极界面处发生阴离子的优先分解行为[43]。这一独特的分解路径推动了以无机成分为主导的 SEI 膜的形成。如图 5 所示，超重力显著增强了 Li+与 之间的结合能，提高了 Li+ 与的配位数，同时降低了溶剂分子的配位比例，表明离子对缔合作用明显增强。
4）影响锂金属的成核与生长过程。超重力场对锂沉积的成核与生长过程均具有显著调控作用。如图 5 所示，超重力条件下临界成核功降低与临界成核半径减小共同促进了尺寸更小、分布更密的晶核形成。随着重力系数增大，其形貌发生明显演变：不利的短纤维状结构逐渐消失，转变为更为规整的短棒状和椭圆状结构。此外，重力场方向亦显著影响锂金属的生长过程，平行超重力方向上的锂核密度大于垂直超重力方向上的锂核密度[43]。
Fig.
5
Effects of gravitational field and its direction on the composition of SEI film，the nucleation of lithium deposition，and the growth process of lithium deposition[43]
3 面向空间极端环境的储能器件近期研究进展
近年来，国内外研究在揭示极端环境失效机制的基础上，逐步从被动防护转向主动调控，在材料创制、界面优化和系统管理等多个层面取得了系列突破。本节将系统梳理极端环境模拟试验、宽温域电池体系建设、高效控温功能材料开发、新型抗辐射太阳能电池研制和高精度储能结构设计等方面的最新研究进展，重点阐述从“耐受”到“适应”的创新策略，旨在为构建下一代高可靠、高环境适应性的空间能源系统提供清晰的技术路径与理论参考。
3.1 极端环境模拟试验
环境模拟试验是评估和提升储能装备环境适应性的关键研究手段。自 20 世纪五六十年代起，全球多个国家相继开展了极端环境因素对储能器件运行机制及性能退化影响的研究。该类研究主要依托各类环境模拟装置，实现对低压、低氧、寒冷、真空及辐射等复杂工况的地面复现。
2012 年以来，随着“ 嫦娥三号/四号/五号/六号”“天问一号/二号”等深空探测任务的推进和中国空间站的建设，我国在航天器环境试验领域取得系列重大突破，部分技术已达到国际领先水平，为关键航天任务的成功实施提供了有力保障。中国航天器环境试验技术示例[44]如图 6 所示。在此过程中，面向传统航天器产品的环境试验技术体系与标准逐步完善，并呈现出标准国际化、测试批量化和控制智能化的明显趋势。
3.2 宽温域电池体系建设
CHEN 等[45]通过多离子-偶极相互作用设计出一种热稳定性优异的溶剂化结构。结合密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）计算研究表明，该结构在无需任何添加剂的条件下即可在 100 ℃高温下稳定工作，且在 25 ℃至 100 ℃宽温域范围内仍保持高安全性和循环稳定性。采用固态电解质是拓宽电池工作温区的另一有效途径，不仅能扩展温度使用窗口，还可提升器件的机械强度。为进一步提升锂金属电池的高温性能，CHEN 等[46]开发出一种锂离子导电金属有机骨架电解质，实现了高温下无枝晶锂沉积。得益于双三氟甲烷磺酰亚胺阴离子（TFSI⁻）与金属有机框架材料（Metal Organic Framework，MOF）金属原子间的强相互作用，该电解质表现出优异的电化学性能，使 Li||Li对称电池在150 ℃下稳定运行超过 1 200 h且电压波动极小，显著增强了锂金属在高温环境下的稳定性。
浙江大学范修林团队[47]近期报道了一种基于低溶剂化能小分子溶剂（氟乙腈）的电解质体系，该体系在维持锂离子与阴离子/溶剂间弱相互作用的同时，实现了锂离子的快速传输。如图 7 所示，该小分子溶剂不仅可构建快离子传导通道，提升锂离子迁移能力，还可形成低溶剂化能的小尺寸溶剂化团簇，进而形成了宽温域电解液快速离子传导配体通道新机制。该电解质在-70 ℃极端低温下仍具有11.9 mS·cm-1 的超高离子电导率，使得石墨||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）电池能够在-80 ℃至+60 ℃的宽温度范围内保持高循环稳定性。
3.3 高效控温功能材料开发
有机气凝胶材料以其低热导率和良好柔韧性成为未来储能器件关键发展方向。美国航空航天局系统研究了聚酰亚胺气凝胶材料，成功研制出兼具阻燃、隔热、耐高温和柔韧特性的材料体系，其室温热导率仅为 14 mW/（m·K），并具有低密度、高模量和易加工等优点[48]。在我国“天问一号”火星探测任务中，气凝胶材料被应用于两大关键部位：1）着陆发动机周围的隔热组件，能够将超过1 000 ℃的热流控制在安全范围内；2）火星车表面的保温板，保障巡视器在-130 ℃环境中正常运行。该类气凝胶材料密度仅约 15 mg·cm-3，分别为钢、铝和水的 1/500、1/180 和 1/60[49-50]。
此外，氮化硼陶瓷基复合材料凭借其高机械强度和优异防热性能，在提升储能器件安全性和能量密度方面亦展现出重要应用潜力。
3.4 新型抗辐射太阳能电池研制
钙钛矿材料 Cs0.17FA0.83PbI1.8Br1.2具有 1.74 eV 的直接带隙，属于宽带隙半导体，在串联太阳能电池中作为顶部电池材料已得到广泛研究，然而在其抗辐射性能方面的探索仍相对有限。近期，俄罗斯研究团队[51]首次系统报道了该钙钛矿薄膜及对应太阳能电池在伽马辐照条件下的复合动力学和缺陷浓度演变。研究显示，在中等剂量（≤10 kGy）的 γ射线辐照下，材料中约 0.5 eV 能级的缺陷被部分钝化，但同时新生成了其他类型缺陷。这一过程导致离子扩散系数和迁移率显著上升。2 种机制相互制约，使材料与器件在辐照剂量高达 10 kGy 时仍表现出优异的辐射耐受性。新鲜样品和暴露样品在归一化短路电流密度、开路电压、填充因子（Fill Factor，FF）及光电转换效率（Photon-to-electron Conversion Efficiency，PCE）方面的对比结果如图 8所示：Cs0.17FA0.83PbI1.8Br1.2太阳能电池在 γ 射线辐照前后，开路电压在所有剂量下几乎保持不变，偏差在 3%~4% 范围内，而 FF 特别是在 21 kGy 剂量后下降了 7%，PCE 和短路电流密度也展示了相似的趋势。该研究结果充分证明了 Cs0.17FA0.83PbI1.8Br1.2钙钛矿太阳能电池在空间辐射环境中具备良好的应用潜力。
3.5 高精度储能结构设计
为满足深空探测任务的发展需求及航天结构机构轻量化、精细化的设计要求，储能器件的结构正朝着轻质化、功能集成化和智能柔性化的方向演进[52]。在此背景下，柔性结构储能器件因其优异的构效一体化特性在航天领域备受关注。以“天问一号”探测器为例，其采用了基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的可展开柔性太阳能电池系统，该系统集形状记忆复合材料锁紧释放机构、可展开梁和柔性薄膜电池于一体，实现了在轨高可靠展开和能源供给[53]。“天和”核心舱同样配备了大面积可展收柔性太阳电池翼，为后续深空探测任务中柔性展开结构的设计与应用提供了重要工程实践基础[54]。
在电池结构强化方面，UNO 等[55]采用环氧树脂填充的电池壳体以增强整体结构刚度，并结合针对真空环境的壳体优化设计，有效提升了密封防漏性能，保障了电池在空间环境中的稳定运行。
此外，面对极端空间环境下易出现的结构变形与损伤问题，利用 3D/4D 打印技术实现结构-功能一体化的储能电池制造，已成为发展更耐用、高效和定制化空间电池的重要前沿方向。真空 3D 打印实验平台整体如图 9 所示，其中材料挤出成形 3D 打印机放置于真空箱内，真空腔体的真空度为 100 Pa，将控制系统通过航空插头放置在真空室外以避免电子元件的真空放电[56]。
4 结束语
本文系统梳理了面向空间极端环境的储能器件所面临的关键挑战和近期研究进展。在深空探测、长期在轨等国家航天战略需求的驱动下，储能技术的环境适应性已成为决定任务成败的核心瓶颈。当前研究已从宏观性能观测深入到材料、界面和系统的失效机理层面，揭示了极端温度、高真空、粒子辐射及复杂重力场等多因素耦合作用下的性能退化机制。在应对策略上，研究者们发展了极端环境模拟、宽温域电池体系、高效控温功能材料、新型抗辐射太阳能电池及高精度储能结构设计等多种技术路径，实现了从“被动防护”到“主动适应”的范式转变，为构建下一代高可靠空间能源系统奠定了坚实基础。
然而，该领域仍面临诸多挑战。首先，现有研究多聚焦于单一极端环境因素，而空间环境中多场耦合（如辐射-温度-真空）的协同效应及其对器件性能的放大作用尚不明确。其次，多数新材料和新体系在空间环境下的长周期服役可靠性缺乏充分验证，从实验室样品到航天产品的工程化路径仍存在鸿沟。此外，地面模拟环境与真实空间环境之间存在差异，如何建立有效的天地一致性评价方法也是一大难题。
展望未来，空间储能技术的研究将呈现以下发展趋势：
1）材料设计智能化与功能一体化。发展基于人工智能和多尺度理论模拟的材料设计方法，指导开发具有自修复、自适应特性的智能材料体系。同时，追求材料的多功能集成，如兼具离子导电与热管理功能的气凝胶，具备抗辐射与高离子电导率的固态电解质等。
2）技术路径多元化与体系创新。除持续优化锂离子电池外，应积极探索锂硫电池、固态金属电池等新体系的空间适用性。同时，耐高温电容器、同位素电池等非电化学储能技术也将在特定任务场景中发挥互补作用。
3）研究范式从“单一”走向“系统耦合”。未来研究需构建“材料-器件-系统”多层级的协同设计与评价体系，充分考虑多物理场耦合环境下的实际工况。通过发展在轨测试与实时诊断技术，形成“地面模拟-在轨验证-数据反馈”的闭环研究模式。
4）标准建设与跨学科融合。推动空间储能器件环境试验标准和评价体系的国际化和规范化，加强航天工程、电化学、材料科学及等离子体物理等领域的深度融合，共同推动空间储能技术向着更高比能、更宽温域、更强抗辐射、更长寿命的目标迈进。