【產(chǎn)通社，3月27日訊】科學(xué)家們正在利用放射性碳制造微型、長(zhǎng)壽命的核電池。這些貝塔伏特電池的壽命可能比鋰電池更長(zhǎng)，并且無需充電即可為設(shè)備供電數(shù)十年，為未來能源提供更安全、更清潔的能源。

想象一下，手機(jī)、電腦再也不用充電，或者心臟起搏器可終身使用……科學(xué)家們正在開發(fā)由放射性碳（核電站的一種安全且豐富的副產(chǎn)品）驅(qū)動(dòng)的微型核電池。

與隨著時(shí)間的推移而退化的鋰離子電池不同，這些新設(shè)計(jì)使用β射線來觸發(fā)電子雪崩并發(fā)電。該團(tuán)隊(duì)的最新原型大大提高了效率，盡管仍存在挑戰(zhàn)，但這項(xiàng)技術(shù)有朝一日可能會(huì)讓核能像大家的口袋設(shè)備一樣觸手可及。

手機(jī)意外沒電和電動(dòng)汽車無法到達(dá)目的地都凸顯了一個(gè)常見問題：電池限制。從手機(jī)到汽車，大多數(shù)可充電鋰離子 (Li-ion) 電池在充電后只能使用數(shù)小時(shí)或數(shù)天。隨著時(shí)間的推移，它們的性能會(huì)下降，需要更頻繁地充電。

為了解決這個(gè)問題，研究人員正在探索一種新方法：放射性碳驅(qū)動(dòng)的核電池。這些體積小、價(jià)格實(shí)惠的電池可以提供安全、持久的能源，且可持續(xù)數(shù)十年，無需充電。

大邱慶北科學(xué)技術(shù)研究院教授Su-Il In將在3月23-27日舉行的美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)(ACS) 2025年春季會(huì)議上介紹其團(tuán)隊(duì)的研究成果。此次活動(dòng)包括約12000場(chǎng)演講，涵蓋廣泛的科學(xué)主題。


核電池技術(shù)原理


小型染料敏化貝塔伏特電池的陰極和陽(yáng)極上都有放射性碳，這提高了其能量轉(zhuǎn)換效率。

頻繁充電不僅不方便，還限制了無人機(jī)和遠(yuǎn)程傳感器等依賴穩(wěn)定、長(zhǎng)期電力的技術(shù)的實(shí)用性。鋰離子電池也有環(huán)境方面的缺點(diǎn)：鋰礦開采耗能大，不當(dāng)處置會(huì)損害生態(tài)系統(tǒng)。隨著我們的世界變得更加互聯(lián)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，對(duì)更耐用、更可持續(xù)的電池解決方案的需求正在增長(zhǎng)。

而更好的鋰離子電池可能不是解決這一挑戰(zhàn)的答案�！颁囯x子電池的性能幾乎已經(jīng)飽和，”研究未來能源技術(shù)的In說。因此，In和他的團(tuán)隊(duì)成員正在開發(fā)核電池作為鋰電池的替代品。

核電池利用放射性物質(zhì)發(fā)射的高能粒子來發(fā)電。并非所有放射性元素都會(huì)發(fā)射對(duì)生物體有害的輻射，某些輻射可以被某些材料阻擋。例如，β粒子（也稱為β射線）可以用薄鋁片屏蔽，這使得貝塔伏特電池成為核電池的潛在安全選擇。

研究人員利用碳-14（一種不穩(wěn)定且具有放射性的碳形式，稱為放射性碳）制作了貝塔伏特電池原型�！拔覜Q定使用碳的放射性同位素，因?yàn)樗划a(chǎn)生β射線，”In說。此外，放射性碳是核電站的副產(chǎn)品，價(jià)格低廉、隨時(shí)可用且易于回收。而且由于放射性碳降解速度非常慢，因此放射性碳電池理論上可以使用數(shù)千年。

在典型的Betavoltaic電池中，電子撞擊半導(dǎo)體，從而產(chǎn)生電能。半導(dǎo)體是Betavoltaic電池的關(guān)鍵組件，因?yàn)樗鼈冎饕?fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換。因此，科學(xué)家正在探索先進(jìn)的半導(dǎo)體材料，以實(shí)現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)換效率——衡量電池將電子轉(zhuǎn)化為可用電能的效率。

為了顯著提高新設(shè)計(jì)的能量轉(zhuǎn)換效率，In和團(tuán)隊(duì)使用了一種二氧化鈦基半導(dǎo)體，這是太陽(yáng)能電池中常用的材料，并用釕基染料敏化。他們用檸檬酸處理加強(qiáng)了二氧化鈦和染料之間的結(jié)合。當(dāng)放射性碳的β射線與處理過的釕基染料碰撞時(shí)，會(huì)發(fā)生一系列電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，稱為電子雪崩。然后雪崩穿過染料，二氧化鈦有效地收集產(chǎn)生的電子。

新電池的染料敏化陽(yáng)極和陰極中也含有放射性碳。通過用放射性同位素處理兩個(gè)電極，研究人員增加了產(chǎn)生的β射線量，并減少了兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間與距離相關(guān)的β射線能量損失。

在演示原型電池時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)電極上的放射性碳釋放的β射線會(huì)觸發(fā)陽(yáng)極上的釕基染料，從而產(chǎn)生電子雪崩，電子雪崩被二氧化鈦層收集并通過外部電路產(chǎn)生可用電能。與之前僅在陰極上使用放射性碳的設(shè)計(jì)相比，研究人員的電池在陰極和陽(yáng)極上都使用放射性碳，能量轉(zhuǎn)換效率高得多，從0.48%提高到2.86%。


將核能放入口袋


In表示，這些長(zhǎng)壽命核電池可以實(shí)現(xiàn)許多應(yīng)用。例如，心臟起搏器可以伴隨人的一生，無需進(jìn)行手術(shù)更換。

然而，這種Betavoltaic設(shè)計(jì)只能將一小部分放射性衰變轉(zhuǎn)化為電能，因此與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，其性能較低。這表明，進(jìn)一步優(yōu)化β射線發(fā)射器的形狀并開發(fā)更高效的β射線吸收器可以提高電池的性能并增加發(fā)電量。

隨著氣候問題日益嚴(yán)重，公眾對(duì)核能的看法正在發(fā)生變化。但人們?nèi)匀徽J(rèn)為核能只是在偏遠(yuǎn)地區(qū)的大型發(fā)電廠生產(chǎn)的能源。有了這些雙源染料敏化貝塔伏特電池，In 表示：“我們可以將安全的核能放入手指大小的設(shè)備中�！�

該項(xiàng)研究由韓國(guó)國(guó)家研究基金會(huì)以及韓國(guó)科學(xué)和信息通信技術(shù)部大邱慶北科學(xué)技術(shù)研究所研究與開發(fā)項(xiàng)目資助。查詢進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問官方網(wǎng)站https://scitechdaily.com/game-changing-3d-chip-uses-light-to-supercharge-ai/。（鐠元素，產(chǎn)通數(shù)造）