研究背景
隨著對(duì)清潔能源的日益關(guān)注和對(duì)小型、持久電源需求的增加，微核電池作為一種新興的能源技術(shù)，逐漸引起了廣泛的研究興趣。微核電池利用放射性同位素的衰變能量進(jìn)行電力生成，通常工作在納瓦特或微瓦特范圍內(nèi)，與傳統(tǒng)化學(xué)電池相比，其壽命受制于所使用同位素的半衰期，可以延續(xù)數(shù)十年。這種特性使微核電池在某些傳統(tǒng)電池難以應(yīng)用的環(huán)境中成為一種可靠的電源選擇。然而，現(xiàn)有的微核電池架構(gòu)主要依賴于β放射性同位素，α放射性同位素（如钚241和钚243）由于其較高的衰變能量和較長的半衰期，展現(xiàn)出更高的能量密度和潛力，但在能量轉(zhuǎn)化效率方面面臨諸多挑戰(zhàn)。α粒子具有極短的穿透深度，容易因自吸收效應(yīng)導(dǎo)致能量損失，這使得傳統(tǒng)微核電池架構(gòu)在應(yīng)用α放射性同位素時(shí)效率大幅降低，導(dǎo)致實(shí)際輸出功率遠(yuǎn)低于理論值。為了解決這一問題，科學(xué)家們開始探索新型的微核電池架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更高效的α衰變能量轉(zhuǎn)化。為了解決這些問題，蘇州大學(xué)王殳凹教授，王亞星教授和西北核技術(shù)研究所歐陽曉平院士等攜手提出了一種新型的微核電池架構(gòu)，即共生能量傳導(dǎo)器，將243Am與發(fā)光的鑭系配位聚合物結(jié)合，從而在分子層面實(shí)現(xiàn)了同位素與能量傳導(dǎo)器的耦合。這種新型架構(gòu)顯著提高了從α衰變能量到持續(xù)自發(fā)光的能量轉(zhuǎn)化效率，與傳統(tǒng)微核電池架構(gòu)相比，提升了8000倍。同時(shí)，當(dāng)與光伏電池結(jié)合使用時(shí)，能夠?qū)⒆园l(fā)光轉(zhuǎn)化為電力，最終實(shí)現(xiàn)了總功率轉(zhuǎn)化效率為0.889%的新型輻射光伏微核電池。通過這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，本研究有效解決了α放射性同位素微核電池能量轉(zhuǎn)化效率低的問題，為未來的微核電池技術(shù)發(fā)展提供了新的方向。以上成果在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer”的最新論文。
研究亮點(diǎn)
1. 實(shí)驗(yàn)首次提出了一種新型微核電池架構(gòu)，結(jié)合了243Am與發(fā)光鑭系配位聚合物，開發(fā)出一種共生能量傳輸器，實(shí)現(xiàn)了α衰變能量到持續(xù)自發(fā)光的能量轉(zhuǎn)換效率提升達(dá)8000倍。2. 實(shí)驗(yàn)通過將長壽命的α放射性同位素243Am嵌入到TbMel晶體中，成功地將α粒子發(fā)射的高能量有效轉(zhuǎn)化為可見光發(fā)射。該新型微核電池的總功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)0.889%，功率每居里139微瓦（μW Ci?1），顯示出其在微功率源應(yīng)用中的潛力。3. 研究表明，傳統(tǒng)微核電池架構(gòu)存在的自吸收效應(yīng)導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率低下，而新型共生能量傳輸器在原子層面上將放射性同位素與能量轉(zhuǎn)化器耦合，顯著降低了能量損失，解決了α放射性同位素微核電池開發(fā)的主要挑戰(zhàn)。 4. 通過調(diào)節(jié)243Am的摻雜濃度，優(yōu)化了自發(fā)光強(qiáng)度和能量轉(zhuǎn)換效率，驗(yàn)證了共生能量傳輸器在高效能量轉(zhuǎn)換中的有效性，為未來的放射性微電源技術(shù)提供了新的設(shè)計(jì)思路。
圖文解讀
圖1：兩種不同的光電電池結(jié)構(gòu)。圖2. TbMel:1%Am樣品的自發(fā)光特性的合成和表征。圖3. 能量轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)和蒙特卡羅劑量評(píng)價(jià)。本文提出了一種新型微核電池架構(gòu)——共生能量轉(zhuǎn)導(dǎo)器，該設(shè)計(jì)將243Am與發(fā)光的鋱配位聚合物結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在分子水平上的能量轉(zhuǎn)化。這一創(chuàng)新架構(gòu)有效減少了能量損失，實(shí)現(xiàn)了相較于傳統(tǒng)架構(gòu)高達(dá)8000倍的能量轉(zhuǎn)化效率。通過與光伏電池結(jié)合，這種新型放射光伏微核電池達(dá)到了總功率轉(zhuǎn)化效率0.889%及139微瓦/居里的功率輸出。研究表明，243Am的摻雜濃度對(duì)自發(fā)光強(qiáng)度和能量轉(zhuǎn)化效率具有顯著影響，合理控制摻雜濃度可以最大程度地減少自吸收效應(yīng)，從而提高發(fā)光強(qiáng)度和能量轉(zhuǎn)化效率。該研究不僅推動(dòng)了微核電池技術(shù)的發(fā)展，也為高效、持久的能源解決方案提供了新的思路，為未來在極端環(huán)境或長期運(yùn)行設(shè)備中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過此類創(chuàng)新，微核電池在可持續(xù)能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景愈發(fā)廣闊。 Li, K., Yan, C., Wang, J. et al. Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07933-9
