苏州大学重磅Nature,核电池:8000倍能量转换效率!

文摘   2024-09-23 11:48   吉林  




Part.01

研究背景


微核电池通过放射性同位素的衰变来产生电能,具有持久供电能力,通常应用于难以更换电池的场景,如医疗植入物、深空探测器等。相比化学电池,微核电池的寿命与放射性同位素的半衰期密切相关,能在极端条件下稳定运行。然而,目前的α-放射性微核电池面临严重的能量转换效率问题,主要由于α粒子的穿透深度极短(10–25 μm),在传统的电池架构中能量易被自吸收,从而大幅降低输出功率。以往的设计主要基于β-放射性同位素,如³H、⁶³Ni和¹⁴⁷Pm,然而这些同位素的衰变能量较低,仅为几千电子伏特到几十千电子伏特,限制了电池的输出功率。因此,如何有效提升α粒子能量的转换效率成为α-放射性微核电池发展的关键挑战。



Part.02

研究内容


本文提出了一种新型的α-放射性微核电池结构,即内置能量转换器,通过将²⁴³Am与发光镧系配位聚合物(TbMel)耦合在一起,实现了分子水平的能量转化。该结构将放射性源与能量转换器紧密结合,使得α粒子的能量能够高效地传递给附近的高原子序数(Z)转换器单元,最大限度地减少了能量损失。实验合成了不同浓度的²⁴³Am掺杂的TbMel样品,发现掺杂量低于1%时能有效减少自吸收效应,从而提高自发光强度。该转换器产生的光子可通过与钙钛矿薄膜光伏电池的耦合转化为电能,最终实现了0.889%的总功率转换效率和每居里139 μW的功率输出。通过Monte Carlo模拟,验证了新设计在能量转换效率上的显著提升。该系统不仅展示了优异的能量转化性能,还在长时间辐射环境中表现出稳定的结构和发光强度。



Part.03

图文解析


图1:辐射光伏电池的两种架构。


图1a展示了传统架构:该架构由放射源、闪烁体和光伏电池组成。放射源发出的α粒子通过与周围非转换单元的外核电子发生非弹性碰撞来传递能量。这种碰撞会导致能量损失,无法全部用于发光或电力转换。大部分能量损失于非辐射复合过程。图1b展示了内置能量转换器架构:该设计将放射源(如²⁴³Am)和转换单元(如Tb³⁺)在分子水平耦合。α粒子通过与Tb³⁺的外核电子发生非弹性碰撞,产生高能次级电子,并通过辐射复合产生可见光子,进而更高效地转化为电能。这种设计减少了能量在非转换单元上的损失。


图2:TbMel:1%Am样品的合成与表征。


图2a展示了样品的拓扑结构:放射性同位素²⁴³Am与镧系配位聚合物(TbMel)的晶体结构。每个有机配体连接六个Tb³⁺或²⁴³Am³⁺,形成一个三维结构,确保α粒子的能量能够高效地传递给周围的转换单元。图2b展示了相邻的Am-Tb距离:显示了样品中²⁴³Am³⁺与Tb³⁺之间的距离为6.095 Å,这样的近距离耦合提高了α粒子的能量转化效率。图2c展示了自发光光谱和紫外激发下的光谱对比:显示了样品的自发光光谱和紫外激发下的发光光谱。自发光主要是由于α粒子与Tb³⁺的外核电子相互作用产生次级电子。插图显示了TbMel:1%Am晶体在亮光和暗环境下的外观。图2d展示了自发光强度与²⁴³Am掺杂量的关系:图中显示了不同掺杂浓度下,自发光强度的变化。随着²⁴³Am的增加,自吸收效应逐渐增强,导致发光强度的下降。


图3:实验与蒙特卡洛剂量评估。

图3a展示了自发光信号的对比:显示了TbMel:1%Am样品在实验中的自发光强度与传统的外部²⁴³Am放射源(TbMel+²⁴³AmMel)相比有显著提升,信号强度提升了8000倍。图3b展示了²⁴³Am金属源的α粒子轨迹:通过蒙特卡洛模拟展示了α粒子在金属放射源中的运动轨迹。由于自吸收效应,97%的α粒子能量被放射源自身吸收,导致能量无法高效传递到外部。图3c展示了内置能量转换器的α粒子轨迹:在新型转换器中,α粒子能量主要传递给Tb³⁺(转换单元),能量损失显著减少。这导致电子-空穴对的生成显著增加,转化为更高的光输出。图3d展示了α粒子的能量分布:显示了传统模型与内置转换器模型中的α粒子能量分布情况。大部分能量在传统模型中丧失,而新型转换器则能更有效地保持高能量状态。图3e展示了在²⁴³Am金属源模型中的能量衰减:在传统模型中,随着距离增加,α粒子能量迅速衰减。而在内置转换器中,能量损失较小,维持在较高水平。图3f展示了内置能量转换器中α粒子的平均能量:显示了在内置转换器中α粒子的能量保持较高,能够有效传递给Tb³⁺。图3g展示了²⁴³Am源周围的能量沉积:模拟了在²⁴³Am源周围不同距离处的能量沉积情况,展示了在内置转换器中α粒子的能量传递效率更高。图3h展示了初始过程中的库仑相互作用:展示了α粒子在传递过程中与Tb³⁺的库仑相互作用,生成高能次级电子,增加了能量转化效率。


图4:辐射光伏核电池的表征。


图4a展示了新型辐射光伏电池的结构:包括放射性自发光材料和钙钛矿薄膜光伏电池。自发光材料提供的光通过光伏电池转化为电能。图4b展示了自发光样品的照片:自发光样品在亮光和暗环境下的外观。样品在黑暗中显现出明显的绿色光。图4c展示了光谱响应和自发光光谱:显示了钙钛矿光伏电池的光谱响应范围与自发光材料的发光光谱重叠,证明了光伏电池能够有效吸收自发光材料的发光。图4d展示了光伏电池的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)曲线:显示了电池的开路电压为0.1988V,最大输出功率为1.538nW。图4e展示了稳定性测试结果:显示了辐射光伏电池在200小时内的电流、电压和功率保持稳定,说明该电池在长时间使用下表现出良好的稳定性。图4f展示了与其他辐射光伏电池的对比:图表比较了该研究中的电池与其他放射性光伏电池的能量转换效率和单位活性功率输出。



Part.04

结论与展望


通过内置能量转换器的设计,大幅提升了α粒子的能量转换效率,使得该新型核电池的性能远超现有的核电池。此外,该装置在长期辐射下也表现出极佳的结构稳定性和自发光强度稳定性。这种微核电池在极端环境下的持久供电能力以及在医疗植入物等微型设备中的潜在应用具有广阔前景。未来研究将进一步优化材料的辐射稳定性和能量转换效率,以推动其在更多实际场景中的应用。




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