微核电池利用放射性同位素的衰变产生小规模电力，通常在纳瓦或微瓦范围内。与传统化学电池不同，微核电池的寿命与所使用的放射性同位素的半衰期相关，能够实现长达数十年的运行寿命。此外，放射性衰变不受温度、压力和磁场等环境因素的影响，使得微核电池成为在传统电池不切实际或难以更换的场景中持久可靠的电源。常用的镅（241Am和243Am）放射性同位素是α衰变发射体，半衰期超过数百年。在传统微核电池结构中，严重的自吸收阻碍了高效α衰变能量转换，使得α放射性同位素微核电池的开发充满挑战。近日，苏州大学王书凹、王亚星，西北核电研究所研究员欧阳晓平院士团队提出了一种包含汇聚能量转换器的微核电池结构，通过将243Am纳入发光的镧系配位聚合物中，实现了从α衰变能量到持续自发光的能量转换效率提高了8000倍，与常规结构相比。当与将自发光转化为电力的光伏电池结合使用时，获得了一种新型的光电-微核电池，总功率转换效率为0.889%，每居里功率为139微瓦。 该成果以“Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer”为题发表在《Nature》期刊，第一作者是Li Kai、Yan Congchong、Wang Junren。本文介绍了一种新型微核电池，它通过将放射性同位素镅-243（243Am）嵌入到铽（Tb）基配位聚合物中，开发了一种汇聚能量转换器。这种设计使得α粒子衰变能量能够高效地转换为自发光，实现了与传统结构相比8000倍的能量转换效率提升。该微核电池结合了光伏电池，将自发光转化为电能，达到了0.889%的总功率转换效率和每居里139微瓦的功率密度。这种新型微核电池不仅展示了优异的能量转换性能，还表现出了显著的稳定性，即使在243Am连续内部照射超过一年后，结构和自发光强度也没有显著变化。此外，通过蒙特卡洛模拟验证了汇聚能量转换器能够显著提高能量转换效率，通过减少自吸收和优化α粒子与能量转换单元的相互作用，实现了更有效的能量传递。这项研究为开发长寿命、高稳定性的微电源提供了新的方向。图1：两种不同的光电伏电池架构。a、传统的放射性源-闪烁体-光伏电池架构。在这个模型中，由放射性同位素发射的α粒子通过与邻近非转换器单元的外核电子的非弹性碰撞传递能量，这部分能量通过非辐射复合而丢失。b、分子级耦合的放射性同位素和转换器单元的汇聚能量转换器。在这个模型中，α粒子通过与镧系Tb3+的外核电子的非弹性碰撞传递能量，通过辐射复合产生可见光子。图2：TbMel:1%Am样品的合成和自发光特性表征。a、TbMel的拓扑结构。b、结构中相邻Am-Tb的距离。c、TbMel:1%Am样品的自发光图谱（紫色线）和通过紫外光激发记录的TbMel的光致发光（PL）图谱（蓝色线）。插图，在室内光环境下使用36-W LED灯作为光源（顶部）和暗环境下（底部）拍摄的TbMel:1%Am晶体的照片，由手机相机记录。d、归一化光子计数与243Am3+掺杂含量之间的关系：243Am（紫色）；Tb（绿色）。归一化光子计数计算为（光子计数）/（MTb×Asource），其中MTb和Asource分别代表Tb元素的质量和TbMel:x%Am中243Am的活度。 图3：243Am金属源模型和汇聚能量转换器模型之间的能量转换实验和蒙特卡洛剂量评估。a、背景、外部243Am源（TbMel+243AmMel）和TbMel:1%Am的归一化光子信号。b、通过蒙特卡洛剂量评估计算的243Am金属源模型中α粒子的轨迹。插图，243Am金属源模型图。c、通过蒙特卡洛剂量评估计算的汇聚能量转换器模型中α粒子的轨迹。d、243Am金属源模型（左）和汇聚能量转换器模型（右）中α粒子通量分布百分比。e、在243Am金属源模型中与TbMel表面相互作用的α粒子的平均能量。f、汇聚能量转换器模型中α粒子的平均能量。g、在汇聚能量转换器模型中，距离243Am3+离子25μm内每10Å的总能量沉积。h、初始传输过程中的库仑相互作用。 图4：光电伏核电池的表征。a、所提出的光电伏核电池的器件结构。b、在室内光环境下使用36-W LED灯作为光源（顶部）和暗环境下（底部）拍摄的封装自发光样品的照片，并由手机相机记录。c、Cs0.05MA0.1FA0.85PbI3光伏器件的图谱响应和TbMel:1%Am样品的自发光图谱。d、基于钙钛矿薄膜光伏电池的放射性同位素电池的I-V和P-V曲线。e、光电伏核电池的稳定性测试。在以下条件下测试时间内的电学性能：65μSv·h-1自发光样品，连续照明，空气氛围和室温。f、代表性光电伏核电池的总能量转换效率和单位活度功率的比较。本文提出的新型微核电池通过创新的汇聚能量转换器结构，实现了显著的能量转换效率提升。实验结果表明，与传统的放射性源-能量转换器结构相比，新架构在α衰变能量转换方面表现出了卓越的性能，实现了0.889%的总功率转换效率和每居里139微瓦的功率输出。此外，该电池展示了优异的长期稳定性，即使在持续的内部照射下也能保持稳定的自发光强度，证明了其作为长期可靠微电源的潜力。这些发现不仅为微核电池的发展提供了新的方向，也为未来在极端环境或难以更换电池的应用中提供了新的能源解决方案。随着进一步的优化和集成，这种新型微核电池有望在各种需要长期、稳定电力供应的领域中发挥重要作用。 Kai Li, Congchong Yan, Junren Wang, Kun Zhu, Junjun Guo, Yugang Zhang, Guozheng Shi, Yuchen Yin, Liwei Cheng, Liang Sun, Yumin Wang, Hailong Zhang, Ying Sun, Jianyu Yuan, Wanli Ma, Guoxun Ji, Zhifang Chai, Yaxing Wang, Xiaoping Ouyang, Shuao Wang. Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer. Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07933-9.
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07933-9
来源：科学电池网
