Эти батареи, в отличие от обычных литий-ионных, используют бета-излучение для генерации электроэнергии. Последний прототип демонстрирует значительное повышение эффективности, открывая путь к новой эре портативной ядерной энергии, сообщает 24 Канал со ссылкой на SciTechDaily.
Смотрите также Ученые попытались получить электрический ток благодаря вращению Земли
Как это работает
Неожиданно разряженные телефоны и электромобили, не доезжающие до пункта назначения, – это симптомы одной проблемы: ограниченности современных аккумуляторов. Литий-ионные батареи, которые питают большинство наших устройств, быстро разряжаются и со временем теряют емкость. Профессор Су-Ил Ин из Института науки и технологий Тегу Кьонбук представит свое решение на весенней встрече Американского химического общества в 2025 году. Его команда разработала ядерные батареи на основе радиоуглерода, которые могут обеспечить безопасную и чрезвычайно долговременную энергию.
Литий-ионные аккумуляторы не только неудобные, но и имеют экологические недостатки. Добыча лития является энергоемким, а неправильная утилизация наносит вред окружающей среде. Производительность литий-ионных аккумуляторов почти исчерпана, считает ученый, объясняя необходимость поиска альтернативных решений.
Его ядерные батареи генерируют энергию из радиоактивных материалов. Углерод-14, радиоактивный изотоп углерода, излучает безопасные бета-частицы, которые можно экранировать тонким листом алюминия.
Я решил использовать радиоактивный изотоп углерода, поскольку он генерирует только бета-излучение,
– рассказывает Ин.
Кроме того, радиоуглерод, побочный продукт атомных электростанций, недорогой, легкодоступный и его легко переработать. А поскольку радиоактивный углерод разлагается очень медленно, радиоуглеродный аккумулятор теоретически может работать тысячелетиями.
В типичной бета-вольтаической батарее электроны ударяются о полупроводник, в результате чего вырабатывается электроэнергия. Полупроводники являются критически важным компонентом в бета-вольтаичных батареях, поскольку они в первую очередь отвечают за преобразование энергии. Поэтому ученые исследуют передовые полупроводниковые материалы для достижения более высокой эффективности преобразования энергии – показателя того, насколько эффективно батарея может превращать электроны в полезную электроэнергию.
Чтобы значительно повысить эффективность преобразования энергии в своей новой разработке, Ин и его команда использовали полупроводник на основе диоксида титана – материала, который обычно используется в солнечных батареях. К нему добавили "сенсибилизированный краситель на основе рутения". Связь между диоксидом титана и красителем укрепили с помощью обработки лимонной кислотой. Когда бета-лучи от радиоуглерода сталкиваются с обработанным красителем на основе рутения, происходит каскад реакций переноса электронов, который называется электронной лавиной. Затем лавина проходит сквозь краситель, а диоксид титана эффективно собирает сгенерированные электроны.
Новая батарея также содержит радиоуглерод в чувствительном к красителю аноде и катоде. Обработав оба электрода радиоактивным изотопом, исследователи увеличили количество бета-лучей, генерируемых, и уменьшили связанные с расстоянием потери энергии бета-излучения между двумя структурами.
Во время демонстрации прототипа батареи исследователи обнаружили, что бета-лучи, выпущенные радиоактивным углеродом на обоих электродах, запускают краситель на основе рутения на аноде, генерируя электронную лавину, которая собирается слоем диоксида титана и проходит через внешнюю цепь, превращаясь в полезную электроэнергию. По сравнению с предыдущей конструкцией, которая содержала радиоуглерод только на катоде, новая батарея с радиоуглеродом на катоде и аноде имела гораздо более высокую эффективность преобразования энергии – от 0,48% до 2,86% – чем в других похожих конструкциях.
Перспективы и применение
Ядерные батареи могут найти применение в медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы. Такой кардиостимулятор прослужит человеку всю жизнь, устраняя потребность в регулярной хирургической замене. Это также было бы полезно в мобильных устройствах, дистанционных датчиках, дронах и практически любых других гаджетах.
Стоит отметить, что сейчас эта конструкция превращает лишь незначительную долю радиоактивного распада в электрическую энергию, что означает низкую производительность по сравнению с обычными литий-ионными батареями. Несмотря на эти ограничения эффективности, дальнейшие исследования могут улучшить производительность батарей.