核電池研發獲突破:從汽車電池到航天器均可應用

來源:【TRD拓爾德】 發布日期:2021-10-14 分享 加入收藏 關注:20

美國密蘇里大學研究團隊近日對外表示,他們已經敲開了新一代水性核電池的大門。該技術應用范圍廣泛,從汽車電池到航天器,均可使用。該研究成果被刊登在了《自然》雜志上。


核電池的基本原理是通過輻射釋放能量。自上世紀50年代開始,核電池的研究便已開始,并被應用在早期的心臟起搏器上。核電池是安全的,現在,包括臥室內的火災探測器、建筑物的緊急出口標志等,都有核電池的身影。這些安全設施之所以依賴核電池,是因為該電池的最大特性——壽命超長。無需充電,在十幾年內,核電池都能夠源源不斷供應能量。


但核電池的缺點也非常明顯。首先,其輻射量中僅有一小部分能夠有效轉化為電荷,能量密度很低。再者,核電池的輻射可能會影響到核電池中的半導體部件。


核電池的關鍵在衰變。在這一過程中,原子核內一個中子轉變為一個質子,同時釋放一個電子,即粒子。高能電子束在穿過窗口通道后進入捕獲層,半導體材料內部電子將被粒子激發到激發態,從而形成電子-空穴對,最后形成宏觀電壓,在擁有回路后,就出現了電流。由于這個機制類似于光伏效應(Photovoltaic),所以用衰變作為能量源的核電池也被稱為貝塔伏特電池(Betavoltaic)。


為了屏蔽核電池中射線的影響,過去的研究一直把屏蔽材料的研究聚焦在固體材料之上。但事實上,液體才是目前已知效果最好的屏蔽材料。


由JaeWKwon領導的密蘇里大學研究團隊發現,在將輻射直接轉化為電荷的過程中,液體是出色的媒介。此外,在液體中,射線持續激發的自由基也能發電。


密蘇里團隊使用鍶90作為核電池的源,以鍍鉑的二氧化鈦電極來收集能量,并將其轉化為電子。值得一提的是,鈦在防曬霜和抗紫外線阻斷劑中,是常見的元素。


密蘇里團隊研發的核電池有水性的半導體材料,在屏蔽輻射的同時,它還能吸收輻射,并將粒子的動能吸收。當液體吸收輻射的能量時,輻射分解與自由基開始出現,這是一種高度反應但存在時間又非常短暫的化學物種。它們能夠被轉化為電能,進一步提高了電池輸出的功率。密蘇里團隊稱,該發現揭示了核電池發電的新機制,并為創造能量密度更高的化學電池鋪平了道路。


JaeWKwon表示,“水性電池中的離子溶液不易凍結,在非常低的溫度下也可以工作。這意味著其應用范圍很寬,包括汽車電池。假如包裝得好,或許航天器上也能用”。


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