研究背景
隨著對清潔能源的日益關注和對小型、持久電源需求的增加，微核電池作為一種新興的能源技術，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行電力生成，通常工作在納瓦特或微瓦特范圍內，與傳統化學電池相比，其壽命受制于所使用同位素的半衰期，可以延續數十年。這種特性使微核電池在某些傳統電池難以應用的環境中成為一種可靠的電源選擇。然而，現有的微核電池架構主要依賴于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，展現出更高的能量密度和潛力，但在能量轉化效率方面面臨諸多挑戰。α粒子具有極短的穿透深度，容易因自吸收效應導致能量損失，這使得傳統微核電池架構在應用α放射性同位素時效率大幅降低，導致實際輸出功率遠低于理論值。為了解決這一問題，科學家們開始探索新型的微核電池架構，以實現更高效的α衰變能量轉化。為了解決這些問題，蘇州大學王殳凹教授，王亞星教授和西北核技術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，即共生能量傳導器，將243Am與發光的鑭系配位聚合物結合，從而在分子層面實現了同位素與能量傳導器的耦合。這種新型架構顯著提高了從α衰變能量到持續自發光的能量轉化效率，與傳統微核電池架構相比，提升了8000倍。同時，當與光伏電池結合使用時，能夠將自發光轉化為電力，最終實現了總功率轉化效率為0.889%的新型輻射光伏微核電池。通過這種創新的設計，本研究有效解決了α放射性同位素微核電池能量轉化效率低的問題，為未來的微核電池技術發展提供了新的方向。以上成果在“Nature”期刊上發表了題為“Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer”的最新論文。
研究亮點
1. 實驗首次提出了一種新型微核電池架構，結合了243Am與發光鑭系配位聚合物，開發出一種共生能量傳輸器，實現了α衰變能量到持續自發光的能量轉換效率提升達8000倍。2. 實驗通過將長壽命的α放射性同位素243Am嵌入到TbMel晶體中，成功地將α粒子發射的高能量有效轉化為可見光發射。該新型微核電池的總功率轉換效率達0.889%，功率每居里139微瓦（μW Ci?1），顯示出其在微功率源應用中的潛力。3. 研究表明，傳統微核電池架構存在的自吸收效應導致能量轉換效率低下，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的主要挑戰。 4. 通過調節243Am的摻雜濃度，優化了自發光強度和能量轉換效率，驗證了共生能量傳輸器在高效能量轉換中的有效性，為未來的放射性微電源技術提供了新的設計思路。
圖文解讀
圖2. TbMel:1%Am樣品的自發光特性的合成和表征。本文提出了一種新型微核電池架構——共生能量轉導器，該設計將243Am與發光的鋱配位聚合物結合，實現在分子水平上的能量轉化。這一創新架構有效減少了能量損失，實現了相較于傳統架構高達8000倍的能量轉化效率。通過與光伏電池結合，這種新型放射光伏微核電池達到了總功率轉化效率0.889%及139微瓦/居里的功率輸出。研究表明，243Am的摻雜濃度對自發光強度和能量轉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，從而提高發光強度和能量轉化效率。該研究不僅推動了微核電池技術的發展，也為高效、持久的能源解決方案提供了新的思路，為未來在極端環境或長期運行設備中的應用奠定了基礎。通過此類創新，微核電池在可持續能源領域的應用前景愈發廣闊。 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
