苏州大学，杰青团队，再发Nature！
米测MeLab
2024-09-20
研究背景
随着对清洁能源的日益关注和对小型、持久电源需求的增加，微核电池作为一种新兴的能源技术，逐渐引起了广泛的研究兴趣。微核电池利用放射性同位素的衰变能量进行电力生成，通常工作在纳瓦特或微瓦特范围内，与传统化学电池相比，其寿命受制于所使用同位素的半衰期，可以延续数十年。这种特性使微核电池在某些传统电池难以应用的环境中成为一种可靠的电源选择。然而，现有的微核电池架构主要依赖于β放射性同位素，α放射性同位素（如钚241和钚243）由于其较高的衰变能量和较长的半衰期，展现出更高的能量密度和潜力，但在能量转化效率方面面临诸多挑战。α粒子具有极短的穿透深度，容易因自吸收效应导致能量损失，这使得传统微核电池架构在应用α放射性同位素时效率大幅降低，导致实际输出功率远低于理论值。为了解决这一问题，科学家们开始探索新型的微核电池架构，以实现更高效的α衰变能量转化。为了解决这些问题，苏州大学王殳凹教授，王亚星教授和西北核技术研究所欧阳晓平院士等携手提出了一种新型的微核电池架构，即共生能量传导器，将243Am与发光的镧系配位聚合物结合，从而在分子层面实现了同位素与能量传导器的耦合。这种新型架构显著提高了从α衰变能量到持续自发光的能量转化效率，与传统微核电池架构相比，提升了8000倍。同时，当与光伏电池结合使用时，能够将自发光转化为电力，最终实现了总功率转化效率为0.889%的新型辐射光伏微核电池。通过这种创新的设计，本研究有效解决了α放射性同位素微核电池能量转化效率低的问题，为未来的微核电池技术发展提供了新的方向。以上成果在“Nature”期刊上发表了题为“Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer”的最新论文。
研究亮点
1. 实验首次提出了一种新型微核电池架构，结合了243Am与发光镧系配位聚合物，开发出一种共生能量传输器，实现了α衰变能量到持续自发光的能量转换效率提升达8000倍。2. 实验通过将长寿命的α放射性同位素243Am嵌入到TbMel晶体中，成功地将α粒子发射的高能量有效转化为可见光发射。该新型微核电池的总功率转换效率达0.889%，功率每居里139微瓦（μW Ci−1），显示出其在微功率源应用中的潜力。3. 研究表明，传统微核电池架构存在的自吸收效应导致能量转换效率低下，而新型共生能量传输器在原子层面上将放射性同位素与能量转化器耦合，显著降低了能量损失，解决了α放射性同位素微核电池开发的主要挑战。 4. 通过调节243Am的掺杂浓度，优化了自发光强度和能量转换效率，验证了共生能量传输器在高效能量转换中的有效性，为未来的放射性微电源技术提供了新的设计思路。
图文解读
图2. TbMel:1%Am样品的自发光特性的合成和表征。本文提出了一种新型微核电池架构——共生能量转导器，该设计将243Am与发光的铽配位聚合物结合，实现在分子水平上的能量转化。这一创新架构有效减少了能量损失，实现了相较于传统架构高达8000倍的能量转化效率。通过与光伏电池结合，这种新型放射光伏微核电池达到了总功率转化效率0.889%及139微瓦/居里的功率输出。研究表明，243Am的掺杂浓度对自发光强度和能量转化效率具有显著影响，合理控制掺杂浓度可以最大程度地减少自吸收效应，从而提高发光强度和能量转化效率。该研究不仅推动了微核电池技术的发展，也为高效、持久的能源解决方案提供了新的思路，为未来在极端环境或长期运行设备中的应用奠定了基础。通过此类创新，微核电池在可持续能源领域的应用前景愈发广阔。 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
