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核电池研发获突破:从汽车电池到航天器均可应用

来源:【TRD拓尔德】 发布日期:2021-10-14 分享 加入收藏 关注:100

美国密苏里大学研究团队近日对外表示,他们已经敲开了新一代水性核电池的大门。该技术应用范围广泛,从汽车电池到航天器,均可使用。该研究成果被刊登在了《自然》杂志上。


核电池的基本原理是通过辐射释放能量。自上世纪50年代开始,核电池的研究便已开始,并被应用在早期的心脏起搏器上。核电池是安全的,现在,包括卧室内的火灾探测器、建筑物的紧急出口标志等,都有核电池的身影。这些安全设施之所以依赖核电池,是因为该电池的最大特性——寿命超长。无需充电,在十几年内,核电池都能够源源不断供应能量。


但核电池的缺点也非常明显。首先,其辐射量中仅有一小部分能够有效转化为电荷,能量密度很低。再者,核电池的辐射可能会影响到核电池中的半导体部件。


核电池的关键在衰变。在这一过程中,原子核内一个中子转变为一个质子,同时释放一个电子,即粒子。高能电子束在穿过窗口通道后进入捕获层,半导体材料内部电子将被粒子激发到激发态,从而形成电子-空穴对,最后形成宏观电压,在拥有回路后,就出现了电流。由于这个机制类似于光伏效应(Photovoltaic),所以用衰变作为能量源的核电池也被称为贝塔伏特电池(Betavoltaic)。


为了屏蔽核电池中射线的影响,过去的研究一直把屏蔽材料的研究聚焦在固体材料之上。但事实上,液体才是目前已知效果最好的屏蔽材料。


由JaeWKwon领导的密苏里大学研究团队发现,在将辐射直接转化为电荷的过程中,液体是出色的媒介。此外,在液体中,射线持续激发的自由基也能发电。


密苏里团队使用锶90作为核电池的源,以镀铂的二氧化钛电极来收集能量,并将其转化为电子。值得一提的是,钛在防晒霜和抗紫外线阻断剂中,是常见的元素。


密苏里团队研发的核电池有水性的半导体材料,在屏蔽辐射的同时,它还能吸取辐射,并将粒子的动能吸取。当液体吸取辐射的能量时,辐射分解与自由基开始出现,这是一种高度反应但存在时间又非常短暂的化学物种。它们能够被转化为电能,进一步提高了电池输出的功率。密苏里团队称,该发现揭示了核电池发电的新机制,并为创造能量密度更高的化学电池铺平了道路。


JaeWKwon表示,“水性电池中的离子溶液不易冻结,在非常低的温度下也可以工作。这意味着其应用范围很宽,包括汽车电池。假如包装得好,或许航天器上也能用”。


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