Батарея, которой хватит на десятилетия: прорыв в источниках питания

Представьте себе устройство, которое работает годами, а может, и десятилетиями, без подзарядки. Звучит как фантастика? Команда исследователей из Института науки и технологий Тэгу Кёнбук (DGIST) в Южной Корее сделала большой шаг к этой мечте, разработав новый тип батареи, способной питать небольшие устройства невероятно долго.

Изображение ThisIsEngineering через Pexels

Под руководством профессора Су-Иль Ина ученые создали так называемую перовскитовую бета-вольтаическую ячейку (PBC). Суть в том, что они использовали радиоактивный углерод-14 (да, тот самый радиоуглерод!) в сочетании с перовскитовыми материалами. Перовскиты – это особый класс материалов, которые сейчас активно изучаются для применения в солнечных батареях и других областях. В итоге получилась гибридная батарея с отличным преобразованием энергии и впечатляющей стабильностью.

Как это работает?

В основе новой батареи лежат радиоактивные наночастицы углерода-14 и квантовые точки (14CNP/CQD), которые выступают в роли электродов. Эти компоненты интегрированы в устройство вместе с перовскитовой пленкой, обработанной специальными добавками на основе хлора: хлоридом метиламмония (MACl) и хлоридом цезия (CsCl). Эти добавки играют важную роль: они укрепляют кристаллическую структуру перовскита, делая его более устойчивым и улучшая его способность проводить электрические заряды.

Результаты впечатляют: по сравнению с предыдущими разработками, новая батарея демонстрирует примерно 56 000-кратное увеличение подвижности электронов, а максимальное время непрерывной работы во время испытаний составило девять часов.

"Это исследование представляет собой первую успешную интеграцию перовскита в бета-вольтаическую ячейку, положив начало новому поколению источников питания", – подчеркивают исследователи.

Бета-вольтаика: что это такое и почему это безопасно?

Бета-вольтаические ячейки преобразуют бета-частицы, испускаемые при радиоактивном распаде, непосредственно в электричество. Важно отметить, что бета-лучи не могут проникнуть сквозь кожу человека и легко блокируются, например, алюминием. Это делает технологию достаточно безопасной для использования.

Профессор Ин объясняет: "Я решил использовать радиоактивный изотоп углерода, потому что он генерирует только бета-лучи". Кроме того, углерод-14 является побочным продуктом работы ядерных реакторов, что делает его относительно недорогим, доступным и пригодным для вторичной переработки. А поскольку углерод-14 распадается очень медленно, такие батареи могут питать устройства сотни и даже тысячи лет!

Повышение эффективности: как извлечь максимум энергии?

Чтобы увеличить эффективность преобразования энергии (показатель того, насколько хорошо батарея преобразует электроны в полезную мощность), команда обратилась к полупроводнику на основе диоксида титана, который часто используется в солнечных элементах. Они улучшили его с помощью красителя на основе рутения, усилив связь между красителем и диоксидом титана обработкой лимонной кислотой.

Когда бета-лучи от радиоуглерода попадают на краситель, запускается каскад электронных реакций. Затем эти электроны захватываются диоксидом титана и направляются в цепь для генерации электрического тока.

Еще одно интересное решение: батарея разработана с использованием радиоуглерода как в аноде, так и в катоде. Это увеличивает количество бета-излучения и снижает потери энергии на расстоянии, что позволило повысить эффективность преобразования энергии с 0,48% до 2,86%.

Что дальше?

Несмотря на достигнутый прогресс, важно понимать, что система пока преобразует лишь небольшую часть радиоактивной энергии в электричество. Это означает, что выходная мощность такой батареи пока ниже, чем у привычных нам литий-ионных аккумуляторов. Однако профессор Ин считает, что дальнейшие улучшения, такие как оптимизация формы бета-излучателя и поиск более эффективных поглотителей, могут значительно повысить выходную мощность.

"Это исследование знаменует собой первую в мире демонстрацию практической жизнеспособности бета-вольтаических ячеек", – говорит Ин. "Мы планируем ускорить коммерциализацию технологий энергоснабжения следующего поколения для экстремальных сред и продолжить дальнейшую миниатюризацию и передачу технологий".

Докторант Чунхо Ли добавляет: "Хотя это исследование связано с повседневными проблемами, которые часто кажутся невозможными, мы движимы сильным чувством миссии, зная, что будущее нашей нации тесно связано с энергетической безопасностью".

Где это можно применить?

Команда уверена, что после дальнейшей доработки эти батареи на основе радиоуглерода найдут применение в самых разных областях: от кардиостимуляторов до космических зондов и дронов. Как образно выразился Ин: "Мы можем поместить безопасную ядерную энергию в устройства размером с палец".

Взгляните на таблицу, демонстрирующую потенциальные области применения и ключевые характеристики разработки:

Разработка действительно открывает новые горизонты для создания компактных и долговечных источников питания.

Источник: DGIST, ACS, Royal Society of Chemistry

Эта статья была создана с некоторой помощью ИИ и отредактирована редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного репортажа. Добросовестное использование — это использование, разрешенное законом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать авторские права.

Мнение редакции MSReview: Данная разработка выглядит многообещающе, особенно в контексте миниатюризации и применения в устройствах, где требуется долговечность и надежность энергоснабжения. Однако, вопросы безопасности и регулирования использования радиоактивных материалов остаются ключевыми для широкого внедрения этой технологии.