新型微核电池效率提升8000倍!

【研究背景】

微核电池是一种利用放射性同位素衰变产生电能的新型电源，其输出功率通常在纳瓦特或微瓦特范围内，因而在小规模电源需求中具有重要应用潜力。与化学电池相比，微核电池的使用寿命与所用放射性同位素的半衰期密切相关，能够持续工作数十年。然而，现有的微核电池架构在 α 粒子衰变能量转换效率上存在严重的自吸收问题，导致实际输出功率远低于理论值，这成为了微核电池发展的主要挑战之一。

为了解决这一问题，苏州大学王殳凹教授，王亚星特聘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微核电池架构，采用共聚能量转导器，将放射性同位素243Am与发光的镧系配位聚合物相结合。这一创新的设计使得放射性同位素与能量转导器在分子层面上相互耦合，显著提升了从α衰变能量到持续自发光的能量转换效率，提升幅度达8000倍。此外，当与光伏电池结合时，形成的新型辐射光伏微核电池实现了0.889%的总功率转换效率和每居里139微瓦的功率输出。

【表征解读】

本文通过单晶X射线衍射分析、光谱学及显微镜技术，深入探讨了243Am掺杂的铽基配位聚合物TbMel的晶体结构和光学特性，从而揭示了其在自发发光和能量转换效率方面的优异表现。首先，通过单晶X射线衍射分析，作者确认了TbMel和243AmMel的晶体结构为同型，且含有较为紧密的三维框架。这种结构有利于增强α粒子能量的有效传递，减少传统微核电池中常见的能量损失，揭示了在微观尺度上有效结合放射性同位素与能量转换单元的潜力。

针对自发发光现象，作者利用光谱学方法分析了TbMel:1%Am样品的自发发光光谱，发现其发光强度与243Am的掺杂浓度呈现显著关联。具体来说，当243Am的浓度低于1%时，自发发光强度显著增强，这表明在合并能量转换器的微观机制下，降低自吸收效应能够提高发光效率。通过对光子计数的归一化处理，作者进一步挖掘了在不同掺杂浓度下，自发发光强度的变化规律。

在此基础上，通过比较TbMel:1%Am和含有外部243Am源的TbMel+243AmMel样品的光学信号测量，作者发现前者的自发发光强度提高了超过8000倍。这一结果不仅展示了新型共聚合能量转换器在能量转换效率方面的优势，也启发了对微核电池新架构的深入研究。

综上所述，本文通过多种表征手段的结合，揭示了243Am掺杂的铽基聚合物在微核电池应用中的巨大潜力，特别是在自发发光和能量转换效率方面。未来的研究应着重关注如何进一步优化这种新型材料的结构与性能，以及在实际应用中提升其能量转换效率的策略。这不仅将推动微核电池技术的发展，还有望为可持续能源解决方案提供新思路。

【图文速递】

图1：两种不同的光电电池结构。

图2. TbMel:1%Am样品的自发光特性的合成和表征。

图3. 能量转换实验和蒙特卡罗剂量评价。

图4: 放射性光电核电池的特性分析。

【科学启迪】

微核电池利用放射性同位素的衰变产生电能，具备数十年的持久性，且不受温度、压力和磁场等环境因素的影响。然而，传统微核电池架构中的严重自吸收效应，使得α衰变能量的高效转化成为一大挑战。为此，研究者们提出了一种新型的微核电池架构，结合了243Am和荧光铽配位聚合物，形成共生能量转导体。在该结构中，放射性同位素与能量转导单元在分子水平上紧密耦合，显著提高了α衰变能量转化效率，达到常规架构的8000倍。

通过单晶X射线衍射分析，研究人员确认了243Am的有效掺入，并观察到了自发的绿色自发光现象。这种自发光源于243Am发射的α粒子与铽原子之间的非弹性碰撞，产生大量高能次级电子，最终通过辐射复合形成铽的荧光。这一创新的共生能量转导体架构，表明在控制放射性同位素浓度的情况下，可以最大限度地降低自吸收效应，从而提高自发光强度和能量转换效率。最终，结合光伏电池后，这种新型的放射光伏微核电池实现了0.889%的总功率转换效率，展示出广阔的应用前景。

原文详情：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