The Innovation Materials | 高效耐用的新型稀土微核电池

营养师

长效待机的电池一直是人们的追求。近日，苏州大学的王殳凹教授和王亚星教授团队，联合西北核技术研究所和湘潭大学的欧阳晓平院士，在《自然》期刊上发表了一项突破性的研究成果。他们研发出一种可使用数十年的微核光伏电池，为电池技术的未来带来了新的希望。这个创新成果不仅有望实现我们对电池的期待，也将为各行各业提供持久可靠的能源支持。我们期待这一研究能尽快转化为实际应用，为大家的生活带来更多便利。

导读
随着航天航空、智能制造和医疗器械的快速发展，人们对高效、稳定、长寿命微型电池的需求日益迫切。在众多微型电池技术中，微核电池的寿命与其使用的放射性同位素的半衰期有关，可实现几十年的运行寿命，成为一种持久且可靠的微型电源。然而，具有更高输出功率的α放射性同位素-微核电池在使用基于β放射性同位素设计的电池结构时，存在能量转换效率低的问题，导致实际输出功率远低于理论值，限制了其应用潜力。近日，苏州大学的王殳凹教授和王亚星教授团队，联合西北核技术研究所和湘潭大学的欧阳晓平院士，在《自然》期刊上发布了一项突破性研究成果。他们提出了一种新型“凝聚能量转换器”结构，与传统结构相比，α衰变能量到发光能量，能量转换效率提升8000倍，创造了迄今为止微核光伏电池中最高的总功率转换效率。这一创新不仅为微核电池技术的发展带来了新的突破，也为未来的高效能源解决方案提供了重要支持。




图1 图文摘要

随着科技的快速发展，能够提供实时数据监控和反馈的微机电系统应运而生。微机电系统被称为21世纪一项革命性的高新技术，由能源、传感器和执行器三部分组成，其中能源是微机电系统中最核心的部分。与化学电池不同，微核电池的寿命与其所使用的放射性同位素的半衰期密切相关,运行寿命可长达几十年。此外，由于同位素的放射性衰变不受温度、压力和磁场等外部环境因素的影响，因此微核电池在极端条件下依然可以稳定地输出能量，这在传统化学电源中是难以实现的。

自20世纪初核电池就引起了研究人员的兴趣。近年来，得益于半导体材料和太阳能电池研究的迅速发展，微核光伏电池成为当前研究热点。微核光伏电池是通过荧光材料将放射性同位素的衰变能转换为光能，再利用半导体器件将光能转换为电能。常见的微核光伏电池结构是基于β放射性同位素开发，电池结构包括放射源、换能器和光伏，其中放射源与换能器是分开的。α放射性同位素比β放射性同位素具有更高的衰变能量，使用α放射性同位素能到更高输出功率的微核电池。但是，由于α粒子在固体中的穿透深度短，应用上述电池结构时，会严重阻碍α衰变能量的转换，导致电池输出功率远远小于理论值。因此，开发α放射性同位素微核电池的主要挑战是设计合适的微核电池结构。

针对上述问题，苏州大学的王殳凹教授和王亚星教授团队，联合西北核技术研究所和湘潭大学的欧阳晓平院士等人报道了一种新型α放射性同位素放射光伏微核电池结构（图1）。该结构将凝聚能量转换器与过氧化物薄膜光伏电池集成为一体，通过放射性同位素与作为能量转换器的发光中心在分子水平上的耦合，使得放射性同位素α粒子的衰变能量可以高效地沉积在转换器单元周围，从而最大限度地减少了α粒子传输过程中由于能量转移到非转换器原子上造成的额外能量损失。作者基于Am

3+

和稀土Tb

3+

具有相似的离子半径、电荷密度和配位化学性质，成功将

243

Am掺入到Tb2%28C12O12%29·%28H2O%298·2H2O发光聚合物中，使得α衰变能量转换为持续自发光能量的效率提高了8000倍；并将其与过氧化物薄膜光伏电池集成在一起制备出了目前效率最高的微核光伏电池。
总结与展望
本文为开发长寿命、高稳定性的高效微核电池技术提供了新的方向，也为极端环境下的微能源供应提供了可行的方案。然而，微核电池的实际应用仍面临着一些挑战，包括与使用放射性物质有关的管制障碍、公共安全问题等。随着未来进一步的结构优化和技术创新，这种新型结构的微核电池必将在需要长期稳定供电的航空航天、深海探索和生物医疗等领域发挥越来越重要的作用。

责任编辑
陈权威 上海第二工业大学
宋有志 华南理工大学

扫二维码 阅读原文
https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-mater.2024.100104 (二维码自动识别)

原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-mater.2024.100104
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第2卷第4期发表的NEWS & BUZZ文章“New high-efficiency rare earth micronuclear battery” %28投稿: 2024-10-17；接收: 2024-11-21；在线刊出: 2024-11-25%29。

DOI：10.59717/j.xinn-mater.2024.100104

引用格式：Rao C., Guo L., Han L., et al. %282024%29. New high-efficiency rare earth micronuclear battery. The Innovation Materials2: 100104.

作者简介
廖伍平  2002年/2005年长春应化所/德国亚琛工大博士，2002-2005年在德国亚琛工大从事博士后研究，2005年12月任长春应化所研究员，现为中国科学院赣江创新研究院研究员，博士生导师，副院长。获得2012年国家优青，2017年科技部“中青年科技创新领军人才”，2020年相关人才计划。曾任长春应化所稀土及钍清洁分离工程技术中心主任。长期从事稀土分离化学与工艺、配位化学研究，主要从事稀土分离化学与清洁冶金工艺、高纯稀土分离及核纯钍制备、杯芳烃核簇化合物研究；参与TMSR先导专项并承担核纯钍分离制备任务。中国稀土学会理事。
韩立晶  2007年于东北师范大学获得学士学位，2012年于中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位。2014年12月至2024年8月，任中国科学院长春应用化学研究所副研究员、项目研究员；2024年8月至今，赣南科技学院内聘教授。长期从事生物降解高分子材料的加工改性基础与应用研究，围绕稀土和生物资源高值利用方面的重大需求，聚焦废弃塑料污染防治现实问题，开展绿色低碳材料基础理论、应用基础与核心关键技术的研发，开发稀土赋能高分子创新型材料，解决生物降解高分子高性能和功能应用技术开发等方面的关键科学和技术问题。

往期推荐



钙钛矿/有机叠层太阳能电池效率新突破

► 点击阅读



无真实数据构建锂离子电池AI内短路诊断模型

► 点击阅读



光伏回收：绿色光伏产业链的“最后一公里”

► 点击阅读



提高电动汽车电池组热安全性：柔性固固相变储能材料的机理研究

► 点击阅读



高安全城市充电宝：液流电池与大规模长时储能

► 点击阅读



氧化还原介导调控锌空气电池反应路径

► 点击阅读



界面场效应钝化提升太阳电池效率

► 点击阅读



面向动力电池热安全的阻燃型复合相变材料的控温机理研究

► 点击阅读



保障锂离子电池更安全的应用：热失控建模的进展与挑战
► 点击阅读



机器学习将彻底改变钙钛矿太阳能电池研究模式

► 点击阅读



面向动力电池系统热安全的阻燃型多功能复合相变材料的防护机理研究

► 点击阅读



挑战电池的高能量密度极限之路

► 点击阅读

期刊简介
http://weixin.qq.com/r/vTrj_43EPtBBrcmY92_v (二维码自动识别)


扫二维码 | 关注期刊官微

The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外%28含39位各国院士%29；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表%281区%29等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。


期刊官网：
http://www.the-innovation.org
http://www.cell.com/the-innovation
期刊投稿（Submission）：
http://www.editorialmanager.com/the-innovation
商务合作（Marketing）：
marketing@the-innovation.org

Logo | 期刊标识



See the unseen & change the unchanged

创新是一扇门，我们探索未知；

创新是一道光，我们脑洞大开；
创新是一本书，我们期待惊喜；
创新是一个“1”，我们一路同行。

The Innovation 姊妹刊



能源科学
第1卷第4期



能源科学
第1卷第3期



能源科学
第1卷第2期



能源科学
第1卷第1期



生命科学
第2卷第3期



地球科学
第2卷第3期



材料科学
第2卷第3期



医学

第2卷第3期



生命科学
第2卷第2期



地球科学
第2卷第2期



材料科学
第2卷第2期



医学

第2卷第2期



生命科学
第2卷第1期



地球科学
第2卷第1期



材料科学
第2卷第1期



医学

第2卷第1期



生命科学
第1卷第3期



地球科学
第1卷第3期



材料科学
第1卷第3期



医学

第1卷第3期



生命科学
第1卷第2期



地球科学
第1卷第2期



材料科学
第1卷第2期



医学

第1卷第2期



生命科学
第1卷第1期



地球科学
第1卷第1期




材料科学
第1卷第1期




医学

第1卷第1期
The Innovation



第5卷第6期



第5卷第5期



第5卷第4期



第5卷第3期



第5卷第2期



第5卷第1期



第4卷第6期



第4卷第5期



第4卷第4期



第4卷第3期



第4卷第2期



第4卷第1期



第3卷第6期



第3卷第5期



第3卷第4期



第3卷第3期



第3卷第2期



第3卷第1期



第2卷第4期



第2卷第3期



第2卷第2期



第2卷第1期



第1卷第3期



第1卷第2期



第1卷第1期
赞助单位



http://weixin.qq.com/r/vTrj_43EPtBBrcmY92_v (二维码自动识别)


原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/18719099180