Prototype nukleare batteripakker 10 gange mere strøm

Russiske forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT), Teknologisk Institut for Superhard and Novel Carbon Materials (TISNCM), og National University of Science and Technology MISIS har optimeret designet af et atombatteri, der genererer strøm fra beta-henfald af nikkel-63, en radioaktiv isotop. Deres nye batteriprototype indeholder omkring 3, 300 milliwatt-timers energi pr. gram, hvilket er mere end i noget andet atombatteri baseret på nikkel-63, og 10 gange mere end den specifikke energi i kommercielle kemiske celler. Artiklen blev offentliggjort i tidsskriftet Diamant og relaterede materialer .

Almindelige batterier, der driver ure, lommelygter, legetøj, og andre elektriske enheder bruger energien fra såkaldte redox-kemiske reaktioner, hvor elektroner overføres fra en elektrode til en anden via en elektrolyt. Dette giver anledning til en potentialforskel mellem elektroderne. Hvis de to batteriterminaler derefter er forbundet med en leder, elektroner begynder at strømme for at fjerne potentialforskellen, genererer en elektrisk strøm. Kemiske batterier, også kendt som galvaniske celler, er kendetegnet ved en høj effekttæthed - dvs. forholdet mellem effekten af ​​den genererede strøm og batteriets volumen. Imidlertid, kemiske celler udledes på relativt kort tid, begrænse deres applikationer i autonome enheder. Nogle af disse batterier, kaldet akkumulatorer, er genopladelige, men selv de skal udskiftes for opladning. Dette kan være farligt, som i tilfældet med en pacemaker, eller endda umuligt, hvis batteriet driver et rumfartøj.

Heldigvis, kemiske reaktioner er blot en af ​​de mulige kilder til elektrisk energi. I 1913, Henry Moseley opfandt den første strømgenerator baseret på radioaktivt henfald. Hans atombatteri bestod af en glaskugle forsølvet på indersiden med en radiumemitter monteret i midten på en isoleret elektrode. Elektroner som følge af beta-henfald af radium forårsagede en potentialforskel mellem sølvfilmen og den centrale elektrode. Imidlertid, enhedens tomgangsspænding var alt for høj - titusinder af kilovolt - og strømmen var for lav til praktiske anvendelser.

I 1953, Paul Rappaport foreslog brugen af ​​halvledende materialer til at omdanne energien fra beta-henfald til elektricitet. Beta-partikler - elektroner og positroner - udsendt af en radioaktiv kilde ioniserer atomer i en halvleder, skabe ukompenserede ladningsbærere. I nærvær af et statisk felt af en p-n struktur, ladningerne flyder i én retning, resulterer i en elektrisk strøm. Batterier drevet af beta-henfald blev kendt som betavoltaik. Den største fordel ved betavoltaiske celler i forhold til galvaniske celler er deres levetid. Radioaktive isotoper, der bruges i atombatterier, har halveringstider, der spænder fra ti til hundreder af år, så deres udgangseffekt forbliver næsten konstant i meget lang tid. Desværre, effekttætheden af ​​betavoltaiske celler er betydeligt lavere end for deres galvaniske modstykker. På trods af dette, betavoltaics blev brugt i 1970'erne til at drive pacemakere, før de udfases af billigere lithium-ion-batterier, selvom sidstnævnte har kortere levetid.

Betavoltaiske strømkilder må ikke forveksles med radioisotop termoelektriske generatorer, eller RTG'er, som også kaldes atombatterier, men fungerer efter et andet princip. Termoelektriske celler omdanner den varme, der frigives ved radioaktivt henfald, til elektricitet ved hjælp af termoelementer. Effektiviteten af ​​RTG'er er kun flere procent og afhænger af temperaturen. Men på grund af deres lange levetid og relativt enkle design, termoelektriske strømkilder er meget brugt til at drive rumfartøjer som New Horizons-sonden og Mars-roveren Curiosity. RTG'er blev tidligere brugt på ubemandede fjerntliggende faciliteter såsom fyrtårne ​​og automatiske vejrstationer. Imidlertid, denne praksis blev opgivet, fordi brugt radioaktivt brændstof var svært at genbruge og lækket ud i miljøet.

Et forskerhold ledet af Vladimir Blank, direktør for TISNCM og formand for nanostrukturfysik og kemi ved MIPT, kom med en måde at øge strømtætheden af ​​et atombatteri næsten tidoblet. Fysikerne udviklede og fremstillede et betavoltaisk batteri ved hjælp af nikkel-63 som kilde til stråling og Schottky barriere-baserede diamantdioder til energiomdannelse. Prototypebatteriet opnåede en udgangseffekt på omkring 1 mikrowatt, mens effekttætheden pr. kubikcentimeter var 10 mikrowatt, hvilket er nok til en moderne kunstig pacemaker. Nikkel-63 har en halveringstid på 100 år, så batteripakkerne har omkring 3, 300 milliwatt-timers strøm pr. 1 gram - 10 gange mere end elektrokemiske celler.

Atombatteriets prototype bestod af 200 diamantkonvertere sammenlagt med nikkel-63 og stabile nikkelfolielag (figur 1). Mængden af ​​strøm, der genereres af konverteren, afhænger af tykkelsen af ​​nikkelfolien og selve konverteren, fordi begge påvirker, hvor mange beta-partikler der absorberes. De nuværende tilgængelige prototyper af atombatterier er dårligt optimeret, da de har for meget volumen. Hvis betastrålingskilden er for tyk, elektronerne, den udsender, kan ikke undslippe den. Denne effekt er kendt som selvoptagelse. Imidlertid, da kilden gøres tyndere, antallet af atomer, der gennemgår beta-henfald pr. tidsenhed, reduceres proportionalt. Tilsvarende ræsonnement gælder for konverterens tykkelse.

Forskernes mål var at maksimere strømtætheden af ​​deres nikkel-63 batteri. At gøre dette, de simulerede numerisk passagen af ​​elektroner gennem beta-kilden og konverterne. Det viste sig, at nikkel-63-kilden er mest effektiv, når den er 2 mikrometer tyk, og den optimale tykkelse af konverteren baseret på Schottky barriere diamantdioder er omkring 10 mikrometer.

Fremstillingsteknologi

Den største teknologiske udfordring var fremstillingen af ​​et stort antal diamantkonverteringsceller med kompleks indre struktur. Hver konverter var kun titusinder af mikrometer tyk, som en plastikpose i et supermarked. Konventionelle mekaniske og ioniske teknikker til diamantudtynding var ikke egnede til denne opgave. Forskerne fra TISNCM og MIPT udviklede en unik teknologi til at syntetisere tynde diamantplader på et diamantsubstrat og spalte dem af for at masseproducere ultratynde konvertere.

Holdet brugte 20 tykke bor-dopede diamantkrystalplader som underlag. De blev dyrket ved hjælp af temperaturgradientteknikken under højt tryk. Ionimplantation blev brugt til at skabe en 100 nanometer tyk defekt, "beskadiget" lag i substratet i en dybde på omkring 700 nanometer. En bor-doteret diamantfilm med en tykkelse på 15 mikrometer blev dyrket oven på dette lag under anvendelse af kemisk dampaflejring. Substratet undergik derefter højtemperaturudglødning for at inducere grafitisering af det begravede defekte lag og genvinde det øverste diamantlag. Elektrokemisk ætsning blev brugt til at fjerne det beskadigede lag. Efter adskillelse af det defekte lag ved ætsning, den halvfærdige konverter var udstyret med ohmske og Schottky-kontakter.

Da operationerne blev gentaget, tabet af substrattykkelse udgjorde ikke mere end 1 mikrometer pr. cyklus. I alt 200 konvertere blev dyrket på 20 substrater. Denne nye teknologi er vigtig fra et økonomisk synspunkt, fordi diamantsubstrater af høj kvalitet er meget dyre, og derfor er masseproduktion af konvertere ved substratfortynding ikke mulig.

Alle omformere blev forbundet parallelt i en stak som vist i figur 1. Teknologien til at rulle 2 mikrometer tyk nikkelfolie er udviklet på Forskningsinstituttet og Scientific Industrial Association LUCH. Batteriet var forseglet med epoxy.

Prototypebatteriet er karakteriseret ved strøm-spændingskurven vist i figur 3a. Åbningsspændingen og kortslutningsstrømmen er 1,02 volt og 1,27 mikroampere, henholdsvis. Den maksimale udgangseffekt på 0,93 mikrowatt opnås ved 0,92 volt. Denne effekt svarer til en specifik effekt på omkring 3, 300 milliwatt-timer pr. gram, hvilket er 10 gange mere end i kommercielle kemiske celler eller det tidligere nikkel-63 atombatteri designet hos TISNCM.

I 2016 Russiske forskere fra MISIS havde allerede præsenteret en prototype betavoltaisk batteri baseret på nikkel-63. En anden fungerende prototype, oprettet hos TISNCM og LUCH, blev demonstreret på Atomexpo 2017. Den havde et nyttigt volumen på 1,5 kubikcentimeter.

Det største tilbageslag i kommercialiseringen af ​​nukleare batterier i Rusland er manglen på nikkel-63 produktions- og berigelsesfaciliteter. Imidlertid, der er planer om at lancere nikkel-63-produktion i industriel skala i midten af ​​2020'erne.

Der er en alternativ radioisotop til brug i atombatterier:Dimondkonvertere kunne fremstilles ved hjælp af radioaktivt kulstof-14, som har en ekstrem lang halveringstid på 5, 700 år. Arbejdet med sådanne generatorer blev tidligere rapporteret af fysikere fra University of Bristol.

Nukleare batterier:Udsigter

Det arbejde, der rapporteres i denne historie, har udsigter til medicinske anvendelser. De fleste avancerede pacemakere er over 10 kubikcentimeter store og kræver omkring 10 mikrowatt strøm. Det betyder, at det nye atombatteri kan bruges til at drive disse enheder uden væsentlige ændringer i deres design og størrelse. "Perpetual pacemakere", hvis batterier ikke skal udskiftes eller serviceres, ville forbedre patienternes livskvalitet.

Rumindustrien ville også have stor gavn af kompakte atombatterier. I særdeleshed, der er efterspørgsel efter autonome trådløse eksterne sensorer og hukommelseschips med integrerede strømforsyningssystemer til rumfartøjer. Diamant er en af ​​de mest strålingssikre halvledere. Da det også har et stort båndgab, den kan fungere i en lang række temperaturer, hvilket gør det til det ideelle materiale til atombatterier, der driver rumfartøjer.

Forskerne planlægger at fortsætte deres arbejde med nukleare batterier. De har identificeret flere undersøgelseslinjer, der bør forfølges. For det første, berigelse af nikkel-63 i strålingskilden ville proportionalt øge batteriets effekt. For det andet at udvikle en diamant p-i-n struktur med en kontrolleret dopingprofil ville øge spændingen og derfor kunne øge batteriets udgangseffekt med mindst en faktor tre. For det tredje, forøgelse af konverterens overfladeareal ville øge antallet af nikkel-63 atomer på hver konverter.

TISNCM-direktør Vladimir Blank, som også er formand for nanostrukturfysik og -kemi ved MIPT, kommenterede undersøgelsen:"Resultaterne indtil videre er allerede ret bemærkelsesværdige og kan anvendes inden for medicin og rumteknologi, men vi planlægger at gøre mere. I de seneste år har vores institut har haft ret stor succes med syntesen af ​​doterede diamanter af høj kvalitet, især dem med n-type ledningsevne. Dette vil give os mulighed for at lave overgangen fra Schottky-barrierer til p-i-n-strukturer og dermed opnå tre gange større batteristrøm. Jo højere enhedens effekttæthed er, jo flere applikationer vil den have. Vi har anstændige evner til diamantsyntese af høj kvalitet, så vi planlægger at bruge de unikke egenskaber ved dette materiale til at skabe nye strålingssikre elektroniske komponenter og designe nye elektroniske og optiske enheder."