微核电池利用放射性同位素的放射性衰变产生能量，以小规模发电，通常在纳瓦或微瓦范围内。与化学电池不同，微核电池的寿命与所用放射性同位素的半衰期有关，因此其使用寿命可长达数十年。镅的常见放射性同位素(241Am和243Am)是α-衰变排放物，半衰期超过数百年。
传统微核电池结构中严重的自吸附阻碍了α-衰变能量的高效转换，使得α-放射性同位素微核电池的开发具有挑战性。
2024年9月18日，苏州大学王殳凹、王亚星及湘潭大学欧阳晓平
共同通讯
在
Nature
在线发表题为“
Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer
”的研究论文，
该研究
提出了一种微核电池结构，其中包括一个通过将243Am纳入发光镧系配位聚合物的聚结能量传感器
。
这种方法将放射性同位素与分子水平上的能量换能器耦合在一起，与传统结构相比，从α衰变能量到持续自发光的能量转换效率提高了8000倍。
当与将自发光转化为电能的光伏电池结合使用时，获得了一种新型的放射性光伏微核电池，其总功率转换效率为0.89%，每活度功率为139微瓦每居里(μW Ci
−1
)。
对于微核电池来说，α-放射性同位素是有吸引力的候选材料，因为它们发射的α-粒子具有更高的衰变能量(4-6兆电子伏)，因此，比最先进的β-放射性同位素，即3h、63Ni和147Pm，其衰变能量在几keV到几十keV之间，每活度的潜在功率更高。
开发α-放射性同位素微核电池的主要挑战是设计一种合适的电池结构，以尽可能有效地转换α-衰变能量。传统的微核电池结构不适合α-放射性同位素。
这是因为α-粒子在固体中的穿透深度极短(10-25 μm)，并且由于自吸收效应，在传输过程中会经历大量的能量损失。这种效应导致α-放射性同位素微核电池的实际输出功率比理论值低几个数量级。例如，通过能量转换器将α-衰变能量完全转换为功率，α-放射性同位素微核电池的每活度输出功率为24-36 mW Ci
−1
。
然而，报道的实验值低于70 μW Ci
−1
。这一问题是α-放射性同位素微核电池发展的一个主要缺陷，明显落后于其他类型的核电池。
两种不同结构的放射性光伏电池（图源自
Nature
）
α-放射性同位素微核电池的新结构被称为聚结能量换能器，其中放射性核素和能量换能器在Ångström尺度上以邻近距离共同组装成单晶材料。
在这种情况下，来自放射性同位素的α-粒子的衰变能量可以非常有效地沉积在周围的高
Z
换能器单元上。
在采用放射源-能量换能器-光伏电池结构的传统微核电池中，在α-粒子传输过程中，通过将能量转移到非换能器原子来减少不必要的能量损失。
在这里，作者成功展示了一种基于聚结能量换能器的微核电池新架构，显著提高了α粒子能量转换效率。通过将243Am等放射性同位素直接嵌入发光配位聚合物的晶体结构中，研究人员能够实现与传统设计相比8000倍的能量转换效率提高。使用蒙特卡罗模拟证实了这种设计的理论优势，实验结果表明，当与钙钛矿光伏电池集成时，具有强大的自发光性能和令人印象深刻的功率转换效率。
总体而言，聚结能量换能器为增强基于α放射性同位素的微核电池的性能提供了一种有希望的解决方案，为遥感、医疗设备和太空探索等需要持久、可靠的电源的领域提供了潜在的应用。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07933-9
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