近日，從蘇州大學獲悉，該校王殳凹教授、王亞星教授團隊聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)院校，提出了一種基于“內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器”的錒系微型核電池結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，通過將錒系元素與發(fā)光鑭系元素的分子層級耦合，實現(xiàn)了放射性核素衰變能到光能轉(zhuǎn)換效率近8000倍的提升，并組裝了目前已知效率最高的輻光伏核電池。相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。

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新型錒系微型核電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念示意圖

微型核電池是將放射性同位素衰變能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，得益于放射性同位素衰變不受外界環(huán)境影響的特性，微型核電池在諸多傳統(tǒng)電池難以勝任或面臨挑戰(zhàn)的應(yīng)用場景中，成為了一種持久且不可或缺的能源解決方案。

錒系核素是核廢料中長期放射毒性的主要“元兇”，它具有超長的半衰期和高達兆電子伏特的α衰變能，而從硬幣的另一面來看，這也為開發(fā)錒系微型能源帶來可能。

但是，在傳統(tǒng)的微型核電池構(gòu)型中，嚴重的自吸收效應(yīng)阻礙了錒系α衰變能的轉(zhuǎn)換，使得高效錒系放射性同位素微核電池的開發(fā)極具挑戰(zhàn)。

針對這一難題，由王殳凹教授領(lǐng)銜的蘇州大學放射化學研究團隊在其錒系元素固體化學、分離化學、環(huán)境化學以及防護化學領(lǐng)域系列研究進展的基礎(chǔ)上，提出了一種基于“內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器”的錒系微型核電池架構(gòu)。

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能量轉(zhuǎn)換過程的實驗和理論研究

研究團隊通過實驗測定和理論模擬兩個角度進一步驗證了內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器可以顯著提高能量轉(zhuǎn)換效率。實驗結(jié)果表明，放射性核素內(nèi)置模式下從衰變能到光能的能量轉(zhuǎn)化效率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高近8000倍。

此外，內(nèi)置能量轉(zhuǎn)化器還表現(xiàn)出卓越的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和發(fā)光穩(wěn)定性，將其與光伏電池相結(jié)合，能夠?qū)㈤L期穩(wěn)定的自發(fā)光轉(zhuǎn)化為電能輸出。據(jù)此，研究團隊開發(fā)了一種全新的錒系微型輻光伏核電池，其總能量轉(zhuǎn)換效率和單位活度功率打破科學紀錄。同時，該微型核電池在持續(xù)運行200小時內(nèi)，性能參數(shù)幾乎沒有衰減。該成果作為近幾十年來核電池領(lǐng)域的重要突破之一，為錒系核素在非核燃料循環(huán)領(lǐng)域的資源化利用打開了新的方向。

相關(guān)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07933-9