Ryska forskare från Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT), tekniska institutet för superhårda och nya kolmaterial (TISNCM), och National University of Science and Technology MISIS har optimerat utformningen av ett kärnbatteri som genererar kraft från beta-förfallet av nickel-63, en radioaktiv isotop. Deras nya batteriprototyp förpackar cirka 3, 300 milliwattimmar energi per gram, vilket är mer än i något annat kärnbatteri baserat på nickel-63, och 10 gånger mer än den specifika energin för kommersiella kemiska celler. Tidningen publicerades i tidningen Diamant och tillhörande material .

Vanliga batterier som driver klockor, ficklampor, leksaker, och andra elektriska anordningar använder energin från så kallade redoxkemiska reaktioner där elektroner överförs från en elektrod till en annan via en elektrolyt. Detta ger upphov till en potentialskillnad mellan elektroderna. Om de två batteripolerna sedan är anslutna med en ledare, elektroner börjar flöda för att ta bort potentialskillnaden, generera en elektrisk ström. Kemiska batterier, även känd som galvaniska celler, kännetecknas av en hög effekttäthet - det vill säga förhållandet mellan den genererade strömens effekt och batteriets volym. Dock, kemiska celler urladdas på relativt kort tid, begränsa deras tillämpningar i autonoma enheter. Några av dessa batterier, kallas ackumulatorer, är laddningsbara, men även de måste bytas ut för laddning. Detta kan vara farligt, som i fallet med en pacemaker, eller till och med omöjligt, om batteriet driver en rymdfarkost.

Lyckligtvis, kemiska reaktioner är bara en av de möjliga källorna till elektrisk kraft. År 1913, Henry Moseley uppfann den första kraftgeneratorn baserad på radioaktivt sönderfall. Hans kärnbatteri bestod av en glaskula försilvrad på insidan med en radiumemitter monterad i mitten på en isolerad elektrod. Elektroner som härrör från betaförfallet av radium orsakade en potentialskillnad mellan silverfilmen och den centrala elektroden. Dock, enhetens tomgångsspänning var alldeles för hög - tiotals kilovolt - och strömmen var för låg för praktiska tillämpningar.

1953, Paul Rappaport föreslog användning av halvledande material för att omvandla energin från betaförfall till elektricitet. Betapartiklar - elektroner och positroner - som avges av en radioaktiv källa joniserar atomer i en halvledare, skapa okompenserade laddningsbärare. I närvaro av ett statiskt fält i en p-n-struktur, laddningarna flyter i en riktning, resulterar i en elektrisk ström. Batterier som drivs av betaförfall blev kända som betavoltaik. Den främsta fördelen med betavoltaiska celler jämfört med galvaniska celler är deras livslängd. Radioaktiva isotoper som används i kärnbatterier har halveringstider från tiotals till hundratals år, så deras effekt är nästan konstant under mycket lång tid. Tyvärr, effektdensiteten hos betavoltaiska celler är betydligt lägre än för deras galvaniska motsvarigheter. Trots detta, betavoltaik användes på 1970 -talet för att driva pacemaker, innan de fasas ut av billigare litiumjonbatterier, även om de senare har kortare livslängd.

Betavoltaiska strömkällor bör inte förväxlas med radioisotoper termoelektriska generatorer, eller RTG, som också kallas kärnbatterier, men fungerar på en annan princip. Termoelektriska celler omvandlar värmen som frigörs genom radioaktivt sönderfall till elektricitet med hjälp av termoelement. RTG:s effektivitet är bara flera procent och beror på temperaturen. Men på grund av deras livslängd och relativt enkla design, termoelektriska kraftkällor används ofta för att driva rymdfarkoster som New Horizons -sonden och Mars rover Curiosity. RTG användes tidigare på obemannade fjärranläggningar som fyrar och automatiska väderstationer. Dock, denna praxis övergavs, eftersom använt radioaktivt bränsle var svårt att återvinna och läckte ut i miljön.

En forskargrupp ledd av Vladimir Blank, direktören för TISNCM och ordförande för nanostrukturfysik och kemi vid MIPT, kom på ett sätt att öka effekttätheten för ett kärnbatteri nästan tiofaldigt. Fysikerna utvecklade och tillverkade ett betavoltaiskt batteri med nickel-63 som strålkälla och Schottky-barriärbaserade diamantdioder för energiomvandling. Prototypbatteriet uppnådde en uteffekt på cirka 1 mikrowatt, medan effekttätheten per kubikcentimeter var 10 mikrovatt, vilket räcker för en modern konstgjord pacemaker. Nickel-63 har en halveringstid på 100 år, så batteriet packar ca 3, 300 milliwattimmar effekt per 1 gram-10 gånger mer än elektrokemiska celler.

Kärnbatteriprototypen bestod av 200 diamantomvandlare inlagda med nickel-63 och stabila nickelfolie-lager (figur 1). Mängden effekt som genereras av omvandlaren beror på tjockleken på nickelfolien och själva omvandlaren, eftersom båda påverkar hur många betapartiklar som absorberas. För närvarande tillgängliga prototyper av kärnbatterier är dåligt optimerade, eftersom de har för hög volym. Om betastrålningskällan är för tjock, elektronerna den avger kan inte undkomma den. Denna effekt är känd som självupptagning. Dock, eftersom källan görs tunnare, antalet atomer som genomgår betaförfall per tidsenhet reduceras proportionellt. Liknande resonemang gäller omvandlarens tjocklek.

Målet för forskarna var att maximera effekttätheten för deras nickel-63-batteri. Att göra detta, de simulerade numeriskt passagen av elektroner genom betakällan och omvandlarna. Det visade sig att nickel-63-källan är som mest effektiv när den är 2 mikrometer tjock, och den optimala tjockleken på omvandlaren baserad på Schottky barriär diamantdioder är cirka 10 mikrometer.

Tillverkningsteknik

Den största tekniska utmaningen var tillverkningen av ett stort antal diamantomvandlingsceller med komplex intern struktur. Varje omvandlare var bara tiotals mikrometer tjock, som en plastpåse i en stormarknad. Konventionella mekaniska och joniska tekniker för diamantförtunning var inte lämpliga för denna uppgift. Forskarna från TISNCM och MIPT utvecklade en unik teknik för att syntetisera tunna diamantplattor på ett diamantsubstrat och dela upp dem för att massproducera ultratunna omvandlare.

Teamet använde 20 tjocka bor-dopade diamantkristallplattor som substrat. De odlades med användning av temperaturgradienttekniken under högt tryck. Jonimplantation användes för att skapa en 100 nanometer tjock defekt, "skadat" lager i substratet på ett djup av cirka 700 nanometer. En bor-dopad diamantfilm med en tjocklek av 15 mikrometer odlades ovanpå detta skikt med användning av kemisk ångavsättning. Substratet genomgick sedan högtemperaturglödgning för att inducera grafitisering av det nedgrävda defekta skiktet och återvinna det övre diamantskiktet. Elektrokemisk etsning användes för att ta bort det skadade skiktet. Efter separering av det defekta skiktet genom etsning, den halvfärdiga omvandlaren var utrustad med ohmska och Schottky-kontakter.

När operationerna upprepades, förlusten av substrattjocklek uppgick till högst 1 mikrometer per cykel. Totalt odlades 200 omvandlare på 20 substrat. Denna nya teknik är viktig ur ekonomisk synvinkel, eftersom högkvalitativa diamantsubstrat är mycket dyra och därför inte är massproduktion av omvandlare genom gallring av substrat.

Alla omvandlare var parallellt anslutna i en stapel som visas i figur 1. Tekniken för rullning av 2 mikrometer tjock nickelfolie utvecklades vid Research Institute och Scientific Industrial Association LUCH. Batteriet förseglades med epoxi.

Prototypbatteriet kännetecknas av ström-spänningskurvan som visas i figur 3a. Öppen kretsspänning och kortslutningsström är 1,02 volt och 1,27 mikroampere, respektive. Den maximala uteffekten på 0,93 mikrovatt erhålls vid 0,92 volt. Denna effekt motsvarar en specifik effekt på cirka 3, 300 milliwattimmar per gram, vilket är 10 gånger mer än i kommersiella kemiska celler eller det tidigare kärnbatteriet nickel-63 som designats på TISNCM.

2016, Ryska forskare från MISIS hade redan presenterat ett prototypbetavoltaiskt batteri baserat på nickel-63. En annan fungerande prototyp, skapad på TISNCM och LUCH, demonstrerades vid Atomexpo 2017. Den hade en användbar volym på 1,5 kubikcentimeter.

Det största bakslaget vid kommersialisering av kärnbatterier i Ryssland är bristen på nickel-63 produktions- och anrikningsanläggningar. Dock, det finns planer på att lansera nickel-63-produktion i industriell skala i mitten av 2020-talet.

Det finns en alternativ radioisotop för användning i kärnbatterier:Dimond-omvandlare kan tillverkas med radioaktivt kol-14, som har en extremt lång halveringstid på 5, 700 år. Arbetet med sådana generatorer rapporterades tidigare av fysiker från University of Bristol.

Kärnbatterier:Utsikter

Arbetet som rapporteras i denna berättelse har utsikter för medicinska tillämpningar. De flesta state-of-the-art pacemakers är över 10 kubikcentimeter stora och kräver cirka 10 mikrovatt effekt. Detta innebär att det nya kärnbatteriet kan användas för att driva dessa enheter utan några väsentliga förändringar av deras design och storlek. "Ständiga pacemaker" vars batterier inte behöver bytas ut eller servas skulle förbättra patienternas livskvalitet.

Rymdindustrin skulle också ha stor nytta av kompakta kärnbatterier. Särskilt, det finns en efterfrågan på autonoma trådlösa externa sensorer och minneschips med integrerade strömförsörjningssystem för rymdfarkoster. Diamant är en av de mest strålningssäkra halvledarna. Eftersom den också har en stor bandgap, den kan fungera i ett brett temperaturintervall, vilket gör det till det idealiska materialet för kärnbatterier som driver rymdfarkoster.

Forskarna planerar att fortsätta sitt arbete med kärnbatterier. De har identifierat flera utredningar som bör följas. För det första, anrikning av nickel-63 i strålningskällan skulle proportionellt öka batterikraften. För det andra, utveckla en diamant p-i-n-struktur med en kontrollerad dopningsprofil skulle öka spänningen och kan därför öka batteriets effekt med åtminstone en faktor tre. För det tredje, förbättring av omriktarens ytarea skulle öka antalet nickel-63 atomer på varje omvandlare.

TISNCM -chef Vladimir Blank, som också är ordförande för nanostrukturfysik och kemi vid MIPT, kommenterade studien:"Resultaten hittills är redan ganska anmärkningsvärda och kan tillämpas inom medicin och rymdteknik, men vi planerar att göra mer. Under de senaste åren har vårt institut har varit ganska framgångsrikt i syntesen av dopade diamanter av hög kvalitet, särskilt de med konduktivitet av n-typ. Detta gör att vi kan göra övergången från Schottky-barriärer till p-i-n-strukturer och därmed uppnå tre gånger större batterikraft. Ju högre effekttäthet för enheten, desto fler applikationer kommer det att ha. Vi har anständiga möjligheter för högkvalitativ diamantsyntes, så vi planerar att använda de unika egenskaperna hos detta material för att skapa nya strålningssäkra elektroniska komponenter och designa nya elektroniska och optiska enheter. "