美國密蘇里大學(xué)研究團隊近日對外表示，他們已經(jīng)敲開了新一代水性核電池的大門。該技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，從汽車電池到航天器，均可使用。該研究成果被刊登在了《自然》雜志上。

        核電池的基本原理是通過輻射釋放能量。自上世紀50年代開始，核電池的研究便已開始，并被應(yīng)用在早期的心臟起搏器上。核電池是安全的，現(xiàn)在，包括臥室內(nèi)的火災(zāi)探測器、建筑物的緊急出口標志等，都有核電池的身影。這些安全設(shè)施之所以依賴核電池，是因為該電池的最大特性——壽命超長。無需充電，在十幾年內(nèi)，核電池都能夠源源不斷提供能量。

        但核電池的缺點也非常明顯。首先，其輻射量中僅有一小部分能夠有效轉(zhuǎn)化為電荷，能量密度很低。再者，核電池的輻射可能會影響到核電池中的半導(dǎo)體部件。

        核電池的關(guān)鍵在β衰變。在這一過程中，原子核內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€質(zhì)子，同時釋放一個電子，即β粒子。高能電子束在穿過窗口通道后進入捕獲層，半導(dǎo)體材料內(nèi)部電子將被β粒子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，從而形成電子-空穴對，最后形成宏觀電壓，在擁有回路后，就產(chǎn)生了電流。由于這個機制類似于光伏效應(yīng)（Photovoltaic），所以用β衰變作為能量源的核電池也被稱為貝塔伏特電池（Betavoltaic）。

        為了屏蔽核電池中β射線的影響，過去的研究一直把屏蔽材料的研究聚焦在固體材料之上。但事實上，液體才是目前已知效果最好的屏蔽材料。

        由Jae W Kwon領(lǐng)導(dǎo)的密蘇里大學(xué)研究團隊發(fā)現(xiàn)，在將輻射直接轉(zhuǎn)化為電荷的過程中，液體是出色的媒介。此外，在液體中，β射線持續(xù)激發(fā)的自由基也能發(fā)電。

        密蘇里團隊使用鍶90作為核電池的β源，以鍍鉑的二氧化鈦電極來收集能量，并將其轉(zhuǎn)化為電子。值得一提的是，鈦在防曬霜和抗紫外線阻斷劑中，是常見的元素。

        密蘇里團隊研發(fā)的核電池有水性的半導(dǎo)體材料，在屏蔽輻射的同時，它還能吸收輻射，并將β粒子的動能吸收。當液體吸收輻射的能量時，輻射分解與自由基開始產(chǎn)生，這是一種高度反應(yīng)但存在時間又非常短暫的化學(xué)物種。它們能夠被轉(zhuǎn)化為電能，進一步提高了電池輸出的功率。

        密蘇里團隊稱，該發(fā)現(xiàn)揭示了核電池發(fā)電的新機制，并為創(chuàng)造能量密度更高的化學(xué)電池鋪平了道路。

        Jae W Kwon表示，“水性電池中的離子溶液不易凍結(jié)，在非常低的溫度下也可以工作。這意味著其應(yīng)用范圍很寬，包括汽車電池。如果包裝得好，或許航天器上也能用”。