无需充电可用50年……韩国电气研究院首次验证“贝塔电池”[读懂科学]
韩国电气研究院首次在韩国验证“贝塔电池”
结合镍-63与碳化硅半导体，实现实际发电
有望成为用于太空、深海及国防无人传感器的超长寿命电源
韩国首次完成了“贝塔电池”的验证。该电池无需充电或更换，可持续50年以上稳定产生极少量电力，有望用作阳光无法照射、人员难以抵达的太空、深海和极地无人传感器电源。
韩国电气研究院24日表示，下一代半导体研究中心博士Seo Jaehwa团队与国立庆国大学教授Yun Yeongjun团队联合研制出基于碳化硅半导体的贝塔电池，成功实现实际发电及驱动低功耗发光二极管。
贝塔电池是一种将放射性同位素衰变时释放的电子，即“贝塔射线”，由半导体吸收并转化为电能的装置。其原理与将光能转化为电能的太阳能电池相似，但它以放射性物质而非阳光作为能源。
尽管其输出功率远低于普通电池，但优势在于可在数十年间无需额外充电或更换，持续供应电力。该技术可作为太空探测器、深海设备、地下及国防无人监控传感器等难以维护设备的电源。
研究团队采用比传统硅材料更耐热、耐辐射的碳化硅作为半导体材料。为提高贝塔射线向电能的转换效率，团队还采用了“P-I-N二极管”结构，即在正负极之间配置几乎不含杂质的半导体层。
最大的课题是利用实际放射性物质验证性能。研究团队在符合安全标准的前提下获得了释放贝塔射线的镍-63，并在韩国首次建成可测量贝塔电池输出功率的专用设备。
研究团队确认碳化硅半导体与镍-63结合后能够产生电力，并制作了可利用所产生电力点亮低功耗发光二极管的原型。研究院表示，测得的输出功率较过去韩国报告的实验结果高出6万倍以上。
从实际器件制造到太空辐射测试
分析显示，在将放射性物质均匀、薄层涂覆于半导体表面的理想条件下，每平方厘米可产生0.85毫瓦、每个单元可产生20微瓦以上的电力，较韩国既有单元输出目标值高出4200倍以上。
镍-63的半衰期约为100年。研究团队认为，考虑到放射性同位素的寿命及输出衰减特性，可使超低功耗设备运行50年以上；根据设计条件，理论上最长可发电约100年。
研究团队还开发了利用人工智能进行输出预测的模型。据介绍，该模型能够以98%至99%的准确率预测实际贝塔电池的输出功率和电压，从而缩短优化器件结构与材料所需的时间。
为确认其在太空环境中的耐久性，团队还进行了以15兆电子伏特级高能质子照射贝塔电池的测试。研究团队定量测量了电池暴露于强太空辐射时的性能衰减情况，获取了用于太空任务应用的可靠性数据。
韩国电气研究院博士Seo Jaehwa表示：“贝塔电池并非像电动汽车电池一样提供大功率输出的装置，而是一种能够在人员难以抵达的场所，数十年稳定供应少量电力的电源。它可用于储存能量后按固定周期发送信号的国防无人监控传感器，以及太空和深海应急信号装置等。”
国立庆国大学教授Yun Yeongjun表示：“其意义在于，研究超越了计算机模拟和基础研究，完成了实际器件制造、测量、原型验证以及基于人工智能的设计预测。”
研究成果已发表在能源领域国际学术期刊《国际能源研究杂志》(International Journal of Energy Research)。研究团队已完成相关专利申请，计划与太空航空、国防产业、核电站及辐射安全监测、远程传感器领域企业推进技术转让和联合产品开发。
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