Una pequeña célula betavoltaica sensibilizada con colorante tiene radiocarbono tanto en el cátodo como en el ánodo, lo que aumenta su eficiencia de conversión de energía. Crédito: SU-IL en
A veces, los teléfonos celulares mueren antes de lo esperado o los vehículos eléctricos no tienen suficiente carga para llegar a su destino. Las baterías recargables de iones de litio (iones de litio) en estos y otros dispositivos típicamente duran horas o días entre la carga. Sin embargo, con uso repetido, las baterías se degradan y necesitan ser recargadas con más frecuencia.
Ahora, los investigadores están considerando el radiocarbono como fuente de baterías nucleares seguras, pequeñas y asequibles que podrían durar décadas o más sin cargar.
Su-IL, profesor del Instituto de Ciencia y Tecnología Daegu Gyeongbuk, presenta sus resultados en la reunión de primavera de la American Chemical Society (ACS), celebrada del 23 al 27 de marzo.
La carga frecuente requerida para las baterías de iones de litio no es solo un inconveniente. Limita la utilidad de las tecnologías que usan las baterías para la alimentación, como drones y equipos de detección remota.
Las baterías también son malas para el medio ambiente: el litio minero es intensivo en energía y la eliminación inadecuada de las baterías de iones de litio puede contaminar los ecosistemas. Pero con la creciente ubicuidad de los dispositivos conectados, los centros de datos y otras tecnologías informáticas, la demanda de baterías de larga duración está aumentando.
Y es probable que mejores baterías de iones de litio no sean la respuesta a este desafío. “El desempeño de las baterías de iones de litio está casi saturado”, dice IN, que investiga tecnologías energéticas futuras. Entonces, IN y los miembros de su equipo están desarrollando baterías nucleares como una alternativa al litio.
Las baterías nucleares generan energía al aprovechar las partículas de alta energía emitidas por materiales radiactivos. No todos los elementos radiactivos emiten radiación que es dañina para los organismos vivos, y cierta radiación pueden ser bloqueadas por ciertos materiales. Por ejemplo, las partículas beta (también conocidas como rayos beta) pueden protegerse con una hoja delgada de aluminio, lo que hace que Betavoltaica sea una opción potencialmente segura para las baterías nucleares.
Los investigadores produjeron una batería betavoltaica prototipo con carbono-14, una forma inestable y radiactiva de carbono, llamada radiocarbono. “Decidí usar un isótopo radiactivo de carbono porque genera solo rayos beta”, dice In.
Además, un subproducto de las centrales nucleares, el radiocarbono es económico, fácilmente disponible y fácil de reciclar. Y debido a que el radiocarbono se degrada muy lentamente, una batería con radiocarbono podría durar teóricamente por milenios.
En una batería betavoltaica típica, los electrones golpean un semiconductor, lo que resulta en la producción de electricidad. Los semiconductores son un componente crítico en las baterías betavoltaica, ya que son los principales responsables de la conversión de energía.
En consecuencia, los científicos están explorando materiales semiconductores avanzados para lograr una mayor eficiencia de conversión de energía, una medida de cuán efectivamente una batería puede convertir electrones en electricidad utilizable.
Para mejorar significativamente la eficiencia de conversión de energía de su nuevo diseño, y el equipo utilizó un semiconductor basado en dióxido de titanio, un material comúnmente utilizado en células solares, sensibilizado con un colorante a base de rutenio. Fortalecieron el enlace entre el dióxido de titanio y el colorante con un tratamiento de ácido cítrico.
Cuando los rayos beta del radiocarbono chocan con el colorante a base de rutenio tratado, se produce una cascada de reacciones de transferencia de electrones, llamadas avalancha de electrones. Luego, la avalancha viaja a través del tinte y el dióxido de titanio recoge efectivamente los electrones generados.
La nueva batería también tiene radiocarbono en el ánodo sensibilizado de colorante y un cátodo. Al tratar ambos electrodos con el isótopo radiactivo, los investigadores aumentaron la cantidad de rayos beta generados y reducidos la pérdida de energía de radiación beta relacionada con la distancia entre las dos estructuras.
Durante las demostraciones de la batería prototipo, los investigadores encontraron que los rayos beta liberados del radiocarbono en ambos electrodos activaron el tinte basado en rutenio en el ánodo para generar una avalancha de electrones que fue recolectada por la capa de dióxido de titanio y pasó a través de un circuito externo, lo que resulta en electricidad utilizable.
En comparación con un diseño previo con radiocarbono solo en el cátodo, la batería de los investigadores con radiocarbono en el cátodo y el ánodo tuvo una eficiencia de conversión de energía mucho mayor, pasando de 0.48% a 2.86%.
Estas baterías nucleares de larga duración podrían permitir muchas aplicaciones, dice In. Por ejemplo, un marcapasos duraría la vida de una persona, eliminando la necesidad de reemplazos quirúrgicos.
Sin embargo, este diseño betavoltaico convirtió solo una pequeña fracción de descomposición radiactiva en energía eléctrica, lo que lleva a un rendimiento más bajo en comparación con las baterías convencionales de iones de litio. Sugiere que los esfuerzos adicionales para optimizar la forma del emisor de rayos beta y desarrollar absorbedores de rayos beta más eficientes podrían mejorar el rendimiento de la batería y aumentar la generación de energía.
A medida que crecen las preocupaciones climáticas, la percepción pública de la energía nuclear está cambiando. Pero todavía se considera que la energía solo se produce en una gran planta de energía en un lugar remoto.
Con estas baterías de células betavoltaicas sensibles a la fuente de doble sitio, dice: “Podemos poner energía nuclear segura en dispositivos del tamaño de un dedo”.
Más información: 4200925 – Batería de próxima generación: celda betavoltaica sensibilizada con tinte altamente eficiente y estable C14 8:00 PM – 8:20 PM GMT -4 Miércoles 26 de marzo, 2025. Habitación: habitación 29B (Centro de Convenciones de San Diego)
Proporcionado por American Chemical Society
Cita: una batería nuclear segura que podría durar toda la vida (2025, 26 de marzo) recuperada el 26 de marzo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-03-safe-nuclear-battery-lifetime.html
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