एक सुरक्षित परमाणु बैटरी जो जीवन भर रह सकती है

SU-IL, Daegu Gyeongbuk इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के एक प्रोफेसर, अमेरिकन केमिकल सोसाइटी (ACS) की वसंत बैठक में अपने परिणाम प्रस्तुत करेंगे।

ली-आयन बैटरी के लिए आवश्यक लगातार चार्जिंग केवल एक असुविधा नहीं है। यह उन प्रौद्योगिकियों की उपयोगिता को सीमित करता है जो बिजली के लिए बैटरी का उपयोग करते हैं, जैसे कि ड्रोन और रिमोट-सेंसिंग उपकरण। बैटरी पर्यावरण के लिए भी खराब हैं: खनन लिथियम ऊर्जा-गहन है और ली-आयन बैटरी का अनुचित निपटान पारिस्थितिक तंत्र को दूषित कर सकता है। लेकिन जुड़े उपकरणों, डेटा केंद्रों और अन्य कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकियों की बढ़ती सर्वव्यापकता के साथ, लंबे समय तक चलने वाली बैटरी की मांग बढ़ रही है।

और बेहतर ली-आयन बैटरी इस चुनौती का जवाब नहीं है। भविष्य की ऊर्जा प्रौद्योगिकियों पर शोध करने वाले में कहा गया है, “ली-आयन बैटरी का प्रदर्शन लगभग संतृप्त है।” इसलिए, और उनकी टीम के सदस्य लिथियम के विकल्प के रूप में परमाणु बैटरी विकसित कर रहे हैं।

परमाणु बैटरी रेडियोधर्मी सामग्री द्वारा उत्सर्जित उच्च-ऊर्जा कणों का उपयोग करके शक्ति उत्पन्न करती है। सभी रेडियोधर्मी तत्व विकिरण का उत्सर्जन नहीं करते हैं जो जीवित जीवों के लिए हानिकारक हैं, और कुछ विकिरण को कुछ सामग्रियों द्वारा अवरुद्ध किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, बीटा कणों (जिसे बीटा किरणों के रूप में भी जाना जाता है) को एल्यूमीनियम की एक पतली शीट के साथ परिरक्षित किया जा सकता है, जिससे बेटावोल्टिक्स परमाणु बैटरी के लिए एक संभावित सुरक्षित विकल्प बन जाता है।

शोधकर्ताओं ने कार्बन -14 के साथ एक प्रोटोटाइप बेटावोल्टिक बैटरी का उत्पादन किया, जो कार्बन का एक अस्थिर और रेडियोधर्मी रूप है, जिसे रेडियोकार्बन कहा जाता है। “मैंने कार्बन के एक रेडियोधर्मी आइसोटोप का उपयोग करने का फैसला किया क्योंकि यह केवल बीटा किरणों को उत्पन्न करता है,” इन में कहते हैं। इसके अलावा, परमाणु ऊर्जा संयंत्रों से एक उप-उत्पाद, रेडियोकार्बन सस्ती, आसानी से उपलब्ध और रीसायकल करने में आसान है। और क्योंकि रेडियोकार्बन बहुत धीरे-धीरे कम हो जाता है, एक रेडियोकार्बन-संचालित बैटरी सैद्धांतिक रूप से सहस्राब्दी के लिए रह सकती है।

एक विशिष्ट बेटावोल्टिक बैटरी में, इलेक्ट्रॉन एक अर्धचालक पर प्रहार करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बिजली का उत्पादन होता है। सेमीकंडक्टर्स बेटावोल्टिक बैटरी में एक महत्वपूर्ण घटक हैं, क्योंकि वे मुख्य रूप से ऊर्जा रूपांतरण के लिए जिम्मेदार हैं। नतीजतन, वैज्ञानिक एक उच्च ऊर्जा रूपांतरण दक्षता प्राप्त करने के लिए उन्नत अर्धचालक सामग्री की खोज कर रहे हैं – यह एक उपाय कि कैसे प्रभावी रूप से एक बैटरी इलेक्ट्रॉनों को उपयोग करने योग्य बिजली में बदल सकती है।

अपने नए डिजाइन की ऊर्जा रूपांतरण दक्षता में काफी सुधार करने के लिए, इन और टीम ने टाइटेनियम डाइऑक्साइड-आधारित सेमीकंडक्टर का उपयोग किया, जो आमतौर पर सौर कोशिकाओं में उपयोग की जाने वाली सामग्री, एक रूथेनियम-आधारित डाई के साथ संवेदी। उन्होंने टाइटेनियम डाइऑक्साइड और डाई के बीच एक साइट्रिक एसिड उपचार के साथ बंधन को मजबूत किया। जब रेडियोकार्बन से बीटा किरणें उपचारित रूथेनियम-आधारित डाई से टकराती हैं, तो इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर प्रतिक्रियाओं का एक कैस्केड, जिसे इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन कहा जाता है, होता है। फिर हिमस्खलन डाई के माध्यम से यात्रा करता है और टाइटेनियम डाइऑक्साइड प्रभावी रूप से उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों को इकट्ठा करता है।

नई बैटरी में डाई-सेंसिटाइज्ड एनोड और एक कैथोड में रेडियोकार्बन भी है। रेडियोधर्मी आइसोटोप के साथ दोनों इलेक्ट्रोड का इलाज करके, शोधकर्ताओं ने दो संरचनाओं के बीच दूरी से संबंधित बीटा-विकिरण ऊर्जा हानि उत्पन्न और कम किए गए बीटा किरणों की मात्रा में वृद्धि की।

प्रोटोटाइप बैटरी के प्रदर्शनों के दौरान, शोधकर्ताओं ने पाया कि दोनों इलेक्ट्रोड पर रेडियोकार्बन से जारी बीटा किरणों ने एनोड पर रूथेनियम-आधारित डाई को ट्रिगर किया, जो एक इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन उत्पन्न करने के लिए होता है जो टाइटेनियम डाइऑक्साइड परत द्वारा एकत्र किया गया था और एक बाहरी सर्किट से गुजरता था, जिसके परिणामस्वरूप उपयोग करने योग्य बिजली होती थी। केवल कैथोड पर रेडियोकार्बन के साथ पिछले डिजाइन की तुलना में, कैथोड और एनोड में रेडियोकार्बन के साथ शोधकर्ताओं की बैटरी में बहुत अधिक ऊर्जा रूपांतरण दक्षता थी, जो 0.48% से 2.86% तक जा रही थी।

ये लंबे समय तक चलने वाली परमाणु बैटरी कई अनुप्रयोगों को सक्षम कर सकती हैं, में कहते हैं। उदाहरण के लिए, एक पेसमेकर सर्जिकल रिप्लेसमेंट की आवश्यकता को समाप्त करते हुए, एक व्यक्ति के जीवनकाल में चलेगा।

हालांकि, यह बेटावोल्टिक डिज़ाइन रेडियोधर्मी क्षय के केवल एक छोटे से अंश को विद्युत ऊर्जा में बदल देता है, जिससे पारंपरिक ली-आयन बैटरी की तुलना में कम प्रदर्शन होता है। यह सुझाव देता है कि बीटा-रे एमिटर के आकार को अनुकूलित करने और अधिक कुशल बीटा-रे अवशोषक विकसित करने के लिए आगे के प्रयास बैटरी के प्रदर्शन को बढ़ा सकते हैं और बिजली उत्पादन को बढ़ा सकते हैं।

जैसे -जैसे जलवायु चिंताएं बढ़ती हैं, परमाणु ऊर्जा की सार्वजनिक धारणा बदल रही है। लेकिन यह अभी भी एक दूरस्थ स्थान में एक बड़े बिजली संयंत्र में उत्पन्न ऊर्जा के रूप में माना जाता है। इन दोहरे-साइट-स्रोत डाई-सेंसिटाइज्ड बेटावोल्टिक सेल बैटरी के साथ, में कहा गया है, “हम एक उंगली के आकार में सुरक्षित परमाणु ऊर्जा को उपकरणों में डाल सकते हैं।”

अनुसंधान को कोरिया के नेशनल रिसर्च फाउंडेशन द्वारा वित्त पोषित किया गया था, साथ ही साथ कोरिया के विज्ञान और सूचना और संचार प्रौद्योगिकी मंत्रालय के डेगू ग्यॉन्गबुक इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी रिसर्च एंड डेवलपमेंट प्रोग्राम।