“永久电池”迎突破！全球首个钙钛矿贝塔伏特电池问世
发布日期：2025/5/8
首图来源：iStock
功夫不负有心人，“永久电池”再次迎来新突破。
最近，韩国大邱庆北科学技术研究院 (DGIST) 的一个研究小组开发出了一种新型钙钛矿贝塔伏特电池，该电池有望实现数十年稳定、高效的发电潜力。
贝塔伏特电池（Betavoltaic Cell）属于“核电池”的一种，利用放射性同位素衰变来产生电能。这种电池不需要外界充电，因此也被称为“永久电池”。
而将放射性同位素电极与钙钛矿吸收层相结合之后，这种核电池的效率得到了显著提升。
该成果最终发表在《Chemical Communications》期刊上。领导该团队的Su-Il In教授表示：“这是全球首次证实钙钛矿贝塔伏特电池具有实际应用可行性。”
当前，随着电气化转型的加速，全球对能够最大程度缩短充电周期的新型电源技术的需求激增。
然而，目前广泛使用的锂电池和镍电池寿命短，且易受高温和潮湿环境的影响，在极端环境下表现出局限性。
作为克服这些局限性的替代方案，贝塔伏特电池正在受到广泛关注，该技术能够提供长达数十年的稳定电力。
贝塔伏特电池的核心是利用半导体材料，直接将放射性同位素（如碳-14、镍-63）衰变时释放的β粒子（一种高能电子）产生的动能转化为电能。
与大多数利用核辐射产生热量再用于发电的核电池不同，贝塔伏特装置采用的是非热转换过程。
而且，由于贝塔粒子无法穿透人体皮肤，这使其在生物安全方面具有一定保障，可应用于医疗植入等敏感领域。20世纪70年代的一些起搏器就使用了基于钷的贝塔伏特电池。
尽管贝塔伏特电池寿命长、可适应如太空、深海等极端环境，但传统材料的能量转换效率（ECE）普遍过低，最大输出功率不足500 µW，最多只能给传感器或心脏起搏器供电。
而研究表明，辐射吸收材料的选择直接影响电池性能。目前主流的半导体材料（如硅、砷化镓）对β粒子能量的吸收效率有限，制约了电池的整体表现。
研究小组通过使用碳-14（¹⁴C）放射性同位素作为β粒子源，并开创性地将放射性同位素电极直接连接到钙钛矿吸收层，成功实现了电池功率的稳定输出，提高了能量转换效率。
图说：钙钛矿贝塔伏特电池示意图
来源：DOI: 10.1039/d4cc05935b
Su-Il In教授表示，之所以选择碳-14放射性同位素，是因为其只会产生β射线。此外，放射性碳是核电站的副产品，价格低廉、易于获取且易于回收。
而且，由于放射性碳的降解速度非常缓慢，理论上碳-14驱动的电池可以使用数千年。
这项研究开创了钙钛矿贝塔伏特电池（PBCs）的新领域，为核电池技术发展开辟了新路径。
钙钛矿（如FAPbI₃）是近年来光伏领域的宠儿，但它其实还有一个隐藏技能，那就是高效的β粒子吸收性能。
钙钛矿材料以高载流子迁移率、可调带隙（1.5-3.3 eV）和优异的辐射抗性而闻名，可以更好地将β粒子产生的动能转化为电能。
钙钛矿中的铅（Pb）、碘（I）等重原子能有效阻挡β粒子，缩短其穿透深度，能量吸收更集中。而且，实验表明，钙钛矿可承受超高剂量辐射（1.35×10⁵ Ci/cm²），远超传统材料。
最要的是，理论预测钙钛矿在贝塔伏特电池中的能量转换效率（ECE）可达28%，远高于目前贝塔伏特电池的极限。
然而，使用钙钛矿同样也会带来一些问题：钙钛矿对水分和氧气敏感，易发生降解和相变；此外，非辐射复合损失以及钙钛矿薄膜的厚度等因素也会影响电池能量转换效率。
为了解决这些问题，研究小组在钙钛矿材料中引入甲基氯化铵（MACl）和氯化铯（CsCl）作为双添加剂。
为什么是双添加剂？因为这两种添加剂都不适合“单打独斗”，必须进行“团队合作”。
MACl可以提升钙钛矿的结晶度和效率，但其挥发性可能导致钙钛矿材料的长期不稳定；CsCl能够增强晶体结构稳定性和相纯度，但单独使用会降低钙钛矿性能。
而当同时添加这两种添加剂时，就会神奇的形成一种协同作用：MACl优化结晶性，CsCl提高稳定性，减少缺陷密度。
图说：FAPbI3基钙钛矿电池的贝塔伏特性能
来源：DOI: 10.1039/d4cc05935b
实验结果显示，与FAPbI3和MACl-FAPbI3 PBC相比，MACl/CsCl-FAPbI3 PBC表现出优异的贝塔伏特性能。
双添加剂将电池能量转换效率从0.07%成功提升至1.83%，且能够在长达9小时的连续运行中维持约1.8±0.2%，这是设备运行稳定性的一个有希望的指标。
为了进一步了解 β 粒子与钙钛矿吸收层的相互作用，研究团队还进行了蒙特卡洛模拟以估算能量沉积曲线。
结果显示，MACl/CsCl-FAPbI3 PBC产生的移动电子比初始β电子的数量多56万倍。
这揭示了钙钛矿内激子（excitons）的相互作用：在受到β电子撞击时，钙钛矿内部形成了额外的激子或更多的自由载流子。这种协同效应表明该材料具有有效能量转换的潜力。
研究人员表示，辐射引起的材料损伤和相不稳定性对电池系统的能量转化效率造成了一定影响。作为首次直接与钙钛矿集成的贝塔伏特电池的尝试，该研究仍有很大的改进空间。
但与现有器件相比，基于FAPbI3的钙钛矿贝塔伏特电池单位放射源功率密度到达5.32 mW cm⁻² mCi⁻¹，优于现有贝塔伏特电池。
研究团队相信，在未来，基于钙钛矿的贝塔伏特电池有潜力实现预期的28%的效率，与太阳能电池相当。
到那个时候，贝特伏特电池的应用场景，将会更加广泛。
来源：环球零碳
