Красноярские учёные предложили более технологичный и дешёвый метод создания долговечных батарей

Красноярские учёные предложили применять в создании источника излучения для ядерных батареек химический способ, основанный на реакции восстановления ионов никеля. При этом исследователи заменили традиционные кремниевые подложки обыкновенной алюминиевой фольгой. Это позволило значительно облегчить и удешевить процесс создания батареек на радиоизотопных источниках энергии. Результаты работы опубликованы в сборнике конференций Journal of Physics: Conference Series.

Обычные батарейки вырабатывают электрическую энергию в результате химических реакций. Бетавольтаические источники энергии – ядерные батарейки, получают энергию за счёт распада радиоактивных изотопов. Одним из «генераторов», использующихся в таких батареях, является изотоп никеля. Его период полураспада достигает ста лет, что делает батарею на его основе долговечной. При этом бета-излучение этого изотопа низкоэнергетично и не представляет опасности для здоровья человека. Самой оболочки батареи достаточно для того, чтобы гарантированно защитить организм от проникновения в него частиц радиоактивного распада.

Однако создать ядерную батарейку не так легко. Помимо высокой цены на изотоп никеля, проблемным остаётся способ его нанесения на подложку – основу батареи. Известны электрохимический и магнетронный методы покрытия. Побочные процессы при электрохимическом осаждении никеля на поверхность полупроводниковых подложек могут вызывать значительное ухудшение их качества и снижать мощность батареи, а магнетронное напыление требует сложного и дорогостоящего оборудования.

Учёные Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» совместно с коллегами из Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнёва и Сибирского федерального университета предложили использовать для создания ядерных батарей химический метод на основе реакции восстановления ионов никеля в растворе. Это позволит сделать процесс их производства намного легче, быстрее и дешевле.

Химический метод известен давно, но ещё никто не пытался применять его для создания ядерных батарей на основе изотопа никеля. Более того, в качестве подложки учёные предложили использовать вместо кремния обычную алюминиевую фольгу которая должна покрываться действующим в качестве генератора энергии изотопом никеля. Покрытие из никеля на алюминиевой фольге имеет гораздо большую площадь, к которой, соответственно, прикрепляется большее количество ионов, за счет этого возрастает и доля используемой энергии. К тому же, фольга оказалась технологически удобнее: её легко обрабатывать и покрывать металлом, а изотоп при этом очень легко вернуть в исходную форму. Алюминий можно растворить в щелочи, при этом дорогостоящий изотоп, нанесённый на его поверхность, не будет утерян. При необходимости такое свойство позволяет «переделать» некачественные образцы.

Сам процесс также оказался довольно простым. В термостойкий стакан наливается раствор с изотопом никеля. Небольшие образцы фольги помещают в раствор и кипятят при температуре около ста градусов. В результате на подложку из алюминиевой фольги выпадает слой восстановленного металла. Основной плюс этого метода в том, что его можно проводить в обычных условиях, без использования дорогостоящего оборудования. Для начала, исследователи проверили данный метод на нерадиоактивных – стабильных изотопах никеля. Поскольку радиоактивные и нерадиоактивные атомы никеля имеют одинаковые химические свойства, то их поведение также будет идентичным. Это позволяет применить данный метод и для радиоактивных частиц никеля с тем же результатом, но в более безопасных для исследователей условиях.

«Этот метод ещё не применялся для таких целей. Но мы решили использовать его для отработки нанесения излучающих покрытий. Были опасения, что при таком способе покрытия из электролита вместе с никелем на подложку переходит небольшая примесь фосфора. Но мы показали, что добавка фосфора не вредит покрытию, а наоборот его упрочняет и не влияет на желаемые свойства. Этот способ покрытия перспективен для получения ядерных батареек, которые могут работать около ста лет без дополнительной подзарядки. Такие батарейки можно использовать в разных сферах промышленности, в том числе для военных и космических приложений. Особо такая технология актуальна для медицины. Сейчас люди, которые носят кардиостимуляторы, в качестве источника энергии постоянно держат при себе сумку-батарею, что неудобно. Ядерная батарея способна иметь тот размер, при котором её можно вшивать в тело человека», – отметила Наталья Евсевская, аспирант, младший научный сотрудник Института химии и химической технологии Красноярского научного центра СО РАН.

Работа поддержана финансированием Федеральной целевой программы. 

ksc.krasn.ru