Сибирские ученые предложили технологичный и дешевый метод создания долговечных батарей

Ученые 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 планируют использовать для создания ядерных батарей химический метод на основе реакции восстановления ионов никеля в растворе. При этом исследователи заменили традиционные кремниевые подложки обыкновенной алюминиевой фольгой, что позволило значительно облегчить и удешевить процесс производства. 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 счет распада радиоактивных изотопов. Один из них — изотоп никеля. Его период полураспада достигает ста лет, что делает источник питания на его основе долговечным. 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 остается 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.

Химический метод ранее никто не пытался применять его в этой области. Более того, в роли подложки красноярские ученые предложили использовать вместо кремния обычную алюминиевую фольгу, которая покрывается действующим в качестве генератора энергии изотопом никеля. Подобная поверхность имеет гораздо большую площадь: к ней, соответственно, прикрепляется большее количество ионов, за счет чего возрастает и доля используемой энергии. К тому же фольга оказалась технологически удобнее: ее легко обрабатывать и покрывать металлом, а изотоп при этом очень легко вернуть в исходную форму. 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 100º С. В результате на подложку 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 с тем же результатом, но в более безопасных для исследователей условиях.

«Этот метод еще 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. Мы показали, что добавка фосфора не вредит покрытию, а наоборот, упрочняетего и не влияет на желаемые свойства. Этот способ перспективен для получения ядерных батареек, которые могут работать около ста лет без дополнительной подзарядки. Их можно использовать в разных сферах промышленности, в том числе для военных и космических приложений. Особенно такая технология актуальна для медицины: люди, использующие кардиостимуляторы, в качестве источника энергии постоянно держат при себе сумку-батарею, что неудобно. Ядерная же батарея может быть такого размера, чтобы вышить в тело человека», — отметила младший научный сотрудник Института химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН Наталья Павловна Евсевская.

Работа поддержана финансированием Федеральной целевой программы.

Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН

Фото предоставлено ИХХТ ФИЦ КНЦ СО РАН