Des chercheurs ont développé une batterie avancée alimentée par des rayons bêta provenant d’isotopes radioactifs du carbone. Ce dispositif semi-permanent pourrait fonctionner pendant des années sans nécessiter de recharge.
Les batteries nucléaires représentent les nouvelles frontières de la technologie de conversion d’énergie. Elles exploitent la désintégration d’isotopes radioactifs pour offrir une longévité et une efficacité supérieures, fonctionnant pendant des années voire des décennies sans recharge. Les cellules béta-voltaïques, qui tirent directement l’énergie des particules bêta radioactives, sont particulièrement prometteuses en raison de leur durabilité et de leur longue durée de vie. Étant des dispositifs de conversion non thermique, elles sont également résistantes à la dégradation thermique.
Des chercheurs de l’Institut des Sciences et de la Technologie de Daegu Gyeongbuk (DGIST) en Corée du Sud ont développé une cellule béta-voltaïque avancée utilisant le carbone 14 (14C) comme source radioactive. Les isotopes du 14C offrent une densité énergétique élevée et une demi-vie longue de 5 730 ans.
Su-il In et Hong-soo Kim du Département de Génie Énergétique de DGIST. Image utilisée avec l’aimable autorisation de DGIST
La conception à double site améliore l’absorption des électrons des rayons bêta en traitant à la fois l’anode et la cathode avec une source de radiation bêta. Les chercheurs ont également enduit l’anode d’un colorant à base de ruthénium (Ru), qui agit comme une couche génératrice de charge, tandis que l’isotope radioactif, l’acide citrique, minimise les pertes d’énergie. Sur la cathode, ils ont synthétisé l’acide citrique en nanoparticules d’isotope de carbone pour augmenter la densité énergétique de la radiation bêta.
Les résultats de la recherche, publiés dans le Journal of Power Sources, montrent que la Cellule Béta-voltaïque Radioactive Sensibilisée aux Colorants (d-DSBC) a présenté une densité de puissance élevée et une efficacité de conversion énergétique.
Schéma montrant la méthode de fabrication de la cellule bêta. Image utilisée avec l’aimable autorisation de DGIST (Figure 1)
Qu’est-ce que les cellules béta-voltaïques?
Les cellules béta-voltaïques, développées pour la première fois dans les années 1950, génèrent de l’électricité avec des électrons à haute énergie émis par la désintégration de sources radioactives comme le carbone. Bien qu’elles fournissent finalement moins de puissance que les batteries électrochimiques conventionnelles, les dispositifs béta-voltaïques gagnent en popularité en raison de leur durabilité et de leur stabilité à long terme.
Les batteries béta-voltaïques sont principalement utilisées pour des applications à petite échelle nécessitant une alimentation continue, telles que les implants médicaux et les satellites spatiaux. Cependant, les améliorations continues de la densité énergétique pourraient rendre la technologie appropriée pour les véhicules électriques, les équipements sous-marins, les drones, et d’autres marchés nécessitant plus de puissance.
Batterie Nano Tritium de City Labs. Image utilisée avec l’aimable autorisation de City Labs
Plusieurs entreprises commercialisent les cellules béta-voltaïques avec des caractéristiques impressionnantes. Par exemple, BetaVolt, basée en Chine, affirme que ses cellules durent 50 ans, en utilisant l’énergie du nickel-63 radioactif. City Labs, basée en Floride, utilise l’isotope d’hydrogène tritium pour atteindre une durée de vie de plus de 20 ans.
Ingénierie d’une cellule béta-voltaïque de nouvelle génération
Beaucoup de cellules béta-voltaïques utilisent des semi-conducteurs comme absorbeurs de radiation, mais les matières premières peuvent être coûteuses et difficiles à trouver. Les chercheurs du DGIST voulaient explorer une combinaison de composants cellulaires moins chers avec des performances comparables ou supérieures.
L’équipe a opté pour un traitement à l’isotope de carbone plutôt que des semi-conducteurs pour l’anode. L’anode a été traitée avec de l’acide citrique et un colorant de série Ru, N719, sur une électrode en dioxyde de titane (TiO2), car les cellules à colorant sensibilisé offrent une haute efficacité de conversion de puissance.
Électrode de la cellule d-DSBC et batterie (à gauche) à côté d’un mètre de radioactivité (à droite). Image utilisée avec l’aimable autorisation de DGIST (Figure 2)
Tout d’abord, les chercheurs ont enduit la couche TiO2 de l’anode avec un isotope radioactif d’acide citrique, suivi du colorant Ru. Cette approche est basée sur les recherches précédentes de l’équipe, démontrant une haute performance due au fait que le colorant absorbe la radiation bêta plutôt que le TiO. L’acide citrique entre le colorant N719 et le dioxyde de titane forme une liaison avec une haute stabilité et une conversion énergétique.
La cathode se compose d’un isotope radioactif de nanoparticules de carbone, qui ont un rapport surface/volume élevé et sont donc utilisées pour adapter la surface de l’électrode. Les nanoparticules de carbone permettent également une haute conductivité électrique et une résistance thermique.
Pour développer la cathode, les chercheurs ont synthétisé des nanoparticules de carbone radioactives et des points quantiques (semi-conducteurs à l’échelle nanométrique) en séchant et en cuisant de l’acide citrique sur une électrode d’oxyde d’étain dopée au fluor, un matériau conducteur ayant une bonne stabilité électrochimique. La cellule fonctionne en traitant des électrolytes liquides entre les deux électrodes.
Les résultats soutiennent la conception à double site et sensibilisée aux colorants
Les résultats des tests étaient prometteurs, car la d-DSBC a démontré une haute densité de puissance par source radioactive et une efficacité de conversion énergétique de 2,86 %, générant de l’énergie pendant plus de 100 heures.
La cellule a généré 65 850 fois plus d’électrons (6,585 x 104) qu’elle n’en a émis. Elle a également présenté une haute densité de courant de court-circuit (31,00 nA cm−2) et une tension de circuit ouvert (86,4 mV).
Graphiques de performance de la cellule de batterie d-DSBC. Image utilisée avec l’aimable autorisation de DGIST (Figure 3)
Les résultats s’appuient sur l’itération précédente de la cellule par l’équipe en 2020. L’approche à double site — appliquant la source isotopique radioactive (acide citrique) à l’anode et à la cathode — a amélioré l’efficacité de conversion de puissance de six fois et la stabilité de dix fois. En traitant les deux avec des isotopes radioactifs, les chercheurs visaient à minimiser la baisse de l’énergie de la radiation bêta avec la distance et à améliorer la collecte de charge et l’efficacité dans l’anode, ancrée par le colorant N719 et les particules de TiO2.
L’équipe prévoit d’améliorer la performance, la stabilité et la conception de la production en série de la cellule lors de futures recherches.