邱健蓄电池基于GaAs的集成式贝塔伏打电池与石墨锂金属电池系统：用于高效贝塔辐射能量转换与存储
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邱健蓄电池 发布时间：2026-03-18 15:01:11 点击： 次
为解决贝塔伏打电池在实际应用中输出功率偏低的问题，本文提出了一种新型同位素β辐射能量转换存储系统，该系统将基于砷化镓的贝塔伏打电池与采用片状石墨的低自放电锂金属电池相结合，实现了β辐射能量的同步收集、转换与存储。实验中，我们制备了以片状石墨为正极、金属锂为负极、添加4-正戊基-4′-氰基联苯(5CB)的LiFSI/DME电解液体系的锂金属电池，并将其与砷化镓基贝塔伏打电池进行耦合。实验结果表明，该系统能成功采集贝塔伏打电池的能量，并有效驱动了液晶显示器运行。
引言
Betavoltaic电池展现出寿命长、能量密度高、尺寸紧凑、重量轻、环境适应性强等突出优势[1]，使其成为特殊应用场景下微机电系统(MEMS)的理想电源解决方案。其中，基于GaAs的Betavoltaic电池已成为当前研究热点[2]。然而，其固有的低输出功率仍是制约实际MEMS应用的关键瓶颈。针对功率输出难题，He等人采用的三维p-n结结构与协同模拟设计等先进器件架构，通过增加结面积与优化电场分布，在提升单位体积功率密度方面展现出巨大潜力，为未来高性能betavoltaic器件发展指明了重要方向[3,4]。相比之下，本研究采用平面PN结结构。尽管这种平面架构的绝对功率密度可能无法与先进的三维设计相匹敌，但其优势在于更成熟的制造工艺、更简单的结构以及预期的更佳稳定性和重复性，这些因素对于所提出的能量转换与存储一体化系统的可靠集成与长期运行至关重要。该集成储能系统能有效保存核电池闲置期间产生的过剩能量，不仅避免了能源浪费，还能在需求时提供显著超越核电池容量的瞬时功率输出[5]，从而缓解电力短缺的挑战。
近年来，学界尝试将光伏电池与储能装置集成至单一单元[6,7]。这为Beta辐射能量的利用提供了新思路。然而相较于太阳能电池，核电池的功率输出显著偏低。即使将多个核电池并联，其总电流仍仅能达到微安级[8]。与此同时，电化学储能装置本身存在自放电现象——即在闲置状态下自发产生的电压Drop，亦称漏电流[9]。
为实现电化学储能系统有效存储核电池产生的能量，图1展示了集成式β辐射能转换与存储装置——Betavoltaic Batteries-锂金属电池的示意图。
其漏电流必须显著低于Betavoltaic Batteries提供的充电电流。目前大多数低自放电电化学储能器件的漏电流水平达数微安量级[10,11]，甚至超过了最先进的放射性同位素Betavoltaic Batteries的电流输出。因此，为确保核电池-电化学储能系统的整体效率（图1），必须将电化学储能器件的自放电降低至数百纳安范围。
在此背景下，开发具有超低漏电流的储能装置已成为构建Betavoltaic Batteries的关键挑战。在现有储能技术中，锂金属电池展现出极低的漏电流特性[12]，这使其成为存储Betavoltaic Batteries收集能量的最优选择。
锂金属电池是指采用锂金属或锂合金作为负极材料的储能装置[13,14]。为最大限度存储β辐射-伏打核电池的输出能量，我们选用片状石墨作为正极。该构型将90%以上容量集中在0.8V以下的电压区间[15]，低于单片微型Betavoltaic Batteries的开路电压[16]，表明此类电容器能有效存储来自单片微型Betavoltaic Batteries的能量输入。
近期研究表明，在电解液中引入4-正戊基-4′-氰基联苯（5CB）等液晶分子可有效抑制超级电容器自放电现象[17]。作为向列相液晶，5CB具有高介电各向异性和化学稳定性[18]。研究证实电场可调控液晶分子在水性与有机电解液中的取向，使其相对于电极表面呈现垂直或平行排列，同时发现5CB在碳电极界面存在富集效应。Xia等人研究表明，向有机电解质（TEMABF4/乙腈）中添加2%的5CB可显著降低超级电容器的自放电与漏电流[19]。进一步研究证实，液晶材料也能抑制采用中性Li2SO4水溶液电解质的超级电容器的自放电现象，这归因于电流变效应导致的电解质粘度提升[20]。然而经5CB改性的超级电容器漏电流仍高达2.3μA，这一数值对当前核电池应用仍不可接受。
本研究中，我们尝试将5CB引入锂金属电池体系。实验结果表明，添加5CB可使锂离子电容器的自放电率最高降低73.3%。
基于此，我们报道了一种新型同位素β辐射能量转换与存储系统，该系统集成了GaAs基betavoltaic电池与片状石墨增强型锂金属电池。浮充电流测试与开路电位测试证实了该储能系统的低自放电特性。同时评估了核电池供能存储装置的能量利用效率。最终，我们开发出将Betavoltaic Batteries与锂金属电池连接的集成系统，成功展示了其利用核电池收集电能驱动LCD显示屏计算器的能力。
