Uma bateria nuclear segura que pode durar uma vida inteira

Às vezes, os celulares morrem mais cedo do que o esperado ou os veículos elétricos não têm carga suficiente para chegar ao seu destino. Essa bateria pode ser a solução.

Pela Sociedade Química Americana com informações de Tech Xplore.

As baterias recarregáveis ​​de íons de lítio (Li-ion) geralmente duram horas ou dias entre as cargas. No entanto, com o uso repetido, as baterias se degradam e precisam ser recarregadas com mais frequência.

Agora, os pesquisadores estão considerando o radiocarbono como uma fonte de baterias nucleares seguras, pequenas e acessíveis, que podem durar décadas ou mais sem recarga.

Su-il In, professor do Instituto de Ciência e Tecnologia Daegu Gyeongbuk, apresenta seus resultados na reunião de primavera da Sociedade Química Americana (ACS), realizada de 23 a 27 de março.

O carregamento frequente necessário para baterias de íons de lítio não é apenas um inconveniente. Ele limita a utilidade de tecnologias que usam as baterias para energia, como drones e equipamentos de sensoriamento remoto.

As baterias também são ruins para o meio ambiente: a mineração de lítio consome muita energia e o descarte inadequado de baterias de íons de lítio pode contaminar ecossistemas . Mas com a crescente ubiquidade de dispositivos conectados, data centers e outras tecnologias de computação, a demanda por baterias de longa duração está aumentando.

E baterias de íons de lítio melhores provavelmente não são a resposta para esse desafio. “O desempenho das baterias de íons de lítio está quase saturado”, diz In, que pesquisa tecnologias de energia do futuro. Então, In e os membros de sua equipe estão desenvolvendo baterias nucleares como uma alternativa ao lítio.

Baterias nucleares geram energia aproveitando partículas de alta energia emitidas por materiais radioativos . Nem todos os elementos radioativos emitem radiação que é prejudicial aos organismos vivos, e alguma radiação pode ser bloqueada por certos materiais. Por exemplo, partículas beta (também conhecidas como raios beta) podem ser protegidas com uma fina folha de alumínio, tornando a betavoltaica uma escolha potencialmente segura para baterias nucleares.

Os pesquisadores produziram um protótipo de bateria betavoltaica com carbono-14, uma forma instável e radioativa de carbono, chamada radiocarbono. “Decidi usar um isótopo radioativo de carbono porque ele gera apenas raios beta”, diz In.

Além disso, um subproduto de usinas nucleares, o radiocarbono é barato, prontamente disponível e fácil de reciclar. E como o radiocarbono se degrada muito lentamente, uma bateria alimentada por radiocarbono poderia teoricamente durar milênios.

Em uma bateria betavoltaica típica, elétrons atingem um semicondutor, o que resulta na produção de eletricidade. Semicondutores são um componente crítico em baterias betavoltaicas, pois são os principais responsáveis ​​pela conversão de energia.

Consequentemente, os cientistas estão explorando materiais semicondutores avançados para alcançar uma maior eficiência de conversão de energia — uma medida de quão efetivamente uma bateria pode converter elétrons em eletricidade utilizável.

Para melhorar significativamente a eficiência de conversão de energia de seu novo design, In e a equipe usaram um semicondutor à base de dióxido de titânio, um material comumente usado em células solares , sensibilizado com um corante à base de rutênio. Eles fortaleceram a ligação entre o dióxido de titânio e o corante com um tratamento com ácido cítrico.

Quando os raios beta do radiocarbono colidem com o corante à base de rutênio tratado, ocorre uma cascata de reações de transferência de elétrons, chamada de avalanche de elétrons. Então, a avalanche viaja através do corante e o dióxido de titânio efetivamente coleta os elétrons gerados.

A nova bateria também tem radiocarbono no ânodo sensibilizado por corante e um cátodo. Ao tratar ambos os eletrodos com o isótopo radioativo, os pesquisadores aumentaram a quantidade de raios beta gerados e reduziram a perda de energia da radiação beta relacionada à distância entre as duas estruturas.

Durante as demonstrações do protótipo da bateria, os pesquisadores descobriram que os raios beta liberados do radiocarbono em ambos os eletrodos acionaram o corante à base de rutênio no ânodo para gerar uma avalanche de elétrons que foi coletada pela camada de dióxido de titânio e passou por um circuito externo, resultando em eletricidade utilizável.

Em comparação com um projeto anterior com radiocarbono apenas no cátodo, a bateria dos pesquisadores com radiocarbono no cátodo e no ânodo teve uma eficiência de conversão de energia muito maior, passando de 0,48% para 2,86%.

Essas baterias nucleares de longa duração podem permitir muitas aplicações, diz In. Por exemplo, um marcapasso duraria a vida inteira de uma pessoa, eliminando a necessidade de substituições cirúrgicas.

No entanto, esse design betavoltaico converteu apenas uma pequena fração da decadência radioativa em energia elétrica, levando a um desempenho menor em comparação às baterias de íons de lítio convencionais. Isso sugere que esforços adicionais para otimizar o formato do emissor de raios beta e desenvolver absorvedores de raios beta mais eficientes poderiam melhorar o desempenho da bateria e aumentar a geração de energia.

À medida que as preocupações climáticas aumentam, a percepção pública sobre a energia nuclear está mudando. Mas ela ainda é considerada como energia produzida apenas em uma grande usina de energia em um local remoto.

Com essas baterias de células betavoltaicas sensibilizadas por corante de fonte dupla, In diz: “Podemos colocar energia nuclear segura em dispositivos do tamanho de um dedo”.

Mais informações: 4200925 – Next generation battery: Highly efficient and stable C14 dye-sensitized betavoltaic cell 8:00 pm – 8:20 pm GMT-4 Wednesday, March 26, 2025. Room: Room 29B (San Diego Convention Center)