평생 지속될 수있는 안전한 핵 배터리

때로는 휴대전화가 예상보다 일찍 꺼지거나 전기 자동차가 목적지에 도착하기에 충분한 충전이 되지 않습니다. 이러한 장치와 다른 장치의 충전식 리튬 이온(Li-ion) 배터리는 일반적으로 충전 사이에 몇 시간 또는 며칠 동안 지속됩니다.

그러나 반복해서 사용하면 배터리가 열화되어 더 자주 충전해야 합니다. 이제 연구자들은 충전 없이도 수십 년 이상 지속될 수 있는 안전하고 작고 저렴한 핵 배터리의 공급원으로 방사성 탄소를 고려하고 있습니다.

대구경북과학기술원(DGS) 인력일 교수가 미국화학회(ACS) 춘계 학술대회에서 연구 결과를 발표합니다.

리튬 이온 배터리에 필요한 빈번한 충전은 불편함만은 아닙니다. 드론과 원격 감지 장비와 같이 배터리를 전력으로 사용하는 기술의 유용성을 제한합니다. 배터리는 환경에도 나쁩니다. 리튬 채굴은 에너지 집약적이며 리튬 이온 배터리를 부적절하게 폐기하면 생태계가 오염될 수 있습니다. 그러나 연결된 장치, 데이터 센터 및 기타 컴퓨팅 기술이 보편화됨에 따라 오래 지속되는 배터리에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

그리고 더 나은 리튬 이온 배터리는 이 과제에 대한 답이 아닐 가능성이 큽니다. 미래 에너지 기술을 연구하는 In은 "리튬 이온 배터리의 성능은 거의 포화 상태입니다."라고 말합니다. 그래서 In과 그의 팀원들은 리튬의 대안으로 핵 배터리를 개발하고 있습니다.

핵 배터리는 방사성 물질에서 방출되는 고에너지 입자를 활용하여 전력을 생성합니다. 모든 방사성 원소가 생물체에 해로운 방사선을 방출하는 것은 아니며, 일부 방사선은 특정 물질에 의해 차단될 수 있습니다.

예를 들어, 베타 입자(베타선이라고도 함)는 얇은 알루미늄 시트로 보호될 수 있으므로 베타볼타익은 핵 배터리에 잠재적으로 안전한 선택입니다.

연구자들은 불안정하고 방사성 탄소인 탄소-14를 사용한 베타볼타 전지의 프로토타입을 제작했습니다. "저는 베타선만 생성하기 때문에 탄소의 방사성 동위 원소를 사용하기로 했습니다."라고 In은 말합니다.

게다가 원자력 발전소의 부산물인 방사성 탄소는 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며 재활용하기 쉽습니다. 그리고 방사성 탄소는 매우 느리게 분해되기 때문에 방사성 탄소로 구동되는 전지는 이론적으로 수천 년 동안 지속될 수 있습니다.

일반적인 베타볼타 전지에서 전자는 반도체를 때리고, 그 결과 전기가 생성됩니다. 반도체는 베타볼타 전지에서 중요한 구성 요소로, 주로 에너지 변환을 담당하기 때문입니다. 따라서 과학자들은 더 높은 에너지 변환 효율을 달성하기 위해 고급 반도체 소재를 연구하고 있습니다. 이는 배터리가 전자를 사용 가능한 전기로 얼마나 효과적으로 변환할 수 있는지를 측정하는 것입니다.

In과 팀은 새로운 디자인의 에너지 변환 효율을 크게 개선하기 위해 태양 전지에 일반적으로 사용되는 재료인 이산화티타늄 기반 반도체를 루테늄 기반 염료로 감광시켰습니다.

그들은 구연산 처리로 이산화티타늄과 염료 사이의 결합을 강화했습니다. 방사성 탄소의 베타선이 처리된 루테늄 기반 염료와 충돌하면 전자 눈사태라고 하는 전자 전달 반응의 연쇄가 발생합니다. 그런 다음 눈사태가 염료를 통과하고 이산화티타늄이 생성된 전자를 효과적으로 수집합니다.

새로운 배터리는 또한 염료 감응형 양극과 음극에 방사성 탄소를 포함하고 있습니다. 연구자들은 두 전극을 방사성 동위 원소로 처리하여 생성된 베타선의 양을 늘리고 두 구조 사이의 거리 관련 베타 방사선 에너지 손실을 줄였습니다.

프로토타입 배터리를 시연하는 동안 연구원들은 두 전극의 방사성 탄소에서 방출된 베타선이 양극의 루테늄 기반 염료를 작동시켜 전자 눈사태를 생성하고, 이 전자 눈사태는 이산화티타늄 층에 의해 수집되어 외부 회로를 통과하여 사용 가능한 전기를 생성한다는 것을 발견했습니다.

음극에만 방사성 탄소를 사용한 이전 설계와 비교했을 때, 음극과 양극에 방사성 탄소를 사용한 연구원들의 배터리는 에너지 변환 효율이 훨씬 높아 0.48%에서 2.86%로 증가했습니다.

In은 이러한 오래 지속되는 핵 배터리는 많은 응용 프로그램을 가능하게 할 수 있다고 말합니다. 예를 들어, 심장 박동 조절기는 사람의 평생 동안 지속되어 수술적 교체가 필요 없게 됩니다.

그러나 이 베타볼타익 설계는 방사성 붕괴의 아주 작은 부분만을 전기 에너지로 변환하여 기존 리튬 이온 배터리에 비해 성능이 낮았습니다. 베타선 방출기의 모양을 최적화하고 더 효율적인 베타선 흡수체를 개발하기 위한 추가 노력이 배터리 성능을 향상시키고 전력 생산을 증가시킬 수 있다고 제안합니다.

기후 문제가 커지면서 핵 에너지에 대한 대중의 인식이 바뀌고 있습니다. 하지만 여전히 외딴 지역에 있는 대형 발전소에서만 생산되는 에너지로 여겨집니다. 이러한 이중 사이트 소스 염료 감응형 베타볼타 전지 배터리를 사용하면 "손가락 크기의 장치에 안전한 핵 에너지를 넣을 수 있습니다."라고 In은 말합니다.

이 연구는 한국연구재단과 한국과학기술정보통신부 산하 대구경북과학기술원 연구개발사업의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250326123740.htm