image: Una pequeña célula betavoltaica sensibilizada con colorante tiene radiocarbono en el cátodo y el ánodo, lo que aumenta su eficiencia de conversión de energía. view more
Credit: Su-Il In
SAN DIEGO, 26 de marzo de 2025 — A veces, los teléfonos móviles se agotan antes de lo esperado o los vehículos eléctricos no tienen suficiente carga para llegar a su destino. Las baterías recargables de iones de litio (Li-ion) en estos y otros dispositivos suelen durar horas o días entre cargas. Sin embargo, con el uso repetido, las baterías se degradan y es necesario recargarlas con más frecuencia. Ahora, los investigadores están considerando el radiocarbono como fuente para baterías nucleares seguras, pequeñas y asequibles que podrían durar décadas, o incluso más, sin necesidad de recargarlas.
Su-Il In, profesor del Instituto de Ciencia y Tecnología de Daegu Gyeongbuk, presentará sus resultados en el encuentro de primavera de la American Chemical Society (ACS). El encuentro de primavera de 2025 de la ACS, que se realizará del 23 al 27 de marzo, incluye unas 12 000 presentaciones sobre diversos temas científicos.
La necesidad de recargar con frecuencia las baterías de Li-ion no es solo una molestia. Limita la utilidad de tecnologías que dependen de estas baterías, como drones y equipos de detección remota. Además, las baterías son perjudiciales para el medioambiente: la extracción de litio consume mucha energía y la eliminación incorrecta de las baterías de Li-ion puede contaminar los ecosistemas. Sin embargo, con la creciente omnipresencia de los dispositivos conectados, los centros de datos y otras tecnologías informáticas, la demanda de baterías de larga duración está aumentando.
Y es probable que las mejoras en las baterías de Li-ion no sean la solución a este desafío. «El rendimiento de las baterías de Li-ion está casi saturado», menciona In, quien investiga tecnologías energéticas del futuro. Por eso, In y su equipo están desarrollando baterías nucleares como alternativa al litio.
Las baterías nucleares generan energía aprovechando partículas de alta energía emitidas por materiales radiactivos. No todos los elementos radiactivos emiten radiación dañina para los organismos vivos, y algunos tipos de radiación pueden bloquearse con ciertos materiales. Por ejemplo, las partículas beta (también conocidas como rayos beta) pueden bloquearse con una delgada lámina de aluminio, lo que hace que las baterías betavoltaicas sean una opción potencialmente segura para las baterías nucleares.
Los investigadores generaron un prototipo de batería betavoltaica con carbono-14, una forma inestable y radiactiva del carbono, llamada radiocarbono. «Decidí usar un isótopo radiactivo de carbono porque solo genera rayos beta», explica In. Además, el radiocarbono, un subproducto de las centrales nucleares, es económico y fácil de obtener y reciclar. Y como el radiocarbono se degrada muy lentamente, una batería alimentada por este podría durar, en teoría, milenios.
En una batería betavoltaica típica, los electrones golpean un semiconductor, lo que resulta en la producción de electricidad. Los semiconductores son un componente crítico en las baterías betavoltaicas, ya que son los principales responsables de la conversión de energía. Por ello, los científicos están explorando materiales semiconductores avanzados para lograr una mayor eficiencia de conversión de la energía, es decir, qué tan efectivamente una batería puede convertir electrones en electricidad utilizable.
Para mejorar de forma significativa la eficiencia de conversión de la energía de su nuevo diseño, In y su equipo utilizaron un semiconductor basado en dióxido de titanio. Este material, comúnmente usado en células solares, fue sensibilizado con un colorante a base de rutenio. Reforzaron la unión entre el dióxido de titanio y el colorante usando un tratamiento con ácido cítrico. Cuando los rayos beta del radiocarbono colisionan con el colorante tratado a base de rutenio, se produce una cascada de reacciones de transferencia de electrones, denominada avalancha de electrones. Luego, la avalancha viaja a través del colorante, y el dióxido de titanio recoge eficientemente los electrones generados.
La nueva batería también contiene radiocarbono en el ánodo sensibilizado al colorante y un cátodo. Al tratar ambos electrodos con el isótopo radiactivo, los investigadores aumentaron la cantidad de rayos beta generados y redujeron la pérdida de energía por radiación beta relacionada con la distancia entre las dos estructuras.
Durante las demostraciones del prototipo de batería, los investigadores descubrieron que los rayos beta liberados por el radiocarbono en ambos electrodos activaron el colorante a base de rutenio en el ánodo, lo cual generó una avalancha de electrones que fue recolectada por la capa de dióxido de titanio y transmitida a través de un circuito externo, lo que produjo electricidad utilizable. En comparación con un diseño anterior que solo tenía radiocarbono en el cátodo, la batería de los investigadores con radiocarbono en el cátodo y el ánodo tuvo una eficiencia de conversión de energía mucho mayor, pasando del 0,48 % al 2,86 %.
In menciona que estas baterías nucleares de larga duración podrían permitir muchas aplicaciones. Por ejemplo, un marcapasos podría durar toda la vida de una persona y, así, se eliminaría la necesidad de reemplazos quirúrgicos.
Sin embargo, este diseño betavoltaico convirtió solo una pequeña fracción de la desintegración radiactiva en energía eléctrica, lo que resultó en un rendimiento inferior en comparación con las baterías convencionales de Li-ion. In sugiere que esfuerzos adicionales para optimizar la forma del emisor de rayos beta y desarrollar absorbentes de rayos beta más eficientes podrían mejorar el rendimiento de la batería y aumentar la generación de energía.
A medida que crecen las preocupaciones climáticas, la percepción pública de la energía nuclear está cambiando. Sin embargo, aún se considera que la energía solo se produce en grandes centrales eléctricas en ubicaciones remotas. Con estas baterías betavoltaicas sensibilizadas con colorante y de doble fuente, In afirma que «Podemos poner energía nuclear segura en dispositivos del tamaño de un dedo».
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Investigación de Corea, así como por el Programa de Investigación y Desarrollo del Instituto de Ciencia y Tecnología de Daegu Gyeongbuk del Ministerio de Ciencia y Tecnologías de la Información y Comunicación de Corea.
Visite el programa de la ACS Spring 2025 para obtener más información sobre esta presentación, “Next generation battery: Highly efficient and stable C14 dye-sensitized betavoltaic cell,” y otras presentaciones científicas.
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Nota para los periodistas: Notifique que esta investigación se presentó en una reunión de la American Chemical Society. La ACS no realiza investigaciones, sino que publica y difunde estudios científicos revisados por expertos.
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Title
Next generation battery: Highly efficient and stable C14 dye-sensitized betavoltaic cell
Abstract
There is an unmet need for a battery that can provide full power for several decades for applications powering implants, remote applications, and satellites. In this regard a dye-sensitized betavoltaic cell is developed for the first time, which utilizes radioisotopic carbon, composed of nano-sized quantum dots, and ruthenium-based dye sensitized TiO2 as electrodes. In this cell, emitted beta radiations are absorbed by the dye rather than TiO2, which resulted in enhanced performance compared to the pristine betavoltaic cell. However, there must be further effort to improve it. Therefore we develop another novel betavoltaic device, a dual-site radioactive isotope dye-sensitized betavoltaic cell (d-DSBC), which is powered by the decay energy of the radioactive isotope of carbon. This device treats both the anode and cathode with a β-radiation source (dual-site source) to achieve a betavoltaic design with improved β-radiation absorption. The anode is composed of a TiO2 layer first coated with radioactive isotope of citric acid, and then a ruthenium complex dye that acts as a charge generating layer. The cathode consists of a radioactive isotope of carbon nanoparticles/quantum dots. The d-DSBC exhibits a high power density per radioactive source of 20.75 nW cm−2 mCi−1, and an energy conversion efficiency of 2.86 %. These results represent a considerable step towards the practical application of betavoltaic cells.