Nano-diamantbatteries: Duurzame, hoogpresterende energie voor alle apparaten

Het moderne leven is zwaar afhankelijk van mobiele, batterijgedreven apparaten die dagelijkse aspecten van ons leven beïnvloeden, van telecommunicatie tot transportvoertuigen. Er is een toenemende vraag naar efficiënte en kosteneffectieve batterijen. Conventionele batterijen kennen tal van problemen en in een tijd van groeiend bewustzijn over klimaatverandering en afvalophoping, moet productie in lijn zijn met principes van duurzame ontwikkeling.

De Nano Diamond Battery (NDB) is een krachtige, diamant-gebaseerde alfa-, bèta- en neutron-voltaïsche batterij die levenslange, groene energie kan leveren voor talloze toepassingen en de beperkingen van bestaande chemische batterijen overkomt. De NDB fungeert als een minuscule kernenergiegenerator. De energiebron zijn intermediaire en hoog-radioactieve isotopen die voor veiligheid worden afgeschermd door meerdere lagen synthetisch diamant. De energie wordt in het diamant geabsorbeerd via een proces genaamd inelastische spreiding, wat wordt gebruikt om elektriciteit te genereren. Het zelfopladende proces levert een lading voor de volledige levensduur van elk apparaat of machine, met een batterijlevensduur van maximaal 28.000 jaar.

Omdat de batterij zichzelf opladt en slechts blootstelling aan natuurlijke lucht vereist, kan eventuele overtollige lading worden opgeslagen in condensatoren, supercondensatoren en secundaire cellen om de batterijlevensduur te verlengen voor smartphones, vliegtuigen, raketen, elektrische voertuigen, sensoren en andere apparaten en machines.

Systeemtechnologieën

Diamond Nuclear Voltaic (DNV)-technologie — Als apparaat is DNV een combinatie van een halfgeleider, metaal en keramiek met twee contactoppervlakken voor ladingverzameling. Meerdere eenheden worden verbonden via geleidende kanalen, vervaardigd door depositie van nikkel op de zijkant van de DNV om een positieve en negatieve contact van het batterijsysteem te creëren, wat DNV-stapels genoemd wordt. Tussen deze lagen zitten radio-isotopen die bij verval alfa-, bèta- of neutronstraling vrijgeven. Deze wordt inelastisch gespreid in het einkristallijn diamant (SCD) om ladingen te genereren die worden verzameld door de ladingverzamelaars.

Elke laag van de DNV-stapel bestaat uit een bron met hoge energie-uitvoer. Deze rangschikking verbetert de algehele efficiëntie van het systeem en biedt een meervoudig veiligheidsschild voor het product.

Snelle conversie van straling naar elektriciteit — Alle radio-isotopen produceren grote hoeveelheden warmte. De strategische plaatsing van de bron tussen de DNV-eenheden vergemakkelijkt inelastische spreiding door de aanwezigheid van SCD in de DNV-eenheid. Dit ontwerp voorkomt zelfabsorptie van warmte door het radio-isotoop en maakt snelle conversie naar bruikbare elektriciteit mogelijk.

Dunne-filmstructuur — Het dunne-filmprofiel van de NDB maakt stralingsabsorptie in het SCD mogelijk met minimale zelfabsorptie. Dankzij het flexibele ontwerp kan deze technologie elke vorm aannemen, afhankelijk van de toepassing. De NDB kan zo groot worden gemaakt als de toepassing vereist, met een minimale afmeting van 40 μm.

Kernhergebruiksproces — Radioactief afval wordt herverwerkt en gerecycled om duurzaamheid te waarborgen en een schone energiebron in een veilige omgeving te promoten.

Veiligheidsfuncties

Belangrijke innovaties van de NDB zijn geavanceerde veiligheidsfuncties die thermische, mechanische en stralingsveiligheid dekken.

Diamantencapsulator — Stralingsveiligheid wordt bereikt door het encapsuleren van de DNV met een diamantencapsulator die de straling binnen het apparaat houdt. De DNV-stapels, samen met de bron, worden gecoat met een laag polykristallijn diamant, bekend als het meest thermisch geleidende materiaal en in staat om straling binnen het apparaat te houden. Het is ook 12 keer zwaarder dan roestvrij staal, wat de batterij robuust en manipulatieveilig maakt.

De nanolagen bestaan uit chroom en lood in een 'gat-en-dop'-structuur die straling van de DNV vangt. Het gat fungeert als thermisch geleidingskanaal dat warmte naar het buitenste deel van de encapsulator leidt. Terwijl de dop de straling vangt die uit het gat in het diamantencapsulator-component van de NDB komt, kan het zowel secundaire als primaire straling absorberen en bevatten, tot dicht bij achtergrondstralingsniveaus.

Ingebouwde thermische vents — De hoge-energiebron in het batterijsysteem produceert warmte tijdens de werking. Dit leidt tot thermische geleiding in het systeem. Thermische vents helpen dit proces te regelen ten opzichte van het buitenoppervlak van het diamant om de binnenkant op een optimaal niveau te houden.

Boron-gedopeerd SCD — Om elk aspect van het systeem te benutten, gebruikt de NDB — naast alfa en bèta — ook neutronstraling met boron-10-doping. Doping helpt de extra neutronen om te zetten in alfastraling.

Lock-in-systeem — Het gebruik van een kernenergiebron voor een batterijsysteem roept vragen op over kernwapenspreiding door productie van splijtbare isotopen zoals Pu-238 en U-232. Om dit aan te pakken, gebruikt de NDB een ion-implantatiemechanisme, een 'lock-in-systeem', dat gebruik anders dan voor stroomopwekking voorkomt. Dit vergroot de bruikbaarheid door te voldoen aan consumentenveiligheidseisen.

Toepassingen

Automobiel — Elektrische voertuigen worden sterk gepromot door diverse regeringen en vormen een van de snelst groeiende sectoren. Natuurlijk is de sleutelcomponent — de batterij die het voertuig aandrijft — eveneens intens ontwikkeld. Als batterijoplossing stuurt de NDB niet alleen traditionele auto-onderdelen maar ook de motors. Misschien nog interessanter is dat innovaties zoals heads-up displays, augmented reality, zelfrijdende technologie en bort-AI ook door de NDB ondersteund kunnen worden.

De NDB kan overdag de auto aandrijven; 's nachts, wanneer de auto geparkeerd is, kan de NDB-aangedreven EV aangesloten worden op een huis, waar de gegenereerde lading het huis kan voeden en overtollige energie aan het net kan worden verkocht. Effectief betekent dit dat het landelijke net elektriciteit crowdsourct, wat de toegenomen vraag naar elektriciteit door de snellere adoptie van EV's verlicht.

Lucht- en ruimtevaart — De luchtvaartmarkt is uitgebreid en veel technologische vooruitgang komt uit de digitale revolutie. Voorbeelden van NDB-toepassingen zijn het waarborgen van essentiële stroomvoorziening voor gebieden zoals de cockpit om de luchtvaartveiligheid te verbeteren en het voeden van de black box om de berging van vermiste vliegtuigen te ondersteunen. De black box zendt periodiek een signaal uit om zijn locatie te broadcasteren; de beschikbaarheid van dit signaal hangt echter af van de batterij die het voedt. De huidige beperking in de batterijlading van de black box beperkt de zoektijd, omdat het locatiesignaal onbeschikbaar wordt zodra de batterij leeg is. De NDB kan de batterijlevensduur van de black box verlengen, wat de kans op berging vergroot.

Recente vooruitgang in ruimtetechnologie en de opkomst van elektrische vliegtuigen hebben geleid tot toenemende eisen aan hun batterijsystemen, belemmerd door zorgen over levensduur en veiligheid. Satellieten en ruimtevoertuigen vertrouwen zwaar op zonne-energie, wat kan worden gestort door harde ruimteomstandigheden. De NDB kan worden gebruikt om drones, elektrische vliegtuigen, satellieten, marsrovers, ruimtepakken en stations te voeden, wat langere activiteit mogelijk maakt.

Medische technologie — In-situ medische apparaten en implanteerbare systemen zoals hoortoestellen en pacemakers profiteren van een lange batterijlevensduur in een kleiner formaat met het voordeel van veiligheid. Met de NDB hoeven patiënten zich geen zorgen meer te maken over het opladen van een pacemaker dankzij de lange halfwaardetijd. Aangezien de NDB een laag van ingebouwde stralingsabsorber in zijn structuur heeft, voorkomt het stralingslek van implanteerbare apparaten.

Industrie — De veiligheid, vermogensuitvoer en universaliteit van de NDB bieden stroom aan veel routinetoepassingen en aan diegenen die moeilijk te implementeren zijn. Datacenters, afgelegen locaties en toepassingen in vijandige omstandigheden maken de NDB een uitzichtvolle belofte voor productiviteit en toekomstige toepassingen.

Een tekortkoming van het Internet of Things (IoT) zit in de fysieke apparaten zelf. Omdat elke functie (zoals verlichting) sensoren en Wi-Fi-ontvangers nodig heeft, hebben ze onvermijdelijk elektriciteit nodig. Traditioneel werd dit opgelost met batterijen en directe bedrading, maar beide hebben beperkingen — batterijen raken leeg en bedrading vereist een elektricien, wat ongemakkelijk kan zijn. Als een NDB gebruikt zou worden, zouden IoT-apparaten volledig draadloos zijn en overal geplaatst kunnen worden zonder zorgen over batterijuitputting.

Conclusie

De NDB is groen: het heeft geen emissies, is inert voor het milieu en vereist geen kobaltmijnbouw. De NDB is een energiedichtere, langere levensduur, weer-onafhankelijke alternatief voor traditionele energiebronnen. Toegevoegde waarden zijn het ontbreken van schadelijke bijproducten en het recyclen van kernafval.

De technologie heeft het potentieel om andere energiebronnen zoals benzine en lithium-ionbatterijen te vervangen, waardoor hun negatieve milieu-impact door emissies en giftige metaalafvalstoffen wordt verminderd.

Een andere trend is de schaarste aan kobalt, een cruciale component van Li-ionbatterijen. Aangezien de NDB geen kobalt bevat, is het een oplossing die niet beïnvloed wordt door de aanbiedingsschaarste van grondstoffen.

Ten slotte is een van de belangrijkste recente trends de plotselinge toename in vraag naar elektrische voertuigen. Regeringen wereldwid werken aan de overgang van fossiele brandstof naar elektrische voertuigen — een markt die een natuurlijke pasvorm is voor NDB's.

Dit artikel werd bijgedragen door Dr. Nima Golsharifi, Chief Executive Officer van NDB (San Francisco, CA). Voor meer informatie, bezoekt .