Qu’est-ce qu’une batterie bêtavoltaïque

Depuis quelques temps, je me demande ce qu’il faut faire pour pouvoir développer une cellule “bêtavoltaïque”: une cellule avec un semi-conducteur formant une jonction pn analogue à celle des panneaux photovoltaïques, mais dans laquelle le courant est généré par des électrons provenant d’une source radioactive. isotope désintégration bêta.

La différence avec une “batterie atomique” de type RTG (Générateur thermoélectrique de radio-isotopes, générateur thermoélectrique de radio-isotopes) est que le processus de conversion de l’énergie stockée dans l’isotope radioactif en électricité ne passe pas par l’inévitable étape thermique. Ce qui s’en rapproche le plus, dans ce cas, est un panneau photovoltaïque. Voyons brièvement comment fonctionne l’un d’entre eux pour comprendre plus facilement le concept d’énergie bêtavoltaïque.

L’analogie photovoltaïque

Imaginons d’abord un matériau semi-conducteur. Du point de vue de la conductivité électrique, tous les matériaux ont leurs électrons dans deux plages d’énergie possibles, appelées « bande de valence » et « bande de conduction ». Dans le premier domaine, les électrons sont liés à un atome spécifique du matériau. Dans le second cas, ils volent librement entre les atomes. La différence entre les deux plages d’énergie est appelée « bande interdite ».

Un matériau isolant aura une très grande bande interdite, empêchant les électrons de se délocaliser et d’agir comme porteurs de charge. Un conducteur, en revanche, a une bande de valence et une bande de conduction qui se chevauchent, il suffit donc d’appliquer n’importe quel champ électrique pour que les électrons se déplacent naturellement.

Mais un semi-conducteur est spécial. Les semi-conducteurs se distinguent des conducteurs et des isolants car l’énergie nécessaire aux électrons pour sauter entre leur bande de valence et leur bande de conduction n’est pas très grande.

Il existe différents processus qui peuvent faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction. Dans le cas d’un panneau photovoltaïque, la masse du matériau semi-conducteur absorbe un quantum d’énergie lumineuse (un photon) et libère un électron dans la bande de conduction, disponible pour conduire le courant. Dans la bande de valence reste un « trou », une particule virtuelle qui va se déplacer dans la direction opposée à l’électron.

De plus, un semi-conducteur peut être facilement « dopé » avec de petites quantités d’impuretés contenant des électrons en excès (type n) ou déficients (type p). Chacun d’entre eux n’est pas très intéressant, mais ce qui se passe lorsqu’une zone du matériau dopée avec un type d’impureté entre en contact avec une autre zone dopée avec le type opposé est merveilleux. Le résultat, appelé « jonction pn », peut être polarisé de sorte que le courant circule toujours dans un sens mais pas dans l’autre. Cette sélectivité est indispensable pour créer une cellule, et est à la base du fonctionnement d’un panneau photovoltaïque.

La cellule bêtavoltaïque

Remplaçons maintenant la lumière par un isotope radioactif. Il existe de nombreuses façons par lesquelles un atome instable peut se désintégrer, mais nous nous intéressons ici à la désintégration bêta moins (β⁻). Dans celui-ci, un neutron du noyau est déstabilisé et transformé en proton. Pour maintenir la charge électrique constante, un électron apparaît. Un antineutrino électronique apparaît également, une particule neutre presque sans masse qui sort instantanément à presque la vitesse de la lumière, et dont nous ne nous soucions pas ici. La clé est dans l’électron supplémentaire. Un flux d’électrons ainsi généré peut polariser une jonction pn proche, tout comme le feraient les électrons libérés par l’effet photovoltaïque.

Nous avons ainsi une sorte de panneau solaire « sombre », qui ne dépend que de la désintégration bêta pour fonctionner. Le flux d’énergie issu de la désintégration atomique est parfaitement prévisible : il est réduit de moitié pour chaque « demi-vie » de l’isotope que nous choisissons. Nous savons donc exactement quel courant la batterie sera capable de générer. Et comment cela diminuera avec le temps : à peu près comme une batterie chimique.

Les paramètres de conception

C’est une question de conception que de choisir l’isotope radioactif de manière à ce qu’il ait une demi-vie suffisamment longue pour que la batterie résultante soit utile. Ou que l’intensité de sa désintégration n’est pas excessive et endommage la structure du semi-conducteur (si la demi-vie est courte, l’intensité est plus grande et vice versa). Nous pouvons également choisir un semi-conducteur spécifique, qui nous imposera une énergie de bande interdite et aucune autre et finira ainsi par fixer la puissance que nous pouvons extraire de la batterie.

C’est maintenant que nous pouvons dire que les miracles sont les justes. Les batteries bêtavoltaïques se caractérisent jusqu’à présent par de très faibles performances de conversion. Cependant, l’avancée de la technologie des semi-conducteurs dopés au diamant, déposés en couches très fines grâce à un procédé appelé PCVD (Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasmaou dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma), combiné à l’utilisation de feuilles également extrêmement minces de nickel-63, un isotope qui se désintègre uniquement par le processus bêta avec une demi-vie de 101,2 ans pour donner naissance à des atomes stables de cuivre, permet de concevoir des batteries utilisables.

L’annonce de Betavolt

La batterie BV100 annoncée par la société chinoise Betavolt offre 0,1 milliwatt de puissance à une différence de potentiel de 3 volts pendant pas moins de 50 ans. La taille des cellules est de 15 × 15 × 5 millimètres. 0,1 milliwatt, ce n’est pas beaucoup, mais rien n’empêche d’empiler davantage de couches de semi-conducteurs en diamant et en nickel-63 pour obtenir des puissances plus élevées. Betavolt prévoit déjà de lancer une batterie de 1 watt en 2025 : c’est déjà environ la puissance maximale nécessaire pour alimenter un téléphone mobile moderne.

Aurons-nous des téléphones « atomiques » qui n’auront jamais besoin d’être rechargés ? Les cellules bêtavoltaïques seront parfaitement sûres du point de vue du rayonnement : quelques millimètres de blindage suffisent pour garantir l’absence de fuites d’aucune sorte. Au-delà des applications évidentes dans les appareils grand public tels que les téléphones, les montres ou les bracelets d’activité, ces batteries peuvent être utilisées dans des capteurs de tous types, réalisant ainsi le rêve d’infrastructures intelligentes dans lesquelles les éléments qui mesurent en permanence leur santé et leur stabilité ont une durée de vie prévue de du même ordre de grandeur que l’infrastructure elle-même.

D’autres isotopes promettent également des puissances plus élevées, bien qu’avec des durées de vie généralement plus courtes pour des puissances plus élevées : le tritium (hydrogène-3) intégré dans des matrices de titane, le prométhium-147 ou le strontium-90. Le développement de la technologie du nitrure de bore cubique (c-BN) comme semi-conducteur dopé peut également légèrement améliorer les performances et les puissances attendues dans le futur, même si le semi-conducteur au diamant offre déjà des valeurs de mérite très proches des maximums théoriques. Des temps intéressants nous attendent dans le domaine des technologies de stockage d’énergie à long terme.

Pour en savoir plus

Jaeck, A. (13/01/2024). Nickel-63 – données et propriétés isotopiques. Chemlin.org. https://chemlin.org/isotope/nickel-63.

Maximenko, SI (2023). Les perspectives du diamant pour les sources d’énergie bêtavoltaïques 3H et 63Ni, comparaison avec le 4H-SiC. Avancées du PIA, 13(dix). https://doi.org/10.1063/5.0162635.

Maximenko, SI, Moore, JE, Affouda, CA et Jenkins, PP (2019). Semi-conducteurs optimaux pour les bêtavoltaïques 3H et 63Ni. Rapports scientifiques, 9(1). https://doi.org/10.1038/s41598-019-47371-6.

Tyson, M. (13/01/2024). La batterie nucléaire développée en Chine a une durée de vie de 50 ans – Betavolt BV100 construite avec un isotope nickel-63 et un matériau semi-conducteur diamant. Le matériel de Tom. https://www.tomshardware.com/pc-components/power-supplies/chinese-developed-nuclear-battery-has-a-50-year-lifespan.

Encore un autre exemple d’Homo sapiens. Enfant, il voulait devenir scientifique, astronaute et remporter deux prix Nobel. Au fur et à mesure qu’il grandissait, ces aspirations subirent des réductions progressives : il resta finalement ingénieur en télécommunications. Avec plus d’années d’expérience qu’il ne veut l’admettre à l’intersection du train et des technologies de l’information, il travaille actuellement dans le domaine passionnant de l’innovation ferroviaire en tant que directeur de l’innovation chez Telice, SA. Timide en cure de désintoxication et avec plus de passe-temps qu’il ne peut en compter, quand il a le temps, il écrit sur tout ce qui retient son attention : la science, l’espace, l’ingénierie, la politique…