可使用100年！美國(guó)公司推出最強(qiáng)核電池

近日，位于美國(guó)加州的 Infinity Power 公司宣布，在美國(guó)國(guó)防部支持下，已成功研發(fā)出一種利用電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換的非常強(qiáng)大且持久的核電池。

該公司表示：“這種電池利用放射性同位素發(fā)電，總效率可達(dá) 60%，與其他效率較低（<10%）的放射性同位素能量轉(zhuǎn)換方法相比，它標(biāo)志著迄今為止實(shí)現(xiàn)的最高總體效率水平。這表明，下一代放射性同位素電源即將投入商業(yè)化，這給我們帶來(lái)了巨大的希望。”

該公司聲稱，其“微型紐扣電池式設(shè)備可以提供數(shù)十毫瓦的電力，可持續(xù)使用 100 多年”。Infinity Power 表示，其技術(shù)具有可擴(kuò)展性，可實(shí)現(xiàn)從納瓦到千瓦甚至更大的大范圍發(fā)電。

? 什么是核電池？

近年來(lái)，核電池像AI（ChatGPT）一樣，突然就高歌猛進(jìn)實(shí)現(xiàn)突破了？各類媒體不斷宣稱手機(jī)再不用充電，新能源汽車也沒(méi)有續(xù)航焦慮，那么問(wèn)題是，我們什么時(shí)候才能在日常生活中用上“永不斷電”的核電池？

事實(shí)上，核電池并不是個(gè)新鮮事物，半個(gè)世紀(jì)前就有靠核能工作的的小型設(shè)備，核電站也有七十多年的歷史了。第一起應(yīng)用案例是在上世紀(jì)60年代，它就已經(jīng)被應(yīng)用到了心臟起搏器上。

核電池，也稱為放射性同位素電池，其工作原理是利用核同位素衰變釋放的能量，并通過(guò)半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為電能，常用的半導(dǎo)體材料主要是碲化鉍、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等。另外還得有一個(gè)合適的熱源和換能器，在熱源和換能器之間形成溫差才可發(fā)電。

這種很大的能量有兩個(gè)令人喜愛(ài)的特點(diǎn)。一是蛻變時(shí)放出的能量大小、速度，不受外界環(huán)境中的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場(chǎng)的影響，因此，核電池以抗干擾性強(qiáng)和工作準(zhǔn)確可靠而著稱。另一個(gè)特點(diǎn)是蛻變時(shí)間很長(zhǎng)，這決定了放射性同位素電池可長(zhǎng)期使用。放射性同位素電池采用的放射性同位素主要有鍶－90（Sr－90，半衰期為28年）、钚－238（Pu－238，半衰期 89.6年）、釙－210（Po-210半衰期為138.4天）、鎳-63（Ni-63，半衰期有100年）等長(zhǎng)半衰期的同位素。將它制成圓柱形電池。燃料放在電池中心，周圍用熱電元件包覆，放射性同位素發(fā)射高能量的α射線，在熱電元件中將熱量轉(zhuǎn)化成電流。

核電池主要有兩種類型：

放射性同位素?zé)犭?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%9C%BA/">發(fā)電機(jī) (RTG)：利用熱電偶將放射性衰變產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電能。因其可靠性和長(zhǎng)壽命而常用于航天器。

貝塔伏特電池：利用半導(dǎo)體將貝塔粒子的能量直接轉(zhuǎn)化為電能。能量轉(zhuǎn)換效率比 RTG 更高，體積更小，適合用于微型電子設(shè)備。

這種核電池具有超長(zhǎng)使用壽命、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、比功率高、可靠性強(qiáng)和不易受環(huán)境影響等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以為植入式醫(yī)療設(shè)備、深海電力、太空應(yīng)用、遠(yuǎn)程電力系統(tǒng)和微電網(wǎng)電力系統(tǒng)等設(shè)備供電，無(wú)需中斷加油或充電，無(wú)論外部條件如何，都能提供穩(wěn)定的低電平電源，不受陽(yáng)光或溫度波動(dòng)的影響，適合偏遠(yuǎn)地區(qū)或惡劣環(huán)境。

目前，參與該領(lǐng)域的公司主要有City Labs、 Nano Diamond Battery (NBD)、 Betavolt、Infinity Power等等。

此次，Infinity Power推出的新款核電池，不同于使用半導(dǎo)體與相鄰放射性同位素板或?qū)拥膫鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)換器，該公司表示其電池采用的是新穎的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換。Infinity Power 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Jae W. Kwon 強(qiáng)調(diào)，這種方法利用高效的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)大的電力。為了確保安全并防止泄漏，采用了復(fù)雜的容器設(shè)計(jì)。這一技術(shù)具有可擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)從納瓦到千瓦級(jí)的電功率輸出。

Infinity Power 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Jae W. Kwon 表示：“我們的目標(biāo)是引導(dǎo)這一發(fā)現(xiàn)走向成功的產(chǎn)品發(fā)布，并開啟革命性核能存儲(chǔ)解決方案歷史的新篇章。”

?? 核電池發(fā)展推動(dòng)發(fā)電進(jìn)入“鉆石時(shí)代”

無(wú)獨(dú)有偶，核電領(lǐng)域另一熱門選手，金剛石電池同樣備受關(guān)注，常上熱搜！我們也對(duì)比下這兩次突破的區(qū)別。

據(jù)了解，放射性金剛石電池于 2016 年，由英國(guó)布里斯托大學(xué)（University of Bristol）卡博特環(huán)境研究所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)。利用核廢料制成一種人造鉆石，將其放入輻射場(chǎng)中能夠產(chǎn)生微弱的電流，自此，發(fā)電開始進(jìn)入“鉆石時(shí)代”！

今年 1 月，中國(guó)北京貝塔伏特新能源技術(shù)有限公司宣布開發(fā)出一種微型核電池，可以穩(wěn)定、自主地發(fā)電 50 年，無(wú)需充電或維護(hù)。該公司表示，這種電池目前處于試驗(yàn)階段，將投入市場(chǎng)批量生產(chǎn)。

這款產(chǎn)品名為BV100，是一個(gè)電壓3V，尺寸為15×15×5立方毫米的微型核能電池?！皹?biāo)志著中國(guó)同時(shí)在原子能電池和第四代金剛石半導(dǎo)體兩個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域取得顛覆性創(chuàng)新”、“遙遙領(lǐng)先歐美科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)”等詞語(yǔ)在各類媒體報(bào)道中屢見不鮮，著實(shí)給人以不明覺(jué)厲之感。

這款核電池被稱為世界上第一個(gè)微型原子能系統(tǒng)，它利用 鎳-63（28個(gè)質(zhì)子，35個(gè)中子），緊湊地排列在一個(gè)比硬幣還小的模塊內(nèi)。

我們都知道鎳-63的半衰期有100年。100年后，BV100中還有一半的鎳在發(fā)揮放射性作用，因此，鎳-63是能滿足核電池的長(zhǎng)壽要求的。貝塔伏特公司開發(fā)了一種厚度僅為10微米的單晶金剛石半導(dǎo)體，并制造出了2微米厚的鎳-63薄片，當(dāng)把鎳-63放在兩個(gè)金剛石半導(dǎo)體之間后，便會(huì)產(chǎn)生躍遷電流。

整個(gè)過(guò)程類似于光伏發(fā)電，鎳-63輻射產(chǎn)生的電子射入外層金剛石半導(dǎo)體的過(guò)程，就如同陽(yáng)光射到光伏硅片。輻射電子（光子）轟擊半導(dǎo)體中受束縛的價(jià)電子后，能在其中產(chǎn)生可以自由移動(dòng)的電子—空穴對(duì)。移動(dòng)的電子和空穴在PN結(jié)——鎳-63兩側(cè)的金剛石半導(dǎo)體之間——形成電勢(shì)差。當(dāng)給電池上施加負(fù)載時(shí)，自由電子將從P型側(cè)流入N型側(cè)。穿過(guò)外部電路后再返回到P側(cè)與它們留下的空穴重新結(jié)合。電子流動(dòng)的過(guò)程便是電流產(chǎn)生的過(guò)程，也就是核輻射能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。輻射是源源不斷的，電流也自然是連綿不絕的。

目前，Betavolt 開發(fā)的初始核電池可提供 100 微瓦的功率。但這功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠！不過(guò)，該公司計(jì)劃到 2025 年生產(chǎn)功率為 1 瓦的電池。這些電池體積小，可以連接多個(gè)單元，從而增加功率輸出。Betavolt 設(shè)想了一個(gè)未來(lái)，手機(jī)永遠(yuǎn)不需要充電，無(wú)人機(jī)可以無(wú)限飛行。

另外，還有一家美國(guó)初創(chuàng)公司NDB（Nano-Diamond Battery）早在2020年宣稱，創(chuàng)造出了世界首個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)任何環(huán)境下運(yùn)行，并且自充電可持續(xù)成千上萬(wàn)年的納米金剛石核電池。并且完成了概念驗(yàn)證測(cè)試。

但該企業(yè)于 2023 年被美國(guó)證券交易委員會(huì)起訴，指控 NDB 及其首席執(zhí)行官 Nima Golsharifi 在 2020 年 8 月的新聞稿中聲稱已在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了其電池技術(shù)并已獲得首批 beta 客戶，但事實(shí)并非如此，并從投資者那里籌集了超過(guò) 120 萬(wàn)美元。

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究竟放射性金剛石電池是否是核廢料的最終或者較好的解決方案，也有待進(jìn)一步觀察。目前，通用核電池的短期內(nèi)很難替代鋰離子等電池，傳統(tǒng)電池在成本、安全性方面仍具有一定優(yōu)勢(shì)。

但不管怎么說(shuō)，如今，隨著各種電子設(shè)備、電動(dòng)汽車等的普及，人類也正執(zhí)行月球、火星等太空探索任務(wù)，人們對(duì)電池技術(shù)的研究需求日益增長(zhǎng)，放射性金剛石電池或是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)未來(lái)的一種選擇，其發(fā)展前景值得期待！