纽扣大小 无需充电 能用五十年 核电池这就成了?(组图)

1973年，一名20岁的美国女性在体内植入了一颗心脏起搏器。靠着这颗起搏器，她从青春步入暮年，从20世纪来到新世纪。

截止到2007年，她的起搏器已经工作了34年（现状未知）。

从未更换，从未断电！

这颗起搏器的商品名为Numec NU-5，通过将内部原料产生的热量转换为电能来工作。



什么原料呢？钚-238，具有放射性，它的同位素——钚-239，被用来造核弹。

这名女性也成了世界上为数不多的搭载“核动力装置”的心脏病人。

此外，由于钚-238的半衰期有88年，即便这名女性有幸活到了100岁，她的起搏器里依然还有一半以上的钚，足以驱动起搏器的正常运作。

有人该问了：半个世纪前就有靠核能工作的的小型设备，核电站也有七十多年的历史了，我们什么时候才能在日常生活中用上“永不断电”的核电池？

那样的话，手机再不用天一充，新能源汽车也没有续航焦虑了。



在人民群众对这类电池饱含期待但又只能等待的日子里，不久前（1月8号），网上突然出现了一条令人颇为兴奋的新闻：一家名为“北京贝塔伏特新能科技”的公司宣布自己研制出了民用级别的原子能电池。



在官方通告里，他们声称这种和一颗硬币差不多大的方块电池能稳定供电50年，无需充电，无需维护。

可满足航空航天、AI设备、医疗器械、微机电系统、高级传感器、小型无人机和微型机器人等长续航多场景下的电力供应。



这款令该公司引以为傲的产品名为BV100，是一个电压3V，尺寸为15×15×5立方毫米的微型核能电池。

虽然看起来就是颗外形不走寻常路的纽扣电池，但报道中“成功实现原子能电池的微型化、模块化和低成本，开启民用化的进程”；

“标志着中国同时在原子能电池和第四代金刚石半导体两个高新技术领域取得颠覆性创新”、“遥遥领先欧美科研机构和企业”等自信豪迈的言论着实给人以不明觉厉之感。



难道核电池也像2022年的AI（ChatGPT）一样，突然就高歌猛进实现突破了？

为了解答这个疑问，咱们必须要好好盘一盘这篇报道，看看他们到底做了什么。

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根据官方发布的实物图，这颗电池上的的核辐射标志以及“Limited 50+ Years”的字样的确表明着自己的独特身份——稳定长寿的核电池。



既然是核电池，那得有放射性核原料吧。那它用的是什么原料？钚-238吗？

不！它用的是镍的放射性同位素——镍-63（28个质子，35个中子）。

镍是一种常见的金属材料，常被用来制造合金（如镍钢）、变阻器、蓄电池等。

作为镍的兄弟，镍-63每时每刻都在产生辐射，它虽然不能被用来制造合金等日常用品，但却可以被用在敏感电子设备的保险装置中，如电涌保护器。

从物理性质来看，镍-63也的确是类理想的核电池原料。



首先，镍-63的半衰期有100年。

100年后，BV100中还有一半的镍在发挥放射性作用，因此，镍-63是能满足核电池的长寿要求的。

其次，镍-63的辐射过程是其中的一个中子变成一个质子和一个电子，变成铜的稳定同位素——铜-63。

贝塔伏特公司的报道中也明确了这一点：原子能电池环境友好性，在衰变期后……不具有放射性，对环境不构成任何威胁或污染。

那么，作为电池的核心，镍-63是如何发挥作用的呢？

根据报道中的描述，贝塔伏特公司开发了一种厚度仅为10微米的单晶金刚石半导体，并制造出了2微米厚的镍-63薄片，当把镍-63放在两个金刚石半导体之间后，便会产生跃迁电流。



虽然描述比较简单，但细想一下，这其实和光伏发电的原理比较类似。

镍-63辐射产生的电子射入外层金刚石半导体的过程，就如同阳光射到光伏硅片。

辐射电子（光子）轰击半导体中受束缚的价电子后，能在其中产生可以自由移动的电子—空穴对。

移动的电子和空穴在PN结——镍-63两侧的金刚石半导体之间——形成电势差。



当给电池上施加负载时，自由电子将从P型侧流入N型侧。穿过外部电路后再返回到P侧与它们留下的空穴重新结合。

电子流动的过程便是电流产生的过程，也就是核辐射能转化为电能的过程。

辐射是源源不断的，电流也自然是连绵不绝的（50年以上）。



由于这类电池直接依靠辐射出的电子，也就是贝塔粒子来发电，因此也被称为贝塔伏特电池。

你没看错，这个公司的名字就是照着研发的电池类型取的！ 

02

贝塔伏特电池并不是个新概念，早在上世纪60年代，它就已经被应用到了心脏起搏器上。

不是开头所说的、靠核辐射发热转电的钚-238起搏器，而是以另一种半衰期只有17.7年的放射性同位素——钷-145为原料的心脏起搏器。

只不过，随着更为安全且价格低廉的锂电池出现，核起搏器也于1988年退出了历史舞台。



而自那之后，几乎不见（民用）核电池有任何发展。

直到2009年，美国一家名为 Widetronix的公司研发出了一种核电池，原料不是镍-63，而是核聚变的燃料、氢的同位素——氚。



他们的愿景是将贝塔伏特电池商业化，但遗憾的是，后续消息不多，他们的官网也在2013年停止了更新。



时光匆匆来到2018，俄罗斯科学家制造出了一种新型的核电池，成果以论文的形式发表在了学术期刊Diamond and Related Materials上，所采用的技术方案是金刚石+镍-63。



而研究成果之一，便是确定了核电池的最优结构：2微米厚的镍-63薄片夹在10微米厚的金刚石半导体之间时，发电效果最好。



后来，他们造出了一颗包含200层金刚石—镍-63—金刚石夹芯结构的原型电池，实现了约1微瓦的功率输出，很小但也足够为心脏起搏器提供动力了。



03

很明显，贝塔伏特公司在开发核电池时，所走的就是俄罗斯科学家提出的技术路线。而且，连材料的尺寸都一模一样：

2微米厚的镍-63、10微米厚的金刚石半导体。

当然我这么说并不是我想喷他抄袭或者原创度不高什么的。

因为国际学术圈还是非常开放透明的，俄罗斯科学家的成果世人皆可见，如果镍-63核电池的最优结构真如他们所描述的那样，在无专利限制的情况下，其他人当然可以大方采用。

真正的问题在于，贝塔伏特公司造出BV100电池的功率只有100微瓦（万分之一瓦），虽然比之前用于起搏器的1微瓦功率大了不少，但也不能说打开了什么崭新的局面。



不过他们在报道中写道：计划2025年推出功率为1瓦的电池；计划继续研究采用锶90、钷147和氘等同位素，研制更高功率、使用寿命2—30年的原子能电池；可以让一部手机永不充电，现在只能飞行15分钟的无人机可一直飞……

这就有点意思了，希望这一天尽快到来，别的不说，如果我军的侦查无人机能一直在天上飞不用下来，这还是非常有战略意义的。

不过，一旦我们考虑把它用到手机之类的民用领域，就又产生了一个不可忽视的问题：无论是以钚-238、氚、还是镍-63为原料，核电池燃料成本实在是太高了！

自然界只有极微量的钚存在于铀矿石中，实验或武器用的钚几乎都是通过中子轰击铀238的核反应获得的，产量极低。

2013年之前，美国NASA一直从俄罗斯购买钚-238，用于航天器上的放射性同位素电力系统（RPS）。



毅力号火星车上装备有氧化钚发电机为锂电池充电

购买价格是多少呢？

250万美元/公斤。按今天的汇率算，约合18000元/克！是黄金价格的将近40倍。



2013年之后，由于俄罗斯的核工业重组，为了满足需求，美国必须要重启生产线，自己制造钚-238了。

美国能源部给自己定下了一个小目标——年产1.5公斤的氧化钚。看起来的确不多吧，但直到10年后的2023年，他们一年的总产量也只有0.5公斤。

看来老美举国之力，也造不出几台用核电池的IPhone啊。

实际上，在核电起搏器昙花一现的1970—1988年间，只有139人植入过它。原因除了大众心存对“核”的芥蒂外，当然就是高昂的售价啦。



在上世纪70年代，那款名为Numec NU-5的心脏起搏器的售价就高达5000美元，那可是放开印钱之前的美金啊！

而自然界不存在的镍-63同样不符合物美价廉的需求。

根据2019年的一篇论文数据，一克镍-63的制造成本高达4000美元，约合28600元，比钚-238还贵！



因此，想要将核电池普及到民用水平，一个首要的前提便是找到价格低廉的核原料。



但以我对元素周期表的了解来看，这种廉价的自发对外进行大功率辐射的物质，似乎并不存在。。。



有朝一日，如果这种电池真的被安装在了某个电子产品上，那玩意儿一定很贵吧。