科学家研制出基于镍-63的大容量核电池续航可超百年

尽管锂电池技术已经在人们的日常生活中无处不在，但在能量密度的提升上，它似乎已逐渐接近瓶颈。为了实现“数十年换一次电池”的目标，科学家开始将目光放到新式核电池的开发上，只是当前原型装置的能量密度偏低，距离实用还有一段距离。 好消息是，俄罗斯研究人员，刚刚开发出了一种基于镍-63的新型核电池设计，其具有比普通市售电池更高的能量密度。

俄罗斯研究人员已经 开发出了一种能量密度远超其它装置的核电池原型（via：MIPT）

由于任何散逸的核材料都可能在环境中保持几十年（甚至几个世纪）的危险放射，核电一直存在着极大的争议。

不过基于同样的道理，如果我们能够适当地利用这种特性，就可以让核电装置缓慢而持续地释放出能量：

一些核电池是基于‘射线电池’（betavoltaics）的原理，装置内的放射源衰减并发射 β 粒子（电子和正电子）。

当他们与半导体层相互作用时，就可以产生电流。遗憾的是，尽管这些电池可以长时间地持续提供能量，但第功率密度也意味着只能‘细水长流’。

新式核电池原型的结构图（via：V. Bormashov et al.）

长时间提供相对较低的能量，使得核动力电源更加适用于那些难以更换电池的应用（比如航天器或起搏器等植入设备）。

在过去几年时间里，我们还见过一种‘ 锶基核电池 ’（strontium-based），它能够分解水分子来发电；另有一种寿命长达 20 年的‘ 纳米氚 ’（NanoTritium）电池。

不过由莫斯科物理技术学院（MIPT）、超硬和新型碳材料技术研究所（TISNCM）、以及国家科学技术大学 MISIS 联合开发的新式核电池，却采用了基于镍-63的设计。

该放射性同位素的半衰期超过了 100 年，研究团队设计了一种崭新的布局，以提升电池的功率密度。 他们确定，如果将它包裹在 10 μm 厚的三明治结构中，镍-63的最有效层厚度为 2 μm 。

上图为新式核电池原型（via：超硬与新型碳材料技术研究所）

在他们的原型中，包含了 200 个这样的‘钻石能源转换器’，并实现了 1 μW 的输出功率。 换算的能量密度为 10 μW/cm?，意味着它可以为一个现代的心脏起搏器提供动力。

考虑到镍-63的半衰期，该核电池拥有 3300 mWh/g 的能量密度，是传统化学电池的 10 倍以上。

此外，研究人员开发了一种更高效的方法，能够以最小的损耗来批量生产钻石薄层。 虽然生产镍-63在很大程度上可能是棘手的，但团队对 10 年后的工业化规模生产很有信心。

在未来，该团队计划继续改进核电池的设计，并已确定了一些提高电池功率的方法。 其中包括富镍-63、改变钻石转换器的结构、以及给予这些转换器更大的表面积。

【研究配图：a 为放射性镍箔与材料厚度的关系，b 为钻石换能器的电子吸收效率和厚度的关系（via：MIPT）】

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《钻石与相关材料》（ Diamond and Related Materials ）期刊上。 原标题为：

《High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes》