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。

图：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,但是低功率密度也意味着只能‘细水长流’。

图：新式核电池原型的结构图(via:V.Bormashovetal.)

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10μm厚的三明治结构中,镍-63的最有效层厚度为2μm。

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1μW的输出功率。换算的能量密度为10μW/cm3；,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3300mWh/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》期刊上。

文章链接：

V.S.Bormashov, et al, "High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes," Diamond and Related Materials, Volume 84, April 2018, Pages 41-47

（本文来源：MIPT；）