從使用100年到大幅提高能量密度，核電池又火起來了

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環球零碳

碳中和領域的《新青年》

首圖來源：Shutterstock

撰文：Penn

編輯：小瀾

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20世紀30年代，人們開始了從原子核獲得能量的研究，40年代建成核反應堆，50年代建成核電站，以后核能開發技術日趨成熟。

半個世紀前人們就有了靠核能工作的小型設備，此后常常有人提問：什么時候我們才能在日常生活中用上“永不斷電”的核電池？核電池也自然成為了科研人員核能研究的新方向之一。

核電池又稱射性同位素電池，是一種利用放射性同位素衰變放出載能粒子（如α粒子β粒子和γ射線）能量或由它們引發的熱效應、光效應或電離作用等來產生電能的一種裝置。

它并非是一個全新的概念，事實上，核電池已經存在多年。過去六十年間，核電池已成功運用于軍事衛星、水下監聽器與偏遠難以派人值守的導航、氣象探測設施，甚至被美國宇航局的“毅力號”和“好奇號”火星車帶到了火星。

另一種放射性電池也已經用于醫療植入設備和傳感器，用于心臟起搏器的核電池可直接植入人體，只要做好密封保護并不會對人體造成任何傷害。

由于其工作時間可長達數年，且毋須人力進行看管與進行維護，燃料電池、化學電池與太陽能電池難以望其項背。但目前的核電池設備都面臨著同樣的問題：能量轉換效率和能量密度低。

近日，核電池領域的研究迎來了一些新的進展，有望打破核電池能量轉換效率低的局限，大幅提升器件的效率和使用壽命。美國核材料公司NRD LLC推出了一種固態核電池，聲稱該電池無需維護即可持續供電超過一個世紀。

與此同時，聚變能源初創公司Avalanche Energy則贏得了一份價值520萬美元的合同，將制造能夠為筆記本電腦級系統供電數月的放射性電池。這種電池重量僅為幾公斤，能量密度卻超過每公斤10瓦。

圖說：核電池示意圖

來源：City Lab

目前，鋰離子電池的應用范圍非常廣泛，從可穿戴設備到電網級儲能設施都離不開它，其能量密度極高，每公斤可儲存高達300瓦時（Wh）的能量。

相比之下，放射性核電池每公斤僅能產生約2瓦時的能量，其能量轉換效率仍僅在5%到10%之間，造價昂貴與放射性污染等問題，使得其運用受到相當程度制約。

近日，聚變能源初創公司Avalanche Energy贏得了一份價值520萬美元（約合人民幣3546萬元）的合同，該合同是美國國防高級研究計劃局（DARPA）“輻射到瓦特”（Rads to Watts）計劃的一部分，旨在制造下一代更緊湊、更耐用、能量密度更高的核電池。

Avalanche Energy將在這份合同下制造一種放射性核電池，該電池可為筆記本電腦級別的系統供電數月，能量密度將超過每公斤10瓦。這對于放射性電池而言，是一次功率輸出的重大飛躍。

據悉，Avalanche Energy將致力于研發固態微加工核電池，這種電池能夠將放射性同位素釋放的α粒子轉化為電能（α伏電池）。這與光伏電池將太陽光轉化為電能的原理非常相似。這些電池可以將α粒子的動能轉化為可用電能，為筆記本電腦級別的設備供電。

Avalanche公司將利用粒子加速器和活性放射性同位素測試電池的運行穩定性。在項目進行期間，Avalanche 將制造出抗降解的微芯片，這些芯片將用于 α 伏電池，并最終用于聚變裝置。

該公司在新聞稿中表示，“產生高能α粒子的同一批聚變裝置也將產生高能中子。產生的中子也能有效地制造Rads to Watts計劃所需的放射性同位素，從而圍繞Avalanche的核心聚變平臺形成一個增強的供應和技術飛輪。”

圖說：Avalanche Energy研制的早期原型放射光伏轉換器

來源：Avalanche Energy

與此同時，美國核材料公司NRD LLC推出了一種固態核電池，聲稱該電池無需維護即可持續供電超過一個世紀。該設備針對的是在偏遠或難以維護的環境中運行的超低功耗電子設備。

NRD LLC 表示，其 NBV 系列產品采用鎳-63 驅動的β伏特設計，通過放射性衰變產生電力。該系統采用固態架構密封，β伏特裝置將β衰變過程中釋放的能量轉化為電流。

與傳統電池不同，它們依靠持續衰減過程，使其能夠在極低功率水平下長時間運行。NRD 聲稱該電池可提供 5 納瓦至 500 納瓦的功率輸出，其較長使用壽命取決于鎳-63的半衰期。

該設備的工作電壓范圍為 1.0 V 至 20.0 V，標稱電流范圍為 7.5 nA 至 33 nA，尺寸緊湊，為 20 mm x 20 mm x 12 mm。這些規格使該設備穩居超低功耗類別，使其適用于需要持續但最小能量輸入的傳感器、數據記錄系統和監控設備。

該公司表示，該系統旨在用于工業監控、環境傳感和安全系統，以及需要持續低功率來維持系統狀態的人工智能自主平臺。此外，該電池還適用于遠程部署，包括基礎設施監控和長期健康跟蹤系統，在這些情況下，維護工作可能很困難或不可能。

圖說：貝塔伏特微型原子能電池

來源：貝塔伏特

除了美國，近幾年，我國在核電池領域也取得了新的突破。

2024年1月，北京貝塔伏特新能科技有限公司（以下簡稱“貝塔伏特”）宣布研制出微型原子能電池。研發團隊利用鎳63核同位素衰變技術和金剛石半導體，將原子能電池小型化、模塊化、低成本化。

該技術為：透過放射源鎳-63 發射的β 粒子的半導體躍遷產生電流。貝塔伏特團隊開發出只有10 微米的單晶鉆石半導體，把一個2 微米厚的鎳-63 薄片放在兩個鉆石半導體轉換器之間，將放射源的衰變能量轉換為電流。

該公司的首個產品——BV100電池的功率是100微瓦，電壓3伏，體積是15×15×5立方毫米，比一枚硬幣還小。貝塔伏特公司董事長兼首席執行官張偉表示，新式核電池可以實現50年穩定發電，無需充電、無需維護，不產生外部輻射。

核電池具備的可靠、長效等技術優勢其他電池難以取代，雖然從實驗室到實際應用還有很長的一段路要走，但未來永不充電的手機和沒有續航焦慮的新能源車仍然值得期待

參考材料：

[1]https://interestingengineering.com/energy/breakthrough-lithium-air-battery-catalyst-for-evs

[2]https://interestingengineering.com/energy/darpa-5m-contract-radioactive-batteries-space

[3]https://interestingengineering.com/energy/nrd-nuclear-battery-nbv

[4]https://www.stdaily.com/web/gdxw/2026-03/26/content_493061.html

[5]https://www.news.cn/auto/20240109/fbed57e1d42d4a63ab32264493e20859/c.html

[6]https://user.guancha.cn/main/content?id=1171884

[7]https://www.nacleanenergy.com/energy-storage/nrd-llc-announces-release-of-solid-state-nuclear-battery-power-cell-designed-for-100-years-of-ultra-low-power-operation

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