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近日，位于美国加州的 Infinity Power 公司宣布，在美国国防部支持下，已成功研发出一种利用电化学能量转换的非常强大且持久的核电池。
该公司表示：“这种电池利用放射性同位素发电，总效率可达 60%，与其他效率较低（<10%）的放射性同位素能量转换方法相比，它标志着迄今为止实现的最高总体效率水平。这表明，下一代放射性同位素电源即将投入商业化，这给我们带来了巨大的希望。”
该公司声称，其“微型纽扣电池式设备可以提供数十毫瓦的电力，可持续使用 100 多年”。Infinity Power 表示，其技术具有可扩展性，可实现从纳瓦到千瓦甚至更大的大范围发电。
什么是核电池？
近年来，核电池像AI（ChatGPT）一样，突然就高歌猛进实现突破了？各类媒体不断宣称手机再不用充电，新能源汽车也没有续航焦虑，那么问题是，我们什么时候才能在日常生活中用上“永不断电”的核电池？
事实上，核电池并不是个新鲜事物，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。第一起应用案例是在上世纪60年代，它就已经被应用到了心脏起搏器上。
核电池，也称为放射性同位素电池，其工作原理是利用核同位素衰变释放的能量，并通过半导体转换器将其转化为电能，常用的半导体材料主要是碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等。另外还得有一个合适的热源和换能器，在热源和换能器之间形成温差才可发电。
这种很大的能量有两个令人喜爱的特点。一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此，核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长，这决定了放射性同位素电池可长期使用。放射性同位素电池采用的放射性同位素主要有锶－90（Sr－90，半衰期为28年）、钚－238（Pu－238，半衰期 89.6年）、钋－210（Po-210半衰期为138.4天）、镍-63（Ni-63，半衰期有100年）等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。
核电池主要有两种类型：
放射性同位素热电发电机 (RTG)：利用热电偶将放射性衰变产生的热量转化为电能。因其可靠性和长寿命而常用于航天器。
贝塔伏特电池：利用半导体将贝塔粒子的能量直接转化为电能。能量转换效率比 RTG 更高，体积更小，适合用于微型电子设备。
这种核电池具有超长使用寿命、体积小、结构紧凑、比功率高、可靠性强和不易受环境影响等独特优点，可以为植入式医疗设备、深海电力、太空应用、远程电力系统和微电网电力系统等设备供电，无需中断加油或充电，无论外部条件如何，都能提供稳定的低电平电源，不受阳光或温度波动的影响，适合偏远地区或恶劣环境。
目前，参与该领域的公司主要有City Labs、 Nano Diamond Battery (NBD)、 Betavolt、Infinity Power等等。
此次，Infinity Power推出的新款核电池，不同于使用半导体与相邻放射性同位素板或层的传统转换器，该公司表示其电池采用的是新颖的电化学能量转换。Infinity Power 创始人兼首席执行官 Jae W. Kwon 强调，这种方法利用高效的能量转换机制来产生强大的电力。为了确保安全并防止泄漏，采用了复杂的容器设计。这一技术具有可扩展性，可以实现从纳瓦到千瓦级的电功率输出。
Infinity Power 创始人兼首席执行官 Jae W. Kwon 表示：“我们的目标是引导这一发现走向成功的产品发布，并开启革命性核能存储解决方案历史的新篇章。”
核电池发展推动发电进入“钻石时代”
无独有偶，核电领域另一热门选手，金刚石电池同样备受关注，常上热搜！我们也对比下这两次突破的区别。
据了解，放射性金刚石电池于 2016 年，由英国布里斯托大学（University of Bristol）卡博特环境研究所的科学家团队开发。利用核废料制成一种人造钻石，将其放入辐射场中能够产生微弱的电流，自此，发电开始进入“钻石时代”！
今年 1 月，中国北京贝塔伏特新能源技术有限公司宣布开发出一种微型核电池，可以稳定、自主地发电 50 年，无需充电或维护。该公司表示，这种电池目前处于试验阶段，将投入市场批量生产。
这款产品名为BV100，是一个电压3V，尺寸为15×15×5立方毫米的微型核能电池。“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”等词语在各类媒体报道中屡见不鲜，着实给人以不明觉厉之感。
这款核电池被称为世界上第一个微型原子能系统，它利用 镍-63（28个质子，35个中子），紧凑地排列在一个比硬币还小的模块内。
我们都知道镍-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。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。
整个过程类似于光伏发电，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。
目前，Betavolt 开发的初始核电池可提供 100 微瓦的功率。但这功率远远不够！不过，该公司计划到 2025 年生产功率为 1 瓦的电池。这些电池体积小，可以连接多个单元，从而增加功率输出。Betavolt 设想了一个未来，手机永远不需要充电，无人机可以无限飞行。
另外，还有一家美国初创公司NDB（Nano-Diamond Battery）早在2020年宣称，创造出了世界首个能够实现任何环境下运行，并且自充电可持续成千上万年的纳米金刚石核电池。并且完成了概念验证测试。
但该企业于 2023 年被美国证券交易委员会起诉，指控 NDB 及其首席执行官 Nima Golsharifi 在 2020 年 8 月的新闻稿中声称已在两个实验室测试了其电池技术并已获得首批 beta 客户，但事实并非如此，并从投资者那里筹集了超过 120 万美元。
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究竟放射性金刚石电池是否是核废料的最终或者较好的解决方案，也有待进一步观察。目前，通用核电池的短期内很难替代锂离子等电池，传统电池在成本、安全性方面仍具有一定优势。
但不管怎么说，如今，随着各种电子设备、电动汽车等的普及，人类也正执行月球、火星等太空探索任务，人们对电池技术的研究需求日益增长，放射性金刚石电池或是实现可持续未来的一种选择，其发展前景值得期待！
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