俄科学家研制大容量核电池：电能达化学电池10倍 续航百年

近期，俄罗斯研究人员开发出了一种能量密度远超其它电池的核电池原型，其电能是一般商用化学电池的10倍。这项科研成果由莫斯科物理技术学院( MIPT )、超硬和新型碳材料技术学院( TISNCM )和国家科技大学missis的俄罗斯研究人员发表在2018年4月份的学术期刊《金刚石与相关材料》上。

由TISNCM主任、MIPT纳米结构物理和化学系主任弗拉基米尔·布兰克率领的一个研究小组开发并制造了一种以镍- 63为辐射源、肖特基势垒型金刚石二极管为能量转换源的倍他伏打(betavoltaics)电池。

原型电池的输出功率约为1微瓦，而每立方厘米的功率密度为10微瓦，足以满足现代人工起搏器的需要。镍- 63的半衰期为100年，因此每克电池可提供3300毫瓦小时的电能，是电化学电池的10倍。

2016年，MISIS的俄罗斯研究人员已经提出了一种基于镍- 63的原型倍他伏打电池，并在Atomexpo 2017上展示。该电池是基于TISNCM和LUCH创建的另一个工作原型，它的有效体积为1.5立方厘米。

镍- 63核电池制造技术

核电池原型由200个金刚石转换器组成，中间夹有镍- 63和稳定的镍箔层。转换器产生的功率量取决于镍箔的厚度和转换器本身，因为两者都影响吸收的β粒子的数量。目前可用的核电池原型由于体积过大而优化不佳。如果β辐射源太厚，它发射的电子就无法逃逸。这种效应被称为自吸收。然而，随着源变薄，每单位时间经历β衰变的原子数量成比例地减少。类似的推理也适用于转换器的厚度。

新式核电池原型的结构图

研究人员的目标是使他们的镍- 63电池的功率密度最大化。为此，他们对电子通过β源和转换器进行了数值模拟。结果表明，镍- 63源在厚度为2微米时最有效，基于肖特基势垒金刚石二极管的转换器的最佳厚度约为10微米。

主要技术挑战是制造大量内部结构复杂的金刚石转换电池。每个转换器只有几十微米厚，就像超市里的塑料袋。常规的机械和离子金刚石减薄技术不适合这一任务。TISNCM和MIPT的研究人员开发了一种独特的技术，用于在金刚石衬底上合成薄金刚石板，并将其分割成批量生产超薄转换器。

该小组使用20个厚的掺硼金刚石晶体板作为衬底。它们是在高压下使用温度梯度技术做成。离子注入用于在衬底中约700纳米深度处产生100纳米厚的缺陷“受损”层。使用化学气相沉积在该层顶部生长15微米厚的掺硼金刚石膜。然后对衬底进行高温退火，以诱发掩埋缺陷层的石墨化并恢复顶部金刚石层。采用电化学蚀刻去除损伤层。在通过蚀刻分离缺陷层之后，半成品转换器装配有欧姆接触和肖特基接触。

随着操作的重复，每个循环的衬底厚度损失不超过1微米，在20个衬底上安装了200个转换器。这一新技术从经济的角度来看尤为重要，因为高质量的金刚石衬底非常昂贵，通过衬底减薄批量生产转换器是不可行的。

所有转换器并联在一个堆栈中。2微米厚的镍箔轧制技术是由研究机构和科学工业协会LUCH开发的。电池用环氧树脂密封。电池的开路电压和短路电流分别为1.02伏和1.27微安。0.93微瓦的最大输出功率是在0.92伏下获得的。这一功率输出相当于每克约3300毫瓦小时的比功率，是商用化学电池以及由TISNCM先前设计的镍- 63核电池的10倍。

新型核电池样本

核电池应用前景展望

这款新研制出的核电池在医疗领域和空间探索领域均有很大的应用前景。

大多数最先进的心脏起搏器尺寸超过10立方厘米，需要大约10微瓦的功率。这意味着新的核电池可以用来为这些装置提供动力，并且不会对它们的设计和尺寸产生任何重大变化。不需要更换或维修电池的“永久起搏器”将改善患者的生活质量。

太空工业也将从小型核子电池中获益匪浅。尤其是那些需要用于航天器的具有集成电源系统的自主无线外部传感器和存储器芯片。金刚石是最防辐射的半导体之一。因它也有很大的带隙，所以它可以在很宽的温度范围内工作，使它成为为航天器提供动力的核电池的理想材料。

研究人员正计划继续研究核子电池。他们已经确定了几个应该进行调查的领域。首先，在辐射源中富集镍- 63将按比例增加电池功率。其次，开发具有受控掺杂轮廓的金刚石p - I - n结构将提高电压，因此可以将电池的功率输出增加至少3倍。第三，增加转换器的表面积将增加每个转换器上的镍- 63原子的数量。

俄罗斯核电商业化的主要挫折是缺乏镍- 63生产和浓缩设施。不过，该国仍计划在2020年中期前开始工业规模的镍- 63生产。

传统电池技术局限

为时钟、手电筒、玩具和其他电气设备供电的普通电池使用所谓氧化还原化学反应获得能量，其中电子通过电解质从一个电极转移到另一个电极。这导致电极之间的电势差。两个电池端子通过导体连接，电子开始流动以去除电势差，从而产生电流。化学电池又称原电池，其特点是高功率密度(即产生的电流功率与电池体积之比)。

然而，化学电池放电时间较短，限制了它们在自主装置中的应用。这些电池中有些被称为蓄电池，是可充电的，但即使是充电也需要定期更换电池。对于心脏起搏器或者为航天器供电的时候，这一缺点非常“致命”。

幸运的是，化学反应只是可能的电力来源之一。1913年，亨利·莫斯利发明了第一台基于放射性衰变的发电机。他的核子电池是由一个玻璃球体组成，球体内部镀银，中间安装镭发射器，在一个孤立的电极上。镭的β衰变产生的电子在银膜和中心电极之间造成电势差。然而，该装置的闲置电压太高——几十千伏——而且电流对于实际应用来说太低。

1953年，Paul Rappaport提出使用半导体材料将β衰变的能量转换成电能。由放射源发射的β粒子——电子和正电子——电离半导体的原子，产生未补偿的电荷载流子。在p - n结构的静电场存在下，电荷沿一个方向流动，从而产生电流。由β衰变提供动力的电池被称为β伏打电池。

倍他伏电池(betavoltaics)又称“射线电池”，它优于原电池的主要特点是它们的寿命。用于核电池的放射性同位素的半衰期从几十年到几百年不等，所以它们的功率输出在很长一段时间内几乎保持不变。不幸的是，倍他伏打电池的功率密度明显低于其对应的电流密度。尽管如此，在被廉价的锂离子电池逐步淘汰之前， 70年代还是使用倍他伏电池打为心脏起搏器供电。

倍他伏打电源不应与放射性同位素热电发电机或RTGs混淆，虽然后者也称为核电池，但其工作原理不同。热电电池利用热电偶将放射性衰变释放的热量转换成电能。由于热电能源寿命长，设计相对简单，因此被广泛用于为“新视野”号和“好奇号”火星探测车等航天器提供动力。RTGs以前也用于无人值守的远程设施，如灯塔和自动气象站。但是，这种做法后来被放弃了，因为其用过的放射性燃料很难回收，并且容易泄漏到环境中。