揭秘民用核电池：50年稳定自发电，幻想还是现实？
界面新闻记者 | 戴晶晶想象一个不再受限于电池续航能力的未来：智能手机无需再充电，无人机能够持久飞行，各种人工智能设备、医疗器械和微型机电系统等都能在不间断的运行中发挥最大效用。最近，一家位于北京的初创企业——北京贝塔伏特新能科技有限公司(下称北京贝塔伏特)宣布，该公司已成功研制出民用微型原子能电池，能50年稳定自发电，无需充电或维护，未来推向市场的产品可以帮助实现以上美好的设想。原子能电池是一种物理电池，又称核电池或放射性同位素电池，是将放射性同位素衰变时释放能量转换为电能的一种装置。该公司将推出的首款产品为BV100，功率100微瓦，电压3V，体积是15x15x5立方毫米，比一枚硬币还小。北京贝塔伏特表示，这是全球首块即将量产的核电池。从技术层面看，这也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。前景看起来很美好，但仍有许多未解之处。这家“横空出世”的北京贝塔伏特公司是什么来头？该产品真的具有突破性吗？安全性如何？早已问世的核电池，为何民用进程迟迟无法推进，又何论颠覆锂电池？ BV100的部件组成，图片来源：北京贝塔伏特 一、核能电池是什么？核电池不是什么新鲜事物，已经历了一个多世纪的发展，并被人们成功应用在了航空航天和医学等领域。由于放射性同位素衰变过程连续不断且不受环境影响，核电池通常具有稳定可靠、无需人工干预和能量密度高等优势，且部分放射源半衰期长达几十年或几百年，能保证核电池有较长的工作寿命。技术最成熟且最早应用核电池种类为放射性同位素温差发电机(RTG)，已在诸多航空项目中部署，如美国1977年发射的“旅行者1号”航天器就携带了将钚-238作为燃料的RTG，助力其成为离地球最远和飞行速度最快的人造卫星。2013年和2018年，中国发射的嫦娥三号、四号月球着陆器上也搭载了RTG同位素电池。RTG属于热转换式核电池，是将衰变产生的热能转换为电能。但由于RTG体积很大，且造价高昂，应用领域有限，因此科学家开始研制小型RTG和采用其他能量转换模式的微型核电池，并同时追求更高的转换效率和安全性。二、民用核能电池进展如何？非热转换式核电池是指将放射性同位素放出的带电粒子或产生的衰变能直接或间接地转换成电能，其中辐射伏特效应核电池受到较多关注，随着半导体材料的发展，被认为具有商业化潜力，通常使用β射线源。早在十多年前，美国佛罗里达州City Labs实验室就成功研发了一种以氚为基料的辐射伏特效应核电池，名为“Nano Tritium”。氚是一种氢同位素，会自发地发生β衰变。该电池号称可以连续工作至少20年而不需要充电，甚至2013年在中国的电商平台上以6980元的价格出现，标注为“无辐射的民用核电池”。City Labs实验室官网显示，目前其NanoTritium电池系列产品可以为纳米瓦和微瓦设备供电，用于商业或科学用途。每块电池的基本价格为5250美元起(约合人民币3.77万元)，批量订购提供折扣。该公司同时表示，由于核电池当前应用有限，一般普通人没有理由购买，所以它通常与对该技术感兴趣的企业或科学组织打交道。此外，英国公司Arkenlight和美国加州的新能源初创公司NDB均聚焦碳-14同位素，通过辐射伏特效应开发钻石核能电池。Arkenlight承认，该电池供电能力有限，无法驱动手机或汽车，但希望可以用于低耗电的高功率设备或传感器中。该公司计划2024年将电池产品装载在设备上。NDB则在2020年就宣称其研制的电池可以收集40％左右的电荷，在不需要充电的情境下，持续使用时间能达到2.8万年。但截至目前，该公司还未宣布产品的商用。无论是Arkenlight还是NDB，它们研制的核能电池，均处于前期开发阶段。3、北京贝塔伏特是什么来头？据界面新闻了解，北京贝塔伏特成立于2021年4月，注册地为亦庄经济开发区。法人是俄罗斯人穆索夫·扎乌尔(MUSOV ZAUR)，中文名张伟，同时担任该公司董事长兼CEO。天眼查APP显示，1月15日，北京贝塔伏特更新注册信息显示，公司注册资本1亿元，实缴资本530万元。此前，该公司注册资本为10亿元。“目前CEO和负责基础研发的专家都回俄罗斯了，等春节后会有正式面向外界的介绍。”北京贝塔伏特一位不愿具名的负责人对界面新闻表示，具体产品将在此后亮相。从北京贝塔伏特申请的专利来看，该公司技术主要来自于俄罗斯的团队。上述负责人表示，该公司属于中国内资公司，总部在北京，未来将在莫斯科设立分公司。该专利名称为《一种核电池及其制造方法》，目前处于实质审查状态。 图片来源：天眼查北京贝塔伏特表示，它既是一家新能源公司，也是一家第四代半导体和超长碳纳米管新材料公司。“核电池、金刚石半导体和超级电容器，三大技术和材料链接与融合，形成了贝塔伏特的核心技术和创新能力。”该公司称。去年11月，四川绵阳市经济合作局官微“投资绵阳”发布的消息显示，当月7日，游仙区2023年第四季度项目集中签约仪式举行，其中游仙区与北京贝塔伏特公司签约50亿元的创新高科技项目战略合作协议框架。 图片来源：北京贝塔伏特官网 4. 北京贝塔伏特的产品是什么？北京贝塔伏特研发的核电池也是一种辐射伏特效应电池，通过放射源镍-63发射的β粒子(电子)的半导体跃迁产生电流。为此，该公司开发了一种单晶金刚石半导体，厚度为10微米，把一个2微米厚的镍-63薄片放在两个金刚石半导体转换器之间，将放射源的衰变能量转化为电流，形成一个独立的单元。北京贝塔伏特表示，高效率金刚石转换器是制造核电池的关键，该公司电池的核心是第四代金刚石半导体。该公司也是全球目前唯一一个能够掺杂制作大尺寸金刚石半导体材料的公司。“核电池是模块化的，可以由几十个或几百个独立的单元模块组成，并可以串并联使用，因此可以制造不同尺寸和容量功率的电池产品。”该公司称。这与俄罗斯此前公布的技术基本一致。2018年，俄罗斯科研团队制作了包括镍-63和金刚石能源转换器的核电池原型，论文发表于《DIAMOND AND RELATED MATERIALS》期刊。该团队的结论是，如果将镍-63夹在厚度为10微米的金刚石二极管之间，镍-63层在厚度仅为2微米时最有效。这一核电池原型在0.9V时，实现了约0.93微瓦的最大输出功率，体积为5x5x3.5立方毫米。1微瓦已足够为心脏起搏器提供动力。目前尚不确认，北京贝塔伏特公司与上述俄罗斯科研团队的关系。北京贝塔伏特的BV100，功率为100微瓦，等于万分之一瓦。作为对比，当前手机在重负载下的典型功耗是8瓦，平时约为5瓦。该公司计划在2025年推出功率为1瓦的电池。如果成功推出，这将是目前功率最大的民用核电池。该公司负责人对界面新闻表示，这将通过金刚石半导体尺寸改变，核同位素材料变化和P-N结技术的采用来实现。“1瓦的电池绝对不是1万块100微瓦的电池叠片在一起，是新技术和新材料的创新组合。”该负责人称。对于北京贝塔伏特推出的核电池，某高校物理学教授向界面新闻表示，放射源管理严格，且成本高昂。此外，金刚石半导体工艺复杂，目前国内还没有N型掺杂工艺的技术突破。5、这款产品安全吗？核辐射是核能利用的首要考虑因素，核能电池领域也存在着一定安全风险。例如，钚238除了本身具有放射性外，本身也是剧毒物质。1964年，美国发射Transit-5BN-3卫星失败，在重返大气层时燃烧美体，其同位素电池中的钚238燃料释放到大气中，造成了非常严重的污染。目前，α和β衰变核素衰变过程中释放的粒子射程相对较短，辐射较容易阻隔。北京贝塔伏特公司表示，该公司开发的原子能电池绝对安全，没有外部辐射，适合用于人体内的心脏起搏器、人工心脏和耳蜗等医疗设备。同时，在衰变期后，作为放射源的镍63同位素变成铜的稳定同位素，不具有放射性，对环境不构成任何威胁或污染。上述物理学教授表示，单从放射性角度来讲，贝塔辐射电池中纯β粒子射程非常短，不存在安全性的问题。如果北京贝塔伏特使用镍-63来制作电池，核电池本身辐射防护的安全性可以保证。6、能颠覆锂电池吗？考虑到镍-63的半衰期为100年，BV100并非不可能实现50年的使用寿命。根据吉林大学李潇祎、陆景彬等学者2020年12月发表在《原子核物理评论》文章的介绍，β辐射伏特效应核电池的寿命主要取决于两部分：一是能量损耗情况，由放射源的特性决定，称为理论寿命；二是辐射损伤情况，由半导体材料及期间的整体特性决定，称为工作寿命。北京贝塔伏特表示，该公司研制的核电池每克约有3300毫瓦时的电力，能量密度是三元锂电池的10倍以上。这引发了核电池将颠覆锂电池行业的讨论。上述物理学教授表示，原理上核电池能量密度是可以比锂电池高出很多倍，但并不代表核能电池能够在所有领域有效取代锂电池。此外，锂电池目前也有很多研究进展，出于安全性和成本等考虑，核电池不太能短期内在民用方面取代锂电池。从历史上看，由于低性价比和安全性，实际上锂电池一度取代了核能电池。上世纪70年代，有公司将钷147同位素用于心脏起搏器，虽然钷147同位素也属于β衰变，但过程中会释放γ射线，需要增加大量成本屏蔽辐射。此外，病人去世后火化也可能出现放射性物质的泄漏问题，于是锂电池取代核电池应用在这一领域。7、量产前景如何？除了在技术上的不确定性，上述物理学教授指出，放射源管理严格，如需量产获取渠道会是一个大问题。根据中国《放射性同位素与射线装置安全和防护条例》和《放射性同位素与射线装置安全许可管理办法》，放射源的豁免必须持有备案证明文件，须经过审批。从成本来看，镍-63同位素不存在于自然界，需要通过在核反应堆内照射镍-62等处理才能获得。根据《国际核工程》期刊网站的文章 ，1克放射性镍-63的价格约为4000美元(约合人民币2.87万元)。因此，如能实现量产，上述核电池的售价会很高。不过，镍-63放射性较低，生态环境部近年也有给部分企业仪器中镍-63放射源实行豁免管理的例子。面对近期的质疑，该公司负责人对界面新闻表示，手机等快消品不是北京贝塔伏特最近两三年要服务的市场，要综合各方面的考虑：一是要看国家法规，标准和产业政策，二是看电池各项性能的进一步突破，三是看成本如何不断降低。“心脏起搏器，微型无人机和微型机电系统也属于民用领域。”该负责人称。北京贝塔伏特公司称，已经与中国专业核研究机构和大学进行沟通，计划继续研究采用锶90、钷147和氘等同位素，研制更高功率、使用寿命为2-30年的原子能电池。
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