盡管鋰電池技術(shù)已經(jīng)在人們的日常生活中無處不在,但在能量密度的提升上,它似乎已逐漸接近瓶頸。為了實現(xiàn)“數(shù)十年換一次電池”的目標(biāo),科學(xué)家開始將目光放到新式核電池的開發(fā)上,只是當(dāng)前原型裝置的能量密度偏低,距離實用還有一段距離。好消息是,俄羅斯研究人員,剛剛開發(fā)出了一種基于鎳-63的新型核電池設(shè)計,其具有比普通市售電池更高的能量密度。

俄羅斯研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一種能量密度遠(yuǎn)超其它裝置的核電池原型(via:MIPT)

由于任何散逸的核材料都可能在環(huán)境中保持幾十年(甚至幾個世紀(jì))的危險放射,核電一直存在著極大的爭議。

不過基于同樣的道理,如果我們能夠適當(dāng)?shù)乩眠@種特性,就可以讓核電裝置緩慢而持續(xù)地釋放出能量:

一些核電池是基于‘射線電池’(betavoltaics)的原理,裝置內(nèi)的放射源衰減并發(fā)射β粒子(電子和正電子)。

當(dāng)他們與半導(dǎo)體層相互作用時,就可以產(chǎn)生電流。遺憾的是,盡管這些電池可以長時間地持續(xù)提供能量,但第功率密度也意味著只能‘細(xì)水長流’。

新式核電池原型的結(jié)構(gòu)圖(via:V.Bormashovetal.)

長時間提供相對較低的能量,使得核動力電源更加適用于那些難以更換電池的應(yīng)用(比如航天器或起搏器等植入設(shè)備)。

在過去幾年時間里,我們還見過一種‘鍶基核電池’(strontium-based),它能夠分解水分子來發(fā)電；另有一種壽命長達(dá)20年的‘納米氚’(NanoTritium)電池。

不過由莫斯科物理技術(shù)學(xué)院(MIPT)、超硬和新型碳材料技術(shù)研究所(TISNCM)、以及國家科學(xué)技術(shù)大學(xué)MISIS聯(lián)合開發(fā)的新式核電池,卻采用了基于鎳-63的設(shè)計。

該放射性同位素的半衰期超過了100年,研究團(tuán)隊設(shè)計了一種嶄新的布局,以提升電池的功率密度。他們確定,如果將它包裹在10μm厚的三明治結(jié)構(gòu)中,鎳-63的最有效層厚度為2μm。

在他們的原型中,包含了200個這樣的‘鉆石能源轉(zhuǎn)換器’,并實現(xiàn)了1μW的輸出功率。換算的能量密度為10μW/cm3；,意味著它可以為一個現(xiàn)代的心臟起搏器提供動力。

考慮到鎳-63的半衰期,該核電池?fù)碛?300mWh/g的能量密度,是傳統(tǒng)化學(xué)電池的10倍以上。

此外,研究人員開發(fā)了一種更高效的方法,能夠以最小的損耗來批量生產(chǎn)鉆石薄層。雖然生產(chǎn)鎳-63在很大程度上可能是棘手的,但團(tuán)隊對10年后的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)很有信心。

在未來,該團(tuán)隊計劃繼續(xù)改進(jìn)核電池的設(shè)計,并已確定了一些提高電池功率的方法。其中包括富鎳-63、改變鉆石轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)、以及給予這些轉(zhuǎn)換器更大的表面積。