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環(huán)球零碳

碳中和領域的《新青年》

首圖來源：Shutterstock

撰文：Penn

編輯：小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1955篇原創(chuàng)

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(fā)技術(shù)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(fā)的熱效應、光效應或電離作用等來產(chǎn)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(jīng)存在多年。過去六十年間，核電池已成功運用于軍事衛(wèi)星、水下監(jiān)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(jīng)用于醫(yī)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tài)核電池，聲稱該電池無需維護即可持續(xù)供電超過一個世紀。

與此同時，聚變能源初創(chuàng)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(tǒng)供電數(shù)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(wǎng)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(chǎn)生約2瓦時的能量，其能量轉(zhuǎn)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(chuàng)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(tǒng)供電數(shù)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(jù)悉，Avalanche Energy將致力于研發(fā)固態(tài)微加工核電池，這種電池能夠?qū)⒎派湫酝凰蒯尫诺摩亮Ｗ愚D(zhuǎn)化為電能（α伏電池）。這與光伏電池將太陽光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wěn)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(chǎn)生高能α粒子的同一批聚變裝置也將產(chǎn)生高能中子。產(chǎn)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(shù)飛輪?！?/p>

圖說：Avalanche Energy研制的早期原型放射光伏轉(zhuǎn)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(tài)核電池，聲稱該電池無需維護即可持續(xù)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(huán)境中運行的超低功耗電子設備。

NRD LLC 表示，其 NBV 系列產(chǎn)品采用鎳-63 驅(qū)動的β伏特設計，通過放射性衰變產(chǎn)生電力。該系統(tǒng)采用固態(tài)架構(gòu)密封，β伏特裝置將β衰變過程中釋放的能量轉(zhuǎn)化為電流。

與傳統(tǒng)電池不同，它們依靠持續(xù)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(guī)格使該設備穩(wěn)居超低功耗類別，使其適用于需要持續(xù)但最小能量輸入的傳感器、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和監(jiān)控設備。

該公司表示，該系統(tǒng)旨在用于工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境傳感和安全系統(tǒng)，以及需要持續(xù)低功率來維持系統(tǒng)狀態(tài)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(jiān)控和長期健康跟蹤系統(tǒng)，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(fā)團隊利用鎳63核同位素衰變技術(shù)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(shù)為：透過放射源鎳-63 發(fā)射的β 粒子的半導體躍遷產(chǎn)生電流。貝塔伏特團隊開發(fā)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(zhuǎn)換器之間，將放射源的衰變能量轉(zhuǎn)換為電流。

該公司的首個產(chǎn)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(zhí)行官張偉表示，新式核電池可以實現(xiàn)50年穩(wěn)定發(fā)電，無需充電、無需維護，不產(chǎn)生外部輻射。

核電池具備的可靠、長效等技術(shù)優(yōu)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(xù)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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