尽管锂电池技术已经在人们的日常生活中无处不在,但在能量密度的提升上,它似乎已逐渐接近瓶颈。为了实现“数十年换一次电池”的目标,科学家开始将目光放到新式核电池的开发上,只是当前原型装置的能量密度偏低,距离实用还有一段距离。好消息是,俄罗斯研究人员,刚刚开发出了一种基于镍-63的新型核电池设计,其具有比普通市售电池更高的能量密度。
由于任何散逸的核材料都可能在环境中保持几十年(甚至几个世纪)的危险放射,核电一直存在着极大的争议。
不过基于同样的道理,如果我们能够适当地利用这种特性,就可以让核电装置缓慢而持续地释放出能量:
一些核电池是基于‘射线电池’(betavoltaics)的原理,装置内的放射源衰减并发射β粒子(电子和正电子)。
当他们与半导体层相互作用时,就可以产生电流。遗憾的是,尽管这些电池可以长时间地持续提供能量,但第功率密度也意味着只能‘细水长流’。
长时间提供相对较低的能量,使得核动力电源更加适用于那些难以更换电池的应用(比如航天器或起搏器等植入设备)。
在过去几年时间里,我们还见过一种‘锶基核电池’(strontium-based),它能够分解水分子来发电；另有一种寿命长达20年的‘纳米氚’(NanoTritium)电池。
不过由莫斯科物理技术学院(MIPT)、超硬和新型碳材料技术研究所(TISNCM)、以及国家科学技术大学MISIS联合开发的新式核电池,却采用了基于镍-63的设计。
该放射性同位素的半衰期超过了100年,研究团队设计了一种崭新的布局,以提升电池的功率密度。他们确定,如果将它包裹在10μm厚的三明治结构中,镍-63的最有效层厚度为2μm。
在他们的原型中,包含了200个这样的‘钻石能源转换器’,并实现了1μW的输出功率。换算的能量密度为10μW/cm3；,意味着它可以为一个现代的心脏起搏器提供动力。
考虑到镍-63的半衰期,该核电池拥有3300mWh/g的能量密度,是传统化学电池的10倍以上。
此外,研究人员开发了一种更高效的方法,能够以最小的损耗来批量生产钻石薄层。虽然生产镍-63在很大程度上可能是棘手的,但团队对10年后的工业化规模生产很有信心。
在未来,该团队计划继续改进核电池的设计,并已确定了一些提高电池功率的方法。其中包括富镍-63、改变钻石转换器的结构、以及给予这些转换器更大的表面积。
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