技术装备 > 同位素 > 正文

“核电池”民用化商业模式进展探索

核电池 同位素
发布:2020-08-25 10:34:27     来源:GeekPark极客公园

提到“核”这个字,不了解的人可能闻之色变。但他们并不知道,如果正确利用,核能可以被合理地运用在许多地方。比如在航天领域,上世纪 70 年代就有同位素电池(即核电池)搭载在火星探测器上。而经过 40 年的发展,核电池技术也变得愈发成熟。

不过,相对日常生活中随处可见的锂电池而言,核电池的发展并不如想象中那么快,至少在手机、电脑等电子设备中,至今还没有它们的踪影。

但从安全以及性能的角度来看,核电池都有很大希望在未来一段时间实现商业化落地,甚至进入我们的日常生活当中。想必它也会像自动驾驶、VR 等等的创新技术一样,慢慢改变这个世界。

核电池,从太空起步

2019 年 1 月 3 日,在太空中飞行了近一个月的嫦娥四号顺利着陆,开始探索月球背面。与它的前一代探测器——嫦娥三号一样,嫦娥四号内置了核电池作为其能源的一部分。

核电池在航天航空领域不算什么新鲜的东西。早在1961年,核能就开始在太空领域得以应用。1977 年美国发射的无人外太阳系空间探测器——旅行者1号,一直到现在还在宇宙中漂泊,这43年来唯一支撑它正常工作的动力,就是内部搭载的三枚核电池。

这里要简单解释一下核电池的运行原理,核电池主要依靠放射性元素的自身衰变产生热量,然后通过热电材料将热能转化为电力。在飞船的核电池中,放射性元素基本上都指的是钚-238。

2011 年美国发射的好奇号火星探测器同样使用了核动力。据悉,好奇号火星探测车利用钚-238 衰变热进行热电转换工作,设计寿命可达 40-50 年以上。

但是中国最近刚刚发射成功的“天问一号”任务中,火星探测器中并没有出现核电池的身影。这是为什么?

能量转换效率是其中一个很重要的考量因素。钚-238 核电池的能量转换效率不到 10%,并不算高。如果想要进行长期探测,必须增加电池重量或者携带更多钚-238,无形之中增加了许多成本,也加大了火星探测器的载重负荷。天问一号任务的预计探测时间仅为 3 个月,携带实验器材并不多,只需要太阳能就能满足需求。

另外,钚 238 属于高放射性物质,人体吸入一小粒灰尘都可能引发致命的癌症,考虑到中国是首次自主进行火星探测器发射,一旦发射中出现任何问题会产生很大的安全风险(美国之前就发生过类似的事件,导致钚 238 被释放到大气中。)

所以无论从安全还是性价比来看,天问一号上搭载太阳能电池是最佳选择。

嫦娥四号上同样搭载了太阳能电池作为主要动力,核电池在其中的作用比较特殊。月球的昼夜半个月交替一次,温差高达 300℃,普通电池根本无法应对。这时核电池起到了“保暖”的作用,利用自身散发的热能保温,维持与地面的通讯,白昼来临时,太阳能电池驱动探测器开始工作。

亲民的氚电池

除了钚 238,另一种核电池就低调得多,成本上也更加“亲民”。

航空航天领域对核电池的要求是必须提供足够的能量,因此体积和放射性上没有太多限制。而把核电池用作商业用途,就必须考虑到这两点。

贝塔伏特电池(Betavoltaic Battery)成了最合适的选择。

和产生热能转化电力的原理不同,贝塔伏特电池主要利用同位素(比如氚,即氢的同位素)的β衰变。值得说明的是,β衰变对物质的穿透深度非常浅,普通纸张就能挡住,并不存在辐射伤害。

所以利用氚元素发电实际上已经有了一些民用级产品,比如我们经常在电影院或者室内消防通道上的安全出口指示牌,内部就靠氚气发光。如果你现在在某宝搜索“氚”,得到的结果都是可发光的氚气管,价格在几十到几百元不等,并没有什么实际价值。

但它并非完全一无是处。同样,某宝 2012 年的时候就出现过一款氚电池,号称 20 年不断电、不充电,一小块电池的价格达到了近 7000 元,可谓是天价。这款名为 NanoTritium 的电池并不是什么山寨产品,而是货真价实的首款可商用氚电池,来自美国公司 City labs。

早年间某宝上挂售过氚电池,号称 20 年不断电不充电 | 网络

City labs 一直在研究核电池的相关应用,公司的研究总监 Larry Olsen 在上世纪 70 年代就设计了以钷-147 元素为基础的核电池 Betacel,用于心脏起搏器。但钷-147 的问题在于,虽然它也属于β衰变,但它在衰变过程中会同时释放出具有强辐射的γ射线,所以 Betacel 需要在电池内部腾出大量空间屏蔽辐射。最终因“性价比”不如锂电池,而逐渐退出历史舞台。

City labs 的 CEO Peter Cabauy 此前接受采访称,贝塔伏特电池技术正在重新兴起,因为半导体材料已经取得了很大进步。“早期的半导体材料不足以将电子从β衰变转换为可用电流。”

基于半导体材料技术的进步,在全球范围内一些企业也开始立志将核电池商业化,这些“玩核”的公司,也逐渐浮出了水面。

核电池民用化的商业模式

作为目前最有可能商业化的核电池技术,全球各个国家都在进行贝塔伏特电池的研究。因为技术门槛相对较高,企业也相应较少,上面提到的 City labs 算是氚电池研究行业中的“鼻祖”。

另一家做氚电池的公司 Widetronix 公布过电池的制造原理,由浸有氚元素的金属箔和半导体碳化硅薄片组成。碳化硅薄片可以将击中金属箔的 30% 的粒子转化为电流。当 Widetronix 把二者堆积成一个一平方厘米和十分之二厘米高的包装时,就是氚电池。

氚电池的基本原理大致相同,但材料和反应方式不同,存在一些细微差异。

City Labs 公布的氚电池工作原理图 | City Labs

来自上海的紫电能源也在从事核电池的研发,同样是利用氚气释放的β电子流轰击薄膜材料的原理,但紫电能源将电子与紫外线产生光电效应,将光能转化为电能。

“这种方式可以大幅提高功率,用在一些常见的产品当中。”紫电能源团队在接受极客公园(ID:geekpark)采访时表示。至于公司使用的是哪种材料,紫电能源方面并未透露。

如果将核电池做到民用级别,贝塔伏特电池有着明显的优劣势。氚的半衰期是 12.5 年,所以产品寿命可以保持很长,且过程中无需充电。在人们最关注的电池安全问题上,贝塔伏特电池比锂电池适用的温度范围更广,这些都是核电池的最大优势。

City labs 和 Widetronix 均声称在著名国防承包商洛克希德马丁公司经过测试,电池经历了从-50ºC 到 150°C 的热循环,没有降解。

但是,与锂电池等化学电池相比,贝塔伏特电池的缺点是输出功率低,这也是紫电能源想解决的问题。Widetronix 生产的 1x1x0.2cm 大小氚电池,产生的功率为 1 微瓦(μW),即 0.000001 瓦。而一只普通的智能手机(就按 3.7V,2000mAh)也要使用几百毫瓦(mW)。

紫电能源正在尝试制作基于氚气光敏电池的充电宝,已经进入小批量试用验证阶段。据极客公园了解,紫电能源已经开始组建工厂及生产线,充电宝产品预计明年进入量产阶段。“产品性能可以达到 12V1A,与现在的充电宝完全一致。”紫电能源方面称。

紫电能源旗下的氚气光敏电池 | 紫电能源

如果充电宝产品能顺利量产,对于核电池产业是一个不小的突破。因为贝塔伏特电池的特性,它能使用的场景十分有限。根据 City labs 的官网,贝塔伏特电池在长期使用、低功率、且非常需要持续供电的设备中是最完美的选择。因此,国防电子、传感器、航空航天、医疗设备等场景都是目前贝塔伏特电池在攻克及应用的领域。

不难预见,技术发展的方向是民用化,最日常的事物因此发生改变,是这个技术能够产生最深刻的影响。

核电池同理,相对局限的应用领域对应的是小众场景,也有公司在对手机、无人机、新能源汽车等更加通用的行业进行相关研究。

试想,如果手机厂商抛弃掉“充电 5 分钟刷剧 x 小时”的广告,自信说出手机 10 年不用充电;如果电动汽车内部搭载的电池可以保持高性能,且接近 10 年都无需充电或更换,对于这些已经存在许多年的行业产生的颠覆,将不可估量。

推荐阅读

美国“毅力号”火星车核电源系统浅析

“毅力号”火星车是美国最新建造的火星车,于2020年7月30日发射升空,该火星车没有搭载太阳能电池板,所需能源全部由多任务同位素温差电源MMRTG提供。 2020-08-25

甘肃省同位素实验室启动建设 致力应用高端医用等多领域

1月20日,由中国科学院近代物理研究所牵头,联合兰州大学、中核兰州铀浓缩有限公司、兰州理工大学共同建设甘肃省同位素实验室在兰州揭牌,正式启动建设。该实验室旨在推动具有高附加值的同位素在工业、医药以及科研领域的 2020-01-20

世界核医疗领域医用同位素供应现状与趋势

随着现代医学和核医学仪器的发展,医用同位素在疾病诊断和临床治疗中发挥着越来越重要的作用。在发达国家,约五分之一的患者需要用到医用同位素。医用Tc-99m、Sr-89、I-131等同位素可以广泛应用于脏器显像、移植镇痛、甲 2020-01-20

同位素是如何测定地球的年龄,和阳澄湖大闸蟹真伪的呢?

地球的年龄如何测定?阳澄湖大闸蟹如何鉴定真伪?这虽然是两个毫不相关的问题,但他们却可以使用共同的工具:同位素。那么,什么是同位素?同位素又如何测定地球的年龄,如何鉴定大闸蟹产地呢?就让小编来告诉你吧~我们知道,物质 2019-04-26

“全国气体同位素实验室联盟”筹备建立

8月22日,由中国科学院西北生态环境资源研究院(简称西北研究院)、中国科学院青年创新促进会等单位主办,西北研究院油气资源研究中心、兰州资源环境科学大型仪器区域中心等单位承办的第一届全国气体同位素技术与地球科学 2017-08-25
阅读排行榜