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    “50年穩定自發電”的核電池要革鋰電池的命?核電池民用還遠嗎?

    澎湃新聞發布時間:2024-01-18 11:55:44  作者:楊漾

      核電池的規?;逃煤兔裼眠M展再次受到廣泛關注。幾十甚至上百年不用充電的核電池到底什么時候能應用到手機、電器、汽車上?

      近日,有國內企業宣稱成功研制民用原子能電池,可50年穩定自發電、即將投入量產,“遙遙領先”歐美科研機構和企業。該公司稱,計劃2025年推出功率為1瓦的電池,在政策允許的情況下,原子能電池可以讓一部手機永不充電,現在只能飛行15分鐘的無人機可一直飛。

      此消息一出,有人為之振奮,高呼“鋰電池要被革命!”,亦有網友對該公司所謂的產品前景提出質疑。實際上,核電池早已有之,從上世紀就已引發研究人員的興趣。20世紀50年代開始,核電池進入快速發展時期。這一長壽能源被寄予了巨大的希望,但時至今日,核電池的主要應用場景仍局限于航天、極地、深海、心臟起搏器等領域。無論從轉換效率、輸出功率、成本還是輻射安全管理角度來看,核電池民用言之尚早。相較于隨處可見的鋰電池,核電池難以走進人們的日常生活。

      核電池,從太空起步

      核電站的工作原理是核裂變,被稱為終極能源的“人造太陽”是核聚變反應。裂變和聚變均屬于外因引發的核轉變,核電池利用的衰變則不同:它是自發進行的核轉變,也稱為放射性衰變。因此,核電池或稱放射性同位素電池,是將放射性同位素衰變時釋放的能量轉換為電能的一種裝置。

      由于衰變過程連續不斷且不受環境影響,核電池以抗干擾性強、穩定可靠、能量密度高等特征著稱,根據放射源半衰期不同,可工作幾年、幾十年甚至上百年。這使其在一些極端條件和需要長期穩定供電的場合獨具優勢。按照換能方式不同,核電池又可分為熱轉換式核電池(將同位素衰變時產生的熱能轉換為電能)和非熱轉換式核電池(將放射性同位素放出的帶電粒子或產生的衰變能直接或間接地轉換成電能)。

      核電池研究取得實質性進展始于20世紀50年代,正是得益于航天技術的飛速發展,對高效能長壽命電池產生了極大的需求。

      在航天領域,熱轉換式核電池的“知名案例”頗多。1977年,美國發射攜帶钚-238核電池的“旅行者1號”航天器,迄今已在太空航行46年,創造了世界衛星遠航史上的輝煌紀錄,核電池將保證其搭載的科學儀器持續工作到2025年?;鹦翘綔y器“好奇號”上搭載的核動力裝置,是一塊重約45公斤、發電功率140瓦的核電池,含約5公斤重的钚-238。2013年,我國“嫦娥三號”攜帶同位素熱源飛天,核電池中的钚金屬塊238相當于一個“暖寶寶”。有了它,無須擔心月夜零下150度到180度的低溫凍傷儀器設備。

      上述放射性同位素溫差發電器核電池技術最為成熟且應用最早,但造價極其昂貴。以“毅力號”火星車核電池系統為例,價格高達7500萬美元。

      近些年來,另一技術分支——輻射伏特效應核電池的產業化進展頻頻“出圈”。隨著半導體材料制造技術的提高,此類電池的實際應用成為可能。

      2012年,國內電商平臺就曾出現一款號稱20年不斷電、不充電的民用核電池NanoTritium出售,售價6980元,旋即引發網絡熱議。這并非山寨產品,而是美國City Labs公司推出的氚電池。2010年,由該公司研發的NanoTritium輻射伏特效應核電池獲得通用許可證。

      City Labs選擇的氚僅僅釋放出低能量的β粒子,可以用非常薄的材料遮擋,是一種較安全且易于密封的放射源。該公司官網資料顯示,其氚電池通過了全球航空航天及防務巨頭洛克希德·馬丁公司的第三方測試,證實該產品的極端溫度變化耐受性(-55°C 至 +150°C)。氚的半衰期在12年左右,City Labs 稱“15 年前開發的早期NanoTritium電池仍在高效運行,模擬實驗表明它們將繼續運行20多年。”

      核電池民用,到哪步了

      阻擋核電池民用進程的主要因素,并非安全性。

      作為核電池的能量來源,同位素放射源必須滿足半衰期長、功率密度高、放射性危險性小、容易加工、經濟和易于屏蔽等條件。輻射伏特效應核電池一般使用純β輻射放射源,對物質的穿透深度很淺,幾張紙就能擋住,沒有外輻照傷害。

      價格不菲是核電池大規模民用的主要限制因素之一。

      將氚電池推向商用市場10余年后,該領域“鼻祖”City Labs公司的生意如何呢?“貝塔伏特電池(Betavoltaic Batteries)和核電池尚未廣泛供個人消費者使用,這類電源大多仍處于開發和改進中。一些公司(比如City Labs)提供用于商業和科學用途的貝塔伏特電池。”City Labs稱,普通消費者不會購買他們的產品,公司通常與對該技術感興趣的長期合作伙伴或科學組織打交道。

      澎湃新聞從該公司網站獲悉,每塊氚電池的基礎價格為5250美元。當然,批量訂單可享受折扣,定制產品要額外收費。

      轉換效率和輸出性能更是核電池擴大應用領域不得不面對的短板。

      2023年12月,中國科學院合肥物質科學研究院核能安全所發布消息,該所韓運成項目組在貝塔輻射伏特核電池研究領域取得了新進展,相關研究成果發表在《核科學與技術》(Nuclear Science and Techniques)期刊上。該文稱,貝塔輻射伏特核電池利用放射性同位素釋放的貝塔粒子轉化為電能,具備長壽命、高能量密度、微小尺寸和優異的抗干擾能力等特點,被普遍認為是微機電系統(MEMS)中極具潛力的能源替代選項之一。然而,傳統的平面電池受到半導體結構和放射源加載的限制,半導體轉換器僅能利用放射源單面釋放的衰變能,導致輸出功率和轉換效率低,輸出功率限制在nW水平,無法滿足MEMS系統的功率需求。

      輻射伏特核電池的功率處于納瓦到毫瓦量級。根據City Labs公司的資料,該公司提供的核電池產品在納瓦、微瓦、毫瓦范圍。

      清華大學輻射防護辦公室常務副主任朱立此前曾對City Labs公司推出的氚電池作出解讀,“其功率最多只有0.84毫瓦,這表明NanoTritium還不能應用到手機等領域。”

      不僅如此,我國《放射性同位素與射線裝置安全和防護條例》和《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》明確規定,放射源的豁免必須持有備案證明文件,也即相關商業活動須經過審批。

      讓我們回到文章開頭提及的宣稱成功研制民用核電池的企業,“2025年推出功率為1瓦的電池”真的有望實現嗎?

      這家名為北京貝塔伏特新能科技有限公司的企業稱,融合鎳63核同位素衰變技術和中國第一個金剛石半導體模塊,該公司將推出的第一款產品BV100是世界上首塊即將量產的核電池,功率是100微瓦,電壓3V,體積是15 X 15 X 5立方毫米,比一枚硬幣還小。核電池每分每秒都在發電,每天8.64焦耳,每年3153焦耳。多塊這樣的電池可以串并聯使用。

      鎳-63的半衰期達100年,按半衰期來算,基于鎳-63的核電池確實至少可工作50年。

      但一位從事核技術應用研究的學者向澎湃新聞表達了對上述公司產品介紹和目標的質疑。“目前功率還沒達到這個級別,核電池應用仍需依靠新材料和新工藝來提高輸出功率。”

      社交平臺上對該公司提出的“核電池手機”概念也不乏質疑聲。“1瓦=1000000微瓦,也就是說造1瓦的核電池,得比硬幣大10000倍。要把一枚硬幣1萬倍大小的東西在兩年內做得跟手機電池一樣大,摩爾定律都帶不動啊,何況是材料學。”該網友還反問道,現在的手機峰值功率可達13-15瓦,1瓦能干啥?

      也有網友提出,該產品不僅不適用于手機電池,即使當作外置電源,對比其他動輒百瓦的快充也毫無優勢,更不用說鎳-63的價格問題。

      天眼查資料顯示,北京貝塔伏特新能科技有限公司成立于2021年4月,法定代表人是穆索夫·扎烏爾,參保人數0人。北京闿明創新科技有限公司對其持股94%,闿明創新的五位股東為穆索夫·扎烏爾、穆薩夫·穆哈穆德、庫果托夫·安佐爾、寧瀟函和王振遠,參保人數同樣是0人。

      北京貝塔伏特新能科技有限公司的專利信息如下圖所示:

      “在民用領域,不受管制地使用核電池是很危險的。”西北工業大學空天微納實驗室教授喬大勇此前接受中國科學報采訪時稱,“國際上對于核電池的民用都存在法規限制,有些放射源的半衰期甚至上千年,一旦不小心遺棄在某個地方,傷害和影響就將持續千年,只有對核電池的制造、流通和回收制定完善的法律、法規并嚴格執行,這一具有美好未來的能源才能真正變成現實。”

      輻射防護和環境保護專家、中國工程院院士潘自強對核電池應用前景的評判更為直接。他認為,核電池可以用在一些“不計成本”的事業方面,但不可能像普通商品那樣走進人們的生活。


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