近期，俄羅斯研究人員開發(fā)出了一種能量密度遠超其它電池的核電池原型，其電能是一般商用化學電池的10倍。這項科研成果由莫斯科物理技術學院( MIPT )、超硬和新型碳材料技術學院( TISNCM )和國家科技大學missis的俄羅斯研究人員發(fā)表在2018年4月份的學術期刊《金剛石與相關材料》上。

由TISNCM主任、MIPT納米結構物理和化學系主任弗拉基米爾·布蘭克率領的一個研究小組開發(fā)并制造了一種以鎳- 63為輻射源、肖特基勢壘型金剛石二極管為能量轉換源的倍他伏打(betavoltaics)電池。

原型電池的輸出功率約為1微瓦，而每立方厘米的功率密度為10微瓦，足以滿足現(xiàn)代人工起搏器的需要。鎳- 63的半衰期為100年，因此每克電池可提供3300毫瓦小時的電能，是電化學電池的10倍。

2016年，MISIS的俄羅斯研究人員已經(jīng)提出了一種基于鎳- 63的原型倍他伏打電池，并在Atomexpo 2017上展示。該電池是基于TISNCM和LUCH創(chuàng)建的另一個工作原型，它的有效體積為1.5立方厘米。

鎳- 63核電池制造技術

核電池原型由200個金剛石轉換器組成，中間夾有鎳- 63和穩(wěn)定的鎳箔層。轉換器產(chǎn)生的功率量取決于鎳箔的厚度和轉換器本身，因為兩者都影響吸收的β粒子的數(shù)量。目前可用的核電池原型由于體積過大而優(yōu)化不佳。如果β輻射源太厚，它發(fā)射的電子就無法逃逸。這種效應被稱為自吸收。然而，隨著源變薄，每單位時間經(jīng)歷β衰變的原子數(shù)量成比例地減少。類似的推理也適用于轉換器的厚度。

新式核電池原型的結構圖

研究人員的目標是使他們的鎳- 63電池的功率密度最大化。為此，他們對電子通過β源和轉換器進行了數(shù)值模擬。結果表明，鎳- 63源在厚度為2微米時最有效，基于肖特基勢壘金剛石二極管的轉換器的最佳厚度約為10微米。

主要技術挑戰(zhàn)是制造大量內部結構復雜的金剛石轉換電池。每個轉換器只有幾十微米厚，就像超市里的塑料袋。常規(guī)的機械和離子金剛石減薄技術不適合這一任務。TISNCM和MIPT的研究人員開發(fā)了一種獨特的技術，用于在金剛石襯底上合成薄金剛石板，并將其分割成批量生產(chǎn)超薄轉換器。

該小組使用20個厚的摻硼金剛石晶體板作為襯底。它們是在高壓下使用溫度梯度技術做成。離子注入用于在襯底中約700納米深度處產(chǎn)生100納米厚的缺陷“受損”層。使用化學氣相沉積在該層頂部生長15微米厚的摻硼金剛石膜。然后對襯底進行高溫退火，以誘發(fā)掩埋缺陷層的石墨化并恢復頂部金剛石層。采用電化學蝕刻去除損傷層。在通過蝕刻分離缺陷層之后，半成品轉換器裝配有歐姆接觸和肖特基接觸。

隨著操作的重復，每個循環(huán)的襯底厚度損失不超過1微米，在20個襯底上安裝了200個轉換器。這一新技術從經(jīng)濟的角度來看尤為重要，因為高質量的金剛石襯底非常昂貴，通過襯底減薄批量生產(chǎn)轉換器是不可行的。

所有轉換器并聯(lián)在一個堆棧中。2微米厚的鎳箔軋制技術是由研究機構和科學工業(yè)協(xié)會LUCH開發(fā)的。電池用環(huán)氧樹脂密封。電池的開路電壓和短路電流分別為1.02伏和1.27微安。0.93微瓦的最大輸出功率是在0.92伏下獲得的。這一功率輸出相當于每克約3300毫瓦小時的比功率，是商用化學電池以及由TISNCM先前設計的鎳- 63核電池的10倍。

新型核電池樣本

核電池應用前景展望

這款新研制出的核電池在醫(yī)療領域和空間探索領域均有很大的應用前景。

大多數(shù)最先進的心臟起搏器尺寸超過10立方厘米，需要大約10微瓦的功率。這意味著新的核電池可以用來為這些裝置提供動力，并且不會對它們的設計和尺寸產(chǎn)生任何重大變化。不需要更換或維修電池的“永久起搏器”將改善患者的生活質量。

太空工業(yè)也將從小型核子電池中獲益匪淺。尤其是那些需要用于航天器的具有集成電源系統(tǒng)的自主無線外部傳感器和存儲器芯片。金剛石是最防輻射的半導體之一。因它也有很大的帶隙，所以它可以在很寬的溫度范圍內工作，使它成為為航天器提供動力的核電池的理想材料。

研究人員正計劃繼續(xù)研究核子電池。他們已經(jīng)確定了幾個應該進行調查的領域。首先，在輻射源中富集鎳- 63將按比例增加電池功率。其次，開發(fā)具有受控摻雜輪廓的金剛石p - I - n結構將提高電壓，因此可以將電池的功率輸出增加至少3倍。第三，增加轉換器的表面積將增加每個轉換器上的鎳- 63原子的數(shù)量。

俄羅斯核電商業(yè)化的主要挫折是缺乏鎳- 63生產(chǎn)和濃縮設施。不過，該國仍計劃在2020年中期前開始工業(yè)規(guī)模的鎳- 63生產(chǎn)。

傳統(tǒng)電池技術局限

為時鐘、手電筒、玩具和其他電氣設備供電的普通電池使用所謂氧化還原化學反應獲得能量，其中電子通過電解質從一個電極轉移到另一個電極。這導致電極之間的電勢差。兩個電池端子通過導體連接，電子開始流動以去除電勢差，從而產(chǎn)生電流。化學電池又稱原電池，其特點是高功率密度(即產(chǎn)生的電流功率與電池體積之比)。

然而，化學電池放電時間較短，限制了它們在自主裝置中的應用。這些電池中有些被稱為蓄電池，是可充電的，但即使是充電也需要定期更換電池。對于心臟起搏器或者為航天器供電的時候，這一缺點非常“致命”。

幸運的是，化學反應只是可能的電力來源之一。1913年，亨利·莫斯利發(fā)明了第一臺基于放射性衰變的發(fā)電機。他的核子電池是由一個玻璃球體組成，球體內部鍍銀，中間安裝鐳發(fā)射器，在一個孤立的電極上。鐳的β衰變產(chǎn)生的電子在銀膜和中心電極之間造成電勢差。然而，該裝置的閑置電壓太高——幾十千伏——而且電流對于實際應用來說太低。

1953年，Paul Rappaport提出使用半導體材料將β衰變的能量轉換成電能。由放射源發(fā)射的β粒子——電子和正電子——電離半導體的原子，產(chǎn)生未補償?shù)碾姾奢d流子。在p - n結構的靜電場存在下，電荷沿一個方向流動，從而產(chǎn)生電流。由β衰變提供動力的電池被稱為β伏打電池。

倍他伏電池(betavoltaics)又稱“射線電池”，它優(yōu)于原電池的主要特點是它們的壽命。用于核電池的放射性同位素的半衰期從幾十年到幾百年不等，所以它們的功率輸出在很長一段時間內幾乎保持不變。不幸的是，倍他伏打電池的功率密度明顯低于其對應的電流密度。盡管如此，在被廉價的鋰離子電池逐步淘汰之前， 70年代還是使用倍他伏電池打為心臟起搏器供電。

倍他伏打電源不應與放射性同位素熱電發(fā)電機或RTGs混淆，雖然后者也稱為核電池，但其工作原理不同。熱電電池利用熱電偶將放射性衰變釋放的熱量轉換成電能。由于熱電能源壽命長，設計相對簡單，因此被廣泛用于為“新視野”號和“好奇號”火星探測車等航天器提供動力。RTGs以前也用于無人值守的遠程設施，如燈塔和自動氣象站。但是，這種做法后來被放棄了，因為其用過的放射性燃料很難回收，并且容易泄漏到環(huán)境中。