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科学探索|下一场“核战争” 主角是电池

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 。
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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 。
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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 。
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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 。
【科学探索|下一场“核战争” 主角是电池】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 。


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