微型核电池问世：手机可不充电用5000年

摘要

微型核电池(penny-sized nuclear battery)，是指体积小，只有一分钱硬币的厚度，电力强，使用安全的“核电池”。可用于手机充电，可以让你的手机不充电使用5000年。它的原理通过利用微型和纳米级系统开发出了一种超微型电源设备，这种设备通过放射性物质的衰变，释放出带电粒子，从而获得持续电流。

微型核电池-研究

表1

微机电系统和纳米技术的研究在过去20年取得了巨大的进展, 研究者们开发了各种类型的微米和纳米尺度的器件。然而, 能量供给装置很难微小型化到相应尺度传统的电池或能量供给装置仍然用于微米和纳米器件, 这导致了整个系统体积增大、频繁充电或电池单元组布置的困难因此, 研究者们自20世纪90年代起开始将目光转向开发各种微型电池的技术上。其中, 基于涡轮燃烧的微型能量产生装置和微型嫩料电池的目标是将机械能、热能和化学能转化成电能。这些技术都需要外部的微流体结构和外部能源驱动发动机并供给燃料到工作腔中, 或者促成化学反应实现能转换。微型铿电池也在研究当中, 但是这类电池目前能量密度低, 寿命短目前研究热点之一的还有微型太阳能电池阵列, 其缺点在于需要光作为原始能源。放射能可以在工业、农业和医疗服务等许多不同的领域可以得到应用, 能量产生是其最重要的应用领域这是因为核能在许多场合都是比常规能量产生形式更高效的能量产生方法。

1999年美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究者在美国能源部的资助下在国际上首先提出了结合微机电系统技术和核能科学与技术, 开展微型核电池或称放射性同位素电池的研究, 随后在美国国防部的资助下, 继续在美国康乃尔大学开展工作。最近, 包括厦门大学萨本栋微机电研究中心在内的国内外许多研究小组也开始致力于这项研究当中。与其他技术相比, 微型核电池在许多领域具有应用前景, 特别是在需要长期时间功能的应用场合, 如植入式生物医疗微器件与用于环境监测的微型传感器或传感器网络放射性同位素的能量密度比化石或化学燃料的能量密度高了一了, 并且若选择合适的放射性同位素, 可以实现长寿命的微型核电池。本文中, 我们将评述以往开发的应用于微机电系统和纳米器件的微型核同位素电池并给出最新进展。

用于徽型电池的放射性同位

图1

放射性同位素的选择是实现微型核电池的最重要的方面, 主要是基于辐射类型, 安全性、能量、相对比放射性、价格和半衰期。使用放射性同位素最重要的考虑因素始终是安全性。Gamma射线具有很强的穿透能力, 需要相当大的外部屏蔽装置以减小放射剂量比。Alpha粒子可以用于在半导体产生电子一空穴对, 但是它们会引起严重的晶格缺陷。纯的Beta射线发生器是微型核电池的最佳选择。表1给出了我们研究中考虑用于微型核电池的纯Beta放射源。镍-63具有超过100年的放射期, 在我们的研究中作为首选。从镍-63发射出的粒子或电子, 具有淤的平均能量和的最高能量, 这低于引起硅晶体结构永久性损伤的200~250KeV闽值能量。另一方面, 最高运动能量67KeV的电子无法穿透人类皮肤的外层, 这保证了操作者的安全。

Beta型徽型电池

所开发的第一种类型的微型核电池是基于Beta辐生伏打效应, 即由于电子空穴对(EHPs)产生的正电荷流动, 从而形成电势差。如图1所示, 当EHPs扩散进入半导体pn结的耗尽区, 在pn结内建电场的作用下,实现对电子-空穴对的分离, 即电子向n区, 空穴向p区运动, 产生电流输出。

虽然辐生伏打效应与光生伏打效应类似, 微型核电池的开发比太阳能电池的开发要困难得多。主要原因在于核电池中的电子通量密度比太阳能电地中的光子通量密度要低。对于微电池而言, 由于便用了非常低放射强度的同位素, 电子通密度还会降低。从Beta放射性同位素放射出来的电子的能分布通常真有很宽的频谱范围。带有不同能的电子会停留在半导体pn结器件不同深度的位里。因此, 产生的EHPs的空间分布是不同的。为了获得更高的能量输出, 需要对pn结器件进行优化设计, 并采取微制造工艺达到尽可能将EHPs收集到耗尽层的目的。

自主往复式是份粱

图2

传统核电池的一种工作方式是利用电容器收集辐射电荷。在我们的研究中, 弹性变形的铜悬臂梁放于距离镍石放射源一段间隔的位置, 当悬仲梁收集了来自放射源的带电荷粒子后, 镍-63剩余负电荷因此, 产生了静电力, 将悬臂梁吸引向放射源当悬胃梁接触到放射源, 悬臂梁放电从而回到初始位里, 再次进行下一循环周期的电荷收集。因此, 实现了自主往复式悬有梁, 或称直接收集型电荷运动转换装置。图4给出了自主往复式悬臂梁的等效电路使用一个电流源模拟放射性同位素源, 悬臂梁与放射源之间的间隙表示成时变电容器。寄生电阻用于表示收集电荷的泄漏通道。

电荷转换导致

电荷转换

式中I为来自放射性同位素的全放射电流, A为电容器的面积, R为等效阻抗, V为放射源与悬臂梁之间的电 压, t为时间, d为电极间的距离, D为表示被悬臂梁收集的部分全放射电流的经验系数。

应用钜-147放射性同位的型徽型电池

图3

事实上, 大多数微机电和纳米器件, 与低耗能电子器件, 所消耗的能量在毫瓦范围内。为了增加微型核电池的能物出, 如果允许, 应该选择高能量放射器具有更高的放射强度虽然枢放射性同位素的半衰期只有2.6年, 但其平均能为62KeV, 最高能量为250KeV, 这在硅基pn结器件中是允许的。如图5所示,设计并制作了应用-钜147放射性同位素作为原始能源的Beta型微型电池。作为电池的平面pn结器件的10mm*100mm面积为, 并且使用了约200mCi的钜-147。测得的开环电压0.29V, 短路电流为0.033mA。最大输出能量为5.7uW。下一步的工作是应用堆盛或芯片阵列连接的方法提高微型电池的输出电压。

两种应用于微机电系统和纳米器件的微型核电池, 并给出了利用枢-147放射性同位素实现输出能达到毫瓦级的Beta型微型核电池。

微型核电池-由来

生活中，你肯定在为你的手机电量是否充足、是否要马上充电等问题而操心劳神，所以，如果给你一块几个月都不需要充电的电池，你马上会高兴起来，如果给你一块你一辈子都不用充电的电池，你会不会惊讶万分?如果给你一块几百代人都不用充电的电池，你会不会觉得这是神话?告诉你，美国科学家眼下就创造出了这个神话。

微型核电池

那么神话是怎么创造出来的呢?原来，早些时候，科学家就发现，当放射性物质衰变时，就能够释放出带电粒子，如果采取一定特殊的办法，就能够把带电粒子驯服归拢起来，形成电流。后来科学家依照这个发现和放电原理，发明了大型的核电池，用于工业和航天业。如在航天领域，可把核电池安装在太阳能不够用的探测卫星上，或安装在发射到太阳系外的无人飞船上。遗憾的是，因核电池必须装有一个收集带电粒子的固体半导体，但由于辐射的作用，固体半导体很快就会受损，而为了降低受损程度，核电池就必须做得足够大。正因为核电池变小很难，所以它就很难在小型或微型电子设备上派上用场，自然也就很难把它做成手机电池了。

直到最近，情况有了转机，美国科学家想出了为核电池“瘦身”的妙计，他们把核电池内易受损的固体半导体换成了不易受损的液体半导体，这样不但能完成收集带电粒子的使命，而且还可以大幅度“瘦身”，真可谓是一举两得。按照新思路研发出的圆形核电池直径有1.95厘米，厚才1.55毫米，仅仅比1美分硬币大一点点，但其电力却是普通化学电池的100万倍。

微型核电池-问世

微型核电池：能让手机用五千年的电池

英国BBC电台2009年10月9日报道称，由美国密苏里大学计算机工程系教授权载完(音)率领的研究组研发出了体积小但电力强的“核电池(nuclear battery)”。该研究成果被刊登在最新一期的《应用物理杂志》等科学杂志。

据悉，他们通过利用微型和纳米级系统开发出了一种超微型电源设备，这种设备通过放射性物质的衰变，释放出带电粒子，从而获得持续电流。

该研究小组称，虽然在很久之前核电池就已经应用在航天领域，但是在因为大小的限制，在地球上核电池的应用还很少。大多数核电池通过固态半导体截获带电粒子，因为粒子的能量非常高所以半导体随着时间的推移将受到损伤，为了能让电池长期使用，核电池被制造的非常大。

早在2005年已经有研究人员开始了对核动力电池的研究，至今核电池已经运用在很多专业领域，但在Jae Kwon和J.David Robertson之前，由于对核能的忌惮，核电池一直被认为不适合民间使用。此次微型核电池的成功研制，无疑推动了核动力的普及，说不定不久的将来就会出现核动力笔记本、核动力台式机。

微型核电池-特点

韩国《朝鲜日报》报道称，过去在电池的研发过程中面临的重大难关之一，就是为了提高性能，电池大小往往比产品本身还大。但权载完教授组研发出的核电池只是略大于1美分硬币(直径1.95厘米，厚1.55毫米)，却可以发出普通化学电池需充电100万次才能发出的电力。

权载完教授还实现了用于电池的芯片的改革。使用核电池时发出的放射能可能会损坏电池内部的固体芯片结构，但权载完利用液体芯片，最大限度地克服了这一问题。权载完向BBC电台表示：“核能可用于心脏搏动调节装置或人造卫星等，已经可以安全地用于人们的生活。”

只需要一个硬币大小的电池，就可以让你的手机不充电使用5000年。

美国密苏里大学研发团队开发出的微型“核电池”使用某种液态半导体，在带电粒子通过时并不会对半导体造成损伤，所以他们得以进一步小型化电池。负责该项目的Jae博士称，虽然人们总是闻“核”色变，但实际上核动力能源早就被应用在例如心脏起搏器、太空卫星和海底设备等多种安全供电项目上。

微型核电池-应用

科学家认为，在遥远的未来，微型核电池将被广泛使用到小型和微型电子系统，比如说用于分析血样的微型电子仪里。因核电池提供电能的时间非常长，到那时，只需要一个硬币大小的电池，就可以让我们的手机5000年不用充电。另外，像正在流行的电动车的电池，也有望实现让人至少一辈子不用充电的梦想。至于核电池是否会出现核污染问题，科学家指出，这个问题早在发明它的时候就同时解决了，人们不必为此担忧。

微型核电池-核电池

“核电池”也被叫做“放射性同位素温差发电器”或“原子能电池”。这种温差发电器是由一些性能优异的半导体材料，如碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等，把许多材料串联起来组成。另外还得有一个合适的热源和换能器，在热源和换能器之间形成温差才可发电。

核电池的热源是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式，向外放出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量有两个令人喜爱的特点。一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此，核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长，这决定了核电池可长期使用。核电池采用的放射性同位素来主要有锶-90(Sr-90，半衰期为28年)、钚-238(Pu-238，半衰期89.6年)、钋-210(Po-210半衰期为138.4天)等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。

核电池的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器，它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差，从而发电。它的优点是可以做得很小，只是效率颇低，目前热利用率只有10%～20%，大部分热能被浪费掉。

在外形上，核电池虽有多种形状，但最外部分都由合金制成，起保护电池和散热的作用;次外层是辐射屏蔽层，防止辐射线泄漏出来;第三层就是换能器了，在这里热能被转换成电能;最后是电池的心脏部分，放射性同位素原子在这里不断地发生蜕变并放出热量。

第一个核电池是在1959年1月16日由美国人制成的，它重1800克，在280天内可发出11.6度电。在此之后，核电池的发展颇快。1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”，上面的无线电发报机就是由核电池供电的。1976年，美国的“海盗1号”、“海盗2号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆，在短短5个月中得到的火星情况，比以往人类历史上所积累的全部情况还要多，它们的工作电源也是核电池。因为火星表面温度的昼夜差超过100℃，如此巨大的温差，一般化学电池是无法工作的。

大海的深处，也是核电池的用武之地。在深海里，太阳能电池根本派不上用场，燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短，所以只得派核电池去了。例如，现在已用它作海底潜艇导航信标，能保证航标每隔几秒钟闪光一次，几十年内可以不换电池。人们还将核电池用作水下监听器的电源，用来监听敌方潜水艇的活动。还有的将核电池用作海底电缆的中继站电源，它既能耐五六千米深海的高压，安全可靠地工作，又少花费成本，令人十分称心。

在医学上，核电池已用于心脏起搏器和人工心脏。它们的能源要求精细可靠，以便能放入患者胸腔内长期使用。以前在无法解决能源问题时，人们只能把能源放在体外，但连结体外到体内的管线却成了重要的感染渠道，很是使人头疼。现在可好了，眼下植入人体内的微型核电池以钽铂合金作外壳，内装150毫克钚238，整个电池只有 160克重，体积仅 18立方毫米。它可以连续使用10年以上。

核电池和阿波罗飞船

1969年7月21日，人类第一次成功地登上月球，使用的是阿波罗11号飞船。在月球表面的“静海区”着陆之后，进行了一系列科学实验，例如采集岩石样品、测定太阳风等等。很多人或许还能记得，当时人们都在屏住呼吸从电视屏幕上观看人类第一次登上月球的情景，观看船长阿姆斯特隆和飞行员奥德林在月面上手舞足蹈的动人场面。

在阿波罗11号飞船上，安装了两个放射性同位素装置，其热功率为15瓦，用的燃料为钚-238。但是，阿波罗11号上的放射性同位素装置是供飞船在月面上过夜时取暖用的，也就是说它仅仅用于提供热源。所以，该装置又叫做ALRH(Apolo Lunar RI Heater)装置，意思是阿波罗在月球上用的放射性同位素发热器。

但是，在后来发射的用于探索月面的阿波罗宇宙飞船上，安装的放射性同位素装置全部是为了发电用的。这就是SNAP-27A装置。它用的燃料是钚-238，设计的电输出功率为63.5瓦，整个装置重量为31千克，设计寿命为一年。主要是用于阿波罗月面探查的一系列科学实验。

月球上的一天等于地球上的27天。黑夜的时间占一半，一夜约为地球上的两周。太阳电池在黑夜期间完全停止工作。与此同时，处于背阳的月面，其温度会急剧下降好几百度，从酷热一下变成了严寒的世界。为了使卫星上的地震仪、磁场仪以及其它机械能正常工作，必须利用余热进行保温。

在阿波罗12号飞船上首次装载的放射性同位素电池——SNAP-27A装置，其寿命远远超过设计时考虑的一年，并能连续供给70瓦以上的电力，完全符合预期的设计要求。由于这一实验获得成功.后来在1970年发射的阿波罗14号以及随后的阿彼罗15号、16号、17号等飞船上都相继安装了SNAP-27A装置。

核电池极其贵重，而且使用钚-238的核电池我国还不能生产。十几年前，我国从俄罗斯买过一枚核电池，大小相当于2#干电池，输出功率500mW，可以连续输出200多年，当时买来的价格折合3000万元人民币。科学家在严密的防护下打开它，结构看起来很简单，但是研究了几年也没有结果，不知道怎么做出来的。