紐扣大小！無需充電！能用五十年！核電池這就成了？_風聞

1973年，一名20歲的美國女性在體內植入了一顆心臟起搏器。靠着這顆起搏器，她從青春步入暮年，從20世紀來到新世紀。

截止到2007年，她的起搏器已經工作了34年（現狀未知）。

從未更換，從未斷電！

這顆起搏器的商品名為Numec NU-5，通過將內部原料產生的熱量轉換為電能來工作。

什麼原料呢？鈈-238，具有放射性，它的同位素——鈈-239，被用來造核彈。

這名女性也成了世界上為數不多的搭載“核動力裝置”的心臟病人。

此外，由於鈈-238的半衰期有88年，即便這名女性有幸活到了100歲，她的起搏器裏依然還有一半以上的鈈，足以驅動起搏器的正常運作。

有人該問了：半個世紀前就有靠核能工作的的小型設備，核電站也有七十多年的歷史了，我們什麼時候才能在日常生活中用上“永不斷電”的核電池？

那樣的話，手機再不用天一充，新能源汽車也沒有續航焦慮了。

在人民羣眾對這類電池飽含期待但又只能等待的日子裏，不久前（1月8號），網上突然出現了一條令人頗為興奮的新聞：一家名為“北京貝塔伏特新能科技”的公司宣佈自己研製出了民用級別的原子能電池。

在官方通告裏，他們聲稱這種和一顆硬幣差不多大的方塊電池能穩定供電50年，無需充電，無需維護。

可滿足航空航天、AI設備、醫療器械、微機電系統、高級傳感器、小型無人機和微型機器人等長續航多場景下的電力供應。

這款令該公司引以為傲的產品名為BV100，是一個電壓3V，尺寸為15×15×5立方毫米的微型核能電池。

雖然看起來就是顆外形不走尋常路的紐扣電池，但報道中“成功實現原子能電池的微型化、模塊化和低成本，開啓民用化的進程”；

“標誌着中國同時在原子能電池和第四代金剛石半導體兩個高新技術領域取得顛覆性創新”、“遙遙領先歐美科研機構和企業”等自信豪邁的言論着實給人以不明覺厲之感。

難道核電池也像2022年的AI（ChatGPT）一樣，突然就高歌猛進實現突破了？

為了解答這個疑問，咱們必須要好好盤一盤這篇報道，看看他們到底做了什麼。

01

根據官方發佈的實物圖，這顆電池上的的核輻射標誌以及“Limited 50+ Years”的字樣的確表明着自己的獨特身份——穩定長壽的核電池。

既然是核電池，那得有放射性核原料吧。那它用的是什麼原料？鈈-238嗎？

不！它用的是鎳的放射性同位素——鎳-63（28個質子，35箇中子）。

鎳是一種常見的金屬材料，常被用來製造合金（如鎳鋼）、變阻器、蓄電池等。

作為鎳的兄弟，鎳-63每時每刻都在產生輻射，它雖然不能被用來製造合金等日常用品，但卻可以被用在敏感電子設備的保險裝置中，如電湧保護器。

從物理性質來看，鎳-63也的確是類理想的核電池原料。

首先，鎳-63的半衰期有100年。

100年後，BV100中還有一半的鎳在發揮放射性作用，因此，鎳-63是能滿足核電池的長壽要求的。

其次，鎳-63的輻射過程是其中的一箇中子變成一個質子和一個電子，變成銅的穩定同位素——銅-63。

貝塔伏特公司的報道中也明確了這一點：原子能電池環境友好性，在衰變期後……不具有放射性，對環境不構成任何威脅或污染。

那麼，作為電池的核心，鎳-63是如何發揮作用的呢？

根據報道中的描述，貝塔伏特公司開發了一種厚度僅為10微米的單晶金剛石半導體，並製造出了2微米厚的鎳-63薄片，當把鎳-63放在兩個金剛石半導體之間後，便會產生躍遷電流。

雖然描述比較簡單，但細想一下，這其實和光伏發電的原理比較類似。

鎳-63輻射產生的電子射入外層金剛石半導體的過程，就如同陽光射到光伏硅片。

輻射電子（光子）轟擊半導體中受束縛的價電子後，能在其中產生可以自由移動的電子—空穴對。

移動的電子和空穴在PN結——鎳-63兩側的金剛石半導體之間——形成電勢差。

當給電池上施加負載時，自由電子將從P型側流入N型側。穿過外部電路後再返回到P側與它們留下的空穴重新結合。

電子流動的過程便是電流產生的過程，也就是核輻射能轉化為電能的過程。

輻射是源源不斷的，電流也自然是連綿不絕的（50年以上）。

由於這類電池直接依靠輻射出的電子，也就是貝塔粒子來發電，因此也被稱為貝塔伏特電池。

你沒看錯，這個公司的名字就是照着研發的電池類型取的！ 

02

貝塔伏特電池並不是個新概念，早在上世紀60年代，它就已經被應用到了心臟起搏器上。

不是開頭所説的、靠核輻射發熱轉電的鈈-238起搏器，而是以另一種半衰期只有17.7年的放射性同位素——鉕-145為原料的心臟起搏器。

只不過，隨着更為安全且價格低廉的鋰電池出現，核起搏器也於1988年退出了歷史舞台。

而自那之後，幾乎不見（民用）核電池有任何發展。

直到2009年，美國一家名為 Widetronix的公司研發出了一種核電池，原料不是鎳-63，而是核聚變的燃料、氫的同位素——氚。

他們的願景是將貝塔伏特電池商業化，但遺憾的是，後續消息不多，他們的官網也在2013年停止了更新。

時光匆匆來到2018，俄羅斯科學家製造出了一種新型的核電池，成果以論文的形式發表在了學術期刊Diamond and Related Materials上，所採用的技術方案是金剛石+鎳-63。

而研究成果之一，便是確定了核電池的最優結構：2微米厚的鎳-63薄片夾在10微米厚的金剛石半導體之間時，發電效果最好。

後來，他們造出了一顆包含200層金剛石—鎳-63—金剛石夾芯結構的原型電池，實現了約1微瓦的功率輸出，很小但也足夠為心臟起搏器提供動力了。

03

很明顯，貝塔伏特公司在開發核電池時，所走的就是俄羅斯科學家提出的技術路線。而且，連材料的尺寸都一模一樣：

2微米厚的鎳-63、10微米厚的金剛石半導體。

當然我這麼説並不是我想噴他抄襲或者原創度不高什麼的。

因為國際學術圈還是非常開放透明的，俄羅斯科學家的成果世人皆可見，如果鎳-63核電池的最優結構真如他們所描述的那樣，在無專利限制的情況下，其他人當然可以大方採用。

真正的問題在於，貝塔伏特公司造出BV100電池的功率只有100微瓦（萬分之一瓦），雖然比之前用於起搏器的1微瓦功率大了不少，但也不能説打開了什麼嶄新的局面。

不過他們在報道中寫道：計劃2025年推出功率為1瓦的電池；計劃繼續研究採用鍶90、鉕147和氘等同位素，研製更高功率、使用壽命2—30年的原子能電池；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……

這就有點意思了，希望這一天儘快到來，別的不説，如果我軍的偵查無人機能一直在天上飛不用下來，這還是非常有戰略意義的。

不過，一旦我們考慮把它用到手機之類的民用領域，就又產生了一個不可忽視的問題：無論是以鈈-238、氚、還是鎳-63為原料，核電池燃料成本實在是太高了！

自然界只有極微量的鈈存在於鈾礦石中，實驗或武器用的鈈幾乎都是通過中子轟擊鈾238的核反應獲得的，產量極低。

2013年之前，美國NASA一直從俄羅斯購買鈈-238，用於航天器上的放射性同位素電力系統（RPS）。

毅力號火星車上裝備有氧化鈈發電機為鋰電池充電

購買價格是多少呢？

250萬美元/公斤。按今天的匯率算，約合18000元/克！是黃金價格的將近40倍。

2013年之後，由於俄羅斯的核工業重組，為了滿足需求，美國必須要重啓生產線，自己製造鈈-238了。

美國能源部給自己定下了一個小目標——年產1.5公斤的氧化鈈。看起來的確不多吧，但直到10年後的2023年，他們一年的總產量也只有0.5公斤。

看來老美舉國之力，也造不出幾台用核電池的IPhone啊。

實際上，在核電起搏器曇花一現的1970—1988年間，只有139人植入過它。原因除了大眾心存對“核”的芥蒂外，當然就是高昂的售價啦。

在上世紀70年代，那款名為Numec NU-5的心臟起搏器的售價就高達5000美元，那可是放開印錢之前的美金啊！

而自然界不存在的鎳-63同樣不符合物美價廉的需求。

根據2019年的一篇論文數據，一克鎳-63的製造成本高達4000美元，約合28600元，比鈈-238還貴！

因此，想要將核電池普及到民用水平，一個首要的前提便是找到價格低廉的核原料。

但以我對元素週期表的瞭解來看，這種廉價的自發對外進行大功率輻射的物質，似乎並不存在。。。

**有朝一日，如果這種電池真的被安裝在了某個電子產品上，**那玩意兒一定很貴吧。

參考資料：

https://en.wikipedia.org/wiki/Betavoltaic_device

https://www.reuters.com/article/healthNews/idUSN1960427320071219/

https://www.neimagazine.com/news/newsnasa-moves-closer-to-use-of-plutonium-238-to-power-space-missions-11335593

https://www.betavolt.tech/359485-359485_645066.html

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925963517307495?via%3Dihub