“50年穩(wěn)定自發(fā)電”的核電池要革鋰電池的命?核電池民用還遠嗎?

　　核電池的規(guī)模化商用和民用進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(nèi)企業(yè)宣稱成功研制民用原子能電池，可50年穩(wěn)定自發(fā)電、即將投入量產(chǎn)，“遙遙領先”歐美科研機構和企業(yè)。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(xiàn)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(wǎng)友對該公司所謂的產(chǎn)品前景提出質(zhì)疑。實際上，核電池早已有之，從上世紀就已引發(fā)研究人員的興趣。20世紀50年代開始，核電池進入快速發(fā)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(zhuǎn)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(fā)的核轉(zhuǎn)變，核電池利用的衰變則不同：它是自發(fā)進行的核轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電能的一種裝置。

　　由于衰變過程連續(xù)不斷且不受環(huán)境影響，核電池以抗干擾性強、穩(wěn)定可靠、能量密度高等特征著稱，根據(jù)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(wěn)定供電的場合獨具優(yōu)勢。按照換能方式不同，核電池又可分為熱轉(zhuǎn)換式核電池(將同位素衰變時產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能)和非熱轉(zhuǎn)換式核電池(將放射性同位素放出的帶電粒子或產(chǎn)生的衰變能直接或間接地轉(zhuǎn)換成電能)。

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

　　在航天領域，熱轉(zhuǎn)換式核電池的“知名案例”頗多。1977年，美國發(fā)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(chuàng)造了世界衛(wèi)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(xù)工作到2025年。火星探測器“好奇號”上搭載的核動力裝置，是一塊重約45公斤、發(fā)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(fā)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(tǒng)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(chǎn)業(yè)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(nèi)電商平臺就曾出現(xiàn)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(fā)網(wǎng)絡熱議。這并非山寨產(chǎn)品，而是美國City Labs公司推出的氚電池。2010年，由該公司研發(fā)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(wǎng)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(chǎn)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(fā)的早期NanoTritium電池仍在高效運行，模擬實驗表明它們將繼續(xù)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(jīng)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(zhì)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(guī)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(fā)和改進中。一些公司(比如City Labs)提供用于商業(yè)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(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)品要額外收費。

　　轉(zhuǎn)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(zhì)科學研究院核能安全所發(fā)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(fā)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(zhuǎn)化為電能，具備長壽命、高能量密度、微小尺寸和優(yōu)異的抗干擾能力等特點，被普遍認為是微機電系統(tǒng)(MEMS)中極具潛力的能源替代選項之一。然而，傳統(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率低，輸出功率限制在nW水平，無法滿足MEMS系統(tǒng)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(jù)City Labs公司的資料，該公司提供的核電池產(chǎn)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(guī)定，放射源的豁免必須持有備案證明文件，也即相關商業(yè)活動須經(jīng)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(yè)，“2025年推出功率為1瓦的電池”真的有望實現(xiàn)嗎?

　　這家名為北京貝塔伏特新能科技有限公司的企業(yè)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(chǎn)品BV100是世界上首塊即將量產(chǎn)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(fā)電，每天8.64焦耳，每年3153焦耳。多塊這樣的電池可以串并聯(lián)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(chǎn)品介紹和目標的質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(wǎng)友還反問道，現(xiàn)在的手機峰值功率可達13-15瓦，1瓦能干啥?

　　也有網(wǎng)友提出，該產(chǎn)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(yōu)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(shù)0人。北京闿明創(chuàng)新科技有限公司對其持股94%，闿明創(chuàng)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(shù)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(yè)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(guī)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(xù)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(guī)并嚴格執(zhí)行，這一具有美好未來的能源才能真正變成現(xiàn)實。”

　　輻射防護和環(huán)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(yè)方面，但不可能像普通商品那樣走進人們的生活。