點(diǎn)“星標(biāo)”暫存文章，查找更方便！

環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

首圖來(lái)源：Shutterstock

撰文：Penn

編輯：小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1955篇原創(chuàng)

20世紀(jì)30年代，人們開(kāi)始了從原子核獲得能量的研究，40年代建成核反應(yīng)堆，50年代建成核電站，以后核能開(kāi)發(fā)技術(shù)日趨成熟。

半個(gè)世紀(jì)前人們就有了靠核能工作的小型設(shè)備，此后常常有人提問(wèn)：什么時(shí)候我們才能在日常生活中用上“永不斷電”的核電池？核電池也自然成為了科研人員核能研究的新方向之一。

核電池又稱射性同位素電池，是一種利用放射性同位素衰變放出載能粒子（如α粒子β粒子和γ射線）能量或由它們引發(fā)的熱效應(yīng)、光效應(yīng)或電離作用等來(lái)產(chǎn)生電能的一種裝置。

它并非是一個(gè)全新的概念，事實(shí)上，核電池已經(jīng)存在多年。過(guò)去六十年間，核電池已成功運(yùn)用于軍事衛(wèi)星、水下監(jiān)聽(tīng)器與偏遠(yuǎn)難以派人值守的導(dǎo)航、氣象探測(cè)設(shè)施，甚至被美國(guó)宇航局的“毅力號(hào)”和“好奇號(hào)”火星車帶到了火星。

另一種放射性電池也已經(jīng)用于醫(yī)療植入設(shè)備和傳感器，用于心臟起搏器的核電池可直接植入人體，只要做好密封保護(hù)并不會(huì)對(duì)人體造成任何傷害。

由于其工作時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，且毋須人力進(jìn)行看管與進(jìn)行維護(hù)，燃料電池、化學(xué)電池與太陽(yáng)能電池難以望其項(xiàng)背。但目前的核電池設(shè)備都面臨著同樣的問(wèn)題：能量轉(zhuǎn)換效率和能量密度低。

近日，核電池領(lǐng)域的研究迎來(lái)了一些新的進(jìn)展，有望打破核電池能量轉(zhuǎn)換效率低的局限，大幅提升器件的效率和使用壽命。美國(guó)核材料公司NRD LLC推出了一種固態(tài)核電池，聲稱該電池?zé)o需維護(hù)即可持續(xù)供電超過(guò)一個(gè)世紀(jì)。

與此同時(shí)，聚變能源初創(chuàng)公司Avalanche Energy則贏得了一份價(jià)值520萬(wàn)美元的合同，將制造能夠?yàn)楣P記本電腦級(jí)系統(tǒng)供電數(shù)月的放射性電池。這種電池重量?jī)H為幾公斤，能量密度卻超過(guò)每公斤10瓦。

圖說(shuō)：核電池示意圖

來(lái)源：City Lab

目前，鋰離子電池的應(yīng)用范圍非常廣泛，從可穿戴設(shè)備到電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能設(shè)施都離不開(kāi)它，其能量密度極高，每公斤可儲(chǔ)存高達(dá)300瓦時(shí)（Wh）的能量。

相比之下，放射性核電池每公斤僅能產(chǎn)生約2瓦時(shí)的能量，其能量轉(zhuǎn)換效率仍僅在5%到10%之間，造價(jià)昂貴與放射性污染等問(wèn)題，使得其運(yùn)用受到相當(dāng)程度制約。

近日，聚變能源初創(chuàng)公司Avalanche Energy贏得了一份價(jià)值520萬(wàn)美元（約合人民幣3546萬(wàn)元）的合同，該合同是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）“輻射到瓦特”（Rads to Watts）計(jì)劃的一部分，旨在制造下一代更緊湊、更耐用、能量密度更高的核電池。

Avalanche Energy將在這份合同下制造一種放射性核電池，該電池可為筆記本電腦級(jí)別的系統(tǒng)供電數(shù)月，能量密度將超過(guò)每公斤10瓦。這對(duì)于放射性電池而言，是一次功率輸出的重大飛躍。

據(jù)悉，Avalanche Energy將致力于研發(fā)固態(tài)微加工核電池，這種電池能夠?qū)⒎派湫酝凰蒯尫诺摩亮Ｗ愚D(zhuǎn)化為電能（α伏電池）。這與光伏電池將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的原理非常相似。這些電池可以將α粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可用電能，為筆記本電腦級(jí)別的設(shè)備供電。

Avalanche公司將利用粒子加速器和活性放射性同位素測(cè)試電池的運(yùn)行穩(wěn)定性。在項(xiàng)目進(jìn)行期間，Avalanche 將制造出抗降解的微芯片，這些芯片將用于 α 伏電池，并最終用于聚變裝置。

該公司在新聞稿中表示，“產(chǎn)生高能α粒子的同一批聚變裝置也將產(chǎn)生高能中子。產(chǎn)生的中子也能有效地制造Rads to Watts計(jì)劃所需的放射性同位素，從而圍繞Avalanche的核心聚變平臺(tái)形成一個(gè)增強(qiáng)的供應(yīng)和技術(shù)飛輪。”

圖說(shuō)：Avalanche Energy研制的早期原型放射光伏轉(zhuǎn)換器

來(lái)源：Avalanche Energy

與此同時(shí)，美國(guó)核材料公司NRD LLC推出了一種固態(tài)核電池，聲稱該電池?zé)o需維護(hù)即可持續(xù)供電超過(guò)一個(gè)世紀(jì)。該設(shè)備針對(duì)的是在偏遠(yuǎn)或難以維護(hù)的環(huán)境中運(yùn)行的超低功耗電子設(shè)備。

NRD LLC 表示，其 NBV 系列產(chǎn)品采用鎳-63 驅(qū)動(dòng)的β伏特設(shè)計(jì)，通過(guò)放射性衰變產(chǎn)生電力。該系統(tǒng)采用固態(tài)架構(gòu)密封，β伏特裝置將β衰變過(guò)程中釋放的能量轉(zhuǎn)化為電流。

與傳統(tǒng)電池不同，它們依靠持續(xù)衰減過(guò)程，使其能夠在極低功率水平下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。NRD 聲稱該電池可提供 5 納瓦至 500 納瓦的功率輸出，其較長(zhǎng)使用壽命取決于鎳-63的半衰期。

該設(shè)備的工作電壓范圍為 1.0 V 至 20.0 V，標(biāo)稱電流范圍為 7.5 nA 至 33 nA，尺寸緊湊，為 20 mm x 20 mm x 12 mm。這些規(guī)格使該設(shè)備穩(wěn)居超低功耗類別，使其適用于需要持續(xù)但最小能量輸入的傳感器、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和監(jiān)控設(shè)備。

該公司表示，該系統(tǒng)旨在用于工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境傳感和安全系統(tǒng)，以及需要持續(xù)低功率來(lái)維持系統(tǒng)狀態(tài)的人工智能自主平臺(tái)。此外，該電池還適用于遠(yuǎn)程部署，包括基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控和長(zhǎng)期健康跟蹤系統(tǒng)，在這些情況下，維護(hù)工作可能很困難或不可能。

圖說(shuō)：貝塔伏特微型原子能電池

來(lái)源：貝塔伏特

除了美國(guó)，近幾年，我國(guó)在核電池領(lǐng)域也取得了新的突破。

2024年1月，北京貝塔伏特新能科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“貝塔伏特”）宣布研制出微型原子能電池。研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用鎳63核同位素衰變技術(shù)和金剛石半導(dǎo)體，將原子能電池小型化、模塊化、低成本化。

該技術(shù)為：透過(guò)放射源鎳-63 發(fā)射的β 粒子的半導(dǎo)體躍遷產(chǎn)生電流。貝塔伏特團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出只有10 微米的單晶鉆石半導(dǎo)體，把一個(gè)2 微米厚的鎳-63 薄片放在兩個(gè)鉆石半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器之間，將放射源的衰變能量轉(zhuǎn)換為電流。

該公司的首個(gè)產(chǎn)品——BV100電池的功率是100微瓦，電壓3伏，體積是15×15×5立方毫米，比一枚硬幣還小。貝塔伏特公司董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官?gòu)垈ケ硎?，新式核電池可以?shí)現(xiàn)50年穩(wěn)定發(fā)電，無(wú)需充電、無(wú)需維護(hù)，不產(chǎn)生外部輻射。

核電池具備的可靠、長(zhǎng)效等技術(shù)優(yōu)勢(shì)其他電池難以取代，雖然從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走，但未來(lái)永不充電的手機(jī)和沒(méi)有續(xù)航焦慮的新能源車仍然值得期待

參考材料：

[1]https://interestingengineering.com/energy/breakthrough-lithium-air-battery-catalyst-for-evs

[2]https://interestingengineering.com/energy/darpa-5m-contract-radioactive-batteries-space

[3]https://interestingengineering.com/energy/nrd-nuclear-battery-nbv

[4]https://www.stdaily.com/web/gdxw/2026-03/26/content_493061.html

[5]https://www.news.cn/auto/20240109/fbed57e1d42d4a63ab32264493e20859/c.html

[6]https://user.guancha.cn/main/content?id=1171884

[7]https://www.nacleanenergy.com/energy-storage/nrd-llc-announces-release-of-solid-state-nuclear-battery-power-cell-designed-for-100-years-of-ultra-low-power-operation

熱門閱讀

（點(diǎn)擊圖片跳轉(zhuǎn)閱讀）