俄科學家開發新型核電池,比能量密度較商用化學電池高 10 倍

作者 | 發布日期 2018 年 06 月 04 日 21:12 | 分類 尖端科技 , 材料 , 航太科技 follow us in feedly

想像一下,有一種核電池裝備之後只要十年、甚至一個世紀更換一次即可,將是那些平常難以維修、無法頻繁更換電池的儀器供電首選元件,比如太空探測器和心律調節器。



核電池也稱原子能電池、氚電池或放射性同位素發電裝置,有些人聽到「核電池」3 個字可能會誤以為是掌上型核反應爐,但實際上核電池並不是利用稱為鏈式反應的核分裂來產生能量,而是將放射性同位素衰變產生之能量轉換為電能的裝置。

核反應爐是將受控的核分裂能量轉換為熱能,接著利用熱能加熱水產生水蒸氣,再以水蒸氣推動「蒸汽渦輪發動機」來轉動發電機的機械能發電形式;而在核電池兩大分類中,「非熱轉換型核電池」直接使用同位素衰變時放出的 β 粒子(電子)發電,中間不涉及以熱能產生電力;另一種「熱轉換型核電池」則運用會放出大量熱能的同位素(如鈽 238、鋦 244、鋦 242 等),以熱電效應、光電效應來產生電力。

由於核電池使用的放射性同位素半衰期從幾十年到幾百年不等,也就是說這些電池雖然功率密度低,但可以長時間緩慢提供能量,與一般化學電池相比,核電池壽命極長、總輸出能量高,可惜製作成本相對高昂,所以通常用於需長時間運作、且平常難以進行電池更換的儀器上(如太空探測器、心律調節器等)。

現在,來自俄羅斯莫斯科物理技術學院(MIPT)、莫斯科鋼鐵學院(MISIS)、超硬與新型碳材料技術研究所(TISNCM)的研究人員進一步設計了新的核電池結構以改善低功率密度缺點。根據 MIPT 聲明稿,僅 2 微米厚的鎳同位素鎳-63(nickel-63)被夾在 10 微米厚的蕭特基二極體之間,整個電池原型包含 200 個二極體,輸出功率約 1 微瓦(µW),體積功率密度為 10 微瓦/立方公分,雖然無法為你的手機供電,但絕對能應付心律調節器。

▲ 新型核電池結構圖。

而若考慮鎳-63 具有長達百年的半衰期,則新型核電池的能量密度高達 3300 mWh/g,比商用化學電池還要高上 10 倍。

雖然目前核電池一大棘手問題是缺乏鎳-63 製備設施,但團隊表示,商業化技術應該能在未來 10 年內推出。目前,人工心律調節器使用年限約 10 年左右,一旦這種核電池順利開發應用,就能成為真正的永久心律調節器,或許終生免更換;此外,對那些一去不回頭的太空探測器來說,一顆可長時間穩定供電的電池是旅途中不可或缺的好同伴。

這篇論文已發表在《Diamond and Related Materials》期刊。

(圖片來源:莫斯科物理技術學院