盡管鋰電池技術已經在人們的日常生活中無處不在,但在能量密度的提升上,它似乎已逐漸接近瓶頸。為了實現“數十年換一次電池”的目標,科學家開始將目光放到新式核電池的開發上,只是當前原型裝置的能量密度偏低,距離實用還有一段距離。好消息是,俄羅斯研究人員,剛剛開發出了一種基于鎳-63的新型核電池設計,其具有比普通市售電池更高的能量密度。

俄羅斯研究人員已經開發出了一種能量密度遠超其它裝置的核電池原型(via:MIPT)

由于任何散逸的核材料都可能在環境中保持幾十年(甚至幾個世紀)的危險放射,核電一直存在著極大的爭議。

不過基于同樣的道理,如果我們能夠適當地利用這種特性,就可以讓核電裝置緩慢而持續地釋放出能量:

一些核電池是基于‘射線電池’(betavoltaics)的原理,裝置內的放射源衰減并發射β粒子(電子和正電子)。

當他們與半導體層相互作用時,就可以產生電流。遺憾的是,盡管這些電池可以長時間地持續提供能量,但第功率密度也意味著只能‘細水長流’。

新式核電池原型的結構圖(via:V.Bormashovetal.)

長時間提供相對較低的能量,使得核動力電源更加適用于那些難以更換電池的應用(比如航天器或起搏器等植入設備)。

在過去幾年時間里,我們還見過一種‘鍶基核電池’(strontium-based),它能夠分解水分子來發電；另有一種壽命長達20年的‘納米氚’(NanoTritium)電池。

不過由莫斯科物理技術學院(MIPT)、超硬和新型碳材料技術研究所(TISNCM)、以及國家科學技術大學MISIS聯合開發的新式核電池,卻采用了基于鎳-63的設計。

該放射性同位素的半衰期超過了100年,研究團隊設計了一種嶄新的布局,以提升電池的功率密度。他們確定,如果將它包裹在10μm厚的三明治結構中,鎳-63的最有效層厚度為2μm。

在他們的原型中,包含了200個這樣的‘鉆石能源轉換器’,并實現了1μW的輸出功率。換算的能量密度為10μW/cm3；,意味著它可以為一個現代的心臟起搏器提供動力。

考慮到鎳-63的半衰期,該核電池擁有3300mWh/g的能量密度,是傳統化學電池的10倍以上。

此外,研究人員開發了一種更高效的方法,能夠以最小的損耗來批量生產鉆石薄層。雖然生產鎳-63在很大程度上可能是棘手的,但團隊對10年后的工業化規模生產很有信心。

在未來,該團隊計劃繼續改進核電池的設計,并已確定了一些提高電池功率的方法。其中包括富鎳-63、改變鉆石轉換器的結構、以及給予這些轉換器更大的表面積。