儘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於鎳-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。
由於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,核電一直存在着極大的爭議。
不過基於同樣的道理,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:
一些核電池是基於『射線電池』(betavoltaics)的原理,裝置內的放射源衰減並發射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,儘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着只能『細水長流』。
長時間提供相對較低的能量,使得核動力電源更加適用於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)。
在過去幾年時間裏,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,卻採用了基於鎳-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佈局,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『鑽石能源轉換器』,並實現了1μW的輸出功率。換算的能量密度為10μW/cm3；,意味着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鑽石薄層。雖然生產鎳-63在很大程度上可能是棘手的,但團隊對10年後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,並已確定了一些提高電池功率的方法。其中包括富鎳-63、改變鑽石轉換器的結構、以及給予這些轉換器更大的表面積。
