从使用100年到大幅提高能量密度，核电池又火起来了

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环球零碳

碳中和领域的《新青年》

首图来源：Shutterstock

撰文：Penn

编辑：小澜

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20世纪30年代，人们开始了从原子核获得能量的研究，40年代建成核反应堆，50年代建成核电站，以后核能开发技术日趋成熟。

半个世纪前人们就有了靠核能工作的小型设备，此后常常有人提问：什么时候我们才能在日常生活中用上“永不断电”的核电池？核电池也自然成为了科研人员核能研究的新方向之一。

核电池又称射性同位素电池，是一种利用放射性同位素衰变放出载能粒子（如α粒子β粒子和γ射线）能量或由它们引发的热效应、光效应或电离作用等来产生电能的一种装置。

它并非是一个全新的概念，事实上，核电池已经存在多年。过去六十年间，核电池已成功运用于军事卫星、水下监听器与偏远难以派人值守的导航、气象探测设施，甚至被美国宇航局的“毅力号”和“好奇号”火星车带到了火星。

另一种放射性电池也已经用于医疗植入设备和传感器，用于心脏起搏器的核电池可直接植入人体，只要做好密封保护并不会对人体造成任何伤害。

由于其工作时间可长达数年，且毋须人力进行看管与进行维护，燃料电池、化学电池与太阳能电池难以望其项背。但目前的核电池设备都面临着同样的问题：能量转换效率和能量密度低。

近日，核电池领域的研究迎来了一些新的进展，有望打破核电池能量转换效率低的局限，大幅提升器件的效率和使用寿命。美国核材料公司NRD LLC推出了一种固态核电池，声称该电池无需维护即可持续供电超过一个世纪。

与此同时，聚变能源初创公司Avalanche Energy则赢得了一份价值520万美元的合同，将制造能够为笔记本电脑级系统供电数月的放射性电池。这种电池重量仅为几公斤，能量密度却超过每公斤10瓦。

图说：核电池示意图

来源：City Lab

目前，锂离子电池的应用范围非常广泛，从可穿戴设备到电网级储能设施都离不开它，其能量密度极高，每公斤可储存高达300瓦时（Wh）的能量。

相比之下，放射性核电池每公斤仅能产生约2瓦时的能量，其能量转换效率仍仅在5%到10%之间，造价昂贵与放射性污染等问题，使得其运用受到相当程度制约。

近日，聚变能源初创公司Avalanche Energy赢得了一份价值520万美元（约合人民币3546万元）的合同，该合同是美国国防高级研究计划局（DARPA）“辐射到瓦特”（Rads to Watts）计划的一部分，旨在制造下一代更紧凑、更耐用、能量密度更高的核电池。

Avalanche Energy将在这份合同下制造一种放射性核电池，该电池可为笔记本电脑级别的系统供电数月，能量密度将超过每公斤10瓦。这对于放射性电池而言，是一次功率输出的重大飞跃。

据悉，Avalanche Energy将致力于研发固态微加工核电池，这种电池能够将放射性同位素释放的α粒子转化为电能（α伏电池）。这与光伏电池将太阳光转化为电能的原理非常相似。这些电池可以将α粒子的动能转化为可用电能，为笔记本电脑级别的设备供电。

Avalanche公司将利用粒子加速器和活性放射性同位素测试电池的运行稳定性。在项目进行期间，Avalanche 将制造出抗降解的微芯片，这些芯片将用于 α 伏电池，并最终用于聚变装置。

该公司在新闻稿中表示，“产生高能α粒子的同一批聚变装置也将产生高能中子。产生的中子也能有效地制造Rads to Watts计划所需的放射性同位素，从而围绕Avalanche的核心聚变平台形成一个增强的供应和技术飞轮。”

图说：Avalanche Energy研制的早期原型放射光伏转换器

来源：Avalanche Energy

与此同时，美国核材料公司NRD LLC推出了一种固态核电池，声称该电池无需维护即可持续供电超过一个世纪。该设备针对的是在偏远或难以维护的环境中运行的超低功耗电子设备。

NRD LLC 表示，其 NBV 系列产品采用镍-63 驱动的β伏特设计，通过放射性衰变产生电力。该系统采用固态架构密封，β伏特装置将β衰变过程中释放的能量转化为电流。

与传统电池不同，它们依靠持续衰减过程，使其能够在极低功率水平下长时间运行。NRD 声称该电池可提供 5 纳瓦至 500 纳瓦的功率输出，其较长使用寿命取决于镍-63的半衰期。

该设备的工作电压范围为 1.0 V 至 20.0 V，标称电流范围为 7.5 nA 至 33 nA，尺寸紧凑，为 20 mm x 20 mm x 12 mm。这些规格使该设备稳居超低功耗类别，使其适用于需要持续但最小能量输入的传感器、数据记录系统和监控设备。

该公司表示，该系统旨在用于工业监控、环境传感和安全系统，以及需要持续低功率来维持系统状态的人工智能自主平台。此外，该电池还适用于远程部署，包括基础设施监控和长期健康跟踪系统，在这些情况下，维护工作可能很困难或不可能。

图说：贝塔伏特微型原子能电池

来源：贝塔伏特

除了美国，近几年，我国在核电池领域也取得了新的突破。

2024年1月，北京贝塔伏特新能科技有限公司（以下简称“贝塔伏特”）宣布研制出微型原子能电池。研发团队利用镍63核同位素衰变技术和金刚石半导体，将原子能电池小型化、模块化、低成本化。

该技术为：透过放射源镍-63 发射的β 粒子的半导体跃迁产生电流。贝塔伏特团队开发出只有10 微米的单晶钻石半导体，把一个2 微米厚的镍-63 薄片放在两个钻石半导体转换器之间，将放射源的衰变能量转换为电流。

该公司的首个产品——BV100电池的功率是100微瓦，电压3伏，体积是15×15×5立方毫米，比一枚硬币还小。贝塔伏特公司董事长兼首席执行官张伟表示，新式核电池可以实现50年稳定发电，无需充电、无需维护，不产生外部辐射。

核电池具备的可靠、长效等技术优势其他电池难以取代，虽然从实验室到实际应用还有很长的一段路要走，但未来永不充电的手机和没有续航焦虑的新能源车仍然值得期待

参考材料：

[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

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