下一場「核戰爭」,主角是電池

摘要

從航天航空逐漸走入民用化,這個能夠供電長達 10 年的電池會是接下來的風口嗎?

提到「核」這個字,不了解的人可能聞之色變。

但他們并不知道,如果正確利用,核能可以被合理地運用在許多地方。

比如在航天領域,上世紀 70 年代就有同位素電池(即核電池)搭載在火星探測器上。而經過 40 年的發展,核電池技術也變得愈發成熟。

不過,相對日常生活中隨處可見的鋰電池而言,核電池的發展并不如想象中那么快,至少在手機、電腦等電子設備中,至今還沒有它們的蹤影。

但從安全以及性能的角度來看,核電池都有很大希望在未來一段時間實現商業化落地,甚至進入我們的日常生活當中。想必它也會像自動駕駛、VR 等等的創新技術一樣,慢慢改變這個世界。

核電池,從太空起步

2019 年 1 月 3 日,在太空中飛行了近一個月的嫦娥四號順利著陸,開始探索月球背面。與它的前一代探測器——嫦娥三號一樣,嫦娥四號內置了核電池作為其能源的一部分。

核電池在航天航空領域不算什么新鮮的東西。早在 1961 年,核能就開始在太空領域得以應用。1977 年美國發射的無人外太陽系空間探測器——旅行者 1 號,一直到現在還在宇宙中漂泊,這 43 年來唯一支撐它正常工作的動力,就是內部搭載的三枚核電池。

         在宇宙中已經漂泊 43 年,離開太陽系的旅行者 1 號。內部的核電池還能支撐它繼續工作 5 年 | 視覺中國

這里要簡單解釋一下核電池的運行原理,核電池主要依靠放射性元素的自身衰變產生熱量,然后通過熱電材料將熱能轉化為電力。在飛船的核電池中,放射性元素基本上都指的是钚-238。

2011 年美國發射的好奇號火星探測器同樣使用了核動力。據悉,好奇號火星探測車利用钚-238 衰變熱進行熱電轉換工作,設計壽命可達 40-50 年以上。

但是中國最近剛剛發射成功的「天問一號」任務中,火星探測器中并沒有出現核電池的身影。這是為什么?

能量轉換效率是其中一個很重要的考量因素。钚-238 核電池的能量轉換效率不到 10%,并不算高。如果想要進行長期探測,必須增加電池重量或者攜帶更多钚-238,無形之中增加了許多成本,也加大了火星探測器的載重負荷。天問一號任務的預計探測時間僅為 3 個月,攜帶實驗器材并不多,只需要太陽能就能滿足需求。

         天問一號上搭載的太陽能電池面板 | 視覺中國

另外,钚 238 屬于高放射性物質,人體吸入一小粒灰塵都可能引發致命的癌癥,考慮到中國是首次自主進行火星探測器發射,一旦發射中出現任何問題會產生很大的安全風險(美國之前就發生過類似的事件,導致钚 238 被釋放到大氣中。)

所以無論從安全還是性價比來看,天問一號上搭載太陽能電池是最佳選擇。

嫦娥四號上同樣搭載了太陽能電池作為主要動力,核電池在其中的作用比較特殊。月球的晝夜半個月交替一次,溫差高達 300℃,普通電池根本無法應對。這時核電池起到了「保暖」的作用,利用自身散發的熱能保溫,維持與地面的通訊,白晝來臨時,太陽能電池驅動探測器開始工作。

親民的氚電池

除了钚 238,另一種核電池就低調得多,成本上也更加「親民」。

航空航天領域對核電池的要求是必須提供足夠的能量,因此體積和放射性上沒有太多限制。而把核電池用作商業用途,就必須考慮到這兩點。

貝塔伏特電池(Betavoltaic Battery)成了最合適的選擇。

和產生熱能轉化電力的原理不同,貝塔伏特電池主要利用同位素(比如氚,即氫的同位素)的β衰變。值得說明的是,β衰變對物質的穿透深度非常淺,普通紙張就能擋住,并不存在輻射傷害。

所以利用氚元素發電實際上已經有了一些民用級產品,比如我們經常在電影院或者室內消防通道上的安全出口指示牌,內部就靠氚氣發光。如果你現在在某寶搜索「氚」,得到的結果都是可發光的氚氣管,價格在幾十到幾百元不等,并沒有什么實際價值。

         常見的安全出口指示牌,里面就由氚氣來維持發光 | Unspalsh

但它并非完全一無是處。同樣,某寶 2012 年的時候就出現過一款氚電池,號稱 20 年不斷電、不充電,一小塊電池的價格達到了近 7000 元,可謂是天價。這款名為 NanoTritium 的電池并不是什么山寨產品,而是貨真價實的首款可商用氚電池,來自美國公司 City labs。

早年間某寶上掛售過氚電池,號稱 20 年不斷電不充電 | 網絡

City labs 一直在研究核電池的相關應用,公司的研究總監 Larry Olsen 在上世紀 70 年代就設計了以钷-147 元素為基礎的核電池 Betacel,用于心臟起搏器。但钷-147 的問題在于,雖然它也屬于β衰變,但它在衰變過程中會同時釋放出具有強輻射的γ射線,所以 Betacel 需要在電池內部騰出大量空間屏蔽輻射。最終因「性價比」不如鋰電池,而逐漸退出歷史舞臺。

City labs 的 CEO Peter Cabauy 此前接受采訪稱,貝塔伏特電池技術正在重新興起,因為半導體材料已經取得了很大進步。「早期的半導體材料不足以將電子從β衰變轉換為可用電流。」

基于半導體材料技術的進步,在全球范圍內一些企業也開始立志將核電池商業化,這些「玩核」的公司,也逐漸浮出了水面。

核電池民用化的商業模式

作為目前最有可能商業化的核電池技術,全球各個國家都在進行貝塔伏特電池的研究。因為技術門檻相對較高,企業也相應較少,上面提到的 City labs 算是氚電池研究行業中的「鼻祖」。

另一家做氚電池的公司 Widetronix 公布過電池的制造原理,由浸有氚元素的金屬箔和半導體碳化硅薄片組成。碳化硅薄片可以將擊中金屬箔的 30% 的粒子轉化為電流。當 Widetronix 把二者堆積成一個一平方厘米和十分之二厘米高的包裝時,就是氚電池。

氚電池的基本原理大致相同,但材料和反應方式不同,存在一些細微差異。

City Labs 公布的氚電池工作原理圖 | City Labs

來自上海的紫電能源也在從事核電池的研發,同樣是利用氚氣釋放的β電子流轟擊薄膜材料的原理,但紫電能源將電子與紫外線產生光電效應,將光能轉化為電能。

「這種方式可以大幅提高功率,用在一些常見的產品當中。」紫電能源團隊在接受極客公園(ID:geekpark)采訪時表示。至于公司使用的是哪種材料,紫電能源方面并未透露。

如果將核電池做到民用級別,貝塔伏特電池有著明顯的優劣勢。氚的半衰期是 12.5 年,所以產品壽命可以保持很長,且過程中無需充電。在人們最關注的電池安全問題上,貝塔伏特電池比鋰電池適用的溫度范圍更廣,這些都是核電池的最大優勢。

City labs 和 Widetronix 均聲稱在著名國防承包商洛克希德馬丁公司經過測試,電池經歷了從-50oC 到 150°C 的熱循環,沒有降解。

但是,與鋰電池等化學電池相比,貝塔伏特電池的缺點是輸出功率低,這也是紫電能源想解決的問題。Widetronix 生產的 1x1x0.2cm 大小氚電池,產生的功率為 1 微瓦(μW),即 0.000001 瓦。而一只普通的智能手機(就按 3.7V,2000mAh)也要使用幾百毫瓦(mW)。

紫電能源正在嘗試制作基于氚氣光敏電池的充電寶,已經進入小批量試用驗證階段。據極客公園了解,紫電能源已經開始組建工廠及生產線,充電寶產品預計明年進入量產階段。「產品性能可以達到 12V1A,與現在的充電寶完全一致。」紫電能源方面稱。

紫電能源旗下的氚氣光敏電池 | 紫電能源

如果充電寶產品能順利量產,對于核電池產業是一個不小的突破。因為貝塔伏特電池的特性,它能使用的場景十分有限。根據 City labs 的官網,貝塔伏特電池在長期使用、低功率、且非常需要持續供電的設備中是最完美的選擇。因此,國防電子、傳感器、航空航天、醫療設備等場景都是目前貝塔伏特電池在攻克及應用的領域。

不難預見,技術發展的方向是民用化,最日常的事物因此發生改變,是這個技術能夠產生最深刻的影響。

核電池同理,相對局限的應用領域對應的是小眾場景,也有公司在對手機、無人機、新能源汽車等更加通用的行業進行相關研究。

試想,如果手機廠商拋棄掉「充電 5 分鐘刷劇 x 小時」的廣告,自信說出手機 10 年不用充電;如果電動汽車內部搭載的電池可以保持高性能,且接近 10 年都無需充電或更換,對于這些已經存在許多年的行業產生的顛覆,將不可估量。


責任編輯:于本一

題圖來源:Unsplash

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