下一場(chǎng)“核戰爭” 主角是電池

題圖來(lái)源：Unsplash

　　從航天航空逐漸走入民用化，這個(gè)能夠供電長(cháng)達 10 年的電池會(huì )是接下來(lái)的風(fēng)口嗎？

　　提到‘核’這個(gè)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(lǐng)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(jīng)過(guò) 40 年的發(fā)展，核電池技術(shù)也變得愈發(fā)成熟。

　　不過(guò)，相對日常生活中隨處可見(jiàn)的鋰電池而言，核電池的發(fā)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(méi)有它們的蹤影。

　　但從安全以及性能的角度來(lái)看，核電池都有很大希望在未來(lái)一段時(shí)間實(shí)現商業(yè)化落地，甚至進(jìn)入我們的日常生活當中。想必它也會(huì )像自動(dòng)駕駛、VR 等等的創(chuàng )新技術(shù)一樣，慢慢改變這個(gè)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(gè)月的嫦娥四號順利著(zhù)陸，開(kāi)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(lǐng)域不算什么新鮮的東西。早在 1961 年，核能就開(kāi)始在太空領(lǐng)域得以應用。1977 年美國發(fā)射的無(wú)人外太陽(yáng)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(lái)唯一支撐它正常工作的動(dòng)力，就是內部搭載的三枚核電池。

在宇宙中已經(jīng)漂泊 43 年，離開(kāi)太陽(yáng)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(jué)中國

　　這里要簡(jiǎn)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(chǎn)生熱量，然后通過(guò)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(fā)射的好奇號火星探測器同樣使用了核動(dòng)力。據悉，好奇號火星探測車(chē)利用钚-238 衰變熱進(jìn)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(fā)射成功的‘天問(wèn)一號’任務(wù)中，火星探測器中并沒(méi)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(gè)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(jìn)行長(cháng)期探測，必須增加電池重量或者攜帶更多钚-238，無(wú)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(wèn)一號任務(wù)的預計探測時(shí)間僅為 3 個(gè)月，攜帶實(shí)驗器材并不多，只需要太陽(yáng)能就能滿(mǎn)足需求。

天問(wèn)一號上搭載的太陽(yáng)能電池面板|視覺(jué)中國

　　另外，钚 238 屬于高放射性物質(zhì)，人體吸入一小?；覊m都可能引發(fā)致命的癌癥，考慮到中國是首次自主進(jìn)行火星探測器發(fā)射，一旦發(fā)射中出現任何問(wèn)題會(huì )產(chǎn)生很大的安全風(fēng)險（美國之前就發(fā)生過(guò)類(lèi)似的事件，導致钚 238 被釋放到大氣中。）

　　所以無(wú)論從安全還是性?xún)r(jià)比來(lái)看，天問(wèn)一號上搭載太陽(yáng)能電池是最佳選擇。

　　嫦娥四號上同樣搭載了太陽(yáng)能電池作為主要動(dòng)力，核電池在其中的作用比較特殊。月球的晝夜半個(gè)月交替一次，溫差高達 300℃，普通電池根本無(wú)法應對。這時(shí)核電池起到了‘保暖’的作用，利用自身散發(fā)的熱能保溫，維持與地面的通訊，白晝來(lái)臨時(shí)，太陽(yáng)能電池驅動(dòng)探測器開(kāi)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(lǐng)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(méi)有太多限制。而把核電池用作商業(yè)用途，就必須考慮到這兩點(diǎn)。

　　貝塔伏特電池（Betavoltaic Battery）成了最合適的選擇。

　　和產(chǎn)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(shuō)明的是，β衰變對物質(zhì)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(fā)電實(shí)際上已經(jīng)有了一些民用級產(chǎn)品，比如我們經(jīng)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(fā)光。如果你現在在某寶搜索‘氚’，得到的結果都是可發(fā)光的氚氣管，價(jià)格在幾十到幾百元不等，并沒(méi)有什么實(shí)際價(jià)值。

常見(jiàn)的安全出口指示牌，里面就由氚氣來(lái)維持發(fā)光|Unspalsh

　　但它并非完全一無(wú)是處。同樣，某寶 2012 年的時(shí)候就出現過(guò)一款氚電池，號稱(chēng) 20 年不斷電、不充電，一小塊電池的價(jià)格達到了近 7000 元，可謂是天價(jià)。這款名為 NanoTritium 的電池并不是什么山寨產(chǎn)品，而是貨真價(jià)實(shí)的首款可商用氚電池，來(lái)自美國公司 City labs。

早年間某寶上掛售過(guò)氚電池，號稱(chēng) 20 年不斷電不充電|網(wǎng)絡(luò )

　　City labs 一直在研究核電池的相關(guān)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(wèn)題在于，雖然它也屬于β衰變，但它在衰變過(guò)程中會(huì )同時(shí)釋放出具有強輻射的γ射線(xiàn)，所以 Betacel 需要在電池內部騰出大量空間屏蔽輻射。最終因‘性?xún)r(jià)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(fǎng)稱(chēng)，貝塔伏特電池技術(shù)正在重新興起，因為半導體材料已經(jīng)取得了很大進(jìn)步?！缙诘陌雽w材料不足以將電子從β衰變轉換為可用電流?！?/p>

　　基于半導體材料技術(shù)的進(jìn)步，在全球范圍內一些企業(yè)也開(kāi)始立志將核電池商業(yè)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(yè)模式

　　作為目前最有可能商業(yè)化的核電池技術(shù)，全球各個(gè)國家都在進(jìn)行貝塔伏特電池的研究。因為技術(shù)門(mén)檻相對較高，企業(yè)也相應較少，上面提到的 City labs 算是氚電池研究行業(yè)中的‘鼻祖’。

　　另一家做氚電池的公司 Widetronix 公布過(guò)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(gè)一平方厘米和十分之二厘米高的包裝時(shí)，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(lái)自上海的紫電能源也在從事核電池的研發(fā)，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(xiàn)產(chǎn)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(jiàn)的產(chǎn)品當中?！想娔茉磮F隊在接受極客公園采訪(fǎng)時(shí)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(zhù)明顯的優(yōu)劣勢。氚的半衰期是 12.5 年，所以產(chǎn)品壽命可以保持很長(cháng)，且過(guò)程中無(wú)需充電。在人們最關(guān)注的電池安全問(wèn)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(yōu)勢。

　　City labs 和 Widetronix 均聲稱(chēng)在著(zhù)名國防承包商洛克希德馬丁公司經(jīng)過(guò)測試，電池經(jīng)歷了從-50oC 到 150°C 的熱循環(huán)，沒(méi)有降解。

　　但是，與鋰電池等化學(xué)電池相比，貝塔伏特電池的缺點(diǎn)是輸出功率低，這也是紫電能源想解決的問(wèn)題。Widetronix 生產(chǎn)的 1x1x0.2cm 大小氚電池，產(chǎn)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(jīng)進(jìn)入小批量試用驗證階段。據極客公園了解，紫電能源已經(jīng)開(kāi)始組建工廠(chǎng)及生產(chǎn)線(xiàn)，充電寶產(chǎn)品預計明年進(jìn)入量產(chǎn)階段?！a(chǎn)品性能可以達到 12V1A，與現在的充電寶完全一致?！想娔茉捶矫娣Q(chēng)。

　　紫電能源旗下的氚氣光敏電池|紫電能源

　　如果充電寶產(chǎn)品能順利量產(chǎn)，對于核電池產(chǎn)業(yè)是一個(gè)不小的突破。因為貝塔伏特電池的特性，它能使用的場(chǎng)景十分有限。根據 City labs 的官網(wǎng)，貝塔伏特電池在長(cháng)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(chǎng)景都是目前貝塔伏特電池在攻克及應用的領(lǐng)域。

　　不難預見(jiàn)，技術(shù)發(fā)展的方向是民用化，最日常的事物因此發(fā)生改變，是這個(gè)技術(shù)能夠產(chǎn)生最深刻的影響。

　　核電池同理，相對局限的應用領(lǐng)域對應的是小眾場(chǎng)景，也有公司在對手機、無(wú)人機、新能源汽車(chē)等更加通用的行業(yè)進(jìn)行相關(guān)研究。

　　試想，如果手機廠(chǎng)商拋棄掉‘充電 5 分鐘刷劇 x 小時(shí)’的廣告，自信說(shuō)出手機 10 年不用充電；如果電動(dòng)汽車(chē)內部搭載的電池可以保持高性能，且接近 10 年都無(wú)需充電或更換，對于這些已經(jīng)存在許多年的行業(yè)產(chǎn)生的顛覆，將不可估量。