微型核電池問世：手機(jī)可不充電用5000年

摘要

微型核電池(penny-sized nuclear battery)，是指體積小，只有一分錢硬幣的厚度，電力強(qiáng)，使用安全的“核電池”?？捎糜谑謾C(jī)充電，可以讓你的手機(jī)不充電使用5000年。它的原理通過(guò)利用微型和納米級(jí)系統(tǒng)開發(fā)出了一種超微型電源設(shè)備，這種設(shè)備通過(guò)放射性物質(zhì)的衰變，釋放出帶電粒子，從而獲得持續(xù)電流。

微型核電池-研究

表1

微機(jī)電系統(tǒng)和納米技術(shù)的研究在過(guò)去20年取得了巨大的進(jìn)展, 研究者們開發(fā)了各種類型的微米和納米尺度的器件。然而, 能量供給裝置很難微小型化到相應(yīng)尺度傳統(tǒng)的電池或能量供給裝置仍然用于微米和納米器件, 這導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)體積增大、頻繁充電或電池單元組布置的困難因此, 研究者們自20世紀(jì)90年代起開始將目光轉(zhuǎn)向開發(fā)各種微型電池的技術(shù)上。其中, 基于渦輪燃燒的微型能量產(chǎn)生裝置和微型嫩料電池的目標(biāo)是將機(jī)械能、熱能和化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。這些技術(shù)都需要外部的微流體結(jié)構(gòu)和外部能源驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并供給燃料到工作腔中, 或者促成化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能轉(zhuǎn)換。微型鏗電池也在研究當(dāng)中, 但是這類電池目前能量密度低, 壽命短目前研究熱點(diǎn)之一的還有微型太陽(yáng)能電池陣列, 其缺點(diǎn)在于需要光作為原始能源。放射能可以在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療服務(wù)等許多不同的領(lǐng)域可以得到應(yīng)用, 能量產(chǎn)生是其最重要的應(yīng)用領(lǐng)域這是因?yàn)楹四茉谠S多場(chǎng)合都是比常規(guī)能量產(chǎn)生形式更高效的能量產(chǎn)生方法。

1999年美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究者在美國(guó)能源部的資助下在國(guó)際上首先提出了結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和核能科學(xué)與技術(shù), 開展微型核電池或稱放射性同位素電池的研究, 隨后在美國(guó)國(guó)防部的資助下, 繼續(xù)在美國(guó)康乃爾大學(xué)開展工作。最近, 包括廈門大學(xué)薩本棟微機(jī)電研究中心在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外許多研究小組也開始致力于這項(xiàng)研究當(dāng)中。與其他技術(shù)相比, 微型核電池在許多領(lǐng)域具有應(yīng)用前景, 特別是在需要長(zhǎng)期時(shí)間功能的應(yīng)用場(chǎng)合, 如植入式生物醫(yī)療微器件與用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的微型傳感器或傳感器網(wǎng)絡(luò)放射性同位素的能量密度比化石或化學(xué)燃料的能量密度高了一了, 并且若選擇合適的放射性同位素, 可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的微型核電池。本文中, 我們將評(píng)述以往開發(fā)的應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)和納米器件的微型核同位素電池并給出最新進(jìn)展。

用于徽型電池的放射性同位

圖1

放射性同位素的選擇是實(shí)現(xiàn)微型核電池的最重要的方面, 主要是基于輻射類型, 安全性、能量、相對(duì)比放射性、價(jià)格和半衰期。使用放射性同位素最重要的考慮因素始終是安全性。Gamma射線具有很強(qiáng)的穿透能力, 需要相當(dāng)大的外部屏蔽裝置以減小放射劑量比。Alpha粒子可以用于在半導(dǎo)體產(chǎn)生電子一空穴對(duì), 但是它們會(huì)引起嚴(yán)重的晶格缺陷。純的Beta射線發(fā)生器是微型核電池的最佳選擇。表1給出了我們研究中考慮用于微型核電池的純Beta放射源。鎳-63具有超過(guò)100年的放射期, 在我們的研究中作為首選。從鎳-63發(fā)射出的粒子或電子, 具有淤的平均能量和的最高能量, 這低于引起硅晶體結(jié)構(gòu)永久性損傷的200~250KeV閩值能量。另一方面, 最高運(yùn)動(dòng)能量67KeV的電子無(wú)法穿透人類皮膚的外層, 這保證了操作者的安全。

Beta型徽型電池

所開發(fā)的第一種類型的微型核電池是基于Beta輻生伏打效應(yīng), 即由于電子空穴對(duì)(EHPs)產(chǎn)生的正電荷流動(dòng), 從而形成電勢(shì)差。如圖1所示, 當(dāng)EHPs擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體pn結(jié)的耗盡區(qū), 在pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下,實(shí)現(xiàn)對(duì)電子-空穴對(duì)的分離, 即電子向n區(qū), 空穴向p區(qū)運(yùn)動(dòng), 產(chǎn)生電流輸出。

雖然輻生伏打效應(yīng)與光生伏打效應(yīng)類似, 微型核電池的開發(fā)比太陽(yáng)能電池的開發(fā)要困難得多。主要原因在于核電池中的電子通量密度比太陽(yáng)能電地中的光子通量密度要低。對(duì)于微電池而言, 由于便用了非常低放射強(qiáng)度的同位素, 電子通密度還會(huì)降低。從Beta放射性同位素放射出來(lái)的電子的能分布通常真有很寬的頻譜范圍。帶有不同能的電子會(huì)停留在半導(dǎo)體pn結(jié)器件不同深度的位里。因此, 產(chǎn)生的EHPs的空間分布是不同的。為了獲得更高的能量輸出, 需要對(duì)pn結(jié)器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 并采取微制造工藝達(dá)到盡可能將EHPs收集到耗盡層的目的。

自主往復(fù)式是份粱

圖2

傳統(tǒng)核電池的一種工作方式是利用電容器收集輻射電荷。在我們的研究中, 彈性變形的銅懸臂梁放于距離鎳石放射源一段間隔的位置, 當(dāng)懸仲梁收集了來(lái)自放射源的帶電荷粒子后, 鎳-63剩余負(fù)電荷因此, 產(chǎn)生了靜電力, 將懸臂梁吸引向放射源當(dāng)懸胃梁接觸到放射源, 懸臂梁放電從而回到初始位里, 再次進(jìn)行下一循環(huán)周期的電荷收集。因此, 實(shí)現(xiàn)了自主往復(fù)式懸有梁, 或稱直接收集型電荷運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置。圖4給出了自主往復(fù)式懸臂梁的等效電路使用一個(gè)電流源模擬放射性同位素源, 懸臂梁與放射源之間的間隙表示成時(shí)變電容器。寄生電阻用于表示收集電荷的泄漏通道。

電荷轉(zhuǎn)換導(dǎo)致

電荷轉(zhuǎn)換

式中I為來(lái)自放射性同位素的全放射電流, A為電容器的面積, R為等效阻抗, V為放射源與懸臂梁之間的電 壓, t為時(shí)間, d為電極間的距離, D為表示被懸臂梁收集的部分全放射電流的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

應(yīng)用鉅-147放射性同位的型徽型電池

圖3

事實(shí)上, 大多數(shù)微機(jī)電和納米器件, 與低耗能電子器件, 所消耗的能量在毫瓦范圍內(nèi)。為了增加微型核電池的能物出, 如果允許, 應(yīng)該選擇高能量放射器具有更高的放射強(qiáng)度雖然樞放射性同位素的半衰期只有2.6年, 但其平均能為62KeV, 最高能量為250KeV, 這在硅基pn結(jié)器件中是允許的。如圖5所示,設(shè)計(jì)并制作了應(yīng)用-鉅147放射性同位素作為原始能源的Beta型微型電池。作為電池的平面pn結(jié)器件的10mm*100mm面積為, 并且使用了約200mCi的鉅-147。測(cè)得的開環(huán)電壓0.29V, 短路電流為0.033mA。最大輸出能量為5.7uW。下一步的工作是應(yīng)用堆盛或芯片陣列連接的方法提高微型電池的輸出電壓。

兩種應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)和納米器件的微型核電池, 并給出了利用樞-147放射性同位素實(shí)現(xiàn)輸出能達(dá)到毫瓦級(jí)的Beta型微型核電池。

微型核電池-由來(lái)

生活中，你肯定在為你的手機(jī)電量是否充足、是否要馬上充電等問題而操心勞神，所以，如果給你一塊幾個(gè)月都不需要充電的電池，你馬上會(huì)高興起來(lái)，如果給你一塊你一輩子都不用充電的電池，你會(huì)不會(huì)驚訝萬(wàn)分?如果給你一塊幾百代人都不用充電的電池，你會(huì)不會(huì)覺得這是神話?告訴你，美國(guó)科學(xué)家眼下就創(chuàng)造出了這個(gè)神話。

微型核電池

那么神話是怎么創(chuàng)造出來(lái)的呢?原來(lái)，早些時(shí)候，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放射性物質(zhì)衰變時(shí)，就能夠釋放出帶電粒子，如果采取一定特殊的辦法，就能夠把帶電粒子馴服歸攏起來(lái)，形成電流。后來(lái)科學(xué)家依照這個(gè)發(fā)現(xiàn)和放電原理，發(fā)明了大型的核電池，用于工業(yè)和航天業(yè)。如在航天領(lǐng)域，可把核電池安裝在太陽(yáng)能不夠用的探測(cè)衛(wèi)星上，或安裝在發(fā)射到太陽(yáng)系外的無(wú)人飛船上。遺憾的是，因核電池必須裝有一個(gè)收集帶電粒子的固體半導(dǎo)體，但由于輻射的作用，固體半導(dǎo)體很快就會(huì)受損，而為了降低受損程度，核電池就必須做得足夠大。正因?yàn)楹穗姵刈冃『茈y，所以它就很難在小型或微型電子設(shè)備上派上用場(chǎng)，自然也就很難把它做成手機(jī)電池了。

直到最近，情況有了轉(zhuǎn)機(jī)，美國(guó)科學(xué)家想出了為核電池“瘦身”的妙計(jì)，他們把核電池內(nèi)易受損的固體半導(dǎo)體換成了不易受損的液體半導(dǎo)體，這樣不但能完成收集帶電粒子的使命，而且還可以大幅度“瘦身”，真可謂是一舉兩得。按照新思路研發(fā)出的圓形核電池直徑有1.95厘米，厚才1.55毫米，僅僅比1美分硬幣大一點(diǎn)點(diǎn)，但其電力卻是普通化學(xué)電池的100萬(wàn)倍。

微型核電池-問世

微型核電池：能讓手機(jī)用五千年的電池

英國(guó)BBC電臺(tái)2009年10月9日?qǐng)?bào)道稱，由美國(guó)密蘇里大學(xué)計(jì)算機(jī)工程系教授權(quán)載完(音)率領(lǐng)的研究組研發(fā)出了體積小但電力強(qiáng)的“核電池(nuclear battery)”。該研究成果被刊登在最新一期的《應(yīng)用物理雜志》等科學(xué)雜志。

據(jù)悉，他們通過(guò)利用微型和納米級(jí)系統(tǒng)開發(fā)出了一種超微型電源設(shè)備，這種設(shè)備通過(guò)放射性物質(zhì)的衰變，釋放出帶電粒子，從而獲得持續(xù)電流。

該研究小組稱，雖然在很久之前核電池就已經(jīng)應(yīng)用在航天領(lǐng)域，但是在因?yàn)榇笮〉南拗?，在地球上核電池的?yīng)用還很少。大多數(shù)核電池通過(guò)固態(tài)半導(dǎo)體截獲帶電粒子，因?yàn)榱Ｗ拥哪芰糠浅８咚园雽?dǎo)體隨著時(shí)間的推移將受到損傷，為了能讓電池長(zhǎng)期使用，核電池被制造的非常大。

早在2005年已經(jīng)有研究人員開始了對(duì)核動(dòng)力電池的研究，至今核電池已經(jīng)運(yùn)用在很多專業(yè)領(lǐng)域，但在Jae Kwon和J.David Robertson之前，由于對(duì)核能的忌憚，核電池一直被認(rèn)為不適合民間使用。此次微型核電池的成功研制，無(wú)疑推動(dòng)了核動(dòng)力的普及，說(shuō)不定不久的將來(lái)就會(huì)出現(xiàn)核動(dòng)力筆記本、核動(dòng)力臺(tái)式機(jī)。

微型核電池-特點(diǎn)

韓國(guó)《朝鮮日?qǐng)?bào)》報(bào)道稱，過(guò)去在電池的研發(fā)過(guò)程中面臨的重大難關(guān)之一，就是為了提高性能，電池大小往往比產(chǎn)品本身還大。但權(quán)載完教授組研發(fā)出的核電池只是略大于1美分硬幣(直徑1.95厘米，厚1.55毫米)，卻可以發(fā)出普通化學(xué)電池需充電100萬(wàn)次才能發(fā)出的電力。

權(quán)載完教授還實(shí)現(xiàn)了用于電池的芯片的改革。使用核電池時(shí)發(fā)出的放射能可能會(huì)損壞電池內(nèi)部的固體芯片結(jié)構(gòu)，但權(quán)載完利用液體芯片，最大限度地克服了這一問題。權(quán)載完向BBC電臺(tái)表示：“核能可用于心臟搏動(dòng)調(diào)節(jié)裝置或人造衛(wèi)星等，已經(jīng)可以安全地用于人們的生活。”

只需要一個(gè)硬幣大小的電池，就可以讓你的手機(jī)不充電使用5000年。

美國(guó)密蘇里大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的微型“核電池”使用某種液態(tài)半導(dǎo)體，在帶電粒子通過(guò)時(shí)并不會(huì)對(duì)半導(dǎo)體造成損傷，所以他們得以進(jìn)一步小型化電池。負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的Jae博士稱，雖然人們總是聞“核”色變，但實(shí)際上核動(dòng)力能源早就被應(yīng)用在例如心臟起搏器、太空衛(wèi)星和海底設(shè)備等多種安全供電項(xiàng)目上。

微型核電池-應(yīng)用

科學(xué)家認(rèn)為，在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，微型核電池將被廣泛使用到小型和微型電子系統(tǒng)，比如說(shuō)用于分析血樣的微型電子儀里。因核電池提供電能的時(shí)間非常長(zhǎng)，到那時(shí)，只需要一個(gè)硬幣大小的電池，就可以讓我們的手機(jī)5000年不用充電。另外，像正在流行的電動(dòng)車的電池，也有望實(shí)現(xiàn)讓人至少一輩子不用充電的夢(mèng)想。至于核電池是否會(huì)出現(xiàn)核污染問題，科學(xué)家指出，這個(gè)問題早在發(fā)明它的時(shí)候就同時(shí)解決了，人們不必為此擔(dān)憂。

微型核電池-核電池

“核電池”也被叫做“放射性同位素溫差發(fā)電器”或“原子能電池”。這種溫差發(fā)電器是由一些性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，如碲化鉍、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等，把許多材料串聯(lián)起來(lái)組成。另外還得有一個(gè)合適的熱源和換能器，在熱源和換能器之間形成溫差才可發(fā)電。

核電池的熱源是放射性同位素。它們?cè)谕懽冞^(guò)程中會(huì)不斷以具有熱能的射線的形式，向外放出比一般物質(zhì)大得多的能量。這種很大的能量有兩個(gè)令人喜愛的特點(diǎn)。一是蛻變時(shí)放出的能量大小、速度，不受外界環(huán)境中的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場(chǎng)的影響，因此，核電池以抗干擾性強(qiáng)和工作準(zhǔn)確可靠而著稱。另一個(gè)特點(diǎn)是蛻變時(shí)間很長(zhǎng)，這決定了核電池可長(zhǎng)期使用。核電池采用的放射性同位素來(lái)主要有鍶-90(Sr-90，半衰期為28年)、钚-238(Pu-238，半衰期89.6年)、釙-210(Po-210半衰期為138.4天)等長(zhǎng)半衰期的同位素。將它制成圓柱形電池。燃料放在電池中心，周圍用熱電元件包覆，放射性同位素發(fā)射高能量的α射線，在熱電元件中將熱量轉(zhuǎn)化成電流。

核電池的核心是換能器。目前常用的換能器叫靜態(tài)熱電換能器，它利用熱電偶的原理在不同的金屬中產(chǎn)生電位差，從而發(fā)電。它的優(yōu)點(diǎn)是可以做得很小，只是效率頗低，目前熱利用率只有10%～20%，大部分熱能被浪費(fèi)掉。

在外形上，核電池雖有多種形狀，但最外部分都由合金制成，起保護(hù)電池和散熱的作用;次外層是輻射屏蔽層，防止輻射線泄漏出來(lái);第三層就是換能器了，在這里熱能被轉(zhuǎn)換成電能;最后是電池的心臟部分，放射性同位素原子在這里不斷地發(fā)生蛻變并放出熱量。

第一個(gè)核電池是在1959年1月16日由美國(guó)人制成的，它重1800克，在280天內(nèi)可發(fā)出11.6度電。在此之后，核電池的發(fā)展頗快。1961年美國(guó)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星“探險(xiǎn)者1號(hào)”，上面的無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)就是由核電池供電的。1976年，美國(guó)的“海盜1號(hào)”、“海盜2號(hào)”兩艘宇宙飛船先后在火星上著陸，在短短5個(gè)月中得到的火星情況，比以往人類歷史上所積累的全部情況還要多，它們的工作電源也是核電池。因?yàn)榛鹦潜砻鏈囟鹊臅円共畛^(guò)100℃，如此巨大的溫差，一般化學(xué)電池是無(wú)法工作的。

大海的深處，也是核電池的用武之地。在深海里，太陽(yáng)能電池根本派不上用場(chǎng)，燃料電池和其他化學(xué)電池的使用壽命又太短，所以只得派核電池去了。例如，現(xiàn)在已用它作海底潛艇導(dǎo)航信標(biāo)，能保證航標(biāo)每隔幾秒鐘閃光一次，幾十年內(nèi)可以不換電池。人們還將核電池用作水下監(jiān)聽器的電源，用來(lái)監(jiān)聽敵方潛水艇的活動(dòng)。還有的將核電池用作海底電纜的中繼站電源，它既能耐五六千米深海的高壓，安全可靠地工作，又少花費(fèi)成本，令人十分稱心。

在醫(yī)學(xué)上，核電池已用于心臟起搏器和人工心臟。它們的能源要求精細(xì)可靠，以便能放入患者胸腔內(nèi)長(zhǎng)期使用。以前在無(wú)法解決能源問題時(shí)，人們只能把能源放在體外，但連結(jié)體外到體內(nèi)的管線卻成了重要的感染渠道，很是使人頭疼?，F(xiàn)在可好了，眼下植入人體內(nèi)的微型核電池以鉭鉑合金作外殼，內(nèi)裝150毫克钚238，整個(gè)電池只有 160克重，體積僅 18立方毫米。它可以連續(xù)使用10年以上。

核電池和阿波羅飛船

1969年7月21日，人類第一次成功地登上月球，使用的是阿波羅11號(hào)飛船。在月球表面的“靜海區(qū)”著陸之后，進(jìn)行了一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，例如采集巖石樣品、測(cè)定太陽(yáng)風(fēng)等等。很多人或許還能記得，當(dāng)時(shí)人們都在屏住呼吸從電視屏幕上觀看人類第一次登上月球的情景，觀看船長(zhǎng)阿姆斯特隆和飛行員奧德林在月面上手舞足蹈的動(dòng)人場(chǎng)面。

在阿波羅11號(hào)飛船上，安裝了兩個(gè)放射性同位素裝置，其熱功率為15瓦，用的燃料為钚-238。但是，阿波羅11號(hào)上的放射性同位素裝置是供飛船在月面上過(guò)夜時(shí)取暖用的，也就是說(shuō)它僅僅用于提供熱源。所以，該裝置又叫做ALRH(Apolo Lunar RI Heater)裝置，意思是阿波羅在月球上用的放射性同位素發(fā)熱器。

但是，在后來(lái)發(fā)射的用于探索月面的阿波羅宇宙飛船上，安裝的放射性同位素裝置全部是為了發(fā)電用的。這就是SNAP-27A裝置。它用的燃料是钚-238，設(shè)計(jì)的電輸出功率為63.5瓦，整個(gè)裝置重量為31千克，設(shè)計(jì)壽命為一年。主要是用于阿波羅月面探查的一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

月球上的一天等于地球上的27天。黑夜的時(shí)間占一半，一夜約為地球上的兩周。太陽(yáng)電池在黑夜期間完全停止工作。與此同時(shí)，處于背陽(yáng)的月面，其溫度會(huì)急劇下降好幾百度，從酷熱一下變成了嚴(yán)寒的世界。為了使衛(wèi)星上的地震儀、磁場(chǎng)儀以及其它機(jī)械能正常工作，必須利用余熱進(jìn)行保溫。

在阿波羅12號(hào)飛船上首次裝載的放射性同位素電池——SNAP-27A裝置，其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的一年，并能連續(xù)供給70瓦以上的電力，完全符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。由于這一實(shí)驗(yàn)獲得成功.后來(lái)在1970年發(fā)射的阿波羅14號(hào)以及隨后的阿彼羅15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)等飛船上都相繼安裝了SNAP-27A裝置。

核電池極其貴重，而且使用钚-238的核電池我國(guó)還不能生產(chǎn)。十幾年前，我國(guó)從俄羅斯買過(guò)一枚核電池，大小相當(dāng)于2#干電池，輸出功率500mW，可以連續(xù)輸出200多年，當(dāng)時(shí)買來(lái)的價(jià)格折合3000萬(wàn)元人民幣?？茖W(xué)家在嚴(yán)密的防護(hù)下打開它，結(jié)構(gòu)看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是研究了幾年也沒有結(jié)果，不知道怎么做出來(lái)的。