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中国初创公司贝塔伏特 (Betavolt) 于近期宣布，他们成功研发了一款使用寿命长达50年的核电池。。 尽管核电池技术诞生于上世纪50年代，但如今电动化和脱碳化的需求使得我们更加迫切地寻找零排放能源和可靠的能源存储方案。 在这样的背景下，贝塔伏特的创新让人们再度关注电池中的核能。
核电池是一种利用放射性物质的自然衰变产生电流的电池。这种电池已在空间或北极灯塔等远程操作中得到应用，因为在这些地方更换电池非常困难，甚至是不可能的。 以火星科学实验室漫游车为例，它采用了放射性同位素动力系统。这一系统利用热电发电机将放射性衰变产生的热能转化为电能。 而贝塔伏特公司的创新在于，其研发的贝塔伏特电池采用了贝塔粒子而非热能作为能源。
在将这些长寿命电池应用于普通设备之前，了解一些关键权衡因素至关重要。 尽管贝塔伏特电池的使用寿命长，但其每单位质量的功率输出（即功率密度）却较低，因此二者是此消彼长的两个因素。 现有的贝塔伏特电池的功率密度非常低，无法为手机或笔记本电脑供电。
包括贝塔伏特电池在内的所有类型核电池的广泛应用还面临着其他挑战，尤其是材料供应和使用放射性材料带来的隐忧。 然而，这项技术背后的物理和材料科学可以极大地推动无二氧化碳能源的发展，并助力解决目前可用储能技术不足的问题。。
贝塔伏特电池的工作原理？
贝塔伏特电池含有放射性发射体和半导体吸收体。 当发射体材料自然衰变时，可释放出贝塔粒子或高速电子，撞击电池中的吸收体材料，将半导体吸收体中的电子与原子核分离。 所产生的电子空穴对分分离在吸收体中产生电流，从而产生电池电能。
然而，贝塔伏特电池的运作规模还无法与大型核电站相比。 在贝塔伏特电池中，发射体和吸收体是被重叠放置的薄膜。得益于这种设计，整个电池仅有硬币或糖果大小。 这是因为大部分贝塔粒子在接近吸收体表面的地方被吸收后，其能量被转化为了电能。
带有光伏电池的太阳能电池板也通过一个类似的过程产生电流。 在太阳能电池板中，来自太阳的光子将电子释放，在吸收体中形成电子-空穴对。而在贝塔伏特电池中，这一过程由自然放射性衰变产生的贝塔粒子完成。
核电池面临的挑战
由于衰变过程和贝塔粒子转化为电能的物理限制，这些电池只能产生少量的电量——大约是微瓦级。 如图1所示，贝塔伏特电池的功率密度非常低，但与其他类型的电池相比，它们所提供的能量密度或电池每单位质量所含的总能量极高。
贝塔伏特电池之所以具有如此高的能量密度，是因为其放射性发射体随时间的衰变很缓慢，使得反应能够持续多年释放电子。 它们的寿命是通过半衰期来衡量的，半衰期是达到初始贝塔粒子发射强度的一半所需的时间。 贝塔伏特电池使用的最常见发射体的半衰期为2.5至100年。
要产生瓦特或千瓦级的电力，需要大量的贝塔伏特电池。 根据现有技术，制造这种规模的电池成本过高。 一个主要原因是发射体不是由自然物质构成的。 相反，这种放射性物质必须人工合成，而且开发用于更高功率应用的大规模电池的成本过于高昂。
然而，贝塔伏特电池已经用于起搏器和其他小型电子设备。 随着近年来可穿戴设备和智能家居设备的增加，贝塔伏特电池的潜在应用比以往任何时候都更多。这得益于发射体和吸收体的成功配对。
发射体和吸收体为贝塔伏特技术赋能
未来，长期可用的、无碳的能源至关重要。尽管贝塔伏特电池可能无法为整个建筑物供电，但了解可以产生持续能量的材料之间的关系，可以挖掘新的可能性。 CAS内容合集TM（业内最大的人工整理的已发表科学信息合集），我们可以识别有潜力的材料和研究趋势。
我们在文献中看到的最常见的贝塔粒子发射体是镍-63，镍元素的一种同位素，其半衰期约为100年（见图2）。 其次是氢-3或氚，通常与固态材料钛三聚体结合。 我们的分析中也经常出现钷-147，但它被引用的次数较少，并且与其他发射体材料相比，钷-147没有呈现出相同的增长趋势（图3）。
吸收体引用最多的材料是硅，这是半导体器件中最常见的材料（见图4）。 硅在太阳能电池中的应用也证明了其在这种电流生成类型应用中的益处和可扩展性。
此外，碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）也是太阳能电池领域经常被引用的材料。 这些材料具有较大的带间隙，可提高贝塔粒子的电能转换效率。 其同样具备出色的抗贝塔粒子辐射降解的能力，即所谓的“耐辐射性”，可提高设备的寿命和稳定性。 这些都是吸收体材料的关键特性。
值得注意的是，我们发现金刚石也是一种被深入研究过的吸收器材料。 值得注意的是，钻石也是一种成熟的吸收体材料。此处指人工合成的金刚石膜，而非天然宝石。由于其大带间隙和高耐辐射性，人工合成的金刚石膜也是一种有效的吸收体材料。
我们的分析表明，63Ni-硅是研究中最常见的发射体-吸收体对。 除这些材料之外，发射体-吸收体对的出现频率大致与文献中单个发射体和吸收体材料的出现频率相对应。 这表明，研究人员目前正在测试多个不同的材料组合（参见图6）。
核电池技术的未来应用
如果贝塔伏特电池能够在提高功率密度的同时，有效消除尺寸和成本方面的限制，那么这些电池将能够为设备提供持久电力，多年无需更换。 由于贝塔辐射的穿透深度相对较小，发射体相较于其他类型的放射性材料来说更为安全。因此，可使用简单的材料进行屏蔽，确保它们适合消费者使用。
英国的研究人员甚至利用核废料中具有放射性的碳-14 开发出了一种贝塔伏特电池。 为了提高效率，他们将碳-14嵌入钻石中，而不是将发射体和吸收体分别置于不同的层中。 如果大规模生产，这些电池将有助于解决放射性废物的问题，同时提供持久、稳定的电力。
另一项可能的创新是利用纳米材料，如碳纳米管或纳米多孔结构，来增加吸收体的表面积。 这种设计允许贝塔伏特电池生成并有效地分离更多的电子-空穴对，从而产生更强的电流，同时不会将电池的尺寸增大至不可持续的程度。 利用纳米材料增加表面积的方法已经被应用于太阳能电池和锂离子电池等电化学电池中。
如果研究人员掌握在贝塔伏特电池中利用这种技术的能力，则这种储能类型将具有更广泛的应用前景。这可能会推动可再生能源和储能技术的进步，为脱碳事业提供支持。 如需了解更多未来绿色能源领域的机遇，请参阅我们近期关于：增长最快的研究趋势、锂离子电池回收利用的突破以及绿氢经济的关键组成部分的文章。
