下一場“核戰(zhàn)爭” 主角是電池

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　　從航天航空逐漸走入民用化，這個能夠供電長達(dá) 10 年的電池會是接下來的風(fēng)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(lǐng)域，上世紀(jì) 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 40 年的發(fā)展，核電池技術(shù)也變得愈發(fā)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(fā)展并不如想象中那么快，至少在手機(jī)、電腦等電子設(shè)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(xiàn)商業(yè)化落地，甚至進(jìn)入我們的日常生活當(dāng)中。想必它也會像自動駕駛、VR 等等的創(chuàng)新技術(shù)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(nèi)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，核能就開始在太空領(lǐng)域得以應(yīng)用。1977 年美國發(fā)射的無人外太陽系空間探測器——旅行者 1 號，一直到現(xiàn)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(nèi)部搭載的三枚核電池。

在宇宙中已經(jīng)漂泊 43 年，離開太陽系的旅行者 1 號。內(nèi)部的核電池還能支撐它繼續(xù)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(chǎn)生熱量，然后通過熱電材料將熱能轉(zhuǎn)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力。據(jù)悉，好奇號火星探測車?yán)妙?238 衰變熱進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換工作，設(shè)計壽命可達(dá) 40-50 年以上。

　　但是中國最近剛剛發(fā)射成功的‘天問一號’任務(wù)中，火星探測器中并沒有出現(xiàn)核電池的身影。這是為什么？

　　能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率不到 10%，并不算高。如果想要進(jìn)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(fù)荷。天問一號任務(wù)的預(yù)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(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(xiàn)任何問題會產(chǎn)生很大的安全風(fēng)險（美國之前就發(fā)生過類似的事件，導(dǎo)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(dá) 300℃，普通電池根本無法應(yīng)對。這時核電池起到了‘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，白晝來臨時，太陽能電池驅(qū)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(diào)得多，成本上也更加‘親民’。

　　航空航天領(lǐng)域?qū)穗姵氐囊笫潜仨毺峁┳銐虻哪芰?，因此體積和放射性上沒有太多限制。而把核電池用作商業(yè)用途，就必須考慮到這兩點。

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

　　和產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)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(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(nèi)消防通道上的安全出口指示牌，內(nèi)部就靠氚氣發(fā)光。如果你現(xiàn)在在某寶搜索‘氚’，得到的結(jié)果都是可發(fā)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(fā)光|Unspalsh

　　但它并非完全一無是處。同樣，某寶 2012 年的時候就出現(xiàn)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(dá)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)

　　City labs 一直在研究核電池的相關(guān)應(yīng)用，公司的研究總監(jiān) Larry Olsen 在上世紀(jì) 70 年代就設(shè)計了以钷-147 元素為基礎(chǔ)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(qiáng)輻射的γ射線，所以 Betacel 需要在電池內(nèi)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(shù)正在重新興起，因為半導(dǎo)體材料已經(jīng)取得了很大進(jìn)步?！缙诘陌雽?dǎo)體材料不足以將電子從β衰變轉(zhuǎn)換為可用電流?！?/p>

　　基于半導(dǎo)體材料技術(shù)的進(jìn)步，在全球范圍內(nèi)一些企業(yè)也開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)，全球各個國家都在進(jìn)行貝塔伏特電池的研究。因為技術(shù)門檻相對較高，企業(yè)也相應(yīng)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 公布過電池的制造原理，由浸有氚元素的金屬箔和半導(dǎo)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(zhuǎn)化為電流。當(dāng) 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(yīng)方式不同，存在一些細(xì)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(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產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能。

　　‘這種方式可以大幅提高功率，用在一些常見的產(chǎn)品當(dāng)中?！想娔茉磮F(tuán)隊在接受極客公園采訪時表示。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(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，且過程中無需充電。在人們最關(guān)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(yōu)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(jīng)過測試，電池經(jīng)歷了從-50oC 到 150°C 的熱循環(huán)，沒有降解。

　　但是，與鋰電池等化學(xué)電池相比，貝塔伏特電池的缺點是輸出功率低，這也是紫電能源想解決的問題。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(jī)（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(jù)極客公園了解，紫電能源已經(jīng)開始組建工廠及生產(chǎn)線，充電寶產(chǎn)品預(yù)計明年進(jìn)入量產(chǎn)階段?！a(chǎn)品性能可以達(dá)到 12V1A，與現(xiàn)在的充電寶完全一致?！想娔茉捶矫娣Q。

　　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(jù) City labs 的官網(wǎng)，貝塔伏特電池在長期使用、低功率、且非常需要持續(xù)供電的設(shè)備中是最完美的選擇。因此，國防電子、傳感器、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等場景都是目前貝塔伏特電池在攻克及應(yīng)用的領(lǐng)域。

　　不難預(yù)見，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(yīng)用領(lǐng)域?qū)?yīng)的是小眾場景，也有公司在對手機(jī)、無人機(jī)、新能源汽車等更加通用的行業(yè)進(jìn)行相關(guān)研究。

　　試想，如果手機(jī)廠商拋棄掉‘充電 5 分鐘刷劇 x 小時’的廣告，自信說出手機(jī) 10 年不用充電；如果電動汽車內(nèi)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(jīng)存在許多年的行業(yè)產(chǎn)生的顛覆，將不可估量。