前言
近期，有团队研制出了民用级别的原子能电池[1]。研究者声称这种和一颗硬币差不多大的方块电池能稳定供电50年，无需充电，无需维护。可满足航空航天、AI设备、医疗器械、微机电系统、高级传感器、小型无人机和微型机器人等长续航多场景下的电力供应。本文带大家认识一下核能电池的原理、用途和寿命！
核能电池的原理
图1利用元素衰变激发电流。图源：52赫兹实验室
核能电池是一种利用核能直接或间接转化为电能的装置[2]。与传统的化学电池不同，核能电池不依赖化学反应，而是利用核反应产生热量，然后将热量转化为电能。核能电池的原理可以分为两类：一类是核热电池，另一类是核燃料电池[3]。
核热电池的原理是利用核裂变或核聚变反应产生的高温热量，通过热交换器将热量传递给工质，使工质膨胀并与驱动涡轮机旋转，从而产生电能。热能最终可转化为电能，供给电网使用。核燃料电池的原理是利用核能直接转化为电能。核燃料在电池内部发生核反应，产生中子、质子等粒子，这些粒子在电池内部的导体中运动，与导体中的电子发生碰撞，使电子产生定向运动，从而形成电流。
核能电池的用途
相较于传统的核反应堆，核能电池具有体积小、能量密度高、污染低等特点。近年来，核能电池在太空探测、民用领域等方面取得了重要突破。首先，在太空探测领域，核能电池具有重要意义。由于太空环境复杂，探测器需要在低温、高辐射等恶劣条件下工作，传统的太阳能电池无法满足需求。核能电池具有很高的能量密度，能在极端环境下为探测器提供稳定电源。例如，我国嫦娥三号月球探测器就采用了核能电池，使其能在月球表面过夜并完成相关科学实验[4]。此外，核能电池的使用还能减少对太阳能电池的需求，降低探测器的重量和成本。
图2嫦娥三号月球探测器 图源：北京科协
其次，在民用领域，核能电池也具有广泛的应用前景[5]。核能电池可以分为两类：一类是用于便携式设备，如手机、笔记本等电子产品；另一类是用于固定式设备，如基站、数据中心等。在便携式设备领域，核能电池的优势尤为明显。与传统锂电池相比，核能电池具有更长的使用寿命和更低的维护成本。2023年，俄罗斯《劳动报》报道称：俄罗斯已成功研发出一款功率高达500瓦的小型核电池。这款创新型的能源装置不仅体积小巧，更以其超凡的续航能力而引人注目——它能够在无需外部能源补给的情况下，连续稳定工作长达80年之久[6]。这意味着用户可以使用核能电池供电的手机、笔记本等设备，无需频繁充电，大大提高了电子产品的生活品质。此外，核能电池体积小、重量轻，便于携带。
在固定式设备领域，核能电池也有广泛应用[7]。例如，基站、数据中心等设施往往需要大量能源，传统的太阳能、风能等可再生能源难以满足需求。核能电池作为一种清洁、高效的能源供应方式，可以为主营业务提供稳定、可靠的电源。同时，核能电池在通信、导航、遥感等基础设施建设领域也具有巨大潜力。
此外，核能电池还可应用于新能源汽车、医疗设备、航空航天等领域。新能源汽车采用核能电池作为动力来源，可以实现长续航里程和较低的能源成本。在医疗设备方面，核能电池可以提供稳定、高效的电源，确保医疗设备正常运行。在航空航天领域，核能电池可以减轻飞行器的重量，提高其性能和续航能力。
核能电池的寿命和功率密度等性能
图3核能电池的结构 来源：来自北京贝塔伏特新能科技公司
核能电池的寿命受多种因素影响，包括所使用的放射性元素、电池设计和工作环境等[8]。不同的核能电池使用不同元素的放射性核素，其寿命也会有所不同。核能电池的寿命与放射性核素的半衰期密切相关。半衰期越长，电池的寿命就越长。例如，碳14的半衰期约5700年，因此使用碳14作为放射性元素的核能电池理论上可以使用数千年。
此外，电池的设计影响了核能电池的寿命。良好的电池设计可以提高电池的稳定性和工作效率，从而延长电池的寿命。最后，核能电池在不同的环境和工作条件下，其寿命也会有所差异。例如，电池在高温、高压或其他恶劣环境下工作，可能会加速电池性能的下降，缩短电池的寿命。总之，不同元素的核能电池的寿命因其所使用的放射性核素、电池设计和工作环境等因素而有所不同。在理想情况下，某些核能电池的理论寿命可以达到数千年。然而，实际应用中，电池寿命可能会受到多种因素的影响，具体寿命会有所缩短。目前，科研人员正致力于提高核能电池的性能和安全性，以实现更长的使用寿命。
核能电池的能量密度受到核燃料的能量释放能力、电池的设计和材料等因素的影响。相较于传统的化学电池，核能电池具有更高的能量密度，具有更大的体积能量密度和质量能量密度。在1克的电池中，能够存储的能量高达3300毫瓦时。
结论与展望
核能电池的研发和应用将带来能源领域的革命性变革。在未来，随着技术进步和绿色能源需求的不断增长，核能电池有望在更多领域得到广泛应用，如智能手机、电动汽车、储能系统等。同时，核能电池的长寿命和环保特点将有助于实现可持续发展目标，减缓环境污染和资源紧张问题。
然而，核能电池也面临一些挑战，如安全性、辐射防护、废弃处理等问题。为确保核能电池的可靠性和安全性，未来研究应重点关注电池材料的改进、核反应堆设计的优化以及辐射防护措施等方面。总体而言，核能电池在应用和寿命方面具有巨大潜力，有望成为取代传统电池的理想选择。随着科技的不断进步和市场需求的推动，核能电池将成为未来能源领域的重要发展趋势。
参考文献
1． 白二娃.核能电池手机不用充电，能否迈入现实？[N].电脑报,2024-01-29(023).
2． Raji M A, Baba A A, Abhilash. Uranium extraction from sulphuric acid leach liquor by Cyanex®272 as intermediate in nuclear fuel cell[J]. J Radioanal Nucl Chem, 2023,332:4471–447. https://doi.org/10.1007/s10967-023-09144-4
3． Spencer M G, Alam T. High power direct energy conversion by nuclear batteries[J]. Appl Phys Rev, 2019, 6 (3): 031305.
https://doi.org/10.1063/1.5123163
4． 于登云, 马继楠.中国深空探测进展与展望[J].前瞻科技,2022,1(1):17-27.
5． Anthony S .能让手机长久续航的核能电池[J].投资与合作,2014,(21):92.
6． 可连续工作80年！俄研制出小型核电池. 参考消息网.http://nnsa.mee.gov.cn/ywdt/gjzx/202307/t20230725_1037147.html
7． Jiang T, Xu Z, Meng C, et al. In-depth analysis of the internal energy conversion of nuclear batteries and radiation degradation of key materials[J]. Energy Technol, 2020, 8: 2000667.
https://doi.org/10.1002/ente.202000667
8． Chinese company unveils revolutionary nuclear battery with 50-year lifespan. 中国日报网.
https://www.chinadaily.com.cn/a/202401/16/WS65a68ff7a3105f21a507c9b7.html
作者：李传福
作者单位：华中科技大学
作者邮箱：lcf1995@hust.edu.cn
审稿人：洪标
编辑：朱真逸
来源：洞察化学
编辑：鱼非我
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