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     全球核電池技術進展初探

 

      核電池自1913年開始就已經吸引了廣大研究人員的興趣。目前具有潛力的核電池是熱電子型、熱光電型、直接電荷收集型、熱離子型、閃爍中間體型、阿爾法伏特效應電池（alphavoltaics）和貝塔伏特效應電池(betavoltaics)直接能量轉換型等。最近40年，主流核電池技術是放射性同位素熱電電池（radioisotope thermoelectric generator，RTG），這種電池通過塞貝克效應（Seebeck effect）將放射性元素衰變產生的熱量轉換為電能。目前，RTG已經被廣泛應用于深空探索場景中，并且已經成為評價其他核電池效能的標尺。

 

      目前，制約RTG應用的2個主要因素是轉換效率低、體積大。RTG只有約6%的轉換效率，因此決定了它的成品具有很大的質量，并且能量密度低。為了能使核電池在小型器件中發揮優勢，研究人員正朝著核電池小型化并提高電池轉換效率的方向努力。

 

     一、核電池技術研究進展
 

      根據放射性同位素電池的換能量轉換效率和輸出功率來分類，目前放射性同位素電池可以劃分為熱電式、輻射福特效應式等。

 

     1.熱電式同位素電池
 

       熱電式同位素電池通過換能器件，將直接收集放射性同位素衰變所產生的射線，或基于Seebeck效應、熱致電子/光子發射效應等轉換為電能。目前，熱電式同位素電池主要由于傳統材料的熱電優值不高、電池漏熱較高等因素，造成電池轉換效率低。隨著新型熱電材料的開發已經電池結構改進，有望對熱電式電池性能進行提升。

 

       美國弗吉尼亞技術大學機械工程系的Tariq R.Alam等人[1]開發了一種使用佩內洛普的蒙特卡羅源模型來研究不同的氚金屬化合物，以更好地設計 betavoltaic 電池（射線電池）的放射性同位素源。源模型考慮了源中β射線的自吸收，預估了各種源厚度的平均 β射線能量、β射線漲落、源功率輸出和源效率。用實驗結果驗證了氚鈦與90°角分布的β粒子的模擬結果。分析了各向同性粒子發射后散射效應的重要性。他們的結果表明，歸一化平均β射線能量隨源厚度的增加而增大, 并根據源的密度和具體活動達到峰值能量。隨著源厚度的增加，β射線流量和功率輸出也隨之增加。然而, 由于自吸收（self-absorption ）效應, 在較高的厚度下, 由于源效率顯著降低, β射線流量和功率輸出的增量增加變得最小，因此, 達到了飽和閾值。低密度的源材料, 如氚化合物（tritide）鈹提供了更高的功率輸出, 效率更高。碳化硅（SiC）和氚化鈹為材料，器件獲得了約 4 MW/cm3 的最大功率輸出。他們采用形狀因子法，在β射線峰值處得到了最佳源厚度。

 

       華僑大學Bihong Lin等人對熱離子——溫差混合發電模塊進行了優化研究。他們首先利用非平衡熱力學理論制備了熱離子——半導體溫差熱電發射電池模塊，利用模型計算出了其輸出功率、轉換效率、模塊功函數、電流密度、電流和負載等參數的優化范圍，并且實現了能量源的階梯利用。

 

       英國劍橋大學的Arias等人研究了利用靜電感應來提升同位素熱源功率的方法。他們提出并制造了一種基于靜電感應的同位素增強裝置，在β射線的照射下能夠將輸出功率提高10%。這種裝置可以被用于供暖、太空探索等同位素電池應用領域。

 

      2.輻射伏特效應電池

 

       輻射伏特效應同位素電池工作原理是利用放射性同位素衰變發出的射線照射半導體材料，是半導體產生大量電子——空穴對，電子——空穴對在電場作用下分離，接入外接電路實現電能輸出。因此，輻射伏特效應的同位素電池更有望實現小型化，在集成電路和微機電等領域具有潛在的應用。

 

       南京大學的Zhangang Jin等人[4]制備了2種基于γ射線、PN型鋁鎵銦磷（AlGaInP）半導體和硫化鋅:銅（ZnS:Cu）熒光材料的4層核電池。其中一個是4層的無線電波電池 (FRVB), 體積為 1.00 cm3, 另一種是4層雙效核電池 (FDEB), 體積為 1.03 cm3。用 X 射線管輻照測試了2個電池的輸出性能水平。結果表明, 核電池在并聯時的輸出功率明顯大于串聯。然而, FDEB 的輸出功率和功率密度, 分別為 57.26 nW 和 55.59 nW/cm3, 均為平行 FRVB 的5倍高。根據實際需要, FDEB 的每個子電池單元以不同的方式連接。得到了不同的輸出電流和電壓, 而輸出功率沒有差異。他們還利用 MCNP5 對 FDEB 中各 AlGaInP 或 ZnS: Cu層的 X射線能量沉積進行了模擬。結果表明，在熒光層中, 少量的能量沉積能顯著提高核電池的電輸出性能。多層雙效能量轉換機構能提高核電池的電氣輸出性能。

 

       俄羅斯超硬和新型碳材料技術研究所的V.S.Bormashov等人[5]用200個基于肖特基勢壘的金剛石二極管制備了一種betavoltaic同位素電池。電池由24%的鎳（63Ni）放射性同位素的垂直堆積而成。在 5 mm×5 mm×3.5 mm 的總容積中獲得約0.93 μW 的最大電輸出功率。他們首先利用離子束輔助lift-off技術獲得了最小厚度的轉換單元，厚度與63Ni同位素發射的β粒子的特征穿透長度相當。受生產結構的機械強度和工藝可靠性的限制，他們得到了15μm的厚度。通過在掃描電鏡下對電子束輻照進行了IV曲線測量以獲得金剛石基轉換單元的性能，他們發現從高溫高壓（HPHT）金剛石基體中分離出如此薄的轉化細胞的犧牲層并沒有造成器件電荷收集效率的大幅度降低，該電池輸出功率密度達到10μW/cm3，是基于63Ni放射性同位素電池的最高數值。63Ni 同位素的長半衰期給出了大約 3 300 mWh/g的電池特定能量，已經達到商用化學電池的能力。

 

       哈爾濱工業大學的Benjian Liu等人[6]制備了一種金剛石肖特基勢核電池 (DSAB), 并進行了α粒子衰減試驗。該裝置是在 硼摻雜的HPHT 金剛石上利用化學氣相沉積（CVD）外延生長氧原子封端的本征金剛石制備而成。用8.85 μCi/cm2 輻照下的低活性α源, 加以 1.13 V 開路電壓和短路電流 53.4 pA，電池的總轉換效率達到0.83% 。DSAB 同時具有比硅（Si）和 SiC二極管更好的開路電壓和短路電流穩定性, 這意味著 DSAB 具有實現較高并且穩定轉換效率的潛力。

 

       西北工業大學的Qiao等人使用63Ni作為放射源，4H-SiC作為半導體設計了基于微機電系統的肖特基型β伏特效應同位素電池。他們得到在0.27V開路電壓下，短路電流密度為25.57nA/cm2，最大輸出功率密度達到4.08nW/cm2。

 

       第3代半導體的興起后，對輻射福特效應電池輸出性能提升起了極大的促進作用。中科院蘇州納米所的Lu等人制造出基于氮化鎵（GaN）材料的β輻射福特效應電池。該電池開路電壓為0.1V時，短路電流密度為1.2nA/cm2。Chandrashekhar等人[9]首次制備了基于SiC的輻射福特效應電池。他們采用63Ni作為輻射源，用4H-SiC制出β輻射福特效應電池，電池轉換效率6%，功率密度達到12nW/cm2。City Labs公司結合放射源氚（3H），已經實現SiC燃料電池的產業化，形成Nano TrituimTM Battery產品系列。由于3H的價格（約3.5美元/居里）只有63Ni（約4 000美元/居里）的1/1000，大幅降低了輻射福特效應同位素電池的成本。目前該公司的電池轉換效率已經達到10%，實現40～840nW的電學輸出功率。

 

       在輻射伏特效應同位素電池的結構設計方面，Missouri大學Kwon等人[10]制備了一種水性核電池. 該電池放射源為鍶/釔（90Sr/90Y）為, 水基材料則采用氫氧化鉀（KOH）水溶液, 鉑（Pt）金屬薄膜包覆于二氧化鈦（TiO2）納米多孔半導體上形 成金屬-半導體結對水進行分解。在電池電壓為-0.9 V時，電池的輸出功率密度為75.02 μW/cm2. 由于水性核電池的水基材料在 β射線作用 下可以不斷產生自由基并且能夠作為射線屏蔽材料 吸收β射線動能，能夠效避免半導體材料輻照退化現象。

 

      3.壓電同位素電池

 

       蘭州大學的Y.Zhou等人[11]基于布雷頓（Brayton）循環放射性同位素能源系統和PZT-5H（Pb（ZrxTi1-x）O3,0≤x≤1）單壓電晶片，制備了一種jet電流驅動的壓電核電池（piezoelectric nuclear battery driven by the jet-flow，PNBJ）。該電池中，用PZT-5H單壓電晶片取代了渦輪機，利用由放射性同位素衰變能量加熱的高速氮氣射流輸出電能。 在2.26×10 -3 m3/s的流量和的室溫下獲得0.34%以上的PNBJ能量轉換效率。這種電池可用于低功率微電子和微系統，如電子手表，AC-LED（交流發光二極管）和傳感器等。

 

       蘭州大學Li等人通過對Brayton循環同位素發電系統進行優化設計得到了一種新型射流驅動壓電換能機制同位素電池。該設計方案利用放射性同位素熱源衰變加熱惰性氣體，在耐高溫管道中形成高速氣流并穿越活動式尖端噴嘴作用于壓電材料，使之發生形變而實現壓電式電能輸出。氣流經過散熱器降溫并經過單向氣動閥回流到熱源腔實現二次加熱，從而形成封閉循環。由于采用壓電材料替代渦輪機實現能量轉換，他們的設計有效解決了布雷頓循環同位素發電系統所存在的高速運轉部件潤滑困難、高速轉動產生的慣性矢量影響系統穩定性等關鍵技術瓶頸。

 

      4.閃爍中間體型同位素電池

 

       南京大學的X.Guo等人[13]提出了一種基于γ放射性同位素源的雙效多級同位素電池。他們組合了無線電波（radio-voltaic，RV）和無線電光伏（radio-photovoltaic，RPV）2種能量轉換機制，來將γ射線轉換為電能。研究人員計算了鈷（60Co）放射性同位素源輻照雙效多電位同位素電池的理論性能極限，并利用MCNP5分析了各轉換機理的特征。結果顯示，RPV效應比RV效應產生更多的電輸出，但每種效應對電池的貢獻是顯著的。多級同位素電池的輸出性能在60Co源下以0.103kGy/h和0.68kGy/h的劑量率表征。從理論和實驗雙層面研究并探討了2種能量轉換機制相結合提高核電池性能的可行性。他們發現，使用具有大活動的60Co放射性同位素源和具有額外水平的轉換模塊可以獲得相當大的輸出性能。此外，他們研究了硅酸釔镥閃爍晶體(LYSO)對第一級轉換模塊性能極限的厚度影響，以優化多級雙效同位素電池的結構參數。閃爍體的厚度強烈地影響多級轉換模塊中γ射線的能量沉積分布，導致RV和RPV效應產生的輸出的變化，這反過來影響電池的總輸出。

 

      二、核電池技術研究趨勢

 

       相比干電池、鋰電池等傳統電池，核電池有著高環境適應性、高穩定性、高功率匹配等天然優勢。但轉換效率低下，電池能量密度小仍然是限制核電池應用的主要原因。動態型熱電轉換同位素電池雖然達到了最高20%～40%的轉換效率，但其高速運轉零部件的潤滑問題，和高速轉動產生的極大的慣性矢量影響電池穩定性等問題仍未取得突破性進展。

 

       目前，出現了通過采用新型發電原理，特別是基于管道絨毛式納米線壓電材料和納米熱點材料耦合陣列的動態同位素電池，以及依靠管道熱流作用熱電材料實現電能輸出等技術，使得電池同位素放射源加載活度降低，能量轉換效率大幅提高，并且更加穩定、易于加工制造，為放射性同位素電池提供了一新的方向。

 

       隨著核電池技術的發展，對核電池材料也提出了越來越高的要求。

 

       在同位素熱源材料方面，主要包括α、β、γ三種，238Pu和210Po是主要的α源，63Ni、90Sr和90Y是主要的β源。氚源由于具有較高的能量密度（1000mW·h/g），并且無毒低污染，地球上存量極大，在未來的核電池中最具有應用前景。

 

       在能量轉換材料方面，Bi2Te3/Sb2Te3是低溫溫差式電池的主要材料，高溫材料則主要選用SiGe。GaN、SiC等,特別是第3代半導體的興起極大的促進了輻射伏特效應電池的研究。在生長制備等工藝水平突破后極有希望取代核電池中的傳統半導體材料。

 

       隨著同位素放射源、能量轉換材料、防輻射材料等相繼取得突破，核電池的安全性更高、壽命更長、成本更低、質量更輕、能量轉換效率更高、功率更大。在核電池的安全、功率、成本等問題相繼被攻克后，其應用價值領域必定會更高更廣。