俄羅斯科學家重新設計小型核電池，大大提升電池功率

核電池設計。 （圖片來源：V. Bormashov et al./Diamond and Related Materials）

導讀：來自莫斯科物理與技術研究所（MIPT）、超硬和新型碳材料技術研究所（TISNCM）以及國立科學和技術大學MISIS的科學家們已經升級了一個核電池的設計，該新型核電池可以從放射性同位素鎳-63的β衰變中產生能量。

由俄羅斯研究人員開發的創新型電池原型能夠提供近3300mWh/g的能量，與其他任何基於鎳-63設計的核電池相比，這種新型電池的能量密度要高出很多，並且更重要的是，它擁有著比已經商業化的化學電池高出10倍的能量密度。Diamond and Related Materials雜誌報道了他們的這項研究。

傳統電池

眾所周知，目前為玩具、手電筒、鍾和其他緊湊型自主電氣設備供電的普通電池，仍然使用基於氧化還原反應提供的能量。電子通過電解質從一個電極到另一個電極轉移，這種轉移方式導致了兩個電極之間的電位差，進而產生電壓。

在通過導體連接電池兩端時，電子的流動開始消除了電位差，並由此產生電流。 傳統的一次電池，也稱為原電池，具有較高的功率密度。

但是，一次化學電池往往在相對較短的時間內集中放電，這限制了它們在更多設備中的使用。 儘管這些電池中的一些（例如蓄電池）是可充電的，但它們必須經常更換以進行充電。這種行為可能是有風險的，特別是應用於一些特殊設備下的電池，例如心臟起搏器或者航空航天器，將無法隨意的更換。

核電池的發展歷史

幸運的是，化學反應只是許多可能的電流來源之一。 1913年，Henry Moseley率先發明了一種基於放射性衰變的發電機。 在他的核電池中，位於隔離電極中心的鐳射發射器被放置在內部鍍銀的玻璃球體中。

由於鐳的β衰變而發射的電子導致中心電極和銀膜之間的電位差。 然而，該器件的空載電壓非常高，大約為幾十千伏，而實際應用中的電流則非常低。

1953年，Paul Rappaport推導應用半導體材料將β衰變能轉化為電能。 從放射源發射的β粒子，正電子和電子具有電離半導體原子的能力，產生未補償的電荷載流子。

當靜電場存在於p-n結構中時，電荷在單一方向上流動，導致電流的產生。，以β衰變為動力的電池被稱為betavoltaics。 與原電池相比，betavoltaics電池的主要優點是其更長的使用壽命：由於核電池中使用的放射性同位素的半衰期為幾十年至數百年，因此其功率輸出在很長一段時間內幾乎可以保持恆定。

然而遺憾的是，與原電池相比，betavoltaics電池的功率密度相當的低。在70年代未考慮功率密度的時候確實在使用betavoltaics電池來為心臟起搏器提供動力。然後當低成本的鋰離子電池興起時，betavoltaics電池逐漸退出市場，儘管鋰離子電池壽命較短。

Betavoltaic電源與放射性同位素熱電發電機（RTG）不同，後者也稱為核電池，但其運行原理比較獨特。 在熱電電池中，熱電偶用於將放射性衰變釋放的熱量轉化為電力。 但是RTG效率有限，並且效率高低取決於溫度。

然而，由於它們的壽命較長且設計相對簡單，熱電電源主要用於驅動航天器，例如 「新視野」號探測器和「好奇號」火星探測器。 此前，RTG被用於無人遙控設施，如自動氣象站和燈塔。 隨著時間的推移，這種做法逐漸被放棄了，因為最終很難回收使用過的放射性燃料，對環境存在危害。

十倍的能量

由超硬和新型碳材料技術研究所主任（TISNCM）和MIPT納米結構物理與化學主席Vladimir Blank領導的研究小組最近提出了一種將核電池的功率密度提高近10倍的新方法。

物理學家設計並構建了一種以鎳-63作為輻射源和基於金剛石二極體的肖特基勢壘進行能量轉換的betavoltaic電池。 使用這種原型電池，他們能夠實現接近1μW的輸出功率，其中每立方厘米的功率密度為10 1μW，這對現代人工起搏器來說是足夠的。 由於鎳-63的半衰期為100年，電池每克的功率接近3300Mw/h，這是電化學電池功率的10倍。

在核電池原型中，200個金剛石轉換器、鎳 - 63和穩定的鎳箔層交織著。轉換器產生的功率量跟鎳箔和轉換器本身的厚度緊密相關。

這是因為兩者都對吸收的β粒子的數量有影響。 目前，可用的原子核電池原型由於其體積過大而無法升級。 如果β輻射源的厚度非常高，由其發射的電子將不能從中逸出，這種效應被稱為自吸收。

然而，當輻射源的厚度減小時，在給定的時間單位內發生β衰變的原子的數量將成比例的最小化。 類似的推理同樣適用於轉換器的厚度。

第一性計算

該團隊的目標是提高鎳-67電池的功率密度。 為了實現這一點，他們進行了電子通過β源和轉換器的數值模擬。 據觀察，當鎳-63源的厚度為2μm時，它是非常有效的，並且關鍵的基於金剛石二極體的肖特基勢壘轉換器的最佳厚度約為10μm。

製造技術

主要的技術問題是如何製造更多數量的具有複雜內部結構的金剛石轉換電池。 並且要保證每個轉換器的厚度僅為數十微米，例如超市中的塑料袋。

傳統的機械和離子金剛石變薄方法不適合這項任務。TISNCM和MIPT的科學家們設計出了一種獨特的技術，用於在金剛石基材上製造薄金剛石板，並將其分開，從而實現超薄轉換器的大規模生產。

研究人員使用20個原子厚的摻硼金剛石晶體板作為基底。 這些晶體板是利用溫度梯度法在高壓下生長出來的。 採用離子注入技術在700nm左右的深度處在襯底中產生100nm厚的具有缺陷的「損傷」層。

在化學氣相沉積法的幫助下，在該層的頂部上形成15μm厚的硼摻雜金剛石膜。 然後，對襯底進行高溫退火處理以引發埋入的缺陷層的石墨化並回收頂部金剛石層。

通過電化學蝕刻去除受損層。 一旦通過蝕刻將缺陷層分離，將歐姆和肖特基接觸裝配在半成品轉換器上。在重複上述操作時，襯底厚度的損失聚合到每個周期不超過1μm。 總共有200個轉換器在20個基板上生長。 這種創新技術從經濟的角度來看具有重要意義，因為高質量金剛石基板的成本非常高，因此通過基板減薄來大規模生產轉換器是不可能的。

所有轉換器並聯在一個堆棧中。 軋制2μm厚鎳箔的技術是由研究所和科學工業協會LUCH設計的。 最後他們使用環氧樹脂密封電池。

設計的原型電池的短路電流和開路電壓分別為1.27μA和1.02V。 在0.92V時，實現了0.93微瓦的最大輸出功率。

該輸出功率符合約3300mWh/g的特定功率，這比在商業化學電池或在TISNCM設計的早期的鎳-63核電池中觀察到的功率高出10倍。

2016年，來自MISIS的俄羅斯科學家已經推出了基於鎳-63的原型betavoltaic電池。 在TISNCM和LUCH開發並在2017年Atomexpo上展示的另一個工作原型電池的體積為1.5立方厘米。

俄羅斯核電池商業化的主要缺點是缺乏鎳-63生產和濃縮設施。 然而，目前他們已經提出計劃在2020年前實現工業化生產鎳-63。

另一种放射性同位素也可以用於核電池中：放射性碳-14可以用來製造金剛石轉換器，因為它具有5700年的極長的半衰期。 布里斯托爾大學的物理學家此前曾報道過對這種發電機的研究。

核電池：前景

這裡報告的研究可以在未來的醫療設備中應用。 大多數複雜的心臟起搏器尺寸超過10立方厘米，他們需要大約10微瓦的功率。

這表明可以使用創新的核電池為這些器件供電，而不會對其尺寸和設計進行任何重大改變。 「永久性起搏器」含有不需要維修或更換的電池，可大大提高患者的生活質量。

一般而言，緊湊型核電池也可以證明對太空行業的發展非常有利。具體而言，需要包括用於航天器的集成電源系統的自主無線外部感測器和存儲器晶元。

金剛石是防輻射性最強的半導體材料之一。 由於其較大的帶隙，它能夠在比較廣泛的溫度範圍內工作，這使其成為航天器動力核電池的理想材料。

該小組建議繼續研究小型核電池，研究人員已經認識到應該更廣泛的尋求各種有效的研究方法。

首先，通過在輻射源中富集鎳-63可以成比例的增加電池功率。其次，通過開發具有可控摻雜分布的金剛石p-i-n結構，可以提升電壓，從而使電池的功率輸出至少提高三倍。第三，通過增加轉換器的表面積可以增加每個轉換器中的鎳-63原子的數量。

文章來自azom網站，原文題目為Russian Scientists Upgrade Nuclear Battery Design to Increase Power Output，由材料科技在線匯總整理。

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