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下一场“核战争” 主角是电池

作者:时间:2020-08-25来源:极客公园收藏

题图来源:Unsplash

本文引用地址:http://www.dzszp.com/article/202008/417521.htm

题图来源:Unsplash

  从航天航空逐渐走入民用化,这个能够供电长达 10 年的会是接下来的风口吗?

  提到‘核’这个字,不了解的人可能闻之色变。

  但他们并不知道,如果正确利用,核能可以被合理地运用在许多地方。

  比如在航天领域,上世纪 70 年代就有同位素(即核)搭载在火星探测器上。而经过 40 年的发展,核电池技术也变得愈发成熟。

  不过,相对日常生活中随处可见的锂电池而言,核电池的发展并不如想象中那么快,至少在手机、电脑等电子设备中,至今还没有它们的踪影。

  但从安全以及性能的角度来看,核电池都有很大希望在未来一段时间实现商业化落地,甚至进入我们的日常生活当中。想必它也会像自动驾驶、VR 等等的创新技术一样,慢慢改变这个世界。

核电池,从太空起步

  2019 年 1 月 3 日,在太空中飞行了近一个月的嫦娥四号顺利着陆,开始探索月球背面。与它的前一代探测器——嫦娥三号一样,嫦娥四号内置了核电池作为其能源的一部分。

500万彩票网  核电池在航天航空领域不算什么新鲜的东西。早在 1961 年,核能就开始在太空领域得以应用。1977 年美国发射的无人外太阳系空间探测器——旅行者 1 号,一直到现在还在宇宙中漂泊,这 43 年来唯一支撑它正常工作的动力,就是内部搭载的三枚核电池。

在宇宙中已经漂泊 43 年,离开太阳系的旅行者 1 号。内部的核电池还能支撑它继续工作 5 年|视觉中国

在宇宙中已经漂泊 43 年,离开太阳系的旅行者 1 号。内部的核电池还能支撑它继续工作 5 年|视觉中国

  这里要简单解释一下核电池的运行原理,核电池主要依靠放射性元素的自身衰变产生热量,然后通过热电材料将热能转化为电力。在飞船的核电池中,放射性元素基本上都指的是钚-238。

  2011 年美国发射的好奇号火星探测器同样使用了核动力。据悉,好奇号火星探测车利用钚-238 衰变热进行热电转换工作,设计寿命可达 40-50 年以上。

  但是中国最近刚刚发射成功的‘天问一号’任务中,火星探测器中并没有出现核电池的身影。这是为什么?

  能量转换效率是其中一个很重要的考量因素。钚-238 核电池的能量转换效率不到 10%,并不算高。如果想要进行长期探测,必须增加电池重量或者携带更多钚-238,无形之中增加了许多成本,也加大了火星探测器的载重负荷。天问一号任务的预计探测时间仅为 3 个月,携带实验器材并不多,只需要就能满足需求。

天问一号上搭载的太阳能电池面板|视觉中国

天问一号上搭载的电池面板|视觉中国

  另外,钚 238 属于高放射性物质,人体吸入一小粒灰尘都可能引发致命的癌症,考虑到中国是首次自主进行火星探测器发射,一旦发射中出现任何问题会产生很大的安全风险(美国之前就发生过类似的事件,导致钚 238 被释放到大气中。)

  所以无论从安全还是性价比来看,天问一号上搭载电池是最佳选择。

  嫦娥四号上同样搭载了太阳能电池作为主要动力,核电池在其中的作用比较特殊。月球的昼夜半个月交替一次,温差高达 300℃,普通电池根本无法应对。这时核电池起到了‘保暖’的作用,利用自身散发的热能保温,维持与地面的通讯,白昼来临时,太阳能电池驱动探测器开始工作。

亲民的氚电池

  除了钚 238,另一种核电池就低调得多,成本上也更加‘亲民’。

  航空航天领域对核电池的要求是必须提供足够的能量,因此体积和放射性上没有太多限制。而把核电池用作商业用途,就必须考虑到这两点。

  贝塔伏特电池(Betavoltaic Battery)成了最合适的选择。

  和产生热能转化电力的原理不同,贝塔伏特电池主要利用同位素(比如氚,即氢的同位素)的β衰变。值得说明的是,β衰变对物质的穿透深度非常浅,普通纸张就能挡住,并不存在辐射伤害。

  所以利用氚元素发电实际上已经有了一些民用级产品,比如我们经常在电影院或者室内消防通道上的安全出口指示牌,内部就靠氚气发光。如果你现在在某宝搜索‘氚’,得到的结果都是可发光的氚气管,价格在几十到几百元不等,并没有什么实际价值。

常见的安全出口指示牌,里面就由氚气来维持发光|Unspalsh

常见的安全出口指示牌,里面就由氚气来维持发光|Unspalsh

  但它并非完全一无是处。同样,某宝 2012 年的时候就出现过一款氚电池,号称 20 年不断电、不充电,一小块电池的价格达到了近 7000 元,可谓是天价。这款名为 NanoTritium 的电池并不是什么山寨产品,而是货真价实的首款可商用氚电池,来自美国公司 City labs。

早年间某宝上挂售过氚电池,号称 20 年不断电不充电|网络

早年间某宝上挂售过氚电池,号称 20 年不断电不充电|网络

  City labs 一直在研究核电池的相关应用,公司的研究总监 Larry Olsen 在上世纪 70 年代就设计了以钷-147 元素为基础的核电池 Betacel,用于心脏起搏器。但钷-147 的问题在于,虽然它也属于β衰变,但它在衰变过程中会同时释放出具有强辐射的γ射线,所以 Betacel 需要在电池内部腾出大量空间屏蔽辐射。最终因‘性价比’不如锂电池,而逐渐退出历史舞台。

  City labs 的 CEO Peter Cabauy 此前接受采访称,贝塔伏特电池技术正在重新兴起,因为半导体材料已经取得了很大进步。‘早期的半导体材料不足以将电子从β衰变转换为可用电流。’

  基于半导体材料技术的进步,在全球范围内一些企业也开始立志将核电池商业化,这些‘玩核’的公司,也逐渐浮出了水面。

核电池民用化的商业模式

  作为目前最有可能商业化的核电池技术,全球各个国家都在进行贝塔伏特电池的研究。因为技术门槛相对较高,企业也相应较少,上面提到的 City labs 算是氚电池研究行业中的‘鼻祖’。

  另一家做氚电池的公司 Widetronix 公布过电池的制造原理,由浸有氚元素的金属箔和半导体碳化硅薄片组成。碳化硅薄片可以将击中金属箔的 30% 的粒子转化为电流。当 Widetronix 把二者堆积成一个一平方厘米和十分之二厘米高的包装时,就是氚电池。

  氚电池的基本原理大致相同,但材料和反应方式不同,存在一些细微差异。

 City Labs 公布的氚电池工作原理图|City Labs

City Labs 公布的氚电池工作原理图|City Labs

  来自上海的紫电能源也在从事核电池的研发,同样是利用氚气释放的β电子流轰击薄膜材料的原理,但紫电能源将电子与紫外线产生光电效应,将光能转化为电能。

  ‘这种方式可以大幅提高功率,用在一些常见的产品当中。’紫电能源团队在接受极客公园采访时表示。至于公司使用的是哪种材料,紫电能源方面并未透露。

  如果将核电池做到民用级别,贝塔伏特电池有着明显的优劣势。氚的半衰期是 12.5 年,所以产品寿命可以保持很长,且过程中无需充电。在人们最关注的电池安全问题上,贝塔伏特电池比锂电池适用的温度范围更广,这些都是核电池的最大优势。

  City labs 和 Widetronix 均声称在著名国防承包商洛克希德马丁公司经过测试,电池经历了从-50ºC 到 150°C 的热循环,没有降解。

  但是,与锂电池等化学电池相比,贝塔伏特电池的缺点是输出功率低,这也是紫电能源想解决的问题。Widetronix 生产的 1x1x0.2cm 大小氚电池,产生的功率为 1 微瓦(μW),即 0.000001 瓦。而一只普通的智能手机(就按 3.7V,2000mAh)也要使用几百毫瓦(mW)。

  紫电能源正在尝试制作基于氚气光敏电池的充电宝,已经进入小批量试用验证阶段。据极客公园了解,紫电能源已经开始组建工厂及生产线,充电宝产品预计明年进入量产阶段。‘产品性能可以达到 12V1A,与现在的充电宝完全一致。’紫电能源方面称。

紫电能源旗下的氚气光敏电池|紫电能源

  紫电能源旗下的氚气光敏电池|紫电能源

  如果充电宝产品能顺利量产,对于核电池产业是一个不小的突破。因为贝塔伏特电池的特性,它能使用的场景十分有限。根据 City labs 的官网,贝塔伏特电池在长期使用、低功率、且非常需要持续供电的设备中是最完美的选择。因此,国防电子、传感器、航空航天、医疗设备等场景都是目前贝塔伏特电池在攻克及应用的领域。

  不难预见,技术发展的方向是民用化,最日常的事物因此发生改变,是这个技术能够产生最深刻的影响。

  核电池同理,相对局限的应用领域对应的是小众场景,也有公司在对手机、无人机、新能源汽车等更加通用的行业进行相关研究。

  试想,如果手机厂商抛弃掉‘充电 5 分钟刷剧 x 小时’的广告,自信说出手机 10 年不用充电;如果电动汽车内部搭载的电池可以保持高性能,且接近 10 年都无需充电或更换,对于这些已经存在许多年的行业产生的颠覆,将不可估量。




关键词: 核战争 电池 太阳能

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