界面新聞記者 | 戴晶晶
想象一個不再受限于電池續(xù)航能力的未來：智能手機(jī)無需再充電，無人機(jī)能夠持久飛行，各種人工智能設(shè)備、醫(yī)療器械和微型機(jī)電系統(tǒng)等都能在不間斷的運(yùn)行中發(fā)揮最大效用。
最近，一家位于北京的初創(chuàng)企業(yè)——北京貝塔伏特新能科技有限公司(下稱北京貝塔伏特)宣布，該公司已成功研制出民用微型原子能電池，能50年穩(wěn)定自發(fā)電，無需充電或維護(hù)，未來推向市場的產(chǎn)品可以幫助實現(xiàn)以上美好的設(shè)想。
原子能電池是一種物理電池，又稱核電池或放射性同位素電池，是將放射性同位素衰變時釋放能量轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。
該公司將推出的首款產(chǎn)品為BV100，功率100微瓦，電壓3V，體積是15x15x5立方毫米，比一枚硬幣還小。
北京貝塔伏特表示，這是全球首塊即將量產(chǎn)的核電池。從技術(shù)層面看，這也標(biāo)志著中國同時在原子能電池和第四代金剛石半導(dǎo)體兩個高新技術(shù)領(lǐng)域取得顛覆性創(chuàng)新，“遙遙領(lǐng)先”歐美科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)。
前景看起來很美好，但仍有許多未解之處。這家“橫空出世”的北京貝塔伏特公司是什么來頭？該產(chǎn)品真的具有突破性嗎？安全性如何？早已問世的核電池，為何民用進(jìn)程遲遲無法推進(jìn)，又何論顛覆鋰電池？
一、核能電池是什么？
核電池不是什么新鮮事物，已經(jīng)歷了一個多世紀(jì)的發(fā)展，并被人們成功應(yīng)用在了航空航天和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
由于放射性同位素衰變過程連續(xù)不斷且不受環(huán)境影響，核電池通常具有穩(wěn)定可靠、無需人工干預(yù)和能量密度高等優(yōu)勢，且部分放射源半衰期長達(dá)幾十年或幾百年，能保證核電池有較長的工作壽命。
技術(shù)最成熟且最早應(yīng)用核電池種類為放射性同位素溫差發(fā)電機(jī)(RTG)，已在諸多航空項目中部署，如美國1977年發(fā)射的“旅行者1號”航天器就攜帶了將钚-238作為燃料的RTG，助力其成為離地球最遠(yuǎn)和飛行速度最快的人造衛(wèi)星。
2013年和2018年，中國發(fā)射的嫦娥三號、四號月球著陸器上也搭載了RTG同位素電池。
RTG屬于熱轉(zhuǎn)換式核電池，是將衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能。但由于RTG體積很大，且造價高昂，應(yīng)用領(lǐng)域有限，因此科學(xué)家開始研制小型RTG和采用其他能量轉(zhuǎn)換模式的微型核電池，并同時追求更高的轉(zhuǎn)換效率和安全性。
二、民用核能電池進(jìn)展如何？
非熱轉(zhuǎn)換式核電池是指將放射性同位素放出的帶電粒子或產(chǎn)生的衰變能直接或間接地轉(zhuǎn)換成電能，其中輻射伏特效應(yīng)核電池受到較多關(guān)注，隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，被認(rèn)為具有商業(yè)化潛力，通常使用β射線源。
早在十多年前，美國佛羅里達(dá)州City Labs實驗室就成功研發(fā)了一種以氚為基料的輻射伏特效應(yīng)核電池，名為“Nano Tritium”。氚是一種氫同位素，會自發(fā)地發(fā)生β衰變。
該電池號稱可以連續(xù)工作至少20年而不需要充電，甚至2013年在中國的電商平臺上以6980元的價格出現(xiàn)，標(biāo)注為“無輻射的民用核電池”。
City Labs實驗室官網(wǎng)顯示，目前其NanoTritium電池系列產(chǎn)品可以為納米瓦和微瓦設(shè)備供電，用于商業(yè)或科學(xué)用途。每塊電池的基本價格為5250美元起(約合人民幣3.77萬元)，批量訂購提供折扣。
該公司同時表示，由于核電池當(dāng)前應(yīng)用有限，一般普通人沒有理由購買，所以它通常與對該技術(shù)感興趣的企業(yè)或科學(xué)組織打交道。
此外，英國公司Arkenlight和美國加州的新能源初創(chuàng)公司NDB均聚焦碳-14同位素，通過輻射伏特效應(yīng)開發(fā)鉆石核能電池。
Arkenlight承認(rèn)，該電池供電能力有限，無法驅(qū)動手機(jī)或汽車，但希望可以用于低耗電的高功率設(shè)備或傳感器中。該公司計劃2024年將電池產(chǎn)品裝載在設(shè)備上。
NDB則在2020年就宣稱其研制的電池可以收集40％左右的電荷，在不需要充電的情境下，持續(xù)使用時間能達(dá)到2.8萬年。但截至目前，該公司還未宣布產(chǎn)品的商用。
無論是Arkenlight還是NDB，它們研制的核能電池，均處于前期開發(fā)階段。
3、北京貝塔伏特是什么來頭？
據(jù)界面新聞了解，北京貝塔伏特成立于2021年4月，注冊地為亦莊經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。法人是俄羅斯人穆索夫·扎烏爾(MUSOV ZAUR)，中文名張偉，同時擔(dān)任該公司董事長兼CEO。
天眼查APP顯示，1月15日，北京貝塔伏特更新注冊信息顯示，公司注冊資本1億元，實繳資本530萬元。此前，該公司注冊資本為10億元。
“目前CEO和負(fù)責(zé)基礎(chǔ)研發(fā)的專家都回俄羅斯了，等春節(jié)后會有正式面向外界的介紹?！北本┴愃匾晃徊辉妇呙呢?fù)責(zé)人對界面新聞表示，具體產(chǎn)品將在此后亮相。
從北京貝塔伏特申請的專利來看，該公司技術(shù)主要來自于俄羅斯的團(tuán)隊。上述負(fù)責(zé)人表示，該公司屬于中國內(nèi)資公司，總部在北京，未來將在莫斯科設(shè)立分公司。
該專利名稱為《一種核電池及其制造方法》，目前處于實質(zhì)審查狀態(tài)。
北京貝塔伏特表示，它既是一家新能源公司，也是一家第四代半導(dǎo)體和超長碳納米管新材料公司。
“核電池、金剛石半導(dǎo)體和超級電容器，三大技術(shù)和材料鏈接與融合，形成了貝塔伏特的核心技術(shù)和創(chuàng)新能力?！痹摴痉Q。
去年11月，四川綿陽市經(jīng)濟(jì)合作局官微“投資綿陽”發(fā)布的消息顯示，當(dāng)月7日，游仙區(qū)2023年第四季度項目集中簽約儀式舉行，其中游仙區(qū)與北京貝塔伏特公司簽約50億元的創(chuàng)新高科技項目戰(zhàn)略合作協(xié)議框架。
4. 北京貝塔伏特的產(chǎn)品是什么？
北京貝塔伏特研發(fā)的核電池也是一種輻射伏特效應(yīng)電池，通過放射源鎳-63發(fā)射的β粒子(電子)的半導(dǎo)體躍遷產(chǎn)生電流。
為此，該公司開發(fā)了一種單晶金剛石半導(dǎo)體，厚度為10微米，把一個2微米厚的鎳-63薄片放在兩個金剛石半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器之間，將放射源的衰變能量轉(zhuǎn)化為電流，形成一個獨(dú)立的單元。
北京貝塔伏特表示，高效率金剛石轉(zhuǎn)換器是制造核電池的關(guān)鍵，該公司電池的核心是第四代金剛石半導(dǎo)體。該公司也是全球目前唯一一個能夠摻雜制作大尺寸金剛石半導(dǎo)體材料的公司。
“核電池是模塊化的，可以由幾十個或幾百個獨(dú)立的單元模塊組成，并可以串并聯(lián)使用，因此可以制造不同尺寸和容量功率的電池產(chǎn)品?！痹摴痉Q。
這與俄羅斯此前公布的技術(shù)基本一致。
2018年，俄羅斯科研團(tuán)隊制作了包括鎳-63和金剛石能源轉(zhuǎn)換器的核電池原型，論文發(fā)表于《DIAMOND AND RELATED MATERIALS》期刊。
該團(tuán)隊的結(jié)論是，如果將鎳-63夾在厚度為10微米的金剛石二極管之間，鎳-63層在厚度僅為2微米時最有效。這一核電池原型在0.9V時，實現(xiàn)了約0.93微瓦的最大輸出功率，體積為5x5x3.5立方毫米。
1微瓦已足夠為心臟起搏器提供動力。
目前尚不確認(rèn)，北京貝塔伏特公司與上述俄羅斯科研團(tuán)隊的關(guān)系。
北京貝塔伏特的BV100，功率為100微瓦，等于萬分之一瓦。作為對比，當(dāng)前手機(jī)在重負(fù)載下的典型功耗是8瓦，平時約為5瓦。
該公司計劃在2025年推出功率為1瓦的電池。如果成功推出，這將是目前功率最大的民用核電池。
該公司負(fù)責(zé)人對界面新聞表示，這將通過金剛石半導(dǎo)體尺寸改變，核同位素材料變化和P-N結(jié)技術(shù)的采用來實現(xiàn)。
“1瓦的電池絕對不是1萬塊100微瓦的電池疊片在一起，是新技術(shù)和新材料的創(chuàng)新組合。”該負(fù)責(zé)人稱。
對于北京貝塔伏特推出的核電池，某高校物理學(xué)教授向界面新聞表示，放射源管理嚴(yán)格，且成本高昂。此外，金剛石半導(dǎo)體工藝復(fù)雜，目前國內(nèi)還沒有N型摻雜工藝的技術(shù)突破。
5、這款產(chǎn)品安全嗎？
核輻射是核能利用的首要考慮因素，核能電池領(lǐng)域也存在著一定安全風(fēng)險。例如，钚238除了本身具有放射性外，本身也是劇毒物質(zhì)。
1964年，美國發(fā)射Transit-5BN-3衛(wèi)星失敗，在重返大氣層時燃燒美體，其同位素電池中的钚238燃料釋放到大氣中，造成了非常嚴(yán)重的污染。
目前，α和β衰變核素衰變過程中釋放的粒子射程相對較短，輻射較容易阻隔。
北京貝塔伏特公司表示，該公司開發(fā)的原子能電池絕對安全，沒有外部輻射，適合用于人體內(nèi)的心臟起搏器、人工心臟和耳蝸等醫(yī)療設(shè)備。同時，在衰變期后，作為放射源的鎳63同位素變成銅的穩(wěn)定同位素，不具有放射性，對環(huán)境不構(gòu)成任何威脅或污染。
上述物理學(xué)教授表示，單從放射性角度來講，貝塔輻射電池中純β粒子射程非常短，不存在安全性的問題。如果北京貝塔伏特使用鎳-63來制作電池，核電池本身輻射防護(hù)的安全性可以保證。
6、能顛覆鋰電池嗎？
考慮到鎳-63的半衰期為100年，BV100并非不可能實現(xiàn)50年的使用壽命。
根據(jù)吉林大學(xué)李瀟祎、陸景彬等學(xué)者2020年12月發(fā)表在《原子核物理評論》文章的介紹，β輻射伏特效應(yīng)核電池的壽命主要取決于兩部分：一是能量損耗情況，由放射源的特性決定，稱為理論壽命；二是輻射損傷情況，由半導(dǎo)體材料及期間的整體特性決定，稱為工作壽命。
北京貝塔伏特表示，該公司研制的核電池每克約有3300毫瓦時的電力，能量密度是三元鋰電池的10倍以上。
這引發(fā)了核電池將顛覆鋰電池行業(yè)的討論。
上述物理學(xué)教授表示，原理上核電池能量密度是可以比鋰電池高出很多倍，但并不代表核能電池能夠在所有領(lǐng)域有效取代鋰電池。此外，鋰電池目前也有很多研究進(jìn)展，出于安全性和成本等考慮，核電池不太能短期內(nèi)在民用方面取代鋰電池。
從歷史上看，由于低性價比和安全性，實際上鋰電池一度取代了核能電池。
上世紀(jì)70年代，有公司將钷147同位素用于心臟起搏器，雖然钷147同位素也屬于β衰變，但過程中會釋放γ射線，需要增加大量成本屏蔽輻射。此外，病人去世后火化也可能出現(xiàn)放射性物質(zhì)的泄漏問題，于是鋰電池取代核電池應(yīng)用在這一領(lǐng)域。
7、量產(chǎn)前景如何？
除了在技術(shù)上的不確定性，上述物理學(xué)教授指出，放射源管理嚴(yán)格，如需量產(chǎn)獲取渠道會是一個大問題。
根據(jù)中國《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》和《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》，放射源的豁免必須持有備案證明文件，須經(jīng)過審批。
從成本來看，鎳-63同位素不存在于自然界，需要通過在核反應(yīng)堆內(nèi)照射鎳-62等處理才能獲得。根據(jù)《國際核工程》期刊網(wǎng)站的文章 ，1克放射性鎳-63的價格約為4000美元(約合人民幣2.87萬元)。因此，如能實現(xiàn)量產(chǎn)，上述核電池的售價會很高。
不過，鎳-63放射性較低，生態(tài)環(huán)境部近年也有給部分企業(yè)儀器中鎳-63放射源實行豁免管理的例子。
面對近期的質(zhì)疑，該公司負(fù)責(zé)人對界面新聞表示，手機(jī)等快消品不是北京貝塔伏特最近兩三年要服務(wù)的市場，要綜合各方面的考慮：一是要看國家法規(guī)，標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)政策，二是看電池各項性能的進(jìn)一步突破，三是看成本如何不斷降低。
“心臟起搏器，微型無人機(jī)和微型機(jī)電系統(tǒng)也屬于民用領(lǐng)域?！痹撠?fù)責(zé)人稱。
北京貝塔伏特公司稱，已經(jīng)與中國專業(yè)核研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)進(jìn)行溝通，計劃繼續(xù)研究采用鍶90、钷147和氘等同位素，研制更高功率、使用壽命為2-30年的原子能電池。