掌心里的核动力？50年长效电池创新

尽管核电池技术自20世纪50年代起就已存在，但当今电气化与脱碳的浪潮，进一步推动了对零排放能源和可靠储能方案的需求。因此，创新技术正使核能电池重新成为关注焦点。

核电池利用放射性物质的自然衰变产生电流，此前多用于太空探索或北极灯塔等难以更换电池的偏远作业环境。例如，火星科学实验室探测车采用放射性同位素电源（RPS），通过热电发生器将放射性衰变产生的热量转化为电能。而Betavolt的创新之处在于，其贝塔伏特电池直接利用贝塔粒子而非热量作为能量来源。

在期待这些长效电池进入常用设备之前，必须了解其关键的权衡因素。贝塔伏特电池的长寿命是以较低的单位质量功率输出（即功率密度）为代价的。目前贝塔伏特电池的功率密度极低，尚无法为手机或笔记本电脑供电。

阻碍此类核电池广泛应用的其他挑战，主要在于材料供应以及公众对放射性物质使用的顾虑。然而，该技术背后的物理学与材料科学研究，有望为实现零二氧化碳₂排放能源带来重大突破，并为现有储能技术无法满足的领域提供动力。

贝塔伏特电池的工作原理是什么？

贝塔伏特电池包含放射性发射源和半导体吸收层。当发射源材料自然衰变时，会释放出贝塔粒子（即高速电子），这些粒子撞击电池内的吸收层材料，使半导体吸收层中的电子从原子核中分离出来。分离产生的电子-空穴对在吸收层中形成电流，从而产生可供电池输出的电能。

然而，这一过程并非大型核电站的规模。发射源和吸收层是像三明治一样堆叠在电池内部的薄膜，其尺寸与硬币或糖果相当（如Betavolt的产品）。这是因为大部分贝塔粒子在靠近吸收层表面处即被吸收，并转化为电能。

太阳能电池板中的光伏电池产生电流的过程与之类似。在光伏应用中，太阳光子撞击电子形成电子-空穴对；而在贝塔伏特电池中，这一过程则由自然放射性衰变产生的贝塔粒子驱动。

受限于衰变过程的物理特性以及贝塔粒子向电能的转化效率，此类电池的功率极小，仅在微瓦量级。如图1所示，贝塔伏特电池的功率密度非常低，但与其他类型的电池相比，其能量密度（即单位质量所含的总能量）极高。

贝塔伏特电池之所以具有如此高的能量密度，是因为放射性发射源随时间缓慢衰变，从而能持续多年释放电子。其寿命由半衰期衡量，即放射性强度衰减至初始值一半所需的时间。贝塔伏特电池中最常见的发射源半衰期在2.5年至100年之间。

若要产生瓦级或千瓦级的功率，需要堆叠极其庞大的贝塔伏特电池阵列。以现有技术构建如此规模的电池，成本高昂且不可行。主要原因在于发射源并非天然物质，必须人工合成，因此开发用于高功率应用的大型电池在经济上是不可行的。

尽管如此，贝塔伏特电池已成功应用于心脏起搏器及其他小型设备。随着可穿戴设备和智能家居设备的兴起，得益于发射源与吸收层的成功匹配，其应用前景比以往任何时候都更加广阔。

提供长期、零碳的能源至关重要。虽然β伏特电池目前尚无法为整栋建筑供电，但深入了解材料间的能量转换关系，将开启无限可能。通过分析全球最大的人工标引科学信息库 CAS Content Collection^TM，我们能够识别出极具潜力的材料及研究趋势。

文献中最常见的β粒子发射体是镍-63，这是一种半衰期约为100年的镍同位素（见图2）。其次是氢-3（氚），常以固态材料氚化钛的形式存在。钷-147在我们的分析中也频繁出现，但其引用频率较低，且增长速度不及其他发射体材料（图3）。

在吸收体方面，引用最多的材料是硅，这也是半导体器件中最常用的材料（见图4）。硅在太阳能电池中的应用也证明了其在电流产生类应用中的实用性和可扩展性。

其他常被引用的材料包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）。这些材料具有宽禁带特性，能提高β粒子向电能转换的效率。同时，它们还具备良好的抗β粒子辐射能力（即抗辐射硬度），从而提升了器件的寿命与稳定性。这些都是吸收体材料的关键属性。

值得注意的是，金刚石作为一种吸收体材料也受到了广泛研究。这里指的是合成金刚石薄膜，而非天然宝石。凭借其宽禁带和高抗辐射硬度，它在吸收体应用中表现出色。

我们的分析显示，63Ni-硅是目前研究最广泛的发射体-吸收体组合。除此以外，发射体-吸收体对的出现频率大致与文献中各材料的独立出现频率相符，这表明研究人员目前正在测试多种材料组合（见图6）。

如果β伏特电池能在控制尺寸和成本的同时提高功率密度，它们将能为设备提供长达数年的电力，且无需更换。由于β射线的穿透深度相对较浅，发射体比其他类型的放射性材料更安全，且只需简单的屏蔽材料即可满足消费级应用需求。

英国研究人员甚至开发出一种利用核废料中放射性碳-14制成的β伏特电池。他们将碳-14嵌入金刚石中以最大化效率，而非将发射体和吸收体分层放置。若能实现规模化生产，这将有助于解决放射性废料问题，同时提供长期稳定的电力。

另一项可能的创新是利用纳米材料（如碳纳米管或纳米多孔结构）来增加吸收体的表面积。这将使它们能够产生并高效分离更多的电子-空穴对，从而产生更强的电流，且不会导致电池尺寸过度膨胀。利用纳米材料增加表面积的方法已应用于太阳能电池和锂离子等电化学电池中。

如果研究人员能掌握这一技术，将为β伏特电池开辟更多应用场景，并可能推动可再生能源和储能技术的进步，助力脱碳目标。欲了解更多绿色能源的未来机遇，请参阅我们近期关于增长最快的研究趋势、锂电池回收突破以及绿色氢能经济关键基石的文章。

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