鉅大LARGE | 點擊量:804次 | 2021年05月26日
下一場“核戰(zhàn)爭” 主角是鋰電池
題圖來源:Unsplash
從航天特種逐漸走入民用化,這個能夠供電長達(dá)10年的電池會是接下來的風(fēng)口嗎?
提到‘核’這個字,不了解的人可能聞之色變。
但他們并不了解,假如正確利用,核能可以被合理地運用在許多地方。
比如在航天領(lǐng)域,上世紀(jì)70年代就有同位素電池(即核電池)搭載在火星探測器上。而經(jīng)過40年的發(fā)展,核電池技術(shù)也變得愈發(fā)成熟。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
不過,相對日常生活中隨處可見的鋰離子電池而言,核電池的發(fā)展并不如想象中那么快,至少在手機、電腦等電子設(shè)備中,至今還沒有它們的蹤影。
但從安全以及性能的角度來看,核電池都有很大希望在未來一段時間實現(xiàn)商業(yè)化落地,甚至進(jìn)入我們的日常生活當(dāng)中。想必它也會像自動駕駛、VR等等的創(chuàng)新技術(shù)相同,慢慢改變這個世界。
核電池,從太空起步
2019年一月三日,在太空中飛行了近一個月的嫦娥四號順利著陸,開始探索月球背面。與它的前一代探測器——嫦娥三號相同,嫦娥四號內(nèi)置了核電池作為其能源的一部分。
核電池在航天特種領(lǐng)域不算什么新鮮的東西。早在1961年,核能就開始在太空領(lǐng)域得以應(yīng)用。1977年美國發(fā)射的無人外太陽系空間探測器——旅行者1號,一直到現(xiàn)在還在宇宙中漂泊,這43年來唯一支撐它正常工作的動力,就是內(nèi)部搭載的三枚核電池。
在宇宙中已經(jīng)漂泊43年,離開太陽系的旅行者1號。內(nèi)部的核電池還能支撐它繼續(xù)工作5年|視覺我國
這里要簡單解釋一下核電池的運行原理,核電池重要依靠放射性元素的自身衰變出現(xiàn)熱量,然后通過熱電材料將熱能轉(zhuǎn)化為電力。在飛船的核電池中,放射性元素基本上都指的是钚-238。
2011年美國發(fā)射的好奇號火星探測器同樣使用了核動力。據(jù)悉,好奇號火星探測車?yán)妙?238衰變熱進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換工作,設(shè)計壽命可達(dá)40-50年以上。
但是我國最近剛剛發(fā)射成功的‘天問一號’任務(wù)中,火星探測器中并沒有出現(xiàn)核電池的身影。這是為何?
能量轉(zhuǎn)換效率是其中一個很重要的考量因素。钚-238核電池的能量轉(zhuǎn)換效率不到10%,并不算高。假如想要進(jìn)行長期探測,必須新增電池重量或者攜帶更多钚-238,無形之中新增了許多成本,也加大了火星探測器的載重負(fù)荷。天問一號任務(wù)的預(yù)計探測時間僅為3個月,攜帶實驗器材并不多,只要太陽能就能滿足需求。
天問一號上搭載的太陽能電池面板|視覺我國
另外,钚238屬于高放射性物質(zhì),人體吸入一小粒灰塵都可能引發(fā)致命的癌癥,考慮到我國是首次自主進(jìn)行火星探測器發(fā)射,一旦發(fā)射中出現(xiàn)任何問題會出現(xiàn)很大的安全風(fēng)險(美國之前就發(fā)生過類似的事件,導(dǎo)致钚238被釋放到大氣中。)
所以無論從安全還是性價比來看,天問一號上搭載太陽能電池是最佳選擇。
嫦娥四號上同樣搭載了太陽能電池作為重要動力,核電池在其中的用途比較特殊。月球的晝夜半個月交替一次,溫差高達(dá)300℃,普通電池根本無法應(yīng)對。這時核電池起到了‘保暖’的用途,利用自身散發(fā)的熱能保溫,維持與地面的通訊,白晝來臨時,太陽能電池驅(qū)動探測器開始工作。
親民的氚電池
除了钚238,另一種核電池就低調(diào)得多,成本上也更加‘親民’。
特種航天領(lǐng)域?qū)穗姵氐囊笫潜仨毠?yīng)足夠的能量,因此體積和放射性上沒有太多限制。而把核電池用作商業(yè)用途,就必須考慮到這兩點。
貝塔伏特電池(BetavoltaicBattery)成了最合適的選擇。
和出現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化電力的原理不同,貝塔伏特電池重要利用同位素(比如氚,即氫的同位素)的β衰變。值得說明的是,β衰變對物質(zhì)的穿透深度非常淺,普通紙張就能擋住,并不存在輻射傷害。
所以利用氚元素發(fā)電實際上已經(jīng)有了一些民用級產(chǎn)品,比如我們經(jīng)常在電影院或者室內(nèi)消防通道上的安全出口指示牌,內(nèi)部就靠氚氣發(fā)光。假如你現(xiàn)在在某寶搜索‘氚’,得到的結(jié)果都是可發(fā)光的氚氣管,價格在幾十到幾百元不等,并沒有什么實際價值。
常見的安全出口指示牌,里面就由氚氣來維持發(fā)光|Unspalsh
但它并非完全一無是處。同樣,某寶2012年的時候就出現(xiàn)過一款氚電池,號稱20年不斷電、不充電,一小塊電池的價格達(dá)到了近7000元,可謂是天價。這款名為NanoTritium的電池并不是什么山寨產(chǎn)品,而是貨真價實的首款可商用氚電池,來自美國公司Citylabs。
早年間某寶上掛售過氚電池,號稱20年不斷電不充電|網(wǎng)絡(luò)
Citylabs一直在研究核電池的相關(guān)應(yīng)用,公司的研究總監(jiān)LarryOlsen在上世紀(jì)70年代就設(shè)計了以钷-147元素為基礎(chǔ)的核電池Betacel,用于心臟起搏器。但钷-147的問題在于,雖然它也屬于β衰變,但它在衰變過程中會同時釋放出具有強輻射的γ射線,所以Betacel要在電池內(nèi)部騰出大量空間屏蔽輻射。最終因‘性價比’不如鋰離子電池,而逐漸退出歷史舞臺。
Citylabs的CEOpeterCabauy此前接受采訪稱,貝塔伏特電池技術(shù)正在重新興起,因為半導(dǎo)體材料已經(jīng)取得了很大進(jìn)步?!缙诘陌雽?dǎo)體材料不足以將電子從β衰變轉(zhuǎn)換為可用電流。’
基于半導(dǎo)體材料技術(shù)的進(jìn)步,在全球范圍內(nèi)一些公司也開始立志將核電池商業(yè)化,這些‘玩核’的公司,也逐漸浮出了水面。
核電池民用化的商業(yè)模式
作為目前最有可能商業(yè)化的核電池技術(shù),全球各個國家都在進(jìn)行貝塔伏特電池的研究。因為技術(shù)門檻相對較高,公司也相應(yīng)較少,上面提到的Citylabs算是氚電池研究行業(yè)中的‘鼻祖’。
另一家做氚電池的公司W(wǎng)idetronix公布過電池的制造原理,由浸有氚元素的金屬箔和半導(dǎo)體碳化硅薄片組成。碳化硅薄片可以將擊中金屬箔的30%的粒子轉(zhuǎn)化為電流。當(dāng)Widetronix把二者堆積成一個一平方厘米和十分之二厘米高的包裝時,就是氚電池。
氚電池的基本原理大致相同,但材料和反應(yīng)方式不同,存在一些細(xì)微差異。
CityLabs公布的氚電池工作原理圖|CityLabs
來自上海的紫電能源也在從事核電池的研發(fā),同樣是利用氚氣釋放的β電子流轟擊薄膜材料的原理,但紫電能源將電子與紫外線出現(xiàn)光電效應(yīng),將光能轉(zhuǎn)化為電能。
‘這種方式可以大幅提高功率,用在一些常見的產(chǎn)品當(dāng)中?!想娔茉磮F(tuán)隊在接受極客公園采訪時表示。至于公司使用的是哪種材料,紫電能源方面并未透露。
假如將核電池做到民用級別,貝塔伏特電池有著明顯的優(yōu)劣勢。氚的半衰期是12.5年,所以產(chǎn)品壽命可以保持很長,且過程中無需充電。在人們最關(guān)注的電池安全問題上,貝塔伏特電池比鋰離子電池適用的溫度范圍更廣,這些都是核電池的最大優(yōu)勢。
Citylabs和Widetronix均聲稱在著名特種承包商洛克希德馬丁公司經(jīng)過測試,電池經(jīng)歷了從-50oC到150°C的熱循環(huán),沒有降解。
但是,與鋰離子電池等化學(xué)電池相比,貝塔伏特電池的缺點是輸出功率低,這也是紫電能源想解決的問題。Widetronix生產(chǎn)的1x1x0.2cm大小氚電池,出現(xiàn)的功率為1微瓦(μW),即0.000001瓦。而一只普通的智能手機(就按3.7V,2000mAh)也要使用幾百毫瓦(mW)。
紫電能源正在嘗試制作基于氚氣光敏電池的充電寶,已經(jīng)進(jìn)入小批量試用驗證階段。據(jù)極客公園了解,紫電能源已經(jīng)開始組建廠及生產(chǎn)線,充電寶產(chǎn)品預(yù)計明年進(jìn)入量產(chǎn)階段。‘產(chǎn)品性能可以達(dá)到12V1A,與現(xiàn)在的充電寶完全一致?!想娔茉捶矫娣Q。
紫電能源旗下的氚氣光敏電池|紫電能源
假如充電寶產(chǎn)品能順利量產(chǎn),關(guān)于核電池產(chǎn)業(yè)是一個不小的突破。因為貝塔伏特電池的特性,它能使用的場景十分有限。根據(jù)Citylabs的官網(wǎng),貝塔伏特電池在長期使用、低功率、且非常要持續(xù)供電的設(shè)備中是最完美的選擇。因此,特種電子、傳感器、特種航天、醫(yī)療設(shè)備等場景都是目前貝塔伏特電池在攻克及應(yīng)用的領(lǐng)域。
不難預(yù)見,技術(shù)發(fā)展的方向是民用化,最日常的事物因此發(fā)生改變,是這個技術(shù)能夠出現(xiàn)最深刻的影響。
核電池同理,相對局限的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?yīng)的是小眾場景,也有公司在對手機、無人機、新能源汽車等更加通用的行業(yè)進(jìn)行相關(guān)研究。
試想,假如手機廠商拋棄掉‘充電5分鐘刷劇x小時’的廣告,自信說出手機10年不用充電;假如電動汽車內(nèi)部搭載的電池可以保持高性能,且接近10年都無需充電或更換,關(guān)于這些已經(jīng)存在許多年的行業(yè)出現(xiàn)的顛覆,將不可估量。