钜大LARGE | 点击量：782次 | 2021年05月26日
下一场“核战争” 主角是锂电池
题图来源：Unsplash
从航天特种逐渐走入民用化，这个能够供电长达10年的电池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。
但他们并不了解，假如正确利用，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年代就有同位素电池（即核电池）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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
不过，相对日常生活中随处可见的锂离子电池而言，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等等的创新技术相同，慢慢改变这个世界。
核电池，从太空起步
2019年一月三日，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——嫦娥三号相同，嫦娥四号内置了核电池作为其能源的一部分。
核电池在航天特种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|视觉我国
这里要简单解释一下核电池的运行原理，核电池重要依靠放射性元素的自身衰变出现热量，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。
但是我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。这是为何？
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。假如想要进行长期探测，必须新增电池重量或者携带更多钚-238，无形之中新增了许多成本，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，只要太阳能就能满足需求。
天问一号上搭载的太阳能电池面板|视觉我国
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，考虑到我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出现很大的安全风险（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，天问一号上搭载太阳能电池是最佳选择。
嫦娥四号上同样搭载了太阳能电池作为重要动力，核电池在其中的用途比较特殊。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’的用途，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’。
特种航天领域对核电池的要求是必须供应足够的能量，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（BetavoltaicBattery）成了最合适的选择。
和出现热能转化电力的原理不同，贝塔伏特电池重要利用同位素（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。假如你现在在某宝搜索‘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
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Citylabs。
早年间某宝上挂售过氚电池，号称20年不断电不充电|网络
Citylabs一直在研究核电池的相关应用，公司的研究总监LarryOlsen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’不如锂离子电池，而逐渐退出历史舞台。
Citylabs的CEOpeterCabauy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，在全球范围内一些公司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，公司也相应较少，上面提到的Citylabs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。
CityLabs公布的氚电池工作原理图|CityLabs
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出现光电效应，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。
假如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，贝塔伏特电池比锂离子电池适用的温度范围更广，这些都是核电池的最大优势。
Citylabs和Widetronix均声称在著名特种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，与锂离子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，出现的功率为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
假如充电宝产品能顺利量产，关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Citylabs的官网，贝塔伏特电池在长期使用、低功率、且非常要持续供电的设备中是最完美的选择。因此，特种电子、传感器、特种航天、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，是这个技术能够出现最深刻的影响。
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，假如手机厂商抛弃掉‘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；假如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，关于这些已经存在许多年的行业出现的颠覆，将不可估量。
