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近期，俄羅斯研究人員開發(fā)出了一種能量密度遠超其它電池的核電池原型，其電能是一般商用化學(xué)電池的10倍。這項科研成果由莫斯科物理技術(shù)學(xué)院( MIPT )、超硬和新型碳材料技術(shù)學(xué)院( TISNCM )和國家科技大學(xué)missis的俄羅斯研究人員發(fā)表在2018年4月份的學(xué)術(shù)期刊《金剛石與相關(guān)材料》上。
由TISNCM主任、MIPT納米結(jié)構(gòu)物理和化學(xué)系主任弗拉基米爾·布蘭克率領(lǐng)的一個研究小組開發(fā)并制造了一種以鎳- 63為輻射源、肖特基勢壘型金剛石二極管為能量轉(zhuǎn)換源的倍他伏打(betavoltaics)電池。
原型電池的輸出功率約為1微瓦，而每立方厘米的功率密度為10微瓦，足以滿足現(xiàn)代人工起搏器的需要。鎳- 63的半衰期為100年，因此每克電池可提供3300毫瓦小時的電能，是電化學(xué)電池的10倍。
2016年，MISIS的俄羅斯研究人員已經(jīng)提出了一種基于鎳- 63的原型倍他伏打電池，并在Atomexpo 2017上展示。該電池是基于TISNCM和LUCH創(chuàng)建的另一個工作原型，它的有效體積為1.5立方厘米。
研究人員的目標(biāo)是使他們的鎳- 63電池的功率密度最大化。為此，他們對電子通過β源和轉(zhuǎn)換器進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，鎳- 63源在厚度為2微米時最有效，基于肖特基勢壘金剛石二極管的轉(zhuǎn)換器的最佳厚度約為10微米。
主要技術(shù)挑戰(zhàn)是制造大量內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金剛石轉(zhuǎn)換電池。每個轉(zhuǎn)換器只有幾十微米厚，就像超市里的塑料袋。常規(guī)的機械和離子金剛石減薄技術(shù)不適合這一任務(wù)。TISNCM和MIPT的研究人員開發(fā)了一種獨特的技術(shù)，用于在金剛石襯底上合成薄金剛石板，并將其分割成批量生產(chǎn)超薄轉(zhuǎn)換器。
該小組使用20個厚的摻硼金剛石晶體板作為襯底。它們是在高壓下使用溫度梯度技術(shù)做成。離子注入用于在襯底中約700納米深度處產(chǎn)生100納米厚的缺陷“受損”層。使用化學(xué)氣相沉積在該層頂部生長15微米厚的摻硼金剛石膜。然后對襯底進行高溫退火，以誘發(fā)掩埋缺陷層的石墨化并恢復(fù)頂部金剛石層。采用電化學(xué)蝕刻去除損傷層。在通過蝕刻分離缺陷層之后，半成品轉(zhuǎn)換器裝配有歐姆接觸和肖特基接觸。
隨著操作的重復(fù)，每個循環(huán)的襯底厚度損失不超過1微米，在20個襯底上安裝了200個轉(zhuǎn)換器。這一新技術(shù)從經(jīng)濟的角度來看尤為重要，因為高質(zhì)量的金剛石襯底非常昂貴，通過襯底減薄批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)換器是不可行的。
所有轉(zhuǎn)換器并聯(lián)在一個堆棧中。2微米厚的鎳箔軋制技術(shù)是由研究機構(gòu)和科學(xué)工業(yè)協(xié)會LUCH開發(fā)的。電池用環(huán)氧樹脂密封。電池的開路電壓和短路電流分別為1.02伏和1.27微安。0.93微瓦的最大輸出功率是在0.92伏下獲得的。這一功率輸出相當(dāng)于每克約3300毫瓦小時的比功率，是商用化學(xué)電池以及由TISNCM先前設(shè)計的鎳- 63核電池的10倍。
這款新研制出的核電池在醫(yī)療領(lǐng)域和空間探索領(lǐng)域均有很大的應(yīng)用前景。
大多數(shù)最先進的心臟起搏器尺寸超過10立方厘米，需要大約10微瓦的功率。這意味著新的核電池可以用來為這些裝置提供動力，并且不會對它們的設(shè)計和尺寸產(chǎn)生任何重大變化。不需要更換或維修電池的“永久起搏器”將改善患者的生活質(zhì)量。
太空工業(yè)也將從小型核子電池中獲益匪淺。尤其是那些需要用于航天器的具有集成電源系統(tǒng)的自主無線外部傳感器和存儲器芯片。金剛石是最防輻射的半導(dǎo)體之一。因它也有很大的帶隙，所以它可以在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，使它成為為航天器提供動力的核電池的理想材料。
研究人員正計劃繼續(xù)研究核子電池。他們已經(jīng)確定了幾個應(yīng)該進行調(diào)查的領(lǐng)域。首先，在輻射源中富集鎳- 63將按比例增加電池功率。其次，開發(fā)具有受控摻雜輪廓的金剛石p - I - n結(jié)構(gòu)將提高電壓，因此可以將電池的功率輸出增加至少3倍。第三，增加轉(zhuǎn)換器的表面積將增加每個轉(zhuǎn)換器上的鎳- 63原子的數(shù)量。
俄羅斯核電商業(yè)化的主要挫折是缺乏鎳- 63生產(chǎn)和濃縮設(shè)施。不過，該國仍計劃在2020年中期前開始工業(yè)規(guī)模的鎳- 63生產(chǎn)。
傳統(tǒng)電池技術(shù)局限
為時鐘、手電筒、玩具和其他電氣設(shè)備供電的普通電池使用所謂氧化還原化學(xué)反應(yīng)獲得能量，其中電子通過電解質(zhì)從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極。這導(dǎo)致電極之間的電勢差。兩個電池端子通過導(dǎo)體連接，電子開始流動以去除電勢差，從而產(chǎn)生電流?；瘜W(xué)電池又稱原電池，其特點是高功率密度（即產(chǎn)生的電流功率與電池體積之比）。
然而，化學(xué)電池放電時間較短，限制了它們在自主裝置中的應(yīng)用。這些電池中有些被稱為蓄電池，是可充電的，但即使是充電也需要定期更換電池。對于心臟起搏器或者為航天器供電的時候，這一缺點非常“致命”。
幸運的是，化學(xué)反應(yīng)只是可能的電力來源之一。1913年，亨利·莫斯利發(fā)明了第一臺基于放射性衰變的發(fā)電機。他的核子電池是由一個玻璃球體組成，球體內(nèi)部鍍銀，中間安裝鐳發(fā)射器，在一個孤立的電極上。鐳的β衰變產(chǎn)生的電子在銀膜和中心電極之間造成電勢差。然而，該裝置的閑置電壓太高——幾十千伏——而且電流對于實際應(yīng)用來說太低。
1953年，Paul Rappaport提出使用半導(dǎo)體材料將β衰變的能量轉(zhuǎn)換成電能。由放射源發(fā)射的β粒子——電子和正電子——電離半導(dǎo)體的原子，產(chǎn)生未補償?shù)碾姾奢d流子。在p - n結(jié)構(gòu)的靜電場存在下，電荷沿一個方向流動，從而產(chǎn)生電流。由β衰變提供動力的電池被稱為β伏打電池。
倍他伏電池(betavoltaics)又稱“射線電池”，它優(yōu)于原電池的主要特點是它們的壽命。用于核電池的放射性同位素的半衰期從幾十年到幾百年不等，所以它們的功率輸出在很長一段時間內(nèi)幾乎保持不變。不幸的是，倍他伏打電池的功率密度明顯低于其對應(yīng)的電流密度。盡管如此，在被廉價的鋰離子電池逐步淘汰之前， 70年代還是使用倍他伏電池打為心臟起搏器供電。
倍他伏打電源不應(yīng)與放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機或RTGs混淆，雖然后者也稱為核電池，但其工作原理不同。熱電電池利用熱電偶將放射性衰變釋放的熱量轉(zhuǎn)換成電能。由于熱電能源壽命長，設(shè)計相對簡單，因此被廣泛用于為“新視野”號和“好奇號”火星探測車等航天器提供動力。RTGs以前也用于無人值守的遠程設(shè)施，如燈塔和自動氣象站。但是，這種做法后來被放棄了，因為其用過的放射性燃料很難回收，并且容易泄漏到環(huán)境中。
由TISNCM主任、MIPT納米結(jié)構(gòu)物理和化學(xué)系主任弗拉基米爾·布蘭克率領(lǐng)的一個研究小組開發(fā)并制造了一種以鎳- 63為輻射源、肖特基勢壘型金剛石二極管為能量轉(zhuǎn)換源的倍他伏打(betavoltaics)電池。
原型電池的輸出功率約為1微瓦，而每立方厘米的功率密度為10微瓦，足以滿足現(xiàn)代人工起搏器的需要。鎳- 63的半衰期為100年，因此每克電池可提供3300毫瓦小時的電能，是電化學(xué)電池的10倍。
2016年，MISIS的俄羅斯研究人員已經(jīng)提出了一種基于鎳- 63的原型倍他伏打電池，并在Atomexpo 2017上展示。該電池是基于TISNCM和LUCH創(chuàng)建的另一個工作原型，它的有效體積為1.5立方厘米。
鎳- 63核電池制造技術(shù)
核電池原型由200個金剛石轉(zhuǎn)換器組成，中間夾有鎳- 63和穩(wěn)定的鎳箔層。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的功率量取決于鎳箔的厚度和轉(zhuǎn)換器本身，因為兩者都影響吸收的β粒子的數(shù)量。目前可用的核電池原型由于體積過大而優(yōu)化不佳。如果β輻射源太厚，它發(fā)射的電子就無法逃逸。這種效應(yīng)被稱為自吸收。然而，隨著源變薄，每單位時間經(jīng)歷β衰變的原子數(shù)量成比例地減少。類似的推理也適用于轉(zhuǎn)換器的厚度。
新式核電池原型的結(jié)構(gòu)圖
研究人員的目標(biāo)是使他們的鎳- 63電池的功率密度最大化。為此，他們對電子通過β源和轉(zhuǎn)換器進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，鎳- 63源在厚度為2微米時最有效，基于肖特基勢壘金剛石二極管的轉(zhuǎn)換器的最佳厚度約為10微米。
主要技術(shù)挑戰(zhàn)是制造大量內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金剛石轉(zhuǎn)換電池。每個轉(zhuǎn)換器只有幾十微米厚，就像超市里的塑料袋。常規(guī)的機械和離子金剛石減薄技術(shù)不適合這一任務(wù)。TISNCM和MIPT的研究人員開發(fā)了一種獨特的技術(shù)，用于在金剛石襯底上合成薄金剛石板，并將其分割成批量生產(chǎn)超薄轉(zhuǎn)換器。
該小組使用20個厚的摻硼金剛石晶體板作為襯底。它們是在高壓下使用溫度梯度技術(shù)做成。離子注入用于在襯底中約700納米深度處產(chǎn)生100納米厚的缺陷“受損”層。使用化學(xué)氣相沉積在該層頂部生長15微米厚的摻硼金剛石膜。然后對襯底進行高溫退火，以誘發(fā)掩埋缺陷層的石墨化并恢復(fù)頂部金剛石層。采用電化學(xué)蝕刻去除損傷層。在通過蝕刻分離缺陷層之后，半成品轉(zhuǎn)換器裝配有歐姆接觸和肖特基接觸。
隨著操作的重復(fù)，每個循環(huán)的襯底厚度損失不超過1微米，在20個襯底上安裝了200個轉(zhuǎn)換器。這一新技術(shù)從經(jīng)濟的角度來看尤為重要，因為高質(zhì)量的金剛石襯底非常昂貴，通過襯底減薄批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)換器是不可行的。
所有轉(zhuǎn)換器并聯(lián)在一個堆棧中。2微米厚的鎳箔軋制技術(shù)是由研究機構(gòu)和科學(xué)工業(yè)協(xié)會LUCH開發(fā)的。電池用環(huán)氧樹脂密封。電池的開路電壓和短路電流分別為1.02伏和1.27微安。0.93微瓦的最大輸出功率是在0.92伏下獲得的。這一功率輸出相當(dāng)于每克約3300毫瓦小時的比功率，是商用化學(xué)電池以及由TISNCM先前設(shè)計的鎳- 63核電池的10倍。
新型核電池樣本
核電池應(yīng)用前景展望 這款新研制出的核電池在醫(yī)療領(lǐng)域和空間探索領(lǐng)域均有很大的應(yīng)用前景。
大多數(shù)最先進的心臟起搏器尺寸超過10立方厘米，需要大約10微瓦的功率。這意味著新的核電池可以用來為這些裝置提供動力，并且不會對它們的設(shè)計和尺寸產(chǎn)生任何重大變化。不需要更換或維修電池的“永久起搏器”將改善患者的生活質(zhì)量。
太空工業(yè)也將從小型核子電池中獲益匪淺。尤其是那些需要用于航天器的具有集成電源系統(tǒng)的自主無線外部傳感器和存儲器芯片。金剛石是最防輻射的半導(dǎo)體之一。因它也有很大的帶隙，所以它可以在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，使它成為為航天器提供動力的核電池的理想材料。
研究人員正計劃繼續(xù)研究核子電池。他們已經(jīng)確定了幾個應(yīng)該進行調(diào)查的領(lǐng)域。首先，在輻射源中富集鎳- 63將按比例增加電池功率。其次，開發(fā)具有受控摻雜輪廓的金剛石p - I - n結(jié)構(gòu)將提高電壓，因此可以將電池的功率輸出增加至少3倍。第三，增加轉(zhuǎn)換器的表面積將增加每個轉(zhuǎn)換器上的鎳- 63原子的數(shù)量。
俄羅斯核電商業(yè)化的主要挫折是缺乏鎳- 63生產(chǎn)和濃縮設(shè)施。不過，該國仍計劃在2020年中期前開始工業(yè)規(guī)模的鎳- 63生產(chǎn)。
傳統(tǒng)電池技術(shù)局限
為時鐘、手電筒、玩具和其他電氣設(shè)備供電的普通電池使用所謂氧化還原化學(xué)反應(yīng)獲得能量，其中電子通過電解質(zhì)從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極。這導(dǎo)致電極之間的電勢差。兩個電池端子通過導(dǎo)體連接，電子開始流動以去除電勢差，從而產(chǎn)生電流?；瘜W(xué)電池又稱原電池，其特點是高功率密度（即產(chǎn)生的電流功率與電池體積之比）。
然而，化學(xué)電池放電時間較短，限制了它們在自主裝置中的應(yīng)用。這些電池中有些被稱為蓄電池，是可充電的，但即使是充電也需要定期更換電池。對于心臟起搏器或者為航天器供電的時候，這一缺點非常“致命”。
幸運的是，化學(xué)反應(yīng)只是可能的電力來源之一。1913年，亨利·莫斯利發(fā)明了第一臺基于放射性衰變的發(fā)電機。他的核子電池是由一個玻璃球體組成，球體內(nèi)部鍍銀，中間安裝鐳發(fā)射器，在一個孤立的電極上。鐳的β衰變產(chǎn)生的電子在銀膜和中心電極之間造成電勢差。然而，該裝置的閑置電壓太高——幾十千伏——而且電流對于實際應(yīng)用來說太低。
1953年，Paul Rappaport提出使用半導(dǎo)體材料將β衰變的能量轉(zhuǎn)換成電能。由放射源發(fā)射的β粒子——電子和正電子——電離半導(dǎo)體的原子，產(chǎn)生未補償?shù)碾姾奢d流子。在p - n結(jié)構(gòu)的靜電場存在下，電荷沿一個方向流動，從而產(chǎn)生電流。由β衰變提供動力的電池被稱為β伏打電池。
倍他伏電池(betavoltaics)又稱“射線電池”，它優(yōu)于原電池的主要特點是它們的壽命。用于核電池的放射性同位素的半衰期從幾十年到幾百年不等，所以它們的功率輸出在很長一段時間內(nèi)幾乎保持不變。不幸的是，倍他伏打電池的功率密度明顯低于其對應(yīng)的電流密度。盡管如此，在被廉價的鋰離子電池逐步淘汰之前， 70年代還是使用倍他伏電池打為心臟起搏器供電。
倍他伏打電源不應(yīng)與放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機或RTGs混淆，雖然后者也稱為核電池，但其工作原理不同。熱電電池利用熱電偶將放射性衰變釋放的熱量轉(zhuǎn)換成電能。由于熱電能源壽命長，設(shè)計相對簡單，因此被廣泛用于為“新視野”號和“好奇號”火星探測車等航天器提供動力。RTGs以前也用于無人值守的遠程設(shè)施，如燈塔和自動氣象站。但是，這種做法后來被放棄了，因為其用過的放射性燃料很難回收，并且容易泄漏到環(huán)境中。
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