Can Nuclear Compete? (Panel 1)
核電池自 1913 年開始，就已經吸引了廣大研究人員的興趣。目前具有潛力的核電池，是熱電子型、熱光電型、直接電荷收集型、熱離子型、閃爍中間體型、阿爾法伏特效應電池（alphavoltaics）和貝塔伏特效應電池（betavoltaics）直接能量轉換型等。
最近 40 年，主流核電池技術，是放射性同位素熱電電池（radioisotope thermoelectric generator，RTG），這種電池透過塞貝克效應（Seebeck effect），將放射性元素衰變產生的熱量轉換為電能。目前，RTG 已經被廣泛應用於深空探索場景中，並且已經成為評價其他核電池效能的標尺。
目前，限制約 RTG 應用的 2 個主要因素是轉換效率低、體積大。RTG 只有約 6％ 的轉換效率，因此決定了它的成品具有很大的品質，並且能量密度低。為了能使核電池，在小型器件中發揮優勢，研究人員正朝著核電池小型化，並提高電池轉換效率的方向努力。
一、核電池技術研究進展
根據放射性同位素電池的換能量轉換效率，和輸出功率來分類，目前放射性同位素電池，可以劃分為熱電式、輻射福特效應式等。
1．熱電式同位素電池
熱電式同位素電池透過換能器件，將直接收集放射性同位素衰變所產生的射線，或基於 Seebeck 效應、熱致電子/光子發射效應等轉換為電能。
目前，熱電式同位素電池，主要由於傳統材料的熱電優值不高、電池漏熱較高等因素，造成電池轉換效率低。隨著新型熱電材料的開發已經電池結構改進，有望對熱電式電池性能進行提升。
美國弗吉尼亞技術大學機械工程系的Tariq R．Alam等人，開發了一種使用佩內洛普的蒙特卡羅源模式，來研究不同的氚金屬化合物，以更好地設計 betavoltaic 電池（射線電池）的放射性同位素源。
源模型考慮了源中 β 射線的自吸收，預估了各種源厚度的平均 β射線能量、β射線漲落、源功率輸出和源效率。用實驗結果驗證了氚鈦，與 90° 角分布的β粒子的模擬結果。
分析了各向同性粒子發射後，散射效應的重要性。他們的結果顯示，歸一化平均 β 射線能量，隨源厚度的增加而增大， 並根據源的密度，和具體活動達到峰值能量。
隨著源厚度的增加，β 射線流量和功率輸出也隨之增加。然而， 由於自吸收（self－absorption ）效應， 在較高的厚度下， 由於源效率顯著降低， β 射線流量和功率輸出的增量增加變得最小，因此， 達到了飽和閾值。
低密度的源材料， 如氚化合物（tritide）鈹提供了更高的功率輸出， 效率更高。碳化矽（SiC）和氚化鈹為材料，器件獲得了約 4 MW/cm3 的最大功率輸出。他們採用形狀因子法，在 β 射線峰值處，得到了最佳源厚度。
華僑大學 Bihong Lin 等人對熱離子 —— 溫差混合發電模組，進行了優化研究。他們首先利用非平衡熱力學理論，制備了熱離子 —— 半導體溫差熱電發射電池模組，利用模式計算出了其輸出功率、轉換效率、模組功函數、電流密度、電流和負載等參數的優化範圍，並且實現了能量源的階梯利用。
英國劍橋大學的 Arias 等人研究了利用靜電感應，來提升同位素熱源功率的方法。他們提出並製造了一種，基於靜電感應的同位素增強裝置，在 β 射線的照射下，能夠將輸出功率提高 10％。這種裝置可以被用於供暖、太空探索等同位素電池應用領域。
2．輻射伏特效應電池
輻射伏特效應同位素電池工作原理，是利用放射性同位素，衰變發出的射線照射半導體材料，是半導體產生大量電子 —— 空穴對，電子 —— 空穴對在電場作用下分離，接入外接電路實現電能輸出。
因此，輻射伏特效應的同位素電池，更有望實現小型化，在整合電路和微機電等領域，具有潛在的應用。
南京大學的 Zhangang Jin 等人制備了 2 種基於 γ 射線、PN 型鋁鎵銦磷（AlGaInP）半導體和硫化鋅：銅（ZnS：Cu）螢光材料的4層核電池。
其中一個是 4 層的無線電波電池 （FRVB）， 體積為 1.00 cm3， 另一種是 4 層雙效核電池 （FDEB）， 體積為 1.03 cm3。用 X 射線管輻照測試了 2 個電池的輸出性能水準。結果顯示， 核電池在並聯時的輸出功率明顯大於串聯。
然而， FDEB 的輸出功率和功率密度， 分別為 57.26 nW 和 55.59 nW/cm3， 均為平行 FRVB 的 5 倍高。根據實際需要， FDEB 的每個子電池單元，以不同的方式連接。
得到了不同的輸出電流和電壓， 而輸出功率沒有差異。他們還利用 MCNP5 對 FDEB 中各 AlGaInP 或 ZnS： Cu 層的 X 射線能量沈積進行了模擬。
結果顯示，在螢光層中， 少量的能量沈積能，顯著提高核電池的電輸出性能。多層雙效能量轉換機構，能提高核電池的電氣輸出性能。
俄羅斯超硬和新型碳材料技術研究所的 V.S.Bormashov 等人，用 200 個基於肖特基勢壘的金剛石二極管，制備了一種 betavoltaic 同位素電池。
電池由 24％ 的鎳（63Ni）放射性同位素的垂直堆積而成。在 5 mm×5 mm×3.5 mm 的總容積中獲得約 0.93 μW 的最大電輸出功率。他們首先利用離子束輔助 lift － off 技術，獲得了最小厚度的轉換單元，厚度與 63Ni 同位素發射的 β 粒子的特徵，穿透長度相當。受生產結構的機械強度和工藝可靠性的限制，他們得到了 15μm 的厚度。
透過在掃描電鏡下，對電子束輻照進行了 IV 曲線測量，以獲得金剛石基轉換單元的性能，他們發現從高溫高壓（HPHT）金剛石基體中，分離出如此薄的轉化細胞的犧牲層，並沒有造成器件電荷收集效率的大幅度降低，該電池輸出功率密度達到 10μW/cm3，是基於 63Ni放射性同位素電池的最高數值。63Ni 同位素的長半衰期給出了大約思 3300 mWh/g 的電池特定能量，已經達到商用化學電池的能力。
哈爾濱工業大學的 Benjian Liu 等人制備了一種金剛石肖特基勢核電池 （DSAB）， 並進行了 α 粒子衰減試驗。該裝置是在 硼摻雜的 HPHT 金剛石上，利用化學氣相沈積（CVD）外延生長氧原子封端的本徵金剛石制備而成。
用 8.85 μCi/cm2 輻照下的低活性 α 源， 加以 1.13 V 開路電壓和短路電流 53.4 pA，電池的總轉換效率達到0.83％ 。
DSAB 同時具有比矽（Si）和 SiC 扔二極管更好的開路電壓和短路電流穩定性， 這意味著 DSAB 具有實現較高並且穩定轉換效率的潛力。
西北工業大學的 Qiao 等人四，使用 63Ni 作為放射源，4H－SiC 作為半導體設計了基於微機電系統的肖特基型 β 伏特效應同位素電池。他們得到在 0.27V 開路電壓下，短路電流密度為 25.57nA/cm2，最大輸出功率密度達到 4.08nW/cm2。
第 3 代半導體的興起後，對輻射福特效應電池輸出性能，提升起了極大的促進作用。中科院蘇州奈米所的 Lu 等人，製造出基於氮化鎵（GaN）材料的 β 輻射福特效應電池。該電池開路電壓為 0.1V 時，短路電流密度為1.2nA/cm2。
Chandrashekhar 等人思思，首次制備了基於 SiC 的輻射福特效應電池。他們採用 63Ni 作為輻射源，用 4H－SiC 制出 β 輻射福特效應電池，電池轉換效率 6％，功率密度達到 12nW/cm2。City Labs 公司結合放射源氚（3H），已經實現 SiC 燃料電池的產業化，形成 Nano TrituimTM Battery 產品系列。
由於 3H 的價格（約 3.5 美元/居里）只有 63Ni（約 4000美元/居里）的 1/1000，大幅降低了輻射福特效應同位素電池的成本。目前該公司的電池轉換效率已經達到 10％，實現 40～840nW 的電學輸出功率。
在輻射伏特效應同位素電池的結構設計方面，Missouri 大學 Kwon 等人制備了一種水性核電池． 該電池放射源為鍶/釔（90Sr/90Y）為， 水基材料則採用氫氧化鉀（KOH）水溶液， 鉑（Pt）金屬薄膜包覆於二氧化鈦（TiO2）奈米多孔半導體上形 成金屬－半導體結對水進行分解。
在電池電壓為 －0.9 V 時， 電池的輸出功率密度為75.02 μW/cm2． 由於水性核電池的水基材料在 β射線作用下，可以不斷產生自由基，並且能夠作為射線屏蔽材料 吸收 β 射線動能，能夠效避免半導體材料輻照退化現象。
3．壓電同位素電池
蘭州大學的 Y.Zhou 等人，基於佈雷頓（Brayton）循環放射性同位素能源系統和 PZT－5H（Pb（ZrxTi1－x）O3，0≦x≦1）單壓電晶片，制備了一種jet電流驅動的壓電核電池（piezoelectric nuclear battery driven by the jet－flow，PNBJ）。
該電池中，用 PZT－5H 單壓電晶片取代了渦輪機，利用由放射性同位素衰變能量加熱的高速氮氣射流輸出電能。
在 2.26×10 －3 m3/s 的流量和的室溫下獲得 0.34％ 以上的 PNBJ 能量轉換效率。這種電池可用於低功率微電子和微系統，如電子手錶，AC－LED（交流發光二極管）和感測器等。
蘭州大學Li等人透過對 Brayton 循環同位素發電系統了，進行優化設計得到了一種新型射流驅動壓電換能機制同位素電池。該設計方案利用放射性同位素熱源衰變加熱惰性氣體，在耐高溫管道中形成高速氣流，並穿越活動式尖端噴嘴作用於壓電材料，使之發生形變而實現壓電式電能輸出。
氣流經過散熱器降溫，並經過單向氣動閥，回流到熱源腔實現二次加熱，從而形成封閉循環。由於採用壓電材料替代渦輪機實現能量轉換，他們的設計有效解決了佈雷頓循環同位素發電系統所存在的高速運轉零件潤滑困難、高速轉動產生的慣性矢量影響系統穩定性等關鍵技術瓶頸。
4．閃爍中間體型同位素電池
南京大學的 X．Guo 等人提出了一種基於γ放射性同位素源的雙效多級同位素電池。他們組合了無線電波（radio－voltaic，RV）和無線電光伏（radio－photovoltaic，RPV）2 種能量轉換機制，來將γ射線轉換為電能。
研究人員計算了鈷（60Co）放射性同位素源輻照雙效多電位同位素電池的理論性能極限，並利用 MCNP5 分析了各轉換機理的特徵。結果顯示，RPV效應比RV效應產生更多的電輸出，但每種效應對電池的貢獻是顯著的。多級同位素電池的輸出性能在 60Co 源下以 0.103kGy/h 和 0.68kGy/h 的劑量率表徵。
從理論和實驗雙層面研究，並探討了 2 種能量轉換機制相結合提高核電池性能的可行性。他們發現，使用具有大活動的 60Co放射性同位素源四，和具有額外水平的轉換模組，可以獲得相當大的輸出性能。
此外，他們研究了矽酸釔鑥閃爍晶體（LYSO）對第一級轉換模塊性能極限的厚度影響，以優化多級雙效同位素電池的結構參數。閃爍體的厚度強烈地影響多級轉換模組中 γ 射線的能量沈積分布，導致 RV 和 RPV 效應產生的輸出的變化，這反過來影響電池的總輸出。
二、核電池技術研究趨勢
相比乾電池、鋰電池等傳統電池，核電池有著高環境適應性、高穩定性、高功率匹配等天然優勢。但轉換效率低下，電池能量密度小仍然是限制核電池應用的主要原因。
動態型熱電轉換同位素電池雖然達到了最高 20％～40％ 的轉換效率，但其高速運轉零組件的潤滑問題，和高速轉動產生的極大的慣性矢量影響電池穩定性等問題仍未取得突破性進展。
目前，出現了透過採用新型發電原理，特別是基於管道絨毛式奈米線壓電材料和奈米熱點材料耦合陣列的動態同位素電池，以及依靠管道熱流作用熱電材料實現電能輸出等技術，使得電池同位素放射源加載活度降低，能量轉換效率大幅提高，並且更加穩定、易於加工製造，為放射性同位素電池提供了一新的方向。
隨著核電池技術的發展，對核電池材料也提出了越來越高的要求。
在同位素熱源材料方面，主要包括α、β、γ三種，238Pu和絲絲210Po是主要的α源，63Ni、90Sr 和 90Y 是主要的 β 源。氚源由於具有較高的能量密度（1000mW·h/g），並且無毒低污染，地球上存量極大，在未來的核電池中最具有應用前景。
在能量轉換材料方面，Bi2Te3/Sb2Te3 是低溫溫差式電池的主要材料，高溫材料則主要選用 SiGe。GaN、SiC等，特別是第3代半導體的興起極大的促進了輻射伏特效應電池的研究。在生長制備等工藝水準突破後，極有希望取代核電池中的傳統半導體材料。
隨著同位素放射源、能量轉換材料、防輻射材料等相繼取得突破，核電池的安全性更高、壽命更長、成本更低、質量更輕、能量轉換效率更高、功率更大。在核電池的安全、功率、成本等問題相繼被攻克後，其應用價值領域必定會更高更廣。
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