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工業 4.0 智慧工廠 |
2021年8月4日 星期三
‧ 智慧包裝在供應鏈中的優勢和挑戰
來源：CSCMP供应链管理
注：原作者是Dr. Bahar Aliakbarian
密西根州立大學包裝學院副教授，翻譯為高瑉。
編者按：
新的包裝技術，能夠幫助企業監控產品及其周圍的環境，同時對兩者的變化採取相應的措施。這些創新可以幫助企業，大大改善供應鏈營運中的問題，但是前提是企業必須要克服一些挑戰。
提高產品的可溯性，是指在供應鏈的任何節點上，都可以確定產品資訊和位置的程度，這是企業能夠做出關鍵的供應鏈改進之一。引用1可跟蹤性能夠確保供應鏈中，每個節點都可以對產品的位置進行確認。
它幫助供應鏈的成員，檢測產品是否來自製造商，是否再運輸過程中被轉移，是否在不合適的時間或地點，被引入或重新引入，或者是否在確定產品，已經被管理之後重新進入供應鏈。簡單來說，透過提高可溯性，企業可以更好地瞭解產品，是否再運輸或儲存過程中被轉移、偽造或以其他方式篡改。
企業提高產品的可溯性，其中一種方法，就是使用或創造新的包裝技術，可以稱之為智慧包裝。智慧包裝的解決方案，可以大大提高供應鏈的有效性和效率，特別是在食品和飲料、製藥和醫療保健等行業。然而，目前主要的挑戰，仍然是如何全面採用這些新技術的方式。在應用之前，企業應該充分瞭解智慧包裝的優勢和挑戰。
一、什麼是智慧包裝？
智慧包裝是指除了產品之外，還提供「額外附加」的任何組件。這些組件可以是任何事物或者技術，從延長保質期到溫度、PH值、濕度和新鮮度的顯示器和指示器，再到跟蹤設備。從這個意義上說，智慧包裝與創新包裝產品的其他術語密切相關。如有源包裝和智慧包裝。
1.主動包裝（Active packaging）
主動包裝技術的主要目的，是保持產品的品質和延長保質期。主要動過從包裝產品，或其周圍環境中，釋放或吸收物質來影響應觸發事件（如暴露於紫外線或壓力下降等）。通常，這包括不同的成分，如水分或氣體清除劑或抗菌薄膜等。引用 2、3 主動包裝，一個很好的例子是氧消除技術，它被用於包裝對氧敏感的產品，如藥品、化妝品、食品和添加劑。除氧劑去除或降低包裝內的氧氣含量，有助於維護產品的安全，延長保質期。
2.感知包裝（Intelligent Packaging）(狹義的智慧包裝)
大多數專家將其解釋為，感知包裝主要用於「檢測包裝產品的狀態」，以及「捕獲並提供有關包裝產品，在運輸或儲存過程中，品質的資訊」。引用 4 智慧包裝的一個簡單定義是「感知和通知的包裝」。因此，感知包裝系統包括硬體組建，例如時間-溫度指示器（TTI）、氣體檢測器、新鮮和/或催熟指示器，以及射頻辨識（RFID）系統。
3.智慧包裝（Smart packaging）
我們理解的智慧包裝，應該是上述的感知包裝（Intelligent Packaging）與主動包裝（Active packaging）的結合。這種類型的高級包裝系統，可以監控產品或其環境的變化（智慧的），並根據這些變化進行操作（主動的）。引用 5 它可以主動監測和控制封裝內的環境，並與外部接口（電氣或光學）通信。
智慧包裝（Smart packaging）通常使用感測器或智慧標籤，來監控產品品質、儲存條件或外部環境。引用 6 例如，使用 TTIS的智慧包裝，可以記錄時間和溫度，並提供產品的部分或全部溫度歷史。引用 7 另外一個例子 RFID 的包裝。基於感測器的 RFID 技術，可以整合到產品的包裝中，跟蹤和追蹤產品的來源，以及供應鏈中的任何污染源或篡改源。
這三種包裝的最終目標，包括延長保質期、新鮮度監控、與消費者交流品質資訊、安全改進、提高便利性、增強可溯性，以及有效的改善目標召回等。
據 2018 年市場研究未來報告顯示，全球智慧包裝市場約為 467.4 億美元，引用 8 預計 2017 年到 2023 年，將以 5.16% 的複合年成長率（CAGR）進行成長。智慧包裝的預期成長表示，企業需要持續瞭解和學習，這些包裝技術的創新，才能跟上市場變化的步伐。
二、在供應鏈中的應用
智慧包裝有許多潛在的應用領域，傳統包裝已不能充分滿足客戶期望，和產品不斷成長的複雜性。消費者正在尋找具有性價比高、易於運輸、美觀的包裝。
不僅可以保證產品的新鮮度和完整性，同時還能隨時瞭解產品的歷史或狀況。同時智慧包裝還可以透過消費者的手機，或其他設備進行資訊交互、傳遞。
特別是，在可溯性要求比較高的行業細分市場中，智慧包裝技術具有巨大的發展潛力，例如食品、飲料、醫藥和衛生保健等方面。
1.食品供應鏈
包裝已成為食品供應鏈中，必不可少的一項技術，用來確保安全，避免不良反應、滿足消費者的期望同時，延長產品的保質期。引用 9 因此，食品和飲料行業，是目前最大的智慧包裝市場，也就不足為奇了。
2015 年，食品和飲料行業佔全球銷售額的 45%（108 億美元）以上。引用 10 事實上，大多數智慧包裝解決方案，都是針對影像供應鏈開發的，目的在減少食品的損失和浪費。
據聯合國糧食及農業組織（FAO）的數據顯示，全球每年會約有三分之一（13億噸）的糧食，存在丟失和浪費的情況，造成了巨大的經濟損失和資源浪費。引用 11 僅在美國，2017 年就浪費了 1.26 億噸的糧食，其中 5700 萬噸糧食，在食品供應鏈的消費者階段產生。
引用 12，雖然食物鏈中的所有參與者，都可以在預防和減少食品浪費方面發揮作用，但是家庭垃圾的普遍存在顯示，智慧包裝在解決減少腐敗，和延長保質期的能力上，發揮重要的作用。
目前有很多技術阿愛，可以追蹤或測試（但通常不會並存）農產品在供應鏈中的浪費情況。然而這些技術成本高昂，而且由於隨機樣本的鑒定和定量測試，通常是透過外部技術和認證實驗室進行。此外，由於數據流中的間隙或中斷，或無法與使用者共享資訊，目前很難將預測和追蹤，數據提供給最終用戶。
因此，仍然需要在整個供應鏈中進行無縫跟蹤、預測和共享有關農業食品的數據技術，不斷的更新。例如，業界對建立一個，有效的檢測和測試系統非常感興趣，該系統可以提供，關於指定目標任何情況的數據，例如有機和無機揮發性化合物，和病原體的化學、物理或生物指標。這些數據可以用在數學模式中，生成關於產品品質和保質期的預測。
以商品包裝或容器上的追蹤，和感測的標籤技術為例，標籤上的數據，將被上傳到網路上，無需人工干預，進行資訊共享和分析，例如，智慧 RFID 標籤，可以與感測元件整合，例如化學反應塗層、石蕊試紙或導電點擊，可以檢測食物中的任何腐敗變化。然後智慧 RFID 標籤閱讀器，可以將這些資訊讀取，使企業不僅可以追蹤產品的位置，還可以跟蹤其品質。
雖然 RFID 基礎設施發展良好，並且在過去的十年中，獲得了顯著的發展成績，但目前只有少數商用智慧包裝系統，使用 RFID 標籤跟追蹤和記錄食品品質。
2.醫藥保健供應鏈
醫藥保健行業，也是智慧包裝的巨大潛在市場。引用 13，據2018 年市場研究未來報告顯示，2015 年全球智慧包裝市場中，醫療保健約佔 15%，預計 2016 年至 2024 年的複合年成長率將超過 20%。
醫療保健和醫藥細分市場，被視為智慧包裝的主要成長市場，因為這些領域需要提高供應鏈的可視性。智慧包裝解決方案（例如支持 RFID 的包裝、支持 WIFI 設備和智慧自動分配器）可以幫助企業更好地檢測潛在的盜竊、偽造和藥物污染。
為了確保患者能夠獲得真實、高品質的藥物治療，企業必須能夠追蹤單個產品的生產廠家，並在產品離開和到達，整個供應鏈的各個節點時，追蹤和監控產品。
他們還希望看到產品轉移時，實施的狀態，從而有機會監控和操作，彌補因盜竊或丟失，而造成的收入損失風險，以及利用該產品製造假冒產品的可能性。
透過提供這種可見性和可追溯性，智慧包裝還可以幫助企業遵守法律法規，以及醫療改革。
智慧包裝還可以向消費者傳遞資訊，幫助他們更好地瞭解產品，以及如何安全地與產品進行交互。它可以幫助病人堅持他們的處方藥物治療方案。
例如，智慧藥瓶、智慧瓶蓋、智慧自動配藥器和智慧藥櫃，可以與消費者的智慧手機、平板電腦或其他支持 WIFI 的通信設備，提醒他們服藥。
這些智慧包裝解決方案，可以為消費者提供一個劑量計劃，已達到最佳效果。一些商業上，可用的產品包括（但不限於）Pilleve、TAD、PillDrill、Baswen、Inpower、MedMinder 和 AdhereTech。
智慧包裝的應用，不局限於食品和藥品行業。其他行業，如個人護理、汽車和物流業，可能採用智慧包裝，用來改善產品保護和即時追蹤，並防止盜竊、轉移、有組織犯罪，和假冒偽劣事件的發生。
三、未來的挑戰
儘管智慧包裝的前景一片光明，但是在廣泛的應用和推廣道路，還很漫長。以下是企業需要注意的幾個主要問題：
1.額外成本
智慧包裝解決方案並不便宜，特別是與傳統的包裝解決方案相比，例如瓦楞紙箱、彈性包裝和托盤。造成這一額外成本，一個主要的原因是，智慧包裝還沒有進入大規模的生產階段。
2.缺乏可靠的商業案例
此外，由於大多數智慧包裝產品，仍處於開發的早期階段，因為沒有長期可靠的成功案例。由於缺乏數據，因此很難為該產品，建立一個可靠的商業業務模式。
此外，目前還不清楚智慧包裝的總擁有成本，也沒有任何相關這項技術，可以從供應鏈中，獲得成本或者它所能提供價值的全部評估。行業需要全面的端到端價值鏈的研究，其中包括包裝解決方案的最終成本，這些解決方案可以在哪裡佈署，關鍵客戶最願意採用新的包裝解決方案，以及該技術在哪裡具有最大的潛力，能夠產生多大的影響，
對製造技術的全新要求：在將智慧包裝，應用於各種產品之前，製造商需要開發與當前包裝標準相容的感測器和指示器製造技術。印刷技術作為，一種重要的製造技術，受到了研究和製造界的廣泛關注。引用 14、15、16、17 研究人員發現，列印方式是製造智慧包裝的革命性方法，因為他們能夠以高效、可伸縮和低成本的方式，將電子產品（如感測器、電池、RFID 標籤和顯示器）直接沈積在柔性基板上。
3.可持續性
智慧包裝的許多組建，都不是完全可持續的，有些甚至不符合客戶所期望的環保、綠色標準。在某些情況下，其中一些組件（如電池、感測器、顯示器和電路）很難回收。如果沒有一定程度的可持續性，智慧包裝在這個「可持續發展的世界」中，實現其應有的作用，是不可能的。
瞭解和衡量智慧包裝組件，及其長期對環境的影響，是至非常重要的。解決辦法可能包括，使用將太陽能等自然能源，轉化為電能的電子產品，或應用安裝在紙張等可生物降解材料上的「綠色」柔性電子設備。
4.立法
智慧包裝的複雜性，也構成了相關法律的複雜性。由於智慧包裝是由許多不同的組件組成，它比傳統包裝，受到更多的法規和法律的約束。追蹤和遵守這些規定，將需要來自製造商機器客戶的大量時間和資源。
此外，由於創新解決方案發展迅速，製造商和客戶希望將這些新技術，納入他們的包裝，立法框架需要靈活和易於更新，以支持和跟上這個高度創新，和快速發展的行業。
5.隱私問題
對於具有實時監控和跟追蹤功能的智慧包裝系統，安全和數據隱私問題，也是最受關注的問題。智慧包裝可以蒐集關於客戶的敏感非公開資訊（例如身份、行為、位置以及偏好）。
這些資料必須加以保護，以仿被盜。密碼學系統和區塊鏈，是解決這些問題的主要途徑之一。密碼學將幫助智慧包裝儲存資訊，這樣除了預期的接收者之外，任何人都無法讀取資訊。區塊鏈是一個包含交易記錄的數位「區塊鏈，在該技術下篡改單個記錄，基本是不可能的。
四、下一步
智慧包裝在提高供應鏈有效性，和效率方面具有巨大的潛力。有許多應用，可以提高客戶滿意度；增加可見性；提高供電的安全性和可靠性；防止產品轉移、假冒、盜竊；減少產品浪費。
將智慧包裝解決方案，整合到現有的端到端供應鏈中，可以透過改善關鍵流程，減少盜竊和管理浪費，來提高客戶滿意度和忠誠度，並降低成本，從而幫助公司提高銷售額。
然而，業界必須客戶，實施智慧包裝的一些重大障礙，例如大規模生產成本高、將智慧設備整合到當前包裝生產線的複雜性，以及對安全性、數據隱私和可持續性的問題。
在某些情況下，先進的製造技術，如卷對卷印刷，以及物聯網和區塊鏈的應用，也可以解決這些問題。但是，為瞭解決與實現智慧包裝相關的所有基本問題，需要在工業供應鏈的每個節點之間，進行跨協作。需要製造業、分析科學、預測模式、數據分析、犯罪學和商業領域的專家，來定義一種系統的方法，將智慧包裝解決方案，整合到供應鏈當中。
此外，學術界和產業界需要共同努力，以瞭解供應鏈的所有戰術和操作，從長遠來看，將受到這項新技術的影響。組織和研究機構，可以縮小學術界和行業之間的差距。
最後，企業需要一個整合的系統方法，幫助他們瞭解包裝趨勢，調整他們的包裝和供應鏈，以滿足不斷變化的需求。
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‧ 全球核電池技術進展初探
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。
