想象一個(gè)不再受限于電池續(xù)航能力的未來：智能手機(jī)無需再充電，無人機(jī)能夠持久飛行，各種人工智能設(shè)備、醫(yī)療器械和微型機(jī)電系統(tǒng)等都能在不間斷的運(yùn)行中發(fā)揮最大效用。

       最近，一家位于北京的初創(chuàng)企業(yè)——北京貝塔伏特新能科技有限公司(下稱北京貝塔伏特)宣布，該公司已成功研制出民用微型原子能電池，能50年穩(wěn)定自發(fā)電，無需充電或維護(hù)，未來推向市場(chǎng)的產(chǎn)品可以幫助實(shí)現(xiàn)以上美好的設(shè)想。

       原子能電池是一種物理電池，又稱核電池或放射性同位素電池，是將放射性同位素衰變時(shí)釋放能量轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。

       該公司將推出的首款產(chǎn)品為BV100，功率100微瓦，電壓3V，體積是15x15x5立方毫米，比一枚硬幣還小。

       北京貝塔伏特表示，這是全球首塊即將量產(chǎn)的核電池。從技術(shù)層面看，這也標(biāo)志著中國(guó)同時(shí)在原子能電池和第四代金剛石半導(dǎo)體兩個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域取得顛覆性創(chuàng)新，“遙遙領(lǐng)先”歐美科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)。

       前景看起來很美好，但仍有許多未解之處。這家“橫空出世”的北京貝塔伏特公司是什么來頭？該產(chǎn)品真的具有突破性嗎？安全性如何？早已問世的核電池，為何民用進(jìn)程遲遲無法推進(jìn)，又何論顛覆鋰電池？

BV100的部件組成，圖片來源：北京貝塔伏特

       一、核能電池是什么？

       核電池不是什么新鮮事物，已經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，并被人們成功應(yīng)用在了航空航天和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

       由于放射性同位素衰變過程連續(xù)不斷且不受環(huán)境影響，核電池通常具有穩(wěn)定可靠、無需人工干預(yù)和能量密度高等優(yōu)勢(shì)，且部分放射源半衰期長(zhǎng)達(dá)幾十年或幾百年，能保證核電池有較長(zhǎng)的工作壽命。

       技術(shù)最成熟且最早應(yīng)用核電池種類為放射性同位素溫差發(fā)電機(jī)(RTG)，已在諸多航空項(xiàng)目中部署，如美國(guó)1977年發(fā)射的“旅行者1號(hào)”航天器就攜帶了將钚-238作為燃料的RTG，助力其成為離地球最遠(yuǎn)和飛行速度最快的人造衛(wèi)星。

       2013年和2018年，中國(guó)發(fā)射的嫦娥三號(hào)、四號(hào)月球著陸器上也搭載了RTG同位素電池。

       RTG屬于熱轉(zhuǎn)換式核電池，是將衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能。但由于RTG體積很大，且造價(jià)高昂，應(yīng)用領(lǐng)域有限，因此科學(xué)家開始研制小型RTG和采用其他能量轉(zhuǎn)換模式的微型核電池，并同時(shí)追求更高的轉(zhuǎn)換效率和安全性。

       二、民用核能電池進(jìn)展如何？

       非熱轉(zhuǎn)換式核電池是指將放射性同位素放出的帶電粒子或產(chǎn)生的衰變能直接或間接地轉(zhuǎn)換成電能，其中輻射伏特效應(yīng)核電池受到較多關(guān)注，隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，被認(rèn)為具有商業(yè)化潛力，通常使用β射線源。

       早在十多年前，美國(guó)佛羅里達(dá)州City Labs實(shí)驗(yàn)室就成功研發(fā)了一種以氚為基料的輻射伏特效應(yīng)核電池，名為“Nano Tritium”。氚是一種氫同位素，會(huì)自發(fā)地發(fā)生β衰變。

       該電池號(hào)稱可以連續(xù)工作至少20年而不需要充電，甚至2013年在中國(guó)的電商平臺(tái)上以6980元的價(jià)格出現(xiàn)，標(biāo)注為“無輻射的民用核電池”。

       City Labs實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)顯示，目前其NanoTritium電池系列產(chǎn)品可以為納米瓦和微瓦設(shè)備供電，用于商業(yè)或科學(xué)用途。每塊電池的基本價(jià)格為5250美元起(約合人民幣3.77萬元)，批量訂購(gòu)提供折扣。

       該公司同時(shí)表示，由于核電池當(dāng)前應(yīng)用有限，一般普通人沒有理由購(gòu)買，所以它通常與對(duì)該技術(shù)感興趣的企業(yè)或科學(xué)組織打交道。

       此外，英國(guó)公司Arkenlight和美國(guó)加州的新能源初創(chuàng)公司NDB均聚焦碳-14同位素，通過輻射伏特效應(yīng)開發(fā)鉆石核能電池。

       Arkenlight承認(rèn)，該電池供電能力有限，無法驅(qū)動(dòng)手機(jī)或汽車，但希望可以用于低耗電的高功率設(shè)備或傳感器中。該公司計(jì)劃2024年將電池產(chǎn)品裝載在設(shè)備上。

       NDB則在2020年就宣稱其研制的電池可以收集40％左右的電荷，在不需要充電的情境下，持續(xù)使用時(shí)間能達(dá)到2.8萬年。但截至目前，該公司還未宣布產(chǎn)品的商用。

       無論是Arkenlight還是NDB，它們研制的核能電池，均處于前期開發(fā)階段。

       3、北京貝塔伏特是什么來頭？

       據(jù)界面新聞了解，北京貝塔伏特成立于2021年4月，注冊(cè)地為亦莊經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。法人是俄羅斯人穆索夫·扎烏爾(MUSOV ZAUR)，中文名張偉，同時(shí)擔(dān)任該公司董事長(zhǎng)兼CEO。

       天眼查APP顯示，1月15日，北京貝塔伏特更新注冊(cè)信息顯示，公司注冊(cè)資本1億元，實(shí)繳資本530萬元。此前，該公司注冊(cè)資本為10億元。

       “目前CEO和負(fù)責(zé)基礎(chǔ)研發(fā)的專家都回俄羅斯了，等春節(jié)后會(huì)有正式面向外界的介紹?！北本┴愃匾晃徊辉妇呙呢?fù)責(zé)人對(duì)界面新聞表示，具體產(chǎn)品將在此后亮相。

       從北京貝塔伏特申請(qǐng)的專利來看，該公司技術(shù)主要來自于俄羅斯的團(tuán)隊(duì)。上述負(fù)責(zé)人表示，該公司屬于中國(guó)內(nèi)資公司，總部在北京，未來將在莫斯科設(shè)立分公司。

       該專利名稱為《一種核電池及其制造方法》，目前處于實(shí)質(zhì)審查狀態(tài)。

圖片來源：天眼查

       北京貝塔伏特表示，它既是一家新能源公司，也是一家第四代半導(dǎo)體和超長(zhǎng)碳納米管新材料公司。

       “核電池、金剛石半導(dǎo)體和超級(jí)電容器，三大技術(shù)和材料鏈接與融合，形成了貝塔伏特的核心技術(shù)和創(chuàng)新能力?！痹摴痉Q。

       去年11月，四川綿陽市經(jīng)濟(jì)合作局官微“投資綿陽”發(fā)布的消息顯示，當(dāng)月7日，游仙區(qū)2023年第四季度項(xiàng)目集中簽約儀式舉行，其中游仙區(qū)與北京貝塔伏特公司簽約50億元的創(chuàng)新高科技項(xiàng)目戰(zhàn)略合作協(xié)議框架。

圖片來源：北京貝塔伏特官網(wǎng)

       4. 北京貝塔伏特的產(chǎn)品是什么？

       北京貝塔伏特研發(fā)的核電池也是一種輻射伏特效應(yīng)電池，通過放射源鎳-63發(fā)射的β粒子(電子)的半導(dǎo)體躍遷產(chǎn)生電流。

       為此，該公司開發(fā)了一種單晶金剛石半導(dǎo)體，厚度為10微米，把一個(gè)2微米厚的鎳-63薄片放在兩個(gè)金剛石半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器之間，將放射源的衰變能量轉(zhuǎn)化為電流，形成一個(gè)獨(dú)立的單元。

       北京貝塔伏特表示，高效率金剛石轉(zhuǎn)換器是制造核電池的關(guān)鍵，該公司電池的核心是第四代金剛石半導(dǎo)體。該公司也是全球目前唯一一個(gè)能夠摻雜制作大尺寸金剛石半導(dǎo)體材料的公司。

       “核電池是模塊化的，可以由幾十個(gè)或幾百個(gè)獨(dú)立的單元模塊組成，并可以串并聯(lián)使用，因此可以制造不同尺寸和容量功率的電池產(chǎn)品?！痹摴痉Q。

       這與俄羅斯此前公布的技術(shù)基本一致。

       2018年，俄羅斯科研團(tuán)隊(duì)制作了包括鎳-63和金剛石能源轉(zhuǎn)換器的核電池原型，論文發(fā)表于《DIAMOND AND RELATED MATERIALS》期刊。

       該團(tuán)隊(duì)的結(jié)論是，如果將鎳-63夾在厚度為10微米的金剛石二極管之間，鎳-63層在厚度僅為2微米時(shí)最有效。這一核電池原型在0.9V時(shí)，實(shí)現(xiàn)了約0.93微瓦的最大輸出功率，體積為5x5x3.5立方毫米。

       1微瓦已足夠?yàn)樾呐K起搏器提供動(dòng)力。

       目前尚不確認(rèn)，北京貝塔伏特公司與上述俄羅斯科研團(tuán)隊(duì)的關(guān)系。

       北京貝塔伏特的BV100，功率為100微瓦，等于萬分之一瓦。作為對(duì)比，當(dāng)前手機(jī)在重負(fù)載下的典型功耗是8瓦，平時(shí)約為5瓦。

       該公司計(jì)劃在2025年推出功率為1瓦的電池。如果成功推出，這將是目前功率最大的民用核電池。

       該公司負(fù)責(zé)人對(duì)界面新聞表示，這將通過金剛石半導(dǎo)體尺寸改變，核同位素材料變化和P-N結(jié)技術(shù)的采用來實(shí)現(xiàn)。

       “1瓦的電池絕對(duì)不是1萬塊100微瓦的電池疊片在一起，是新技術(shù)和新材料的創(chuàng)新組合。”該負(fù)責(zé)人稱。

       對(duì)于北京貝塔伏特推出的核電池，某高校物理學(xué)教授向界面新聞表示，放射源管理嚴(yán)格，且成本高昂。此外，金剛石半導(dǎo)體工藝復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)還沒有N型摻雜工藝的技術(shù)突破。

       5、這款產(chǎn)品安全嗎？

       核輻射是核能利用的首要考慮因素，核能電池領(lǐng)域也存在著一定安全風(fēng)險(xiǎn)。例如，钚238除了本身具有放射性外，本身也是劇毒物質(zhì)。

       1964年，美國(guó)發(fā)射Transit-5BN-3衛(wèi)星失敗，在重返大氣層時(shí)燃燒美體，其同位素電池中的钚238燃料釋放到大氣中，造成了非常嚴(yán)重的污染。

       目前，α和β衰變核素衰變過程中釋放的粒子射程相對(duì)較短，輻射較容易阻隔。

       北京貝塔伏特公司表示，該公司開發(fā)的原子能電池絕對(duì)安全，沒有外部輻射，適合用于人體內(nèi)的心臟起搏器、人工心臟和耳蝸等醫(yī)療設(shè)備。同時(shí)，在衰變期后，作為放射源的鎳63同位素變成銅的穩(wěn)定同位素，不具有放射性，對(duì)環(huán)境不構(gòu)成任何威脅或污染。

       上述物理學(xué)教授表示，單從放射性角度來講，貝塔輻射電池中純?chǔ)铝Ｗ由涑谭浅６?，不存在安全性的問題。如果北京貝塔伏特使用鎳-63來制作電池，核電池本身輻射防護(hù)的安全性可以保證。

       6、能顛覆鋰電池嗎？

       考慮到鎳-63的半衰期為100年，BV100并非不可能實(shí)現(xiàn)50年的使用壽命。

       根據(jù)吉林大學(xué)李瀟祎、陸景彬等學(xué)者2020年12月發(fā)表在《原子核物理評(píng)論》文章的介紹，β輻射伏特效應(yīng)核電池的壽命主要取決于兩部分：一是能量損耗情況，由放射源的特性決定，稱為理論壽命；二是輻射損傷情況，由半導(dǎo)體材料及期間的整體特性決定，稱為工作壽命。

       北京貝塔伏特表示，該公司研制的核電池每克約有3300毫瓦時(shí)的電力，能量密度是三元鋰電池的10倍以上。

       這引發(fā)了核電池將顛覆鋰電池行業(yè)的討論。

       上述物理學(xué)教授表示，原理上核電池能量密度是可以比鋰電池高出很多倍，但并不代表核能電池能夠在所有領(lǐng)域有效取代鋰電池。此外，鋰電池目前也有很多研究進(jìn)展，出于安全性和成本等考慮，核電池不太能短期內(nèi)在民用方面取代鋰電池。

       從歷史上看，由于低性價(jià)比和安全性，實(shí)際上鋰電池一度取代了核能電池。

       上世紀(jì)70年代，有公司將钷147同位素用于心臟起搏器，雖然钷147同位素也屬于β衰變，但過程中會(huì)釋放γ射線，需要增加大量成本屏蔽輻射。此外，病人去世后火化也可能出現(xiàn)放射性物質(zhì)的泄漏問題，于是鋰電池取代核電池應(yīng)用在這一領(lǐng)域。

       7、量產(chǎn)前景如何？

       除了在技術(shù)上的不確定性，上述物理學(xué)教授指出，放射源管理嚴(yán)格，如需量產(chǎn)獲取渠道會(huì)是一個(gè)大問題。

       根據(jù)中國(guó)《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》和《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》，放射源的豁免必須持有備案證明文件，須經(jīng)過審批。

       從成本來看，鎳-63同位素不存在于自然界，需要通過在核反應(yīng)堆內(nèi)照射鎳-62等處理才能獲得。根據(jù)《國(guó)際核工程》期刊網(wǎng)站的文章 ，1克放射性鎳-63的價(jià)格約為4000美元(約合人民幣2.87萬元)。因此，如能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，上述核電池的售價(jià)會(huì)很高。

       不過，鎳-63放射性較低，生態(tài)環(huán)境部近年也有給部分企業(yè)儀器中鎳-63放射源實(shí)行豁免管理的例子。

       面對(duì)近期的質(zhì)疑，該公司負(fù)責(zé)人對(duì)界面新聞表示，手機(jī)等快消品不是北京貝塔伏特最近兩三年要服務(wù)的市場(chǎng)，要綜合各方面的考慮：一是要看國(guó)家法規(guī)，標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)政策，二是看電池各項(xiàng)性能的進(jìn)一步突破，三是看成本如何不斷降低。

       “心臟起搏器，微型無人機(jī)和微型機(jī)電系統(tǒng)也屬于民用領(lǐng)域。”該負(fù)責(zé)人稱。

       北京貝塔伏特公司稱，已經(jīng)與中國(guó)專業(yè)核研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)進(jìn)行溝通，計(jì)劃繼續(xù)研究采用鍶90、钷147和氘等同位素，研制更高功率、使用壽命為2-30年的原子能電池。