微型核电池

核电池原理简介

　　“核电池”也被叫做“原子能电池”或“放射性同位素温差发电器”。是由一些性能优异的半导体材料，如碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等，把许多材料串联起来组成。另外还得有一个合适的热源和换能器，在热源和换能器之间形成温差才可发电。

　　核电池的热源是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式，向外放出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量有两个令人喜爱的特点。一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此，核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而着称。另一个特点是蜕变时间很长，这决定了核电池可长期使用。核电池采用的放射性同位素来主要有锶－90（Sr－90，半衰期为28年）、钚－238（Pu－238，半衰期89.6年）、钋－210（Po-210半衰期为138.4天）等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。

　　核电池的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器，它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差，从而发电。它的优点是可以做得很小，只是效率颇低，目前热利用率只有10％～20％，大部分热能被浪费掉。 　　在外形上，核电池虽有多种形状，但最外部分都由合金制成，起保护电池和散热的作用；次外层是辐射屏蔽层，防止辐射线泄漏出来；第三层就是换能器了，在这里热能被转换成电能；是电池的心脏部分，放射性同位素原子在这里不断地发生蜕变并放出热量。

探索

　　物理学家理查德·菲利普·费曼（Richard P. Feynman）在其1959年美国物理协会上着名的讲演中曾经宣称“未来将出现一个小得惊人的世界。”当时他展望了使我们能够制造微米和纳米级机器的物理学定律，并且预言总有一天我们能在针头上书写下全套大英百科全书。由于微电子技术日益精深的发展使费曼的远见正在开始成为现实。现在，微米和纳米级的器件被应用于各种各样的电子设备中，形成了一个几十亿美元的大市场。在这些正蓬勃发展的革命性应用中，包括能在指甲盖大小的器件里存储数百GB信息的高密度存储器、用于增强型显示器和光通信设备的微镜，以及能使手机变得更小并大大改善通话质量的高选择性射频滤波器。

　　但还是老问题，在非常小的尺寸里，化学电池不能提供足够的电能来驱动上述这些微型器件。随着化学电池尺寸缩小，其储存的能量将急剧下降。把一个立方体电池的边长缩小10倍，其体积将缩小1000倍，从而储存的能量会缩小1000倍。这样，虽然研究人员可以研制出砂粒大小的传感器，却无法使与之相配的电池小于衬衫纽扣。

　　在寻求提高微型发电能力的过程中，若干研究机构把注意力转向人们熟知的能源，例如氢与碳氢化合物燃料，其中包括丙烷、甲烷、汽油以及柴油等。还有一些机构正在研发微型燃料电池。这类电池和普通的燃料电池一样，也是通过消耗氢气来产生电能。此外，另有一些研究机构则正在开发“（芯）片上内燃机”，通过燃烧类似汽油那样的燃料来驱动一台微型发电机。

　　在上述这些研究中面临3个主要挑战。首先是上述燃料的能量密度还是相对较低，仅是的锂电池的5~10倍；其次是补充燃料和排除废弃物等问题；，由于需要封装液体燃料，因此很难大幅度地减少燃料电池和发电机的体积。

　　我们正在研究的核微型电池则不需要补充燃料或者充电，可以一直工作到放射性材料本身的半衰期，此时电能的输出将降低一半。虽然目前从核能转化为电能的效率还不高（我们有一个原型电池的能量转化效率大约为4%），然而放射性材料超高的能量密度使得这些核微型电池可以产生相当多的电能。

　　例如，使用10mg的钋-210（体积约为1mm3），一个核微型电池可以产生50mW的功率，持续时间超过4个月（钋-210的半衰期是138天）。这样的功率能够保证一个简单的微处理器和一组传感器在此期间连续工作。

　　此外，能量转化效率也不会停滞在4%的水平。从2004年7月，我们已经开始了把这个效率提升至20%的研究。我们参与了美国国防部国防研究计划局（DARPA）的一个新科研项目，该项目称为“放射性同位素微能源（Radio Isotope Micro-power Sources）”，提高能量转化效率就是这个项目的一部分。

　　空间研究机构，像美国的国家航空航天局（NASA）很久以前就已认识到放射性材料在发电方面的巨大潜力。NASA早在从20世纪60年代开始的一系列太空任务中，例如旅行者号探测器（Voyager）和不久前发射的，目前正在环绕土星轨道上运行的卡西尼探测器（Cassini），采用了放射性同位素热电子发电机（Radioisotope Thermoelectric Generators，RTG）。这些空间探测器离太阳太远，因此无法使用太阳能电池阵列供电。

　　RTG通过热电效应（亦称赛贝克-Seebeck-效应）将热能转化成电能。所谓赛贝克效应是指当加热一根金属棒（由两种金属或半导体材料对接而成-译者注）的一端时，受热端的电子就获得了较多的动能流向另一端，在该金属棒的两端产生电压。NASA使用的RTG多数像洗衣机大小，利用钚-238的高能射线产生巨大的热能。

　　但RTG无法大幅度降低尺寸。对于MEMS这样的微型设备，其表面积与其体积之比非常大。很大的相对表面积使得热量损失问题难以解决，而要维持RTG的正常工作，就必须保一定的温度。因此我们不得不寻找其他办法来把核能转化为电能。

　　2003年初，我们开发了一种微型电池，可以把放射性物质发射的高能粒子直接转化成电流。在这种电池里面，把少量的镍-63放在普通的硅p-n结（基本上就是一个二极管）附近。镍-63衰变时会发射β粒子。β粒子是一种从放射性同位素不稳定的原子核里自发的发射出来的高能电子。在电池中，β粒子使二极管的原子电离，产生电子-空穴对。这些电子和空穴被分割在p-n结界面的两边。这些被分离的电子和空穴向离开p-n结的方向流动，形成了电流。

　　在上述应用中采用镍-63非常理想，因为它发射的β粒子在蜕变之前最多在硅材料中能行进21μm。如果某种粒子具有更大的动能，那么它的行进距离将更长，这样就会辐射到电池外面。在我们制作的核电池中，每毫居里的镍-63能产生3毫微（10-9）瓦的功率。虽然功率不大，但是已经可以为其他机构正在研发的环境传感器和战场传感器上所使用的纳米存储器和简单的微处理器供电。

同位素选择

　　微型核电池的最重要的方面是对放射性同位素的选择, 主要是基于辐射类型, 安全性、能量、相对比放射性、价格和半衰期。使用放射性同位素最重要的考虑因素始终是安全性。Gamma射线具有很强的穿透能力, 需要相当大的外部屏蔽装置以减小放射剂量比。Alpha粒子可以用于在半导体产生电子一空穴对, 但是它们会引起严重的晶格缺陷。纯的Beta射线发生器是微型核电池的选择。表1给出了我们研究中考虑用于微型核电池的纯Beta放射源。镍-63具有超过100年的放射期, 在我们的研究中作为。从镍-63发射出的粒子或电子, 具有淤的平均能量和的能量, 这低于引起硅晶体结构性损伤的200~250KeV闽值能量。另一方面, 运动能量67KeV的电子无法穿透人类皮肤的外层, 这保证了操作者的安全。

前景展望

　　核微型电池的未来发展取决于以下几个方面的因素：安全、能源转换效率和成本。如果我们可以把电池中放射性材料数量维持在足够低的水平，从而使其发出的辐射足够少，那末仅仅电池的简单包装就能够将其阻挡而保证安全。同时，我们还必须找到各种途径，进一步提高核微型电池提供的能量，特别是在转化效率方面，已经开始朝着我们的既定目标——20%前进。一种可能的改进途径是一个挨一个地水平放置多个硅片悬臂，通过增加悬臂的数量来提高核电池的能量。实际上，我们已经研发了一个包括100万个硅片悬臂的阵列，其大小和一张邮票相仿，还可以继续把这些阵列堆叠起来，组成一个更大的集成系统。

　　另一个主要挑战是：如何使放射性同位素电源价格低廉，而且易于与电子器件集成。例如，在我们的实验系统中，曾使用了1毫居里的镍-63，其成本为25美元，这对于大规模生产的电子设备来说太昂贵了。可能的比较便宜的替代物是同位素氚，它是某些核反应堆工作时大量产生的副产品。就一个核微型电池所需要氚的量来说，也许只需花费几美分。一旦克服了上述挑战，核微型电池将很快应用在手机和PDA等手持设备中。就像前面提到的那样，核电池还可以为传统电池供电。我们研发的单层悬臂硅片系统能产生100mW的峰值脉冲，因此，如果采用多个硅片悬臂系统，而且利用几个小时内的脉冲能量，核微型电池完全可以用来给手持设备的电池充电。

　　而这种充电电流能在多大程度上延长设备的运行时间取决于许多因素。对于一台每天需要使用数小时的手机或者一台耗电量很高的PDA来说，核电池并不会起多少作用。但是，如果一台手机一天只用两三次、每次几分钟的话，改进就明显了，可能会从每周需要给手机充一次电改进到每月充一次电。对于主要用来查看日程安排和电话号码的简单的PDA，只要核材料还有放射性，就能一直给电池充电。

　　核微型电池并不是要取代化学电池，但是它们将给各种各样从纳米机器人到无线传感器等微小器件和装置供电。费曼所说的“小得惊人的世界”正等待着核微型电池的光临。核微电池从一小块放射性物质产生能量，也许可以为将来奇妙的微机电装置提供能源，甚至为你的手机供电。