微型核電池

1.研究情況

　　微機電系統(tǒng)和納米技術(shù)的研究在過去20年取得了巨大的進展, 研究者們開發(fā)了各種類型的微米和納米尺度的器件。然而, 能量供給裝置很難微小型化到相應(yīng)尺度傳統(tǒng)的電池或能量供給裝置仍然用于微米和納米器件, 這導(dǎo)致了整個系統(tǒng)體積增大、頻繁充電或電池單元組布置的困難因此, 研究者們自20世紀(jì)90年代起開始將目光轉(zhuǎn)向開發(fā)各種微型電池的技術(shù)上。其中, 基于渦輪燃燒的微型能量產(chǎn)生裝置和微型燃料電池的目標(biāo)是將機械能、熱能和化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。這些技術(shù)都需要外部的微流體結(jié)構(gòu)和外部能源驅(qū)動發(fā)動機并供給燃料到工作腔中, 或者促成化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)能轉(zhuǎn)換。微型鏗電池也在研究當(dāng)中, 但是這類電池能量密度低, 壽命短研究熱點之一的還有微型太陽能電池陣列, 其缺點在于需要光作為原始能源。放射能可以在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療服務(wù)等許多不同的領(lǐng)域可以得到應(yīng)用, 能量產(chǎn)生是其最重要的應(yīng)用領(lǐng)域這是因為核能在許多場合都是比常規(guī)能量產(chǎn)生形式更高效的能量產(chǎn)生方法。

　　1999年美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究者在美國能源部的資助下在國際上首先提出了結(jié)合微機電系統(tǒng)技術(shù)和核能科學(xué)與技術(shù), 開展微型核電池或稱放射性同位素電池的研究, 隨后在

　　美國國防部的資助下, 繼續(xù)在美國康乃爾大學(xué)開展工作。 包括廈門大學(xué)薩本棟微機電研究中心在內(nèi)的國內(nèi)外許多研究小組也開始致力于這項研究當(dāng)中。與其他技術(shù)相比, 微型核電池在許多領(lǐng)域具有應(yīng)用前景, 特別是在需要長期時間功能的應(yīng)用場合, 如植入式生物醫(yī)療微器件與用于環(huán)境監(jiān)測的微型傳感器或傳感器網(wǎng)絡(luò)放射性同位素的能量密度比化石或化學(xué)燃料的能量密度高了一倍, 并且若選擇合適的放射性同位素, 可以實現(xiàn)長壽命的微型核電池。

　　空間研究機構(gòu)，像美國的國家航空航天局（NASA）很久以前就已認(rèn)識到放射性材料在發(fā)電方面的巨大潛力。NASA早在從20世紀(jì)60年代開始的一系列太空任務(wù)中，例如旅行者號探測器（Voyager）和不久前發(fā)射的，目前正在環(huán)繞土星軌道上運行的卡西尼探測器（Cassini），采用了放射性同位素?zé)犭娮?span id="ibyqnfs" class='hrefStyle'>發(fā)電機（Radioisotope Thermoelectric Generators，RTG）。這些空間探測器離太陽太遠(yuǎn)，因此無法使用太陽能電池陣列供電。

　　RTG通過熱電效應(yīng)（亦稱賽貝克-Seebeck-效應(yīng)）將熱能轉(zhuǎn)化成電能。所謂賽貝克效應(yīng)是指當(dāng)加熱一根金屬棒（由兩種金屬或半導(dǎo)體材料對接而成-譯者注）的一端時，受熱端的電子就獲得了較多的動能流向另一端，在該金屬棒的兩端產(chǎn)生電壓。NASA使用的RTG多數(shù)像洗衣機大小，利用钚-238的高能射線產(chǎn)生巨大的熱能。

　　但RTG無法大幅度降低尺寸。對于MEMS這樣的微型設(shè)備，其表面積和其體積之比非常大。很大的相對表面積使得熱量損失問題難以解決，而要維持RTG的正常工作，就必須保一定的溫度。因此我們不得不尋找其他辦法來把核能轉(zhuǎn)化為電能。

　　2003年初，開發(fā)了一種微型電池，可以把放射性物質(zhì)發(fā)射的高能粒子直接轉(zhuǎn)化成電流。在這種電池里面，把少量的鎳-63放在普通的硅p-n結(jié)（基本上就是一個二極管）附近。鎳-63衰變時會發(fā)射β粒子。β粒子是一種從放射性同位素不穩(wěn)定的原子核里自發(fā)的發(fā)射出來的高能電子。在電池中，β粒子使二極管的原子電離，產(chǎn)生電子-空穴對。這些電子和空穴被分割在p-n結(jié)界面的兩邊。這些被分離的電子和空穴向離開p-n結(jié)的方向流動，形成了電流。

　　在上述應(yīng)用中采用鎳-63非常理想，因為它發(fā)射的β粒子在蛻變之前最多在硅材料中能行進21μm。如果某種粒子具有更大的動能，那么它的行進距離將更長，這樣就會輻射到電池外面。在我們制作的核電池中，每毫居里的鎳-63能產(chǎn)生3毫微（10-9）瓦的功率。雖然功率不大，但是已經(jīng)可以為其他機構(gòu)正在研發(fā)的環(huán)境傳感器和戰(zhàn)場傳感器上所使用的納米存儲器和簡單的微處理器供電。

　 1）放射性同位素

　　放射性同位素的選擇是實現(xiàn)微型核電池的最重要的方面, 主要是基于輻射類型, 安全性、能量、相對比放射性、價格和半衰期。使用放射性同位素最重要的考慮因素始終是安全性。Gamma射線（伽馬射線）具有很強的穿透能力, 需要相當(dāng)大的外部屏蔽裝置以減小放射劑量比。Alpha（阿爾法）粒子可以用于在半導(dǎo)體產(chǎn)生電子一空穴對, 但是它們會引起嚴(yán)重的晶格缺陷。純的Beta射線發(fā)生器是微型核電池的最佳選擇。表1給出了我們研究中考慮用于微型核電池的純Beta放射源。鎳-63具有超過100年的放射期, 在我們的研究中作為首選。從鎳-63發(fā)射出的粒子或電子, 具有淤的平均能量和的最高能量, 這低于引起硅晶體結(jié)構(gòu)永久性損傷的200~250KeV閩值能量。另一方面, 最高運動能量67KeV的電子無法穿透人類皮膚的外層, 這保證了操作者的安全。

　  2）Beta型電池

　　所開發(fā)的第一種類型的微型核電池是基于Beta輻生伏打效應(yīng), 即由于電子空穴對（EHPs）產(chǎn)生的正電荷流動, 從而形成電勢差。如圖1所示, 當(dāng)EHPs擴散進入半導(dǎo)體pn結(jié)的耗盡區(qū), 在pn結(jié)內(nèi)建電場的作用下,實現(xiàn)對電子-空穴對的分離, 即電子向n區(qū), 空穴向p區(qū)運動, 產(chǎn)生電流輸出。

　　雖然輻生伏打效應(yīng)與光生伏打效應(yīng)類似, 微型核電池的開發(fā)比太陽能電池的開發(fā)要困難得多。主要原因在于核電池中的電子通量密度比太陽能電地中的光子通量密度要低。對于微電池而言, 由于使用了非常低放射強度的同位素, 電子通密度還會降低。從Beta放射性同位素放射出來的電子的能分布通常真有很寬的頻譜范圍。帶有不同能的電子會停留在半導(dǎo)體pn結(jié)器件不同深度的位里。因此, 產(chǎn)生的EHPs的空間分布是不同的。為了獲得更高的能量輸出, 需要對pn結(jié)器件進行優(yōu)化設(shè)計, 并采取微制造工藝達(dá)到盡可能將EHPs收集到耗盡層的目的。

　　3）自主往復(fù)式

　　傳統(tǒng)核電池的一種工作方式是利用電容器收集輻射電荷。在我們的研究中, 彈性變形的銅懸臂梁放于距離鎳石放射源一段間隔的位置, 當(dāng)懸仲梁

　　收集了來自放射源的帶電荷粒子后, 鎳-63剩余負(fù)電荷因此, 產(chǎn)生了靜電力, 將懸臂梁吸引向放射源當(dāng)懸胃梁接觸到放射源, 懸臂梁放電從而回到初始位里, 再次進行下一循環(huán)周期的電荷收集。因此, 實現(xiàn)了自主往復(fù)式懸臂梁, 或稱直接收集型電荷運動轉(zhuǎn)換裝置。圖4給出了自主往復(fù)式懸臂梁的等效電路使用一個電流源模擬放射性同位素源, 懸臂梁與放射源之間的間隙表示成時變電容器。寄生電阻用于表示收集電荷的泄漏通道。

　 4）钷-147電池

　　事實上, 大多數(shù)微機電和納米器件, 與低耗能電子器件, 所消耗的能量在毫瓦范圍內(nèi)。為了增加微型核電池的能物出, 如果允許, 應(yīng)該選擇高能量放射器具有更高的放射強度雖然樞放射性同位素的半衰期只有2.6年, 但其平均能為62KeV, 最高能量為250KeV, 這在硅基pn結(jié)器件中是允許的。如圖5所示,設(shè)計并制作了應(yīng)用-钷147放射性同位素作為原始能源的Beta型微型電池。作為電池的平面pn結(jié)器件的10mm*100mm面積為, 并且使用了約200mCi的鉅-147。測得的開環(huán)電壓0.29V, 短路電流為0.033mA。最大輸出能量為5.7uW。下一步的工作是應(yīng)用堆盛或芯片陣列連接的方法提高微型電池的輸出電壓。

　　兩種應(yīng)用于微機電系統(tǒng)和納米器件的微型核電池, 并給出了利用钷-147放射性同位素實現(xiàn)輸出能達(dá)到毫瓦級的Beta型微型核電池。

2.由來

　　生活中，你肯定在為你的手機電量是否充足、是否要馬上充電等問題而操心勞神，所以，如果給你一塊幾個月都不需要充電的電池，你馬上會高興起來，如果給你一塊你一輩子都不用充電的電池，你會不會驚訝萬分?如果給你一塊幾百代人都不用充電的電池，你會不會覺得這是神話?告訴你，美國科學(xué)家眼下就創(chuàng)造出了這個神話。

　　那么神話是怎么創(chuàng)造出來的呢?原來，早些時候，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放射性物質(zhì)衰變時，就能夠釋放出帶電粒子，如果采取一定特殊的辦法，就能夠把帶電粒子馴服歸攏起來，形成電流。后來科學(xué)家依照這個發(fā)現(xiàn)和放電原理，發(fā)明了大型的核電池，用于工業(yè)和航天業(yè)。如在航天領(lǐng)域，可把核電池安裝在太陽能不夠用的探測衛(wèi)星上，或安裝在發(fā)射到太陽系外的無人飛船上。遺憾的是，因核電池必須裝有一個收集帶電粒子的固體半導(dǎo)體，但由于輻射的作用，固體半導(dǎo)體很快就會受損，而為了降低受損程度，核電池就必須做得足夠大。正因為核電池變小很難，所以它就很難在小型或微型電子設(shè)備上派上用場，自然也就很難把它做成手機電池了。

　　情況有了轉(zhuǎn)機，美國科學(xué)家想出了為核電池“瘦身”的妙計，他們把核電池內(nèi)易受損的固體半導(dǎo)體換成了不易受損的液體半導(dǎo)體，這樣不但能完成收集帶電粒子的使命，而且還可以大幅度“瘦身”，真可謂是一舉兩得。按照新思路研發(fā)出的圓形核電池直徑有1.95厘米，厚才1.55毫米，僅僅比1美分硬幣大一點點，但其電力卻是普通化學(xué)電池的100萬倍。

3.問世

　　英國BBC電臺2009年10月9日報道稱，由美國密蘇里大學(xué)計算機工程系教授權(quán)載完(音)率領(lǐng)的研究組研發(fā)出了體積小但電力強的“核電池(nuclear battery)”。該研究成果被刊登在最新一期的《應(yīng)用物理雜志》等科學(xué)雜志。

　　據(jù)悉，他們通過利用微型和納米級系統(tǒng)開發(fā)出了一種超微型電源設(shè)備，這種設(shè)備通過放射性物質(zhì)的衰變，釋放出帶電粒子，從而獲得持續(xù)電流。

　　該研究小組稱，雖然在很久之前核電池就已經(jīng)應(yīng)用在航天領(lǐng)域，但是在因為大小的限制，在地球上核電池的應(yīng)用還很少。大多數(shù)核電池通過固態(tài)半導(dǎo)體截獲帶電粒子，因為粒子的能量非常高所以半導(dǎo)體隨著時間的推移將受到損傷，為了能讓電池長期使用，核電池被制造的非常大。

　　早在2005年已經(jīng)有研究人員開始了對核動力電池的研究，至今核電池已經(jīng)運用在很多專業(yè)領(lǐng)域，但在Jae Kwon和J.David Robertson之前，由于對核能的忌憚，核電池一直被認(rèn)為不適合民間使用。此次微型核電池的成功研制，無疑推動了核動力的普及，說不定不久的將來就會出現(xiàn)核動力筆記本、核動力臺式機。

4.特點

　　韓國《朝鮮日報》報道稱，過去在電池的研發(fā)過程中面臨的重大難關(guān)之一，就是為了提高性能，電池大小往往比產(chǎn)品本身還大。但權(quán)載完教授組研發(fā)出的核電池只是略大于1美分硬幣(直徑1.95厘米，厚1.55毫米)，卻可以發(fā)出普通化學(xué)電池需充電100萬次才能發(fā)出的電力。

　　權(quán)載完教授還實現(xiàn)了用于電池的芯片的改革。使用核電池時發(fā)出的放射能可能會損壞電池內(nèi)部的固體芯片結(jié)構(gòu)，但權(quán)載完利用液體芯片，最大限度地克服了這一問題。權(quán)載完向BBC電臺表示：“核能可用于心臟搏動調(diào)節(jié)裝置或人造衛(wèi)星等，已經(jīng)可以安全地用于人們的生活。”

　　只需要一個硬幣大小的電池，就可以讓你的手機不充電使用5000年。

　　美國密蘇里大學(xué)研發(fā)團隊開發(fā)出的微型“核電池”使用某種液態(tài)半導(dǎo)體，在帶電粒子通過時并不會對半導(dǎo)體造成損傷，所以他們得以進一步小型化電池。負(fù)責(zé)該項目的Jae博士稱，雖然人們總是聞“核”色變，但實際上核動力能源早就被應(yīng)用在例如心臟起搏器、太空衛(wèi)星和海底設(shè)備等多種安全供電項目上.

5.應(yīng)用展望

　　科學(xué)家認(rèn)為，在遙遠(yuǎn)的未來，微型核電池將被廣泛使用到小型和微型電子系統(tǒng)，比如說用于分析血樣的微型電子儀里。因核電池提供電能的時間非常長，到那時，只需要一個硬幣大小的電池，就可以讓我們的手機5000年不用充電。另外，像正在流行的電動車的電池，也有望實現(xiàn)讓人至少一輩子不用充電的夢想。至于核電池是否會出現(xiàn)核污染問題，科學(xué)家指出，這個問題早在發(fā)明它的時候就同時解決了，人們不必為此擔(dān)憂。