潜力巨大的核电池
从为手电筒供电的小型传统碱性电池，到驱动电动汽车的大型锂离子电池，电池有各种形状与尺寸，适用于不同场景。在劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL），工程和材料专家正在研究、开发并原型测试一种三维核电池（3D Nuclear Battery）—— 这种微型、高能量密度的电源尤其适用于偏远环境，如植入式生物医疗设备等低功耗、长时间运行（可持续数十年）的场合。2022年3月劳伦斯实验室特别公开发表了该研究成果《Nuclear Batteries with Potential》。
核电池包含放射性物质，这些物质通过放射性衰变释放出高能的阿尔法粒子或贝塔粒子。器件内的半导体可捕捉并将衰变能量转化为电能。所选用的放射性同位素、半导体材料以及电池类型（阿尔法型或贝塔伏打型）共同决定了电池的整体性能表现。
借助于利弗莫尔实验室在微纳制造、工程、材料科学和核化学方面的创新，研究人员正在探索多种核电池设计方案，涵盖不同的放射性同位素和不同形态（固态、气态、液态）的半导体材料。实验室能源与国土安全项目副经理、电子工程师Rebecca Nikolic指出：“我们正在评估不同的介质，以找出在不同应用中最可靠、最具成本效益的方案。”
成功的支柱
“关于三维低功耗电池的研究起源于十多年前，当时我们借鉴了实验室在国家安全用中子探测器方面的半导体技术，”核工程师Joshua Jarrell解释道。（参见2014年3月《Science & Technology Review》文章《Tiny Silicon Pillars Can Detect Giant Threats》）。该平台采用小型硅柱，将带电粒子的信号传递给电极。研究团队将其集成入一种先进的三维电池原型中：以碳化硅柱为基础，周围包覆钷-147（promethium-147），以捕捉其衰变释放的能量并转化为电力。（参见2017年4/5月《Prolonged Power in Remote Places》）。
对这种电池进行的深入材料表征测试揭示了一些出人意料的行为。“我们使用利弗莫尔的电子束枪对硅和碳化硅二极管在不同能量和粒子通量下进行照射，在不引入放射性同位素的前提下加速材料老化过程，”Jarrell说。结果与预期相反：尽管碳化硅被认为比硅更具抗辐射性能，但在能量超过100千电子伏（keV）时，硅的表现更胜一筹。他总结道：“这些结果说明，对基于钷的贝塔伏打型电池而言，硅可能反而是更理想的半导体材料。”团队也正在评估其他可用于该设计的放射性同位素。Nikolic指出：“虽然我们使用钷开发出了可行的三维电池，但受限于供应链问题和成本上升，我们必须寻找替代方案。”
多种介质，多种可能
利弗莫尔实验室在材料科学方面的研究也包括多晶透明陶瓷的开发——这种材料由化学性质一致的微小晶粒构成。团队提出的一种电池设计采用了创新的固态多晶透明陶瓷光电池。同时，将放射性源从钷更换为发射能量更高的锶-90。
为了防止辐射对半导体光电池造成损害，陶瓷被置于锶-90源和光电池之间，用来吸收高能贝塔粒子并转化为对半导体无害的光子。该结构可采用多层叠加方式，进一步提升能量密度。“这种技术具有很大潜力，因为它在辐射环境下依旧稳定，适用于核电池的关键源种，”Jarrell说。“我们需要考虑许多变量，包括衰变过程中产生的伽马射线。为解决这一难题，我们还在寻找更优的屏蔽材料。”
另一个电池设计则源自利弗莫尔在“稀有事件探测器”方面的研究，如用于首次探测暗物质的探测器——其基本原理是粒子与氙原子相互作用，产生光子与电子，从而记录事件信号。用于三维核电池的版本采用高压氙气，利用阿尔法粒子激发气体产生闪烁信号。Jarrell解释：“阿尔法粒子穿过氙气时，会将能量传递给外层电子壳层，从而产生激发态分子（excimers），这些不稳定、寿命极短的分子在分离时释放出紫外光子。这些光子在气体中多次反射，最终被太阳能电池捕捉并转化为电流。”
通过该阿尔法伏打设计，团队可以在小空间内压缩多个超薄电池结构，从而提高能量密度。“系统必须在真空中运行，以确保氙气的纯度——这是电池性能的关键，因为衰变能量会尝试以任何可能的方式扩散出去，除非被氙捕捉，”Jarrell说。维持极高的气体纯度是一项复杂工程，需要精确控制压力和温度。他补充道：“我们正在研究NASA开发的小型不锈钢真空容器，以便将电池缩小到实际可用的体积。”
液态电池的潜力
2017年，研究团队在含液态硒-碘混合物的电池上取得进展。这种混合物兼具半导体与光伏特性，但极为腐蚀。（参见2017年4/5月《Prolonged Power in Remote Places》）“液态硒-碘混合物简直就像瓷器店里的公牛，”Jarrell打趣道。“硒和碘本身就具腐蚀性，一旦混合、加热并照射，就变得更加恶劣。这几乎是噩梦般的实验环境。若想让这种电池发挥作用，必须保持几十年稳定且无放射性泄漏。”
团队借助实验室在微流控方面的专长，开发出新型封装结构，用以容纳放射性材料和半导体材料。混合物被注入硅芯片上蚀刻出的微腔中，再用化学方法将玻璃层密封于芯片表面。“设计中的一大挑战是制造足够薄的玻璃窗，使阿尔法粒子能够穿透而非被阻挡。这个窗只有几十微米厚，甚至比人类头发丝还细，”Jarrell指出。整个芯片仅几毫米大小，厚度约为一毫米。
这些芯片正在接受性能测试，研究团队正努力通过多芯片堆叠来扩大设计规模。他们也在探索将放射性材料集成到半导体中的其他方法。目前，该工艺需在密封手套箱中完成混合物注入。Jarrell指出：“我们正在研究能否通过电沉积的方式在表面制造密封源，从而免去手套箱的使用。虽然材料本身无法移动，但辐射仍可逸出并产生能量。”团队对这一方向充满信心。“我们最近利用该原型成功生成了少量电能，这是非常重要的一步。”
纳米核能的未来
自2016年起，利弗莫尔实验室已三次与业界、政府及学术机构合作举办专题研讨会，推动3D核电池的技术交流。最近一次于2020年举办，主题为提高能量密度。Jarrell说：“我们希望探索单位体积能产生多少电力。”
除了自研设计外，利弗莫尔团队还与City Labs公司合作，优化一种商业化的氚基贝塔伏打电池。“我们成功提高了对低能贝塔粒子的吸收效率，”Jarrell说。City Labs首席执行官Peter Cabauy补充道：“利弗莫尔作为核技术研究权威，对氚及其使用规范理解深入，是我们宝贵的合作伙伴。与实验室的合作也为我们带来了全新的应用视角和技术路径。”
Cabauy还指出，人们提到“核能”往往联想到《辛普森一家》里的核电厂场景。“但现实大不相同，”他说，“我们讨论的是极其微小、甚至米粒大小的核电池，可持续供电数十年。想象一下，这种米粒般的电池可以植入微型心脏起搏器中，伴随病人终生运行。”这些电池虽小，却蕴藏巨大潜力。
