核电池设计。 （图片来源：V. Bormashov et al./Diamond and Related Materials）
导读：来自莫斯科物理与技术研究所（MIPT）、超硬和新型碳材料技术研究所（TISNCM）以及国立科学和技术大学MISIS的科学家们已经升级了一个核电池的设计，该新型核电池可以从放射性同位素镍-63的β衰变中产生能量。
由俄罗斯研究人员开发的创新型电池原型能够提供近3300mWh/g的能量，与其他任何基于镍-63设计的核电池相比，这种新型电池的能量密度要高出很多，并且更重要的是，它拥有着比已经商业化的化学电池高出10倍的能量密度。 Diamond and Related Materials杂志报道了他们的这项研究。
传统电池
众所周知，目前为玩具、手电筒、钟和其他紧凑型自主电气设备供电的普通电池，仍然使用基于氧化还原反应提供的能量。电子通过电解质从一个电极到另一个电极转移，这种转移方式导致了两个电极之间的电位差，进而产生电压。
在通过导体连接电池两端时，电子的流动开始消除了电位差，并由此产生电流。 传统的一次电池，也称为原电池，具有较高的功率密度。
但是，一次化学电池往往在相对较短的时间内集中放电，这限制了它们在更多设备中的使用。 尽管这些电池中的一些（例如蓄电池）是可充电的，但它们必须经常更换以进行充电。这种行为可能是有风险的，特别是应用于一些特殊设备下的电池，例如心脏起搏器或者航空航天器，将无法随意的更换。
核电池的发展历史
幸运的是，化学反应只是许多可能的电流来源之一。 1913年，Henry Moseley率先发明了一种基于放射性衰变的发电机。 在他的核电池中，位于隔离电极中心的镭射发射器被放置在内部镀银的玻璃球体中。
由于镭的β衰变而发射的电子导致中心电极和银膜之间的电位差。 然而，该器件的空载电压非常高，大约为几十千伏，而实际应用中的电流则非常低。
1953年，Paul Rappaport推导应用半导体材料将β衰变能转化为电能。 从放射源发射的β粒子，正电子和电子具有电离半导体原子的能力，产生未补偿的电荷载流子。
当静电场存在于p-n结构中时，电荷在单一方向上流动，导致电流的产生。，以β衰变为动力的电池被称为betavoltaics。 与原电池相比，betavoltaics电池的主要优点是其更长的使用寿命：由于核电池中使用的放射性同位素的半衰期为几十年至数百年，因此其功率输出在很长一段时间内几乎可以保持恒定。
然而遗憾的是，与原电池相比，betavoltaics电池的功率密度相当的低。在70年代未考虑功率密度的时候确实在使用betavoltaics电池来为心脏起搏器提供动力。然后当低成本的锂离子电池兴起时，betavoltaics电池逐渐退出市场，尽管锂离子电池寿命较短。
Betavoltaic电源与放射性同位素热电发电机（RTG）不同，后者也称为核电池，但其运行原理比较独特。 在热电电池中，热电偶用于将放射性衰变释放的热量转化为电力。 但是RTG效率有限，并且效率高低取决于温度。
然而，由于它们的寿命较长且设计相对简单，热电电源主要用于驱动航天器，例如 “新视野”号探测器和“好奇号”火星探测器。 此前，RTG被用于无人遥控设施，如自动气象站和灯塔。 随着时间的推移，这种做法逐渐被放弃了，因为最终很难回收使用过的放射性燃料，对环境存在危害。
十倍的能量
由超硬和新型碳材料技术研究所主任（TISNCM）和MIPT纳米结构物理与化学主席Vladimir Blank领导的研究小组最近提出了一种将核电池的功率密度提高近10倍的新方法。
物理学家设计并构建了一种以镍-63作为辐射源和基于金刚石二极管的肖特基势垒进行能量转换的betavoltaic电池。 使用这种原型电池，他们能够实现接近1μW的输出功率，其中每立方厘米的功率密度为10 1μW，这对现代人工起搏器来说是足够的。 由于镍-63的半衰期为100年，电池每克的功率接近3300Mw/h，这是电化学电池功率的10倍。
在核电池原型中，200个金刚石转换器、镍 - 63和稳定的镍箔层交织着。 转换器产生的功率量跟镍箔和转换器本身的厚度紧密相关。
这是因为两者都对吸收的β粒子的数量有影响。 目前，可用的原子核电池原型由于其体积过大而无法升级。 如果β辐射源的厚度非常高，由其发射的电子将不能从中逸出，这种效应被称为自吸收。
然而，当辐射源的厚度减小时，在给定的时间单位内发生β衰变的原子的数量将成比例的最小化。 类似的推理同样适用于转换器的厚度。
第一性计算
该团队的目标是提高镍-67电池的功率密度。 为了实现这一点，他们进行了电子通过β源和转换器的数值模拟。 据观察，当镍-63源的厚度为2μm时，它是非常有效的，并且关键的基于金刚石二极管的肖特基势垒转换器的最佳厚度约为10μm。
制造技术
主要的技术问题是如何制造更多数量的具有复杂内部结构的金刚石转换电池。 并且要保证每个转换器的厚度仅为数十微米，例如超市中的塑料袋。
传统的机械和离子金刚石变薄方法不适合这项任务。 TISNCM和MIPT的科学家们设计出了一种独特的技术，用于在金刚石基材上制造薄金刚石板，并将其分开，从而实现超薄转换器的大规模生产。
研究人员使用20个原子厚的掺硼金刚石晶体板作为基底。 这些晶体板是利用温度梯度法在高压下生长出来的。 采用离子注入技术在700nm左右的深度处在衬底中产生100nm厚的具有缺陷的“损伤”层。
在化学气相沉积法的帮助下，在该层的顶部上形成15μm厚的硼掺杂金刚石膜。 然后，对衬底进行高温退火处理以引发埋入的缺陷层的石墨化并回收顶部金刚石层。
通过电化学蚀刻去除受损层。 一旦通过蚀刻将缺陷层分离，将欧姆和肖特基接触装配在半成品转换器上。在重复上述操作时，衬底厚度的损失聚合到每个周期不超过1μm。 总共有200个转换器在20个基板上生长。 这种创新技术从经济的角度来看具有重要意义，因为高质量金刚石基板的成本非常高，因此通过基板减薄来大规模生产转换器是不可能的。
所有转换器并联在一个堆栈中。 轧制2μm厚镍箔的技术是由研究所和科学工业协会LUCH设计的。 最后他们使用环氧树脂密封电池。
设计的原型电池的短路电流和开路电压分别为1.27μA和1.02V。 在0.92V时，实现了0.93微瓦的最大输出功率。
该输出功率符合约3300mWh/g的特定功率，这比在商业化学电池或在TISNCM设计的早期的镍-63核电池中观察到的功率高出10倍。
2016年，来自MISIS的俄罗斯科学家已经推出了基于镍-63的原型betavoltaic电池。 在TISNCM和LUCH开发并在2017年Atomexpo上展示的另一个工作原型电池的体积为1.5立方厘米。
俄罗斯核电池商业化的主要缺点是缺乏镍-63生产和浓缩设施。 然而，目前他们已经提出计划在2020年前实现工业化生产镍-63。
另一种放射性同位素也可以用于核电池中：放射性碳-14可以用来制造金刚石转换器，因为它具有5700年的极长的半衰期。 布里斯托尔大学的物理学家此前曾报道过对这种发电机的研究。
核电池：前景
这里报告的研究可以在未来的医疗设备中应用。 大多数复杂的心脏起搏器尺寸超过10立方厘米，他们需要大约10微瓦的功率。
这表明可以使用创新的核电池为这些器件供电，而不会对其尺寸和设计进行任何重大改变。 “永久性起搏器”含有不需要维修或更换的电池，可大大提高患者的生活质量。
一般而言，紧凑型核电池也可以证明对太空行业的发展非常有利。 具体而言，需要包括用于航天器的集成电源系统的自主无线外部传感器和存储器芯片。
金刚石是防辐射性最强的半导体材料之一。 由于其较大的带隙，它能够在比较广泛的温度范围内工作，这使其成为航天器动力核电池的理想材料。
该小组建议继续研究小型核电池，研究人员已经认识到应该更广泛的寻求各种有效的研究方法。
首先，通过在辐射源中富集镍-63可以成比例的增加电池功率。其次，通过开发具有可控掺杂分布的金刚石p-i-n结构，可以提升电压，从而使电池的功率输出至少提高三倍。第三，通过增加转换器的表面积可以增加每个转换器中的镍-63原子的数量。
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