微型核電池

1.研究情況

　　微機(jī)電系統(tǒng)和納米技術(shù)的研究在過(guò)去20年取得了巨大的進(jìn)展, 研究者們開(kāi)發(fā)了各種類(lèi)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(gè)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(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向開(kāi)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(jī)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并供給燃料到工作腔中, 或者促成化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能轉(zhuǎn)換。微型鏗電池也在研究當(dāng)中, 但是這類(lèi)電池能量密度低, 壽命短研究熱點(diǎn)之一的還有微型太陽(yáng)能電池陣列, 其缺點(diǎn)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?yàn)?span id="uizwnuy" class='hrefStyle'>核能在許多場(chǎng)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(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究者在美國(guó)能源部的資助下在國(guó)際上首先提出了結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和核能科學(xué)與技術(shù), 開(kāi)展微型核電池或稱(chēng)放射性同位素電池的研究, 隨后在

　　美國(guó)國(guó)防部的資助下, 繼續(xù)在美國(guó)康乃爾大學(xué)開(kāi)展工作。 包括廈門(mén)大學(xué)薩本棟微機(jī)電研究中心在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外許多研究小組也開(kāi)始致力于這項(xiàng)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(zhǎng)期時(shí)間功能的應(yīng)用場(chǎng)合, 如植入式生物醫(yī)療微器件與用于環(huán)境監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的微型核電池。

　　空間研究機(jī)構(gòu)，像美國(guó)的國(guó)家航空航天局（NASA）很久以前就已認(rèn)識(shí)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(kāi)始的一系列太空任務(wù)中，例如旅行者號(hào)探測(cè)器（Voyager）和不久前發(fā)射的，目前正在環(huán)繞土星軌道上運(yùn)行的卡西尼探測(cè)器（Cassini），采用了放射性同位素?zé)犭娮?span id="wswduic" class='hrefStyle'>發(fā)電機(jī)（Radioisotope Thermoelectric Generators，RTG）。這些空間探測(cè)器離太陽(yáng)太遠(yuǎn)，因此無(wú)法使用太陽(yáng)能電池陣列供電。

　　RTG通過(guò)熱電效應(yīng)（亦稱(chēng)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(duì)接而成-譯者注）的一端時(shí)，受熱端的電子就獲得了較多的動(dòng)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(jī)大小，利用钚-238的高能射線產(chǎn)生巨大的熱能。

　　但RTG無(wú)法大幅度降低尺寸。對(duì)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(duì)表面積使得熱量損失問(wèn)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(lái)把核能轉(zhuǎn)化為電能。

　　2003年初，開(kāi)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(gè)二極管）附近。鎳-63衰變時(shí)會(huì)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(lái)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(duì)。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(kāi)p-n結(jié)的方向流動(dòng)，形成了電流。

　　在上述應(yīng)用中采用鎳-63非常理想，因?yàn)樗l(fā)射的β粒子在蛻變之前最多在硅材料中能行進(jìn)21μm。如果某種粒子具有更大的動(dòng)能，那么它的行進(jìn)距離將更長(zhǎng)，這樣就會(huì)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(jī)構(gòu)正在研發(fā)的環(huán)境傳感器和戰(zhàn)場(chǎng)傳感器上所使用的納米存儲(chǔ)器和簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)微型核電池的最重要的方面, 主要是基于輻射類(lèi)型, 安全性、能量、相對(duì)比放射性、價(jià)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(qiáng)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(duì), 但是它們會(huì)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(guò)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(yùn)動(dòng)能量67KeV的電子無(wú)法穿透人類(lèi)皮膚的外層, 這保證了操作者的安全。

　  2）Beta型電池

　　所開(kāi)發(fā)的第一種類(lèi)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(duì)（EHPs）產(chǎn)生的正電荷流動(dòng), 從而形成電勢(shì)差。如圖1所示, 當(dāng)EHPs擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體pn結(jié)的耗盡區(qū), 在pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下,實(shí)現(xiàn)對(duì)電子-空穴對(duì)的分離, 即電子向n區(qū), 空穴向p區(qū)運(yùn)動(dòng), 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(lèi)似, 微型核電池的開(kāi)發(fā)比太陽(yáng)能電池的開(kāi)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(yáng)能電地中的光子通量密度要低。對(duì)于微電池而言, 由于使用了非常低放射強(qiáng)度的同位素, 電子通密度還會(huì)降低。從Beta放射性同位素放射出來(lái)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(huì)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(duì)pn結(jié)器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 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(lái)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(jìn)行下一循環(huán)周期的電荷收集。因此, 實(shí)現(xiàn)了自主往復(fù)式懸臂梁, 或稱(chēng)直接收集型電荷運(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)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(shí)上, 大多數(shù)微機(jī)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(qiáng)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(jì)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(cè)得的開(kāi)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(jī)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(shí)現(xiàn)輸出能達(dá)到毫瓦級(jí)的Beta型微型核電池。

2.由來(lái)

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

　　那么神話是怎么創(chuàng)造出來(lái)的呢?原來(lái)，早些時(shí)候，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放射性物質(zhì)衰變時(shí)，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(lái)，形成電流。后來(lái)科學(xué)家依照這個(gè)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(yáng)能不夠用的探測(cè)衛(wèi)星上，或安裝在發(fā)射到太陽(yáng)系外的無(wú)人飛船上。遺憾的是，因核電池必須裝有一個(gè)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(huì)受損，而為了降低受損程度，核電池就必須做得足夠大。正因?yàn)楹穗姵刈冃『茈y，所以它就很難在小型或微型電子設(shè)備上派上用場(chǎng)，自然也就很難把它做成手機(jī)電池了。

　　情況有了轉(zhuǎn)機(jī)，美國(guó)科學(xué)家想出了為核電池“瘦身”的妙計(jì)，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(diǎn)點(diǎn)，但其電力卻是普通化學(xué)電池的100萬(wàn)倍。

3.問(wèn)世

　　英國(guó)BBC電臺(tái)2009年10月9日?qǐng)?bào)道稱(chēng)，由美國(guó)密蘇里大學(xué)計(jì)算機(jī)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(qiáng)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(guò)利用微型和納米級(jí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出了一種超微型電源設(shè)備，這種設(shè)備通過(guò)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(chēng)，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?yàn)榇笮〉南拗?，在地球上核電池的?yīng)用還很少。大多數(shù)核電池通過(guò)固態(tài)半導(dǎo)體截獲帶電粒子，因?yàn)榱Ｗ拥哪芰糠浅８咚园雽?dǎo)體隨著時(shí)間的推移將受到損傷，為了能讓電池長(zhǎng)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(kāi)始了對(duì)核動(dòng)力電池的研究，至今核電池已經(jīng)運(yùn)用在很多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，但在Jae Kwon和J.David Robertson之前，由于對(duì)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(wú)疑推動(dòng)了核動(dòng)力的普及，說(shuō)不定不久的將來(lái)就會(huì)出現(xiàn)核動(dòng)力筆記本、核動(dòng)力臺(tái)式機(jī)。

4.特點(diǎn)

　　韓國(guó)《朝鮮日?qǐng)?bào)》報(bào)道稱(chēng)，過(guò)去在電池的研發(fā)過(guò)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(wàn)次才能發(fā)出的電力。

　　權(quán)載完教授還實(shí)現(xiàn)了用于電池的芯片的改革。使用核電池時(shí)發(fā)出的放射能可能會(huì)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(wèn)題。權(quán)載完向BBC電臺(tái)表示：“核能可用于心臟搏動(dòng)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(gè)硬幣大小的電池，就可以讓你的手機(jī)不充電使用5000年。

　　美國(guó)密蘇里大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(guò)時(shí)并不會(huì)對(duì)半導(dǎo)體造成損傷，所以他們得以進(jìn)一步小型化電池。負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的Jae博士稱(chēng)，雖然人們總是聞“核”色變，但實(shí)際上核動(dòng)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(xiàng)目上.

5.應(yīng)用展望

　　科學(xué)家認(rèn)為，在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，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(shuō)用于分析血樣的微型電子儀里。因核電池提供電能的時(shí)間非常長(zhǎng)，到那時(shí)，只需要一個(gè)硬幣大小的電池，就可以讓我們的手機(jī)5000年不用充電。另外，像正在流行的電動(dòng)車(chē)的電池，也有望實(shí)現(xiàn)讓人至少一輩子不用充電的夢(mèng)想。至于核電池是否會(huì)出現(xiàn)核污染問(wèn)題，科學(xué)家指出，這個(gè)問(wèn)題早在發(fā)明它的時(shí)候就同時(shí)解決了，人們不必為此擔(dān)憂。