想象一個不再受限于電池續航能力的未來：智能手機無需再充電，無人機能夠持久飛行，各種人工智能設備、醫療器械和微型機電系統等都能在不間斷的運行中發揮最大效用。

       最近，一家位于北京的初創企業——北京貝塔伏特新能科技有限公司(下稱北京貝塔伏特)宣布，該公司已成功研制出民用微型原子能電池，能50年穩定自發電，無需充電或維護，未來推向市場的產品可以幫助實現以上美好的設想。

       原子能電池是一種物理電池，又稱核電池或放射性同位素電池，是將放射性同位素衰變時釋放能量轉換為電能的一種裝置。

       該公司將推出的首款產品為BV100，功率100微瓦，電壓3V，體積是15x15x5立方毫米，比一枚硬幣還小。

       北京貝塔伏特表示，這是全球首塊即將量產的核電池。從技術層面看，這也標志著中國同時在原子能電池和第四代金剛石半導體兩個高新技術領域取得顛覆性創新，“遙遙領先”歐美科研機構和企業。

       前景看起來很美好，但仍有許多未解之處。這家“橫空出世”的北京貝塔伏特公司是什么來頭？該產品真的具有突破性嗎？安全性如何？早已問世的核電池，為何民用進程遲遲無法推進，又何論顛覆鋰電池？

BV100的部件組成，圖片來源：北京貝塔伏特

       一、核能電池是什么？

       核電池不是什么新鮮事物，已經歷了一個多世紀的發展，并被人們成功應用在了航空航天和醫學等領域。

       由于放射性同位素衰變過程連續不斷且不受環境影響，核電池通常具有穩定可靠、無需人工干預和能量密度高等優勢，且部分放射源半衰期長達幾十年或幾百年，能保證核電池有較長的工作壽命。

       技術最成熟且最早應用核電池種類為放射性同位素溫差發電機(RTG)，已在諸多航空項目中部署，如美國1977年發射的“旅行者1號”航天器就攜帶了將钚-238作為燃料的RTG，助力其成為離地球最遠和飛行速度最快的人造衛星。

       2013年和2018年，中國發射的嫦娥三號、四號月球著陸器上也搭載了RTG同位素電池。

       RTG屬于熱轉換式核電池，是將衰變產生的熱能轉換為電能。但由于RTG體積很大，且造價高昂，應用領域有限，因此科學家開始研制小型RTG和采用其他能量轉換模式的微型核電池，并同時追求更高的轉換效率和安全性。

       二、民用核能電池進展如何？

       非熱轉換式核電池是指將放射性同位素放出的帶電粒子或產生的衰變能直接或間接地轉換成電能，其中輻射伏特效應核電池受到較多關注，隨著半導體材料的發展，被認為具有商業化潛力，通常使用β射線源。

       早在十多年前，美國佛羅里達州City Labs實驗室就成功研發了一種以氚為基料的輻射伏特效應核電池，名為“Nano Tritium”。氚是一種氫同位素，會自發地發生β衰變。

       該電池號稱可以連續工作至少20年而不需要充電，甚至2013年在中國的電商平臺上以6980元的價格出現，標注為“無輻射的民用核電池”。

       City Labs實驗室官網顯示，目前其NanoTritium電池系列產品可以為納米瓦和微瓦設備供電，用于商業或科學用途。每塊電池的基本價格為5250美元起(約合人民幣3.77萬元)，批量訂購提供折扣。

       該公司同時表示，由于核電池當前應用有限，一般普通人沒有理由購買，所以它通常與對該技術感興趣的企業或科學組織打交道。

       此外，英國公司Arkenlight和美國加州的新能源初創公司NDB均聚焦碳-14同位素，通過輻射伏特效應開發鉆石核能電池。

       Arkenlight承認，該電池供電能力有限，無法驅動手機或汽車，但希望可以用于低耗電的高功率設備或傳感器中。該公司計劃2024年將電池產品裝載在設備上。

       NDB則在2020年就宣稱其研制的電池可以收集40％左右的電荷，在不需要充電的情境下，持續使用時間能達到2.8萬年。但截至目前，該公司還未宣布產品的商用。

       無論是Arkenlight還是NDB，它們研制的核能電池，均處于前期開發階段。

       3、北京貝塔伏特是什么來頭？

       據界面新聞了解，北京貝塔伏特成立于2021年4月，注冊地為亦莊經濟開發區。法人是俄羅斯人穆索夫·扎烏爾(MUSOV ZAUR)，中文名張偉，同時擔任該公司董事長兼CEO。

       天眼查APP顯示，1月15日，北京貝塔伏特更新注冊信息顯示，公司注冊資本1億元，實繳資本530萬元。此前，該公司注冊資本為10億元。

       “目前CEO和負責基礎研發的專家都回俄羅斯了，等春節后會有正式面向外界的介紹。”北京貝塔伏特一位不愿具名的負責人對界面新聞表示，具體產品將在此后亮相。

       從北京貝塔伏特申請的專利來看，該公司技術主要來自于俄羅斯的團隊。上述負責人表示，該公司屬于中國內資公司，總部在北京，未來將在莫斯科設立分公司。

       該專利名稱為《一種核電池及其制造方法》，目前處于實質審查狀態。

圖片來源：天眼查

       北京貝塔伏特表示，它既是一家新能源公司，也是一家第四代半導體和超長碳納米管新材料公司。

       “核電池、金剛石半導體和超級電容器，三大技術和材料鏈接與融合，形成了貝塔伏特的核心技術和創新能力。”該公司稱。

       去年11月，四川綿陽市經濟合作局官微“投資綿陽”發布的消息顯示，當月7日，游仙區2023年第四季度項目集中簽約儀式舉行，其中游仙區與北京貝塔伏特公司簽約50億元的創新高科技項目戰略合作協議框架。

圖片來源：北京貝塔伏特官網

       4. 北京貝塔伏特的產品是什么？

       北京貝塔伏特研發的核電池也是一種輻射伏特效應電池，通過放射源鎳-63發射的β粒子(電子)的半導體躍遷產生電流。

       為此，該公司開發了一種單晶金剛石半導體，厚度為10微米，把一個2微米厚的鎳-63薄片放在兩個金剛石半導體轉換器之間，將放射源的衰變能量轉化為電流，形成一個獨立的單元。

       北京貝塔伏特表示，高效率金剛石轉換器是制造核電池的關鍵，該公司電池的核心是第四代金剛石半導體。該公司也是全球目前唯一一個能夠摻雜制作大尺寸金剛石半導體材料的公司。

       “核電池是模塊化的，可以由幾十個或幾百個獨立的單元模塊組成，并可以串并聯使用，因此可以制造不同尺寸和容量功率的電池產品。”該公司稱。

       這與俄羅斯此前公布的技術基本一致。

       2018年，俄羅斯科研團隊制作了包括鎳-63和金剛石能源轉換器的核電池原型，論文發表于《DIAMOND AND RELATED MATERIALS》期刊。

       該團隊的結論是，如果將鎳-63夾在厚度為10微米的金剛石二極管之間，鎳-63層在厚度僅為2微米時最有效。這一核電池原型在0.9V時，實現了約0.93微瓦的最大輸出功率，體積為5x5x3.5立方毫米。

       1微瓦已足夠為心臟起搏器提供動力。

       目前尚不確認，北京貝塔伏特公司與上述俄羅斯科研團隊的關系。

       北京貝塔伏特的BV100，功率為100微瓦，等于萬分之一瓦。作為對比，當前手機在重負載下的典型功耗是8瓦，平時約為5瓦。

       該公司計劃在2025年推出功率為1瓦的電池。如果成功推出，這將是目前功率最大的民用核電池。

       該公司負責人對界面新聞表示，這將通過金剛石半導體尺寸改變，核同位素材料變化和P-N結技術的采用來實現。

       “1瓦的電池絕對不是1萬塊100微瓦的電池疊片在一起，是新技術和新材料的創新組合。”該負責人稱。

       對于北京貝塔伏特推出的核電池，某高校物理學教授向界面新聞表示，放射源管理嚴格，且成本高昂。此外，金剛石半導體工藝復雜，目前國內還沒有N型摻雜工藝的技術突破。

       5、這款產品安全嗎？

       核輻射是核能利用的首要考慮因素，核能電池領域也存在著一定安全風險。例如，钚238除了本身具有放射性外，本身也是劇毒物質。

       1964年，美國發射Transit-5BN-3衛星失敗，在重返大氣層時燃燒美體，其同位素電池中的钚238燃料釋放到大氣中，造成了非常嚴重的污染。

       目前，α和β衰變核素衰變過程中釋放的粒子射程相對較短，輻射較容易阻隔。

       北京貝塔伏特公司表示，該公司開發的原子能電池絕對安全，沒有外部輻射，適合用于人體內的心臟起搏器、人工心臟和耳蝸等醫療設備。同時，在衰變期后，作為放射源的鎳63同位素變成銅的穩定同位素，不具有放射性，對環境不構成任何威脅或污染。

       上述物理學教授表示，單從放射性角度來講，貝塔輻射電池中純β粒子射程非常短，不存在安全性的問題。如果北京貝塔伏特使用鎳-63來制作電池，核電池本身輻射防護的安全性可以保證。

       6、能顛覆鋰電池嗎？

       考慮到鎳-63的半衰期為100年，BV100并非不可能實現50年的使用壽命。

       根據吉林大學李瀟祎、陸景彬等學者2020年12月發表在《原子核物理評論》文章的介紹，β輻射伏特效應核電池的壽命主要取決于兩部分：一是能量損耗情況，由放射源的特性決定，稱為理論壽命；二是輻射損傷情況，由半導體材料及期間的整體特性決定，稱為工作壽命。

       北京貝塔伏特表示，該公司研制的核電池每克約有3300毫瓦時的電力，能量密度是三元鋰電池的10倍以上。

       這引發了核電池將顛覆鋰電池行業的討論。

       上述物理學教授表示，原理上核電池能量密度是可以比鋰電池高出很多倍，但并不代表核能電池能夠在所有領域有效取代鋰電池。此外，鋰電池目前也有很多研究進展，出于安全性和成本等考慮，核電池不太能短期內在民用方面取代鋰電池。

       從歷史上看，由于低性價比和安全性，實際上鋰電池一度取代了核能電池。

       上世紀70年代，有公司將钷147同位素用于心臟起搏器，雖然钷147同位素也屬于β衰變，但過程中會釋放γ射線，需要增加大量成本屏蔽輻射。此外，病人去世后火化也可能出現放射性物質的泄漏問題，于是鋰電池取代核電池應用在這一領域。

       7、量產前景如何？

       除了在技術上的不確定性，上述物理學教授指出，放射源管理嚴格，如需量產獲取渠道會是一個大問題。

       根據中國《放射性同位素與射線裝置安全和防護條例》和《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》，放射源的豁免必須持有備案證明文件，須經過審批。

       從成本來看，鎳-63同位素不存在于自然界，需要通過在核反應堆內照射鎳-62等處理才能獲得。根據《國際核工程》期刊網站的文章 ，1克放射性鎳-63的價格約為4000美元(約合人民幣2.87萬元)。因此，如能實現量產，上述核電池的售價會很高。

       不過，鎳-63放射性較低，生態環境部近年也有給部分企業儀器中鎳-63放射源實行豁免管理的例子。

       面對近期的質疑，該公司負責人對界面新聞表示，手機等快消品不是北京貝塔伏特最近兩三年要服務的市場，要綜合各方面的考慮：一是要看國家法規，標準和產業政策，二是看電池各項性能的進一步突破，三是看成本如何不斷降低。

       “心臟起搏器，微型無人機和微型機電系統也屬于民用領域。”該負責人稱。

       北京貝塔伏特公司稱，已經與中國專業核研究機構和大學進行溝通，計劃繼續研究采用鍶90、钷147和氘等同位素，研制更高功率、使用壽命為2-30年的原子能電池。