微型�電池是指利用放射性同位素物質(zhì)衰變會釋放出帶電離子原理所制成的體積很小的電池。原理是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�(shè)備,這種�(shè)備通過放射性物�(zhì)的衰�,釋放出帶電粒子,從而獲得持�(xù)電流,微�核電�的特點是體積�,電量超��
“核電池”也被叫做“原子能電池”或“放射性同位素溫差�(fā)電器�。是由一些性能�(yōu)異的半導(dǎo)體材�,如碲化�、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等,把許多材料串聯(lián)起來組成。另外還得有一個合適的熱源和換能器,在熱源和換能器之間形成溫差才可�(fā)電�
核電池的熱源是放射性同位素。它們在蛻變過程中會不斷以具有熱能的射線的形式,向外放出比一般物�(zhì)大得多的能量。這種很大的能量有兩個令人喜愛的特點。一是蛻變時放出的能量大小、速度,不受外界環(huán)境中的溫度、化�(xué)反應(yīng)、壓�、電磁場的影�,因�,核電池以抗干擾性強和工作準確可靠而著�。另一個特點是蛻變時間很長,這決定了核電池可長期使用。核電池采用的放射性同位素來主要有鍶-90(Sr�90,半衰期�28年)、钚�238(Pu�238,半衰期89.6年)、釙�210(Po-210半衰期為138.4天)等長半衰期的同位�。將它制成圓柱形電池。燃料放在電池中�,周圍用熱電元件包覆,放射性同位素�(fā)射高能量的α射線,在熱電元件中將熱量轉(zhuǎn)化成電流�
核電池的核心是換能器。目前常用的換能器叫靜態(tài)熱電換能�,它利用熱電偶的原理在不同的金屬中產(chǎn)生電位差,從而發(fā)�。它的優(yōu)點是可以做得很小,只是效率頗�,目前熱利用率只�10%~20%,大部分熱能被浪費�� 在外形上,核電池雖有多種形狀,但最外部分都由合金制�,起保護電池和散熱的作用;次外層是輻射屏蔽層,防止輻射線泄漏出來;第三層就是換能器了,在這里熱能被轉(zhuǎn)換成電能;是電池的心臟部�,放射性同位素原子在這里不斷地發(fā)生蛻變并放出熱量�
物理�(xué)家理查德·菲利普·費曼(Richard P. Feynman)在�1959年美國物理協(xié)會上著名的講演中曾經(jīng)宣稱“未來將出現(xiàn)一個小得驚人的世界。”當時他展望了使我們能夠制造微米和納米級機器的物理�(xué)定律,并且預(yù)言總有一天我們能在針頭上書寫下全套大英百科全�。由于微電子技�(shù)日益精深的發(fā)展使費曼的遠見正在開始成為現(xiàn)�?,F(xiàn)�,微米和納米級的器件被應(yīng)用于各種各樣的電子設(shè)備中,形成了一個幾十億美元的大市場。在這些正蓬勃發(fā)展的革命性應(yīng)用中,包括能在指甲蓋大小的器件里存儲�(shù)百GB信息的高密度存儲�、用于增強型顯示器和光通信�(shè)備的微鏡,以及能使手機變得更小并大大改善通話�(zhì)量的高選擇性射頻濾波器�
但還是老問題,在非常小的尺寸里,化�(xué)電池不能提供足夠的電能來�(qū)動上述這些微型器件。隨著化�(xué)電池尺寸縮小,其儲存的能量將急劇下降。把一個立方體電池的邊長縮�10倍,其體積將縮小1000�,從而儲存的能量會縮�1000倍。這樣,雖然研究人員可以研制出砂粒大小的傳感器,卻無法使與之相配的電池小于襯衫紐扣�
在尋求提高微型發(fā)電能力的過程�,若干研究機�(gòu)把注意力�(zhuǎn)向人們熟知的能源,例如氫與碳氫化合物燃料,其中包括丙�、甲烷、汽油以及柴油等。還有一些機�(gòu)正在研發(fā)微型燃料電池。這類電池和普通的燃料電池一�,也是通過消耗氫氣來�(chǎn)生電�。此外,另有一些研究機�(gòu)則正在開�(fā)“(芯)片上�(nèi)燃機�,通過燃燒類似汽油那樣的燃料來�(qū)動一臺微型發(fā)電機�
在上述這些研究中面�3個主要挑�(zhàn)。首先是上述燃料的能量密度還是相對較�,僅是的鋰電池的5~10倍;其次是補充燃料和排除廢棄物等問題�,由于需要封裝液體燃�,因此很難大幅度地減少燃料電池和�(fā)電機的體積�
我們正在研究的核微型電池則不需要補充燃料或者充電,可以一直工作到放射性材料本身的半衰�,此時電能的輸出將降低一�。雖然目前從核能�(zhuǎn)化為電能的效率還不高(我們有一個原型電池的能量�(zhuǎn)化效率大約為4%),然而放射性材料超高的能量密度使得這些核微型電池可以產(chǎn)生相當多的電��
例如,使�10mg的釙-210(體積約�1mm3�,一個核微型電池可以�(chǎn)�50mW的功�,持�(xù)時間超過4個月(釙-210的半衰期�138天)。這樣的功率能夠保證一個簡單的微處理器和一組傳感器在此期間連續(xù)工作�
此外,能量轉(zhuǎn)化效率也不會停滯�4%的水平。從2004�7�,我們已�(jīng)開始了把這個效率提升至20%的研究。我們參與了美國國防部國防研究計劃局(DARPA)的一個新科研項目,該項目稱為“放射性同位素微能源(Radio Isotope Micro-power Sources)�,提高能量轉(zhuǎn)化效率就是這個項目的一部分�
空間研究機構(gòu),像美國的國家航空航天局(NASA)很久以前就已認識到放射性材料在�(fā)電方面的巨大潛力。NASA早在�20世紀60年代開始的一系列太空任務(wù)�,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)犭娮影l(fā)電機(Radioisotope Thermoelectric Generators,RTG�。這些空間探測器離太陽太遠,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�(zhuǎn)化成電能。所謂賽貝克效應(yīng)是指當加熱一根金屬棒(由兩種金屬或半�(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�,在該金屬棒的兩端產(chǎn)生電�。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�。對于MEMS這樣的微型設(shè)�,其表面積與其體積之比非常大。很大的相對表面積使得熱量損失問題難以解�,而要維持RTG的正常工�,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�(zhuǎn)化為電能�
2003年初,我們開�(fā)了一種微型電池,可以把放射性物�(zhì)�(fā)射的高能粒子直接�(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�(jié)(基本上就是一個二極管)附�。鎳-63衰變時會�(fā)射β粒�。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�,β粒子使二極管的原子電離,產(chǎn)生電�-空穴�。這些電子和空穴被分割在p-n�(jié)界面的兩�。這些被分離的電子和空穴向離開p-n�(jié)的方向流�,形成了電流�
在上述應(yīng)用中采用�-63非常理想,因為它�(fā)射的β粒子在蛻變之前最多在硅材料中能行�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靀在我們制作的核電池中,每毫居里的�-63能產(chǎn)�3毫微�10-9)瓦的功�。雖然功率不大,但是已經(jīng)可以為其他機�(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�
微型核電池的最重要的方面是對放射性同位素的選�, 主要是基于輻射類�, 安全�、能�、相對比放射�、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�。Gamma射線具有很強的穿透能�, 需要相當大的外部屏蔽裝置以減小放射劑量比。Alpha粒子可以用于在半�(dǎo)體產(chǎn)生電子一空穴�, 但是它們會引起嚴重的晶格缺�。純的Beta射線�(fā)生器是微型核電池的選�。表1給出了我們研究中考慮用于微型核電池的純Beta放射�。鎳-63具有超過100年的放射�, 在我們的研究中作為。從�-63�(fā)射出的粒子或電子, 具有淤的平均能量和的能量, 這低于引起硅晶體�(jié)�(gòu)性損傷的200~250KeV閩值能�。另一方面, 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�
核微型電池的未來�(fā)展取決于以下幾個方面的因素:安�、能源轉(zhuǎn)換效率和成本。如果我們可以把電池中放射性材料數(shù)量維持在足夠低的水平,從而使其發(fā)出的輻射足夠�,那末僅僅電池的簡單包裝就能�?qū)⑵渥钃醵WC安全。同�,我們還必須找到各種途徑,進一步提高核微型電池提供的能�,特別是在轉(zhuǎn)化效率方�,已�(jīng)開始朝著我們的既定目標—�20%前進。一種可能的改進途徑是一個挨一個地水平放置多個硅片懸�,通過增加懸臂的數(shù)量來提高核電池的能量。實際上,我們已�(jīng)研發(fā)了一個包�100萬個硅片懸臂的陣列,其大小和一張郵票相�,還可以繼續(xù)把這些陣列堆疊起來,組成一個更大的集成系統(tǒng)�
另一個主要挑�(zhàn)是:如何使放射性同位素電源價格低廉,而且易于與電子器件集成。例�,在我們的實驗系統(tǒng)中,曾使用了1毫居里的�-63,其成本�25美元,這對于大�(guī)模生�(chǎn)的電子設(shè)備來說太昂貴�??赡艿谋容^便宜的替代物是同位素�,它是某些核反應(yīng)堆工作時大量�(chǎn)生的副產(chǎn)�。就一個核微型電池所需要氚的量來說,也許只需花費幾美�。一旦克服了上述挑戰(zhàn),核微型電池將很快應(yīng)用在手機和PDA等手持設(shè)備中。就像前面提到的那樣,核電池還可以為傳統(tǒng)電池供電。我們研�(fā)的單層懸臂硅片系�(tǒng)能產(chǎn)�100mW的峰值脈沖,因此,如果采用多個硅片懸臂系�(tǒng),而且利用幾個小時內(nèi)的脈沖能量,核微型電池完全可以用來給手持�(shè)備的電池充電�
而這種充電電流能在多大程度上延長設(shè)備的運行時間取決于許多因素。對于一臺每天需要使用數(shù)小時的手機或者一臺耗電量很高的PDA來說,核電池并不會起多少作用。但是,如果一臺手機一天只用兩三次、每次幾分鐘的話,改進就明顯了,可能會從每周需要給手機充一次電改進到每月充一次電。對于主要用來查看日程安排和電話號碼的簡單的PDA,只要核材料還有放射�,就能一直給電池充電�
核微型電池并不是要取代化�(xué)電池,但是它們將給各種各樣從納米機器人到無線傳感器等微小器件和裝置供�。費曼所說的“小得驚人的世界”正等待著核微型電池的光�。核微電池從一小塊放射性物�(zhì)�(chǎn)生能�,也許可以為將來奇妙的微機電裝置提供能源,甚至為你的手機供電�
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