科學(xué)家研發(fā)可發(fā)電萬年的放射性金剛石電池 以核廢料為燃料，即將商業(yè)化

目前，隨著全球能源需求不斷上漲和低碳化發(fā)展要求，風(fēng)電、水電、核電等清潔能源正越來越受到各方關(guān)注。

其中，核電使用少量燃料就能產(chǎn)生巨大能量，世界各地的核反應(yīng)堆建設(shè)也越來越多。不過，這些反應(yīng)堆同時(shí)會產(chǎn)生大量對人體和環(huán)境有害的放射性廢物。

為解決這個(gè)問題，專家們提出了多種方案。由于很難將核廢料安全地保存處理，這些方案中的一個(gè)重點(diǎn)是對其進(jìn)行再利用。

再利用的其中一個(gè)實(shí)踐是放射性金剛石電池。據(jù)了解，這是一種具有成本效益的回收核廢料的方法，因此備受關(guān)注。

先簡單介紹下核電池與放射性金剛石電池。

核電池原型最早可以追溯到英國物理學(xué)家亨利·莫斯利，1913年，他演示了粒子輻射制造電流的實(shí)驗(yàn)。在20世紀(jì)五六十年代，航空航天業(yè)認(rèn)為或可將莫斯利的研究用于航天器上，以為其提供長期動(dòng)力。當(dāng)時(shí)，也有公司在研究將核電池應(yīng)用在無線電接收器等方面。

但這類核電池仍存在一定安全性和導(dǎo)電性等局限，在這方面，合成金剛石的出現(xiàn)為其提供了一個(gè)較好的解決方案。金剛石是目前所知最堅(jiān)硬的物體之一，可以通過特殊工藝使其具有放射性或者充當(dāng)半導(dǎo)體。

據(jù)了解，放射性金剛石電池于2016年由英國布里斯托大學(xué)卡博特環(huán)境研究所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)。

該電池由核廢料的β衰變提供動(dòng)力。β衰變是原子核（由質(zhì)子和中子構(gòu)成）為得到穩(wěn)定質(zhì)子、中子比例時(shí)，釋放多余粒子的過程。同時(shí)會產(chǎn)生許多β粒子（高能量電子或正電子）。

β粒子撞擊半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生電流，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。但β粒子是從不同方向上發(fā)射，能夠擊中半導(dǎo)體的數(shù)量不多，產(chǎn)生的電能較小，效率因此還不高。

放射性金剛石電池使用了化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝。該工藝廣泛用在人造金剛石制造上。

研究人員對CVD工藝調(diào)整后，通過添加含有放射性同位素碳-14的放射性甲烷來生成放射性鉆石。內(nèi)部的核廢料充當(dāng)燃料，在β輻射下，將能獲得無須充電的長時(shí)間有效電池。

布里斯托大學(xué)化學(xué)學(xué)院能源材料教授尼爾·?？怂菇忉屨f：“選擇碳-14作為原材料，因?yàn)樗l(fā)出短程輻射，這種輻射會很快被任何固體材料吸收?！?/p>

不過，布里斯托團(tuán)隊(duì)表示，其放射性金剛石電池（含有1克碳-14）提供的功率較低，只有幾微瓦，小于典型的5號電池。因此目前的應(yīng)用僅限于傳感器與起搏器等小型、低功耗設(shè)備，還無法用在筆記本電腦或智能手機(jī)上。

值得一提的是，對于布里斯托團(tuán)隊(duì)科學(xué)家研發(fā)的放射性金剛石電池，英國公司Arkenlight準(zhǔn)備將其進(jìn)行上市，該公司第一款微型電池產(chǎn)品預(yù)計(jì)在2023年下半年發(fā)布。

另外，美國的一家成立于2012年的公司NDB Inc，也正計(jì)劃將放射性金剛石電池商業(yè)化。在2016年，該公司推出了金剛石版本電池，并于大概4年后宣布完成了概念驗(yàn)證測試，其還利用納米技術(shù)建造了一種大功率納米金剛石電池。

該公司描述其納米金剛石電池有著耐久性、安全、市場友好等特點(diǎn)。

NDB稱，這種電池能可靠地執(zhí)行長期任務(wù)，持續(xù)時(shí)間甚至能夠長達(dá)2.8萬年。它還表示，納米金剛石薄膜層允許電池有不同的形狀，可實(shí)現(xiàn)多種用途以進(jìn)入不同的市場領(lǐng)域，包括航天設(shè)備（空間站和衛(wèi)星）和消費(fèi)電子類產(chǎn)品（無人機(jī)、電動(dòng)汽車）。

值得注意的是，據(jù)了解，NDB的消費(fèi)類產(chǎn)品版本電池只可維持十年左右時(shí)間。

據(jù)悉，該公司計(jì)劃將納米金剛石電池于2023年上市。

可以看到，在使用時(shí)間上，放射性金剛石電池要比傳統(tǒng)電池壽命長得多。如果能將其開發(fā)成通用電池，像我們常用的智能手機(jī)等設(shè)備或?qū)氐讛[脫沒電煩惱。

不過，目前通用核電池的短期內(nèi)很難替代鋰離子等電池，傳統(tǒng)電池在成本、安全性方面仍具有一定優(yōu)勢。放射性金剛石電池是否是核廢料的最終或者較好的解決方案，也有待進(jìn)一步觀察。

但不管怎么說，如今隨著各種電子設(shè)備、電動(dòng)汽車等的普及，人類也正執(zhí)行月球、火星等太空探索任務(wù)，人們對電池技術(shù)的研究需求日益增長，放射性金剛石電池或是實(shí)現(xiàn)長時(shí)間供電的一種選擇，其發(fā)展前景值得期待，希望該類電池能以經(jīng)濟(jì)高效和安全的方式早日被推向市場。