Arkenlight 的伽馬太陽能電池原型將核廢料儲存庫中的伽馬射線轉化為電能。

放射性金剛石電池于2016 年首次開發(fā)出來，并立即受到好評，因為它們承諾提供一種新的、經濟高效的核廢料回收方法。在這種情況下，不可避免地要考慮它們是否是這些有毒、致命殘留物的最終解決方案。

什么是放射性金剛石電池？

放射性金剛石電池最初是由布里斯托大學卡博特環(huán)境研究所的物理學家和化學家團隊開發(fā)的。該發(fā)明被提議作為一種輻射電轉換裝置，這意味著它由核廢料的衰變提供動力。

衰變是一種放射性衰變，當原子核具有過量粒子并釋放一些粒子以實現更穩(wěn)定的質子和中子比例時發(fā)生。這會產生一種稱為輻射的電離輻射，其中涉及大量稱為粒子的高速高能電子或正電子。 粒子含有核能，可以通過半導體將核能轉化為電能。

衰變是一種放射性衰變，當原子核具有過量粒子并釋放一些粒子以實現更穩(wěn)定的質子和中子比例時發(fā)生。

典型的太陽能電池由放置在半導體之間的放射性材料薄層組成。當核材料衰變時，它會發(fā)射粒子，將電子從半導體中擊出，從而產生電流。然而，放射源距離半導體越遠，其功率密度就越低。另外，由于粒子向各個方向隨機發(fā)射，因此只有少數粒子會撞擊半導體，并且只有少數粒子會轉化為電能。這意味著核電池的效率比其他類型的電池低得多。這就是多晶金剛石(PCD) 的作用。

放射性鉆石單元是使用化學氣相沉積工藝制造的，該工藝廣泛用于人造鉆石的制造。它使用氫和甲烷的混合等離子體在非常高的溫度下生長金剛石薄膜。研究人員修改了CVD 工藝，使用含有放射性同位素Carbon-14 的放射性甲烷來生長放射性鉆石，這種同位素存在于輻照反應堆石墨塊上。

金剛石是人類已知的最硬的材料之一- 它甚至比碳化硅還要硬。它既可以作為放射源，又可以作為半導體。將其暴露在 射線下可以使電池持久耐用，無需充電。它內部的核廢料一次又一次地為它提供燃料，使其能夠在很長一段時間內自我充電。然而，布里斯托爾團隊警告說，他們的放射性金剛石電池不適合在筆記本電腦或智能手機中使用，因為它們僅含有1 克碳14，這意味著它們提供的電力非常少——只有幾克。微瓦，低于典型的AA 電池。因此，迄今為止，它們的應用僅限于必須長時間無人看管的小型設備，例如傳感器和起搏器。

核電池的起源可以追溯到1913年，當時英國物理學家亨利·莫斯利發(fā)現粒子輻射可以產生電流。在20 世紀50 年代和1960 年代，航空航天業(yè)對莫斯利的發(fā)現非常感興趣，因為它具有為執(zhí)行長期任務的航天器提供動力的潛力。 RCA 還研究了核電池在無線電接收器和助聽器中的使用。

納米金剛石晶體

但為了開發(fā)和維持這項發(fā)明，需要其他技術。在這方面，人造金剛石的使用被認為是革命性的，因為它為放射性細胞提供了安全性和導電性。一家美國公司將納米技術融入其中，創(chuàng)造了一種高功率納米金剛石電池。

Arkenlight 的碳14 金剛石 輻射電轉換電池原型。

NDB 總部位于加利福尼亞州舊金山，成立于2012 年，其目標是創(chuàng)造一種更清潔、更環(huán)保的傳統(tǒng)電池替代品。該初創(chuàng)公司于2016 年推出了金剛石電池，并宣布于2020 年進行兩項概念驗證測試。它是嘗試將放射性金剛石電池商業(yè)化的公司之一。 NDB的納米金剛石電池被描述為、和中子輻射電池。根據他們的官方網站，他們有以下特點：

堅持。該公司計算出這些電池的使用壽命可達28,000 年，這意味著它們可以為執(zhí)行長期任務的航天器、空間站和衛(wèi)星提供可靠的動力。地球上的無人機、電動汽車和飛機永遠不需要停下來充電。

安全。金剛石不僅是最堅硬的物質之一，而且還是世界上導熱性最好的材料之一，有助于保護電池中放射性同位素產生的熱量不快速轉化為電流。

市場友好度。內部的PCD 薄膜層允許電池具有不同的形狀和形式。這就是為什么納米金剛石電池可以具有多種用途并進入不同的市場，從上述的太空應用到消費電子產品。然而，消費者版本不會持續(xù)超過十年。

納米金剛石電池計劃于2023年進入市場。

Arkenlight 是一家將布里斯托爾的放射性金剛石電池商業(yè)化的英國公司，計劃于2023 年下半年向市場發(fā)布其首款產品。

放射性金剛石電池的未來

現代電子設備的便攜性、電動汽車的日益普及，以及21 世紀將人類送上火星的長期太空任務的競賽，在過去幾年里激發(fā)了人們對電池技術研究日益增長的興趣。

某些類型的電池更適合某些應用，而對其他應用則不太有用。但可以說，我們所熟悉的傳統(tǒng)鋰離子電池短期內不會被放射性鉆石電池取代。

傳統(tǒng)電池的使用壽命較短，但制造成本也較低。然而，與此同時，它們的使用壽命并不長（它們的壽命約為5年），這也是一個問題，因為它們也會產生大量電子垃圾，并且不易回收。

放射性金剛石電池更方便，因為它們的使用壽命比傳統(tǒng)電池長得多。如果它們能夠像新開發(fā)銀行建議的那樣開發(fā)成通用電池，我們最終可能會得到比智能手機續(xù)航時間更長的電池。

然而，Arkenlight開發(fā)的鉆石輻射電轉換技術不會走那么遠。該公司正致力于將其大量碳14betab 電池堆疊到電池設計中。為了提供大功率放電，每塊電池可以配一個小型超級電容器，它可以提供優(yōu)異的快速放電能力。

不過，這種放射性物質也有5000年以上的壽命。如果輻射以氣態(tài)形式從設備中逸出，就會成為一個問題。這就是鉆石出現的原因。在鉆石的形成過程中，C-14是固體，因此不能被生物提取和吸收。

英國原子能管理局(UKAEA) 計算出，100 磅（約45 公斤）碳14 足以制造數百萬個基于金剛石的長壽命電池。這些電池還可以降低儲存核廢料的成本。

布里斯托大學研究員湯姆·斯科特教授告訴《核能內幕》：“通過直接從反應堆中去除輻照石墨中的碳14，將使剩余廢物的放射性降低，因此更容易管理和處置?！碧幚碇蟹艔U物[ILW]石墨廢物的成本估計為每立方米46,000磅（60,000美元），低放廢物[LLW]為每立方米3,000磅（4,000美元）。 '

所有這些功能正是我們實現可持續(xù)未來所需要的，我們可以拭目以待，制造商是否能找到一種方法來應對生產成本和低能源輸出，并以經濟高效且易于使用的方式將其金剛石電池帶入生活。市場。