近日，北京贝塔伏特新能科技有限公司（以下简称“贝塔伏特”）通过官网宣布，成功研制出全新的“微型原子能电池”（核能电池），其融合镍63核同位素衰变技术和中国第一个金刚石半导体（第4代半导体）模块，可以实现50年稳定自发电，无需充电，无需维护。目前已经进入中试阶段，只要政策许可不久就可以量产投入市场。

 

贝塔伏特表示，这标志着中国同时在原子能电池和第四代金刚石半导体两个高新技术领域取得颠覆性创新，“遥遥领先”欧美科研机构和企业。

 

↑从该微型原子能电池的尺寸来看，比5角钱的硬币还要小，与普通纽扣电池差不多。

 

这似乎带来无限想象空间，全新的无需充电的智能手机有望诞生，为新能源电动车、可穿戴设备、电动工具、玩具、医疗器械……等的进一步创新带来新的契机。

 

原子能电池又称核电池或放射性同位素电池，其工作原理是利用核同位素衰变释放的能量，通过半导体转换器吸收转化为电能。这是上世纪60年代美苏重点研究的高科技领域，目前仅有用于航空航天的温差核电池。但是，这种电池存在着体积和重量大，内部高温，价格昂贵，无法民用的问题。近年来，原子能电池小型化、模块化和民用化，已经成为了欧美各国努力的目标与方向。中国在《十四五规划和2035年愿景目标》当中也提出了核技术民用化以及核同位素的多用途发展是未来发展趋势。

 

据贝塔伏特公司董事长兼CEO张伟介绍，贝塔伏特的微型原子能电池研发采用了全新的技术路径，通过放射源镍-63发射的β粒子（电子）的半导体跃迁产生电流。为了做到这一点，贝塔伏特的科学家团队开发了一种独特的单晶金刚石半导体，厚度仅为10微米，把一个2微米厚的镍-63薄片放在两个金刚石半导体转换器之间，将放射源的衰变能量转化为电流，形成一个独立的单元。另外，该核电池是支持模块化，可以由几十个或几百个独立的单元模块组成，并可以串/并联使用，因此可以制造不同尺寸和容量功率的电池产品。

 

贝塔伏特公司董事长兼CEO张伟表示，公司将推出的第一款产品是BV100，是世界上首块即将量产的核电池，功率是100微瓦，电压3V，体积是15×15×5立方毫米，比一枚硬币还小。核电池每分每秒都在发电，每天8.64焦耳，每年3153焦耳。多块这样的电池可以串/并联使用，能够提供更高的功率。

 

目前这款产品可以满足航空航天、AI设备、医疗器械、MEMS系统、高级传感器、小型无人机和微型机器人等长续航多场景下的电力供应。

 

张伟表示“首款产品将会在一年内上市”。

 

此外，贝塔伏特公司还计划明年推出功率为1瓦的电池。张伟表示，在政策允许的情况下，原子能电池可以让一部手机永不充电，让现在只能飞行几十分钟的无人机可一直飞几十年。

 

 

据贝塔伏特介绍称，其研发的微型原子能电池拥有五大优势：

 

1、高能量密度：能量密度是三元锂电池的10倍以上，在1克电池中可存储3300豪瓦时的电能；

 

2、高使用寿命：能够实现50年自发电，不存在电化学电池的循环次数（2000次充放电）的概念。

 

3、高稳定性：原子能电池的发电功率稳定，不会因恶劣环境和负载而变化，可在零上120度和零下-60度范围内正常工作，并且没有自放电；

 

4、高安全性：针对针刺和枪击不起火、不爆炸、没有辐射泄露。可以适合用于人体内的心脏起搏器、人工心脏等医疗设备；

 

5、环境友好：“镍-63”的半衰期为36963.51±54.79天（101年），在衰变期后，作为放射源的镍63同位素变成铜的稳定同位素，不具有放射性，对环境不构成任何威胁或污染。因此，与现有的化学电池不同，该核电池不需要昂贵的回收工艺，消除了电池使用寿命到期后的废料处理问题，非常的环保。

 

 

 

 

 

对于大家最为关心的原子能电池安全性问题，张伟表示：贝塔伏特的原子能电池选择的放射源“镍63-”是最安全和理想的材料，具有柔和的β辐射（最大67 keV），没有其他同位素伴随发生的中子或伽马射线，镍63的穿透力也很弱，β粒子射程很短，在空气中最大射程不到5CM，且一张纸就能阻挡射线，电池外部封装足以屏蔽掉辐射。所以没有大家担心的“核泄露和污染”带来的相关问题。

 

同时，贝塔伏特独创的金刚石半导体转换器和3D组件的设计，对于镍63同位素辐射电子的收集系数高达98%，并且制造工艺和密封的外壳也进一步提升了安全性。外部检测其辐射量与普通纽扣电池基本一样。

 

张伟进一步强调，相比锂电池，贝塔伏特的微型原子能电池其实要更加安全！外部温度适应范围也更大，即便是针刺和枪击也不会起火、不会爆炸、不会有外部辐射。

 

对于目前国内外是否有类似的产品？贝塔伏特的微型原子能电池在技术有多大的领先性？相关的问题，张伟表示：“目前世界上没有类似的产品，我们领先其他竞争对手5年以上。”

 

 

“核心难点就在于金刚石功率半导体，我们公司就是先从金刚石功率半导体做起的。公司的核心研发团队汇聚了15名知名院校毕业的博士。”张伟解释道。

 

相对于硅材料、氮化镓、碳化硅等，金刚石半导体材料的禁带宽度更是高达5.45 eV，最大优势在于更高的载流子迁移率(空穴:3800 cm2V-1s-1，电子:4500 cm 2V-1s-1) 、更高的击穿电场(＞10 MVcm-1 )、更大的热导率( 22 WK-1cm-1)，其本征材料优势是具有自然界最高的热导率以及最高的体材料迁移率，可以满足未来大功率、强电场和抗辐射等方面的需求，是制作功率半导体器件的理想材料。不过，金刚石材料的高成本和小尺寸是制约金刚石功率电子学发展的主要障碍。

 

 

值得注意的是，2022年8月，美国商务部工业和安全局（BIS）还将以金刚石和氧化镓为代表的超宽禁带半导体材料技术列入了出口管制。

据了解，贝塔伏特目前已经解决了金刚石功率半导体面临的一系列问题，成功合成了基于单晶金刚石的高压、高温、高速、抗辐射肖特基二极管，厚度仅为10微米。而这也正是贝塔伏特的微型原子能电池将放射源的衰变能量转化为电流的关键。

 

张伟在官方新闻稿中也指出，“贝塔伏特原子能电池的核心是第四代金刚石半导体，这是业界熟知的半导体终极材料，全球半导体领域科技竞赛的又一个高地。贝塔伏特是全球目前唯一一个能够掺杂制作大尺寸金刚石半导体材料的公司，高效率金刚石转换器是制造核电池的关键。贝塔伏特既是一家新能源公司，也是一家第四代半导体和超长碳纳米管新材料公司。核电池、金刚石半导体和超级电容器，三大技术和材料链接与融合，形成了贝塔伏特的核心技术和创新能力。”

 

 

据介绍，目前贝塔伏特公司已经在北京注册了与该“微型原子能电池”相关的专利（目前处于实质审查状态），并将开始注册全球PCT专利。在中国中核集团举办的2023年创新大赛上，贝塔伏特作为极少数外部参赛企业，在几百家企业和研究机构中脱颖而出，获大赛三等奖，代表中国权威的核技术企业对贝塔伏特公司的原子能电池技术与产品的认可。

 

 

 

众所周知，目前智能手机等移动设备及可穿戴设备的创新已经进入了一个瓶颈期，其中一个关键的限制就是电池续航能力，因为此类设备的很多的功能设计和性能设计都需要向电池续航妥协。

 

比如决定手机/可穿戴设备性能的移动处理器，首先就需要考虑功耗问题，这也制约了芯片性能的进一步提升，为此芯片厂商不得不采用更为先进且昂贵的半导体工艺制程在提升性能的同时控制功耗，这也使得处理器成为了不断推升各类设备成本的关键因素。可以说，这些性能、续航、成本上的制约，严重阻碍了智能手机、可穿戴设备的进一步创新。但是，如果这类设备能够采用这种型原子能电池，那么很多问题就有望迎刃而解，并且将为这些设备的创新带来全新的契机。

 

目前贝塔伏特推出的首款微型原子能电池BV100功率只有100微瓦，只能满足一些极低功耗设备的运行。因此主要面向心脏起搏器、人工耳蜗、助听器、侵入式脑机接口等方面的应用。

 

但是，据张伟介绍，贝塔伏特明年将会推出功率1瓦的原子能电池，这样的功率已经是可以为很多可穿戴设备，比如TWS耳机、智能手环/手表，甚至是智能手机供电了。

 

根据中关村在线数年前对于20款智能手机一项续航测试显示，这些测试手机在100%电量的条件下插入SIM卡并接入4G LTE网络，开启WiFi网络，关闭蓝牙、GPS、勿扰模式、闹钟等功能，保留微信、电话、相机、皇室战争、微博共5个APP驻留后台并保持熄屏状态下，其平均的待机功耗为59.15毫瓦。

 

当然，现在智能手机在高负载状态下，功耗大概要到10瓦左右，仅靠功率1瓦的微型原子能电池供电是不够的。但是，该原子能电池的尺寸可以再做大适应手机的内部空间，比如能够设计成两块电池供电。一块原子能电池作为待机供电，另一块常规电池作为高负载应用供电，同时待机状态下原子能电池则能够为常规电池进行充电，这样就能够让智能手机实现无需人为充电的永久续航（至少是在智能手机的整个使用生命周期内，比如5-10年）。

 

现在消费者对于一款智能手机使用寿命一般也就是两三年，虽然近两年随着智能手机创新放缓，用户的换机周期有所拉长，对于一部智能手机的使用大概也就是在五年左右的时间。所以，需要的是功率更高，但续航可以短一些的、只需要数年的原子能电池即可。

 

值得一提的是，贝塔伏特公司还表示，其已经与中国专业核研究机构和大学进行沟通，计划继续研究采用锶90、钷147和氘等同位素，研制更高功率、使用寿命2年-30年原子能电池。或许未来数年内，我们就能够看到可以独立应用于智能手机的原子能电池了（电池可以拆卸重复使用，换新手机不需要配电池，将使用成本降低）。

 

张伟还表示：“我们能做手机用的微型原子能电池，但是这么大功率的就需要辐射安全许可证，这个需要政策支持，所以民用会先从很小功率的开始，其他大功率的主要是面向非民用市场。”（我军的侦查无人机，如果能一直在天上飞，边防摄像头不需要拉电线能一直开机工作，这是非常有战略意义的）

 

对于成本方面，据张伟透露，面向不同的应用场景，贝塔伏特的原子能电池未来会有几百元、几千元、几万元的不同价位的型号可以选择。中和性价比是高于大多数锂电池充电宝的。

 

 

1、微型核电池并不是新事物，美国俄罗斯中国在半个世纪前就有了相关产品和应用，但是体积、转换效率、安全性都需要提高。各国研究的方向主要是提高核电池的放射转换效率、及实现放射性同位素电池的微型化。

 

2、原理上核电池能量密度是可以比锂电池高出很多倍，但并不代表核能电池能够在所有领域有效取代锂电池。此外，锂电池目前也有很多研究进展，功率稍微大一点出于安全性和成本等考虑，核电池不太能短期内在民用方面取代锂电池。

 

3、镍63同位素安全性高，但不存在于自然界，需要通过在核反应堆内照射镍62处理才能获得。1克放射性镍63的价格约为4000美元，如能实现量产或许能降低价格，但核电池的售价还是会较高。贝塔伏特公司BV100核电池的尺寸采用的是2微米厚的镍63以及10微米厚的金刚石半导体，加工工艺要求很高。真的能否实现几百元、或千元级？还需要市场验证。

 

4、我国对放射源管理十分严格，这个如需量产、或投产支持更大功率的核电池（北京贝塔伏特公司BV100核电池，100微瓦、3V电压）政策上会有障碍。生产、流通、销售等环节必须持有放射性产品相关审批文件，这个也比较麻烦。

 

5、如今随着科技的飞速发展，核电池技术正在取得突破性进展。我们有理由相信在不久的将来核电池将会为我们的生活带来更多的便利和可能。当核电池普及之日到来时，人类将迎来一个能源永久续航的新纪元。

 

 

相关链接：

《关于放射性同位素电池“核电池”类型的介绍》