同位素電池材料

嚴薇++韓建華++張建強++曹鵬++郭翠霞

摘 要：同位素電池以結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度大，不受外界環(huán)境影響，使用壽命長等優(yōu)點，在航空、醫(yī)學和民用等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，是一種前景廣闊的新能源電池。本文以直接充電式、溫差式和輻射伏特效應(yīng)同位素電池三種重要的同位素電池為例對同位素電池的放射性同位素熱源和能量轉(zhuǎn)換材料分別進行詳細的介紹。

關(guān)鍵詞：同位素電池 核電池 氚電池 能量轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TM911 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0215-02

同位素電池，又被稱作核電池，它是利用放射性同位素衰變時放射出來的載能粒子（比如α粒子、β粒子或γ光子） 與物質(zhì)相互作用，粒子的動能被吸收或阻止后轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，再通過能量轉(zhuǎn)化器件轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。同位素電池以結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度大，不受外界環(huán)境影響，使用壽命長等優(yōu)點，在航空航天、航海、醫(yī)學、微型電動機械、電子產(chǎn)品和電動汽車等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]，是一種前景廣闊的新能源電池?；谕凰仉姵氐哪芰哭D(zhuǎn)換方式，它可分為兩類：直接轉(zhuǎn)換式和間接轉(zhuǎn)換式。更具體的講，主要包括9種：直接充電式同位素電池、輻射伏特效應(yīng)同位素電池、溫差式同位素電池、熒光體光電式同位素電池、熱致光電式同位素電池、氣體電離式同位素電池、熱機轉(zhuǎn)換同位素電池、電磁輻射能量轉(zhuǎn)換同位素電池和熱離子發(fā)射式同位素電池[2]。放射性同位素熱源是同位素電池的核心材料，能量轉(zhuǎn)換材料是同位素電池的主要材料。下面以直接充電式、溫差式和輻射伏特效應(yīng)同位素電池三種重要的同位素電池為例對同位素電池的放射性同位素熱源和能量轉(zhuǎn)換材料分別進行詳細的介紹。

1 同位素電池材料

1.1 放射性同位素熱源

根據(jù)放射性同位素的衰變特性，大致將其分成α源、β源和γ源三種，其中適合作為同位素電池放射熱源的有十幾種。包括60Co，90Sr，137Cs，144Ce，147Pm，170Tm，210 Po，238 Pu，242Cm，244Cm等[3]。表1列出了常用的放射性同位素熱源的參數(shù)比較（表1）。

不同類型的同位素電池中放射性同位素熱源所起的作用不盡相同，所用放射性同位素熱源也不盡相同。

直接充電式同位素電池是通過直接收集放射性同位素熱源發(fā)射出的載能粒子，將載能粒子的能量轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置。直接充電式同位素電池是一種高壓型同位素電池，其開路電壓為千伏級。由于α粒子會發(fā)射出大量的次級電子，這類電池一般選用純β源或具有弱γ、X 射線的β源。常見的β源包括3H、63Ni、90Sr和147Pm。高純度的63Ni、90Sr、147Pm價格昂貴且在國內(nèi)難以獲得，氚（3H）是目前已知的β熱源中最易獲取、最適合工業(yè)化的候選材料。

溫差式同位素電池利用同位素放射源產(chǎn)生的熱能來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。238Pu衰變產(chǎn)生的是α粒子，放射性防護要求很低，作為同位素熱源體積可以做得很小，是溫差式同位素電池放射性同位素熱源的研究熱點，其半衰期為87.7年，五年內(nèi)熱功率值僅下降4%。美國和前蘇聯(lián)的原型溫差式同位素電池使用的是210Po，而后主要用于反應(yīng)堆動力的發(fā)展。我國最早的溫差式同位素電池也是采用的210Po放射熱源，其輸出電功率1.4 W，產(chǎn)生熱能為35.5W[5]。

輻射伏特效應(yīng)同位素電池是直接利用放射性同位素衰變時放出的α或β粒子轟擊半導體材料產(chǎn)生出大量電子空穴對，在半導體元件內(nèi)電場的作用下實現(xiàn)分離，輸出電流。63Ni能量密度高，半衰期長達100 年，釋放出的β粒子最大能量僅有67 keV，基本不會損傷器件，成為目前最受關(guān)注的β射線輻射伏特效應(yīng)同位素電池放射性同位素熱源。此外，90Sr和90Y衰變時發(fā)射的β粒子在這類電池中應(yīng)用較多[6]。氚的能量密度可以達到1000 mW·h/g，比高能鋰離子電池能量密度高出4個數(shù)量級；并且氚電池無毒，低污染，又具有良好的生物兼容性，比現(xiàn)有的鋰離子電池等更綠色環(huán)保，因此氚同位素伏特效應(yīng)電池應(yīng)用前景廣闊。中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所[7，8]公開的輻射伏特效應(yīng)同位素電池以氚作為同位素熱源。

1.2 能量轉(zhuǎn)換材料

不同類型的同位素電池的發(fā)電機制不同，所用能量轉(zhuǎn)換材料也不盡相同。

直接充電式同位素電池正極發(fā)射電子，負極接收電子，兩個電極均選用金屬。銅具有良好的導電、導熱性能和機械性能，可作為直接充電式同位素電池的收集材料。南華大學設(shè)計了以63Ni為能量來源、銅為收集極的直接充電式核電池，能量轉(zhuǎn)換效率為9.42%[9]。

溫差式同位素電池是利用能量轉(zhuǎn)換材料的賽貝克效應(yīng)將放射性同位素熱源產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成電能，其采用的能量轉(zhuǎn)換材料為溫差熱電材料。20世紀30年代，隨著半導體物理的發(fā)展，科學家們發(fā)現(xiàn)半導體材料的賽貝克系數(shù)可高于100μV/K，半導體熱電材料成為熱電材料的研究熱點。其中最重要的溫差式同位素電池能量轉(zhuǎn)換溫差熱電材料包括Bi2Te3/Sb2Te3、PbTe、SiGe等固溶體合金[10]。Bi2Te3/Sb2Te3適用于低溫[11]。PbTe適用于400～800 K。SiGe合金主要適用于700 K以上的高溫[12]，在1200 K時，無量綱的溫差電優(yōu)值ZT≈1，是當前航天器溫差式同位素電池主要的熱電材料[13-14]。美國自1961年起在近30 項空間任務(wù)中采用了溫差式同位素電池作為電源。這些溫差式同位素溫差電池的質(zhì)量從幾千克到幾十千克不等，輸出功率范圍從幾瓦級到幾百瓦級，最高熱電轉(zhuǎn)換效率接近7%，最長工作壽命超過30年[15]。表2列出了美國典型的空間應(yīng)用的溫差式同位素電池的溫差熱電材料和性能數(shù)據(jù)。

輻射伏特效應(yīng)同位素電池能量轉(zhuǎn)換材料主要分為兩類：PN結(jié)型和非PN結(jié)型。截至目前，關(guān)于輻射伏特效應(yīng)同位素電池的研究大多以PN結(jié)型能量轉(zhuǎn)換材料為主。PN結(jié)型能量轉(zhuǎn)換材料又分為單晶硅材料和非單晶硅材料兩種。單晶硅是最早也是最成熟的半導體材料，它已廣泛應(yīng)用于輻射伏特效應(yīng)同位素電池能量轉(zhuǎn)換材料的研究當中。但是硅材料禁帶寬度小，制成的PN結(jié)漏電流較大，使得電池的能量轉(zhuǎn)換效率較低。碳化硅作為第三代半導體，不僅具有優(yōu)異的溫度特性和抗輻射特性，而且禁帶寬度大，制成的PN結(jié)漏電流很低，可以得到比硅基輻射伏特效應(yīng)同位素電池更高的開路電壓和能量轉(zhuǎn)換效率，成為目前備受矚目的同位素電池應(yīng)用材料。Chandrashekhar課題組制作了SiC材料PN結(jié)型器件，利用63Ni為放射性熱源，獲得了能量轉(zhuǎn)換效率約為6% [16]。Moham adian[17]對GaN進行研究，Deus[18]對AlGaAs進行研究，均取得了一定的成果，這些材料在能量轉(zhuǎn)換效率方面較傳統(tǒng)的單晶硅更具優(yōu)勢，但受限于目前材料的制作難度有待進一步的深入。非PN結(jié)型輻射伏特效應(yīng)同位素電池能量轉(zhuǎn)換材料也受到了學者們的廣泛關(guān)注。西安電子科技大學申請的專利[19]中提出了基于SiC的肖特基結(jié)式輻射伏特效應(yīng)同位素電池，如（圖1）所示。endprint

Liu等[20]利用金屬Pt和Sc的接觸勢差，以無定形硅為絕緣介質(zhì)，得到Voc=0.16 V，Jsc=5.3 nA/cm2，Pmax=0.26 nW/cm 2的輻射伏特效應(yīng)同位素電池。（圖2）給出了目前已開展研究的輻射伏特效應(yīng)同位素電池能量轉(zhuǎn)換材料類型。目前，國內(nèi)輻射伏特效應(yīng)放射性同位素電池只有大連理工大學、西安電子科技大學、廈門大學、西北工業(yè)大學等少數(shù)幾所高校在進行研究。

2 結(jié)語

本文就目前同位素電池的放射性同位素熱源和能量轉(zhuǎn)換材料做了總結(jié)歸納，旨在希望能夠?qū)氖峦凰仉姵叵嚓P(guān)研究領(lǐng)域人員有所幫助，作為參考。相信隨著新型材料的發(fā)展，同位素電池性能將大幅提升，在不久的將來，同位素電池在航空、醫(yī)學和民用等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

注：作者韓建華對本文所作貢獻與第一作者相同，因篇幅所限，將其列為第二作者。

參考文獻

[1] 郝少昌，盧振明，符曉銘，等.核電池材料及核電池的應(yīng)用[J].原子核物理評論，2006，3（3）：353-358.

[2] 王鐵山，張保國.同位素電池發(fā)電機制的研究與發(fā)展[J].同位素，1996（1）.

[3] 蔡善鈺.空間同位素發(fā)電體系的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].核科學與工程，1994（4）.

[4] 孫樹正.放射源的制備與應(yīng)用[M].北京：原子能出版社，1992：338-345.

[5] 蔡善鈺，何舜堯.空間放射性同位素電池發(fā)展回顧和新世紀應(yīng)用前景[J].核科學與工程，2004（2）.

[6] 王鐵山，張保國.放射性同位素衰變能發(fā)電機制的研究與探索[J].核技術(shù)，1994（9）.

[7] 一種PIN型核電池及其制備方法：中國， 101527175 A[D].

[8] 一種PN型核電池及其制備方法：中國， 101527176A[D].

[9] 歐頻，周劍良，左國平，等.直接充電式核電池能量轉(zhuǎn)換效率提高研究[J].核技術(shù)，2011，34（11）：872-876

[10] 焦正寬，汪壯兵.熱電材料新進展[J].功能材料，2002，33（2）：115-119.

[11] Yang J，Aizawa T，Yamamoto A.Thermoelectric properties of p-type（Bi2Te3）x（Sb2Te3）1?x prepared via bulk mechanical alloying and hot pressing.J.Alloys Comp，2000（309）：225-228.

[12] 張同俊，彭江英，楊君友，等.熱電功能材料及其在發(fā)電和制冷方面的應(yīng)用前景[J].材料導報，2000，16（5）：11-13.

[13] 姜洪義，王華文，任衛(wèi).SiGe熱電材料的發(fā)展與展望[J].材料導報，2007，21（7）：119-123.

[14] 徐亞東，徐桂英，葛昌純.SiGe系熱電材料的研究動態(tài)[J].材料導報，2007，21（5）：102-106.

[15] 鄭海山，趙國銘.放射性同位素溫差電池的空間應(yīng)用及前景分析[J].電源技術(shù)，2013，37（7）：1278-1280.

[16] Chandr ashekhar M V S，T homas CI，Li H，et al.Demonst ration of a 4H SiC betavoltaic cell[J].Applied physics letters，2006（88）：033506.

[17] Mohamadian M，F(xiàn)eghhi SAH，Afariadeh H.Conceptual design of GaN betavoltaic battery using in cardiac pacemaker[C]//Proceedings of 13th International Conference on Emerging of Nuclear Energy Systems（ ICENES），Istanbul，Turkey，2007.

[18] Deus S.Tritium-powered betavoltaic cells based on amorphous silicon[C]//proceedings of 28th PVSEC，USA：IEEE，2000，1246- 1249.

[19] 微型核電池：中國，101325093A[P].

[20] Liu B，Chen K P，K herani N P，et al.Betavoltaics using scandium tritide and contact potential difference[J].Applied physics letters，2008（92）：083511.

[21] 羅順忠，王關(guān)全，張華明.輻射伏特效應(yīng)同位素電池研究進展[J].同位素，2011，24（1）：1-11.endprint

Liu等[20]利用金屬Pt和Sc的接觸勢差，以無定形硅為絕緣介質(zhì)，得到Voc=0.16 V，Jsc=5.3 nA/cm2，Pmax=0.26 nW/cm 2的輻射伏特效應(yīng)同位素電池。（圖2）給出了目前已開展研究的輻射伏特效應(yīng)同位素電池能量轉(zhuǎn)換材料類型。目前，國內(nèi)輻射伏特效應(yīng)放射性同位素電池只有大連理工大學、西安電子科技大學、廈門大學、西北工業(yè)大學等少數(shù)幾所高校在進行研究。

2 結(jié)語

本文就目前同位素電池的放射性同位素熱源和能量轉(zhuǎn)換材料做了總結(jié)歸納，旨在希望能夠?qū)氖峦凰仉姵叵嚓P(guān)研究領(lǐng)域人員有所幫助，作為參考。相信隨著新型材料的發(fā)展，同位素電池性能將大幅提升，在不久的將來，同位素電池在航空、醫(yī)學和民用等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

注：作者韓建華對本文所作貢獻與第一作者相同，因篇幅所限，將其列為第二作者。

參考文獻

[1] 郝少昌，盧振明，符曉銘，等.核電池材料及核電池的應(yīng)用[J].原子核物理評論，2006，3（3）：353-358.

[2] 王鐵山，張保國.同位素電池發(fā)電機制的研究與發(fā)展[J].同位素，1996（1）.

[3] 蔡善鈺.空間同位素發(fā)電體系的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].核科學與工程，1994（4）.

[4] 孫樹正.放射源的制備與應(yīng)用[M].北京：原子能出版社，1992：338-345.

[5] 蔡善鈺，何舜堯.空間放射性同位素電池發(fā)展回顧和新世紀應(yīng)用前景[J].核科學與工程，2004（2）.

[6] 王鐵山，張保國.放射性同位素衰變能發(fā)電機制的研究與探索[J].核技術(shù)，1994（9）.

[7] 一種PIN型核電池及其制備方法：中國， 101527175 A[D].

[8] 一種PN型核電池及其制備方法：中國， 101527176A[D].

[9] 歐頻，周劍良，左國平，等.直接充電式核電池能量轉(zhuǎn)換效率提高研究[J].核技術(shù)，2011，34（11）：872-876

[10] 焦正寬，汪壯兵.熱電材料新進展[J].功能材料，2002，33（2）：115-119.

[11] Yang J，Aizawa T，Yamamoto A.Thermoelectric properties of p-type（Bi2Te3）x（Sb2Te3）1?x prepared via bulk mechanical alloying and hot pressing.J.Alloys Comp，2000（309）：225-228.

[12] 張同俊，彭江英，楊君友，等.熱電功能材料及其在發(fā)電和制冷方面的應(yīng)用前景[J].材料導報，2000，16（5）：11-13.

[13] 姜洪義，王華文，任衛(wèi).SiGe熱電材料的發(fā)展與展望[J].材料導報，2007，21（7）：119-123.

[14] 徐亞東，徐桂英，葛昌純.SiGe系熱電材料的研究動態(tài)[J].材料導報，2007，21（5）：102-106.

[15] 鄭海山，趙國銘.放射性同位素溫差電池的空間應(yīng)用及前景分析[J].電源技術(shù)，2013，37（7）：1278-1280.

[16] Chandr ashekhar M V S，T homas CI，Li H，et al.Demonst ration of a 4H SiC betavoltaic cell[J].Applied physics letters，2006（88）：033506.

[17] Mohamadian M，F(xiàn)eghhi SAH，Afariadeh H.Conceptual design of GaN betavoltaic battery using in cardiac pacemaker[C]//Proceedings of 13th International Conference on Emerging of Nuclear Energy Systems（ ICENES），Istanbul，Turkey，2007.

[18] Deus S.Tritium-powered betavoltaic cells based on amorphous silicon[C]//proceedings of 28th PVSEC，USA：IEEE，2000，1246- 1249.

[19] 微型核電池：中國，101325093A[P].

[20] Liu B，Chen K P，K herani N P，et al.Betavoltaics using scandium tritide and contact potential difference[J].Applied physics letters，2008（92）：083511.

[21] 羅順忠，王關(guān)全，張華明.輻射伏特效應(yīng)同位素電池研究進展[J].同位素，2011，24（1）：1-11.endprint

Liu等[20]利用金屬Pt和Sc的接觸勢差，以無定形硅為絕緣介質(zhì)，得到Voc=0.16 V，Jsc=5.3 nA/cm2，Pmax=0.26 nW/cm 2的輻射伏特效應(yīng)同位素電池。（圖2）給出了目前已開展研究的輻射伏特效應(yīng)同位素電池能量轉(zhuǎn)換材料類型。目前，國內(nèi)輻射伏特效應(yīng)放射性同位素電池只有大連理工大學、西安電子科技大學、廈門大學、西北工業(yè)大學等少數(shù)幾所高校在進行研究。

2 結(jié)語

本文就目前同位素電池的放射性同位素熱源和能量轉(zhuǎn)換材料做了總結(jié)歸納，旨在希望能夠?qū)氖峦凰仉姵叵嚓P(guān)研究領(lǐng)域人員有所幫助，作為參考。相信隨著新型材料的發(fā)展，同位素電池性能將大幅提升，在不久的將來，同位素電池在航空、醫(yī)學和民用等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

注：作者韓建華對本文所作貢獻與第一作者相同，因篇幅所限，將其列為第二作者。

參考文獻

[1] 郝少昌，盧振明，符曉銘，等.核電池材料及核電池的應(yīng)用[J].原子核物理評論，2006，3（3）：353-358.

[2] 王鐵山，張保國.同位素電池發(fā)電機制的研究與發(fā)展[J].同位素，1996（1）.

[3] 蔡善鈺.空間同位素發(fā)電體系的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].核科學與工程，1994（4）.

[4] 孫樹正.放射源的制備與應(yīng)用[M].北京：原子能出版社，1992：338-345.

[5] 蔡善鈺，何舜堯.空間放射性同位素電池發(fā)展回顧和新世紀應(yīng)用前景[J].核科學與工程，2004（2）.

[6] 王鐵山，張保國.放射性同位素衰變能發(fā)電機制的研究與探索[J].核技術(shù)，1994（9）.

[7] 一種PIN型核電池及其制備方法：中國， 101527175 A[D].

[8] 一種PN型核電池及其制備方法：中國， 101527176A[D].

[9] 歐頻，周劍良，左國平，等.直接充電式核電池能量轉(zhuǎn)換效率提高研究[J].核技術(shù)，2011，34（11）：872-876

[10] 焦正寬，汪壯兵.熱電材料新進展[J].功能材料，2002，33（2）：115-119.

[11] Yang J，Aizawa T，Yamamoto A.Thermoelectric properties of p-type（Bi2Te3）x（Sb2Te3）1?x prepared via bulk mechanical alloying and hot pressing.J.Alloys Comp，2000（309）：225-228.

[12] 張同俊，彭江英，楊君友，等.熱電功能材料及其在發(fā)電和制冷方面的應(yīng)用前景[J].材料導報，2000，16（5）：11-13.

[13] 姜洪義，王華文，任衛(wèi).SiGe熱電材料的發(fā)展與展望[J].材料導報，2007，21（7）：119-123.

[14] 徐亞東，徐桂英，葛昌純.SiGe系熱電材料的研究動態(tài)[J].材料導報，2007，21（5）：102-106.

[15] 鄭海山，趙國銘.放射性同位素溫差電池的空間應(yīng)用及前景分析[J].電源技術(shù)，2013，37（7）：1278-1280.

[16] Chandr ashekhar M V S，T homas CI，Li H，et al.Demonst ration of a 4H SiC betavoltaic cell[J].Applied physics letters，2006（88）：033506.

[17] Mohamadian M，F(xiàn)eghhi SAH，Afariadeh H.Conceptual design of GaN betavoltaic battery using in cardiac pacemaker[C]//Proceedings of 13th International Conference on Emerging of Nuclear Energy Systems（ ICENES），Istanbul，Turkey，2007.

[18] Deus S.Tritium-powered betavoltaic cells based on amorphous silicon[C]//proceedings of 28th PVSEC，USA：IEEE，2000，1246- 1249.

[19] 微型核電池：中國，101325093A[P].

[20] Liu B，Chen K P，K herani N P，et al.Betavoltaics using scandium tritide and contact potential difference[J].Applied physics letters，2008（92）：083511.

[21] 羅順忠，王關(guān)全，張華明.輻射伏特效應(yīng)同位素電池研究進展[J].同位素，2011，24（1）：1-11.endprint