核電池的主要發(fā)展歷程及對電池材料介紹
來源：寶鄂實業(yè)
2019-08-02 20:55
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第一個放射性同位素電池是在1959年1月16日由美國人制成的，它重1800克，在280天內(nèi)可發(fā)出11.6度電。在此之后，核電池的發(fā)展頗快。
1961年美國發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星“探險者1號”，上面的無線電發(fā)報機就是由核電池供電的。1976年，美國的“海盜1號”、“海盜2號”兩艘宇宙飛船先后在火星上著陸，在短短5個月中得到的火星情況，比以往人類歷史上所積累的全部情況還要多，它們的工作電源也是放射性同位素電池。
2012年，美國“好奇”號登錄火星。“好奇”重量超過900公斤，是2004年登陸火星的“勇氣”號和“機遇”號重量的約5倍。
“好奇”號的動力由一臺多任務(wù)放射性同位素熱電發(fā)生器提供，其本質(zhì)上是一塊核電池。該系統(tǒng)主要包括兩個組成部分：一個裝填钚-238二氧化物的熱源和一組固體熱電偶，可以將钚-238產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電力。這一系統(tǒng)設(shè)計使用壽命為14年，也高于太陽能電池板。該系統(tǒng)足以為“好奇”號同時運轉(zhuǎn)的諸多儀器提供充足能量。
核電池材料
一般來說，核電池結(jié)構(gòu)最里邊是其心臟部分，為放射性同位素，它不斷地發(fā)生衰變并放出熱量;同位素的外層為換能材料，在這里熱能被轉(zhuǎn)換成電能；接著是輻射屏蔽層，防止輻射線泄漏出來；最外邊一般由合金制成，起保護電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和散熱的作用。可見核電池所用材料涉及同位素放射源、能量轉(zhuǎn)換材料、防輻射材料、散熱材料等。由于其特殊的用途決定了所選用材料的特殊性。
同位素放射源
同位素放射源在不同類型的核電池中所起的作用也不盡相同。直接充電式核電池是利用放射源發(fā)射的帶電粒子來產(chǎn)生電勢差;氣體電離式核電池和輻射伏特效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換核電池是利用其發(fā)射的粒子束對介質(zhì)的電離作用來產(chǎn)生電勢;熒光體光電式核電池是利用其發(fā)射射線誘發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光后通過光電轉(zhuǎn)換成電能;而熱致光電式核電池、溫差式核電池和熱機轉(zhuǎn)換電池則利用放射源產(chǎn)生的熱能來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。
作為核電池的能量來源，同位素放射源都必須滿足以下條件:半衰期長(以保證電池的長壽命)、功率密度高、放射性危險性小、容易加工、經(jīng)濟和易于屏蔽等。
根據(jù)放射性同位素放出的射線不同，可以將其分為α源、β源、γ源3類，其中適合作為核電池放射源的有近10種。包括γ源60Co; β源90Sr,137Cs,144Ce 和147Pm; α源210Po,233Pu,241Am,242Cm和244Cm 等。
這些同位素單質(zhì)或化合物通常用耐高溫材料做成的外殼密封，一起構(gòu)成核電池的能量核心。在空間應(yīng)用中最為合適的放射性同位素的是α熱源，如238Pu和210Po，它們的外照射劑量低，所需屏蔽重量小，可以大大節(jié)省火箭發(fā)射費用。238Pu的壽命長，半衰期為87.7a，衰變時釋放的能量為5.48MeV。美國在空間飛行器上均使用238Pu熱源。就238Pu熱源的燃料形式而言，早期曾使用過金屬钚(如SNAP-3B和SNAP-9A)，之后使用了氧化钚微球(如SNAP-19B和SNAP-27)、氧化钚-鉬陶瓷(如SNAP-19和百瓦級RTG)，現(xiàn)今已發(fā)展為熱壓氧化钚(238PuO2)塊(如通用型RTG)。
直接充電式核電池的兩個電極都選用金屬，發(fā)射電子的一端為正極，接收電子的一端為負極。美國康奈爾大學科學家利用銅板和同位素63Ni板作為新型電池，在衰變時63Ni會釋放β粒子，失去電子獲得正電荷，銅板接收β粒子帶負電；外接負載構(gòu)成回路時，鎳銅電池便會開始工作，源源不斷地產(chǎn)生電流，為負載提供電能。63Ni半衰期達100a，按半衰期來算，該電池至少工作50a。
氣體電離式核電池的能量轉(zhuǎn)換靠溢出功有差異的材料實現(xiàn)，一般高溢出功的材料有鉑、氧化鉛、鉬和金等;低溢出功的材料有鎂和鋁等；放射性氣體電介質(zhì)通常為氚或85Kr。若用二氧化鉛(高逸出功)和鎂(低逸出功)作為電極，開路電壓可達1.5V 左右。
輻射伏特效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換核電池、熒光體光電式核電池、熱致光電式核電池和溫差式核電池的發(fā)展都與半導(dǎo)體技術(shù)密切相關(guān)。隨著半導(dǎo)體材料制造技術(shù)的提高，使得這些電池的實際應(yīng)用成為可能。例如，美國能源部提出的先進放射性同位素發(fā)電體系(ARPS)的開發(fā)計劃中就包括熱致光電式核電池，使用的半導(dǎo)體為Ga-Sb元件，另外，Ge和Ga-As元件可較好地滿足要求。采用這種材料制造的核電池的能量轉(zhuǎn)換效率比目前使用溫差式核電池高出2—3倍，這一計劃的實施意味著未來空間能源在輸出同樣的功率時，可以使用較少的放射性同位素原料，并大大減少電池的重量和成本。
溫差式核電池作為一種成熟的核電池，所用的能量轉(zhuǎn)換材料為熱電材料，是核電池的重要部件，其功能是將放射性同位素衰變時產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。溫差熱電轉(zhuǎn)換部分是由一些性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料組成，如碲化鉍、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等，把這些材料串聯(lián)起來，P型半導(dǎo)體元件和N 型半導(dǎo)體元件就作為電池的兩極。它與周圍介質(zhì)之間的溫差通過半導(dǎo)體溫差熱電元件轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱莶?，源源不斷地發(fā)出電來。如將一個包含約11mg的210Po放射源密封在直徑約10mm 的小球里，再與7個鉻鎳康銅溫差電偶組成的核電池，其溫差為78℃，開路電壓為42mV。
迄今為止，美國空間領(lǐng)域應(yīng)用的溫差式核電池總共使用了3種類型的熱電材料。早期均采用PbTe作熱電材料。后來研制了TAGS(Te，Ag，Ge和Si)合金作P型元件，N 型元件仍為PbTe，熱接點溫度可達500—610℃。近年來，在百瓦級溫差式核電池和通用型溫差核電池中又使用了新的熱電材料SiGe，使熱接點溫度提高到1000℃。
