电池原理详细讲解

你知道吗？下一次“核战争”已经近在眼前了，只不过这次的主角并不是什么“杀伤性武器”，而是“核电池”。

核电池或挑起一场新的“核战争”

那么，核电池是什么时候出现的呢？它又经历了怎样的发展历程？它真的能用一万年吗？

核电池的发展回顾

人类和核能之间的“孽缘”基本都开始于上个世纪，核电池也不例外。它是在1913年，由英国物理学家亨利·莫塞莱发明的。

那一年，他利用水晶X射线衍射法观察和测量了多种金属化学元素的波谱，在首创莫塞莱定律之后，顺便设计了世界上第一个核电池。

亨利·莫塞莱发明出第一个核电池

根据资料来看，当时这块核电池使用的是20mCi的β放射源，采用直接收集机制获得150kV的电压以及电流。不过，这块电池也有不少缺点，其中最典型的，就是对真空环境有着严格的要求，在这种情况下，它的可应用领域很少。

后来，人们都发现了核电池的寿命要比普通电池长的多，这种优点刚好符合那一时期准备起步的航天探索事业。所以，一批科学家在忙着搞“核武器”，另一批科学家则忙着研究核电池。

自上世纪五十年代开始，核电池就开始进入了快速发展的阶段，人们通过热电转换机制造出了适用领域更宽泛的核电池，相关的研究甚至扩展到了器件制造和应用方面。

用热电转换机制造出核电池

眼看着这种“超长寿命电池”不断取得研发成果，美国在1956年就制定了核动力辅助计划（简称SNAP），希望核电池的研究可以助力航天发展。到1961年，他们便已实现让核电池飞上太空的壮举了。

如今，核电池的发展已经过去了百年，人们学会了使用核废料制作核电池，进一步提升它的发电性能和寿命等等。

比如，此前美国的NDB公司就表示，他们通过相关技术，造出了一种新型核电池，这种电池的寿命甚至能达到2.8万年左右。

NDB公司研制出了一种新型核电池

那么，为什么核电池的寿命能这么长呢？它的工作原理到底是什么？

核电池的分类及工作原理

核电池又叫放射性同位素电池、原子能电池，虽然与核武器、核电站之类的共同起步发展，但是知名度相对较低，一直比较低调。这就导致大家对它产生了一些误解，比如不少人都觉得核电池就和核电站的发电原理一样，它就是“浓缩版”的核电站。

核电池是一种放射性同位素电池

但事实上，核电站是利用核反应堆当中，原子核裂变释放的核能来发电的，而核电池的发电原理和核裂变一点儿关系都没有。因为它的工作原理，是让其中的同位素衰变产生能量，然后再将这些能量转换成电。

正是因为有这样特殊的发电原理，所以核电池的分类是按照“转换方式”来区分的。人们将其分成了两大类，分别是非热转换型核电池和热转换型核电池。并且这两大类之下可以继续细分，比如非热转换式还可以分为直接充电型、直接转换型和间接转换型。

那么，这两种不同形式的核电池，工作原理又有何差异呢？

核电池的转换方式可以分为两类

首先来说说热转换型核电池。它算是起步发展比较早的一类，技术发展相对成熟。从其名字就能看出，它是利用同位素衰变后产生的热能来发电的。

首选的同位素有人工合成的化学元素锔244、锔242以及钚238，这之中大家比较熟悉的应该是钚238，毕竟它是世界上第二个被合成的超铀元素。

钚238是第二个被合成的超铀元素

钚238不仅能够在衰变的过程当中，释放出大量的热量以供发电，其半衰期的年限还特别长，大约为87.74年。这就意味着，从理论上来说，你拥有了一块由钚238制成的核电池，少说也能用几十年，如果爱惜一点，它的寿命甚至比你家房子的产权年限还长。

目前这类电池常用的机制为热离子转换、热光电转换、贱金属热点转换等等，其中热离子的转化效率虽然高达20％，但是用于转换的原料锔244产量比较少，价格十分昂贵，无形中就提升了制造成本。

热转换型核电池制造成本昂贵

其次再来看看非热转换型核电池。

这类电池主要依靠同位素衰变放出β粒子来发电。以直接充电式核电池为例，它的基本结构就包括放射源、真空系统、电荷收集装置。工作原理是在真空环境之下，发射源发出β或者α粒子，然后被电荷收集装置捕捉到形成电场。

其实从不同核电池的发电原理来看，之所以有人宣传它能使用1万年甚至更久，主要是根据其中同位素的半衰期长短来判断的。不过虽然核电池的半衰期很久，但是也顶不住一直消耗，所以它的实际使用年限应该还是和“用电量”息息相关。

核电池使用年限与用电量息息相关

正因如此，目前“能用一万年”还是有些夸张宣传的意味，再者也没有人有那么“长寿”，真的目睹这个电池在1万年后才耗尽电量。

不管怎么说，核电池的寿命对比其他电池来说，都要长的多，目前研发的核电池大多适用于“耗电量”不太大的设备。

此外，想让核电池真正成为人们“梦想中”那种，能够顺利使用千年或者万年的“超级电池”，还需要进一步改进能量转换机制，因为大部分核电池的能量转换效率都太低了，这是一种浪费。至于将核电池推广进行民用，估计还有十分漫长的路要走，毕竟它们的造价实在是太高了。

核电池的造价太过高昂

不知道NDB公司研制出用“核废料”制作的纳米级钻石核电池，能不能依靠廉价的原料，拉低核电池的市场价格。若是价格够低的话，大家还是很乐意买一块来用用的，不求千年万年，哪怕用5到10年也不亏。

那么，若是未来核电池的研制取得了更大的进步，它将会被应用在哪些领域当中呢？

核电池可以应用在哪些领域中？

首先就是航天领域了，这一领域是各国角逐的主要目标。其实将核电池应用于太空探索，不止是看重它寿命长，还有重量轻，以及小、能够经受强烈振动之类的要求。从目前的情况来看，核电池满足了大部分要求。

因此早在旅行者1号进入太空遨游的时候，美国就为它装上了长效RTG核电池。根据资料来看，它的核燃料是以钚238为主的，咱们在上文中提到过，这是热转换型核电池的首选元素。在拥有了这一电池之后，远游长达几十年的旅行者一号，在2025年前依旧能与咱们保持联络。

旅行者一号的核电池使其能保持运作至2025年

其次就是在进入民用领域后，核电池可以用在手机、电动汽车之上。在装上核电池后，大家就不用再寻找充电宝和充电桩了，因为有生之年内，电池的电量是消耗不完的。

不知道核电池普及使用的这一天，何时才能到来呢？

一旦核电池被普及，或许就不需要充电了

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