黑科技！纳米钻石电池概念测试完成：由核废料驱动 充电一次管28000年

想象一下，智能手机永远不需要充电，电动汽车的续航时间长到子孙后代都能开，太空中的轨道卫星不再担心燃料不足，困扰人类多年的能源危机也无需担忧，这一天或许并不遥远。

近日，一家总部位于美国加州的绿色能源初创公司NDB宣称，已为纳米钻石电池扫清了重大障碍。这种电池由核废料驱动，多层人造钻石（人造金刚石）裹住放射性核心，而人造钻石是地球上最坚硬的材料之一，不用担心辐射问题。

当地时间8月25日，NDB宣布在加州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室和剑桥大学的卡文迪什实验室完成了两项概念验证测试。在实验室中，电池发电效率达到了40%，比起太阳能15% -20%的发电效率有了很大改进。而NDB相信这一数字将能够达到90%。

据报道NDB钻石电池可以自我充电，最长使用寿命为28,000年，不过其联合创始人尼玛·戈沙里菲(Nima Golsharifi)表示，这指的是小型传感器，像电动汽车可以在不充电的情况下运行大约90年，消费类电子产品可能是9年。

NDB首席战略官尼尔·奈克（Neel Naicker）在接受采访时表示:“想象一下这样一个世界，你一整天都不用给iPhone充电。再大胆想一下，一周，一个月…甚至几十年呢？这就是我们利用这项技术所能做到的。”

与需要定期充电的传统锂离子电池相比，纳米钻石电池的功率密度要高很多倍。但NDB表示，他们的电池将配备一个模块化的电源组，以适应不同的电压。此外，任何多余的电荷都将储存在二次充电存储器中，比如电容器、超级电容器和二次电池。

两层钻石加持下，电池更高贵

钻石电池其实是核电池的一种，这一概念还比较新，于2016年11月25日，在英国老牌名校布里斯托尔大学卡波特研究所举行的“妙思改变世界”年度演讲活动中，由该校材料学教授汤姆·斯科特(Tom Scott)首次提出。

当时，斯科特激情澎湃地介绍:“不涉及任何活动部件，不产生排放，也不需要维护，只需要直接发电。通过将放射性物质封装在钻石内部，我们将核废料的长期难题转化为核动力电池，变为一种长期清洁能源。” 

按照斯科特团队的构思，钻石电池的核心是一小块回收的石墨核废料，基于放射性同位素的β衰变和α衰变，以两层人造钻石封装这种放射性同位素。

这种石墨核废料里富含碳-14放射性同位素，经过衰变变成氮，在这个过程中释放一个反中微子和一个衰变电子。将石墨提纯后，用它来制造微小的碳-14钻石。钻石结构就像半导体和散热器一样，收集电荷并将其输送出去。将具有放射性的碳-14钻石完全包裹起来的是一层廉价的、非放射性的、实验室制造的碳-12钻石，它含有高能粒子，可以防止辐射泄漏，并充当一层超级坚硬的保护和防干扰层。

因此，钻石电池就像一块火腿三明治，火腿是放射性部分，此外还有黄油、面包片，面包片相当于夹住放射性部分的人造钻石。不过，研究团队当时展示却是一种使用镍-63而非碳-14作为辐射源的“钻石电池”原型。

为了制造电池，需要将这种纳米金刚石材料的几层堆叠起来，并与一个微型集成电路板和一个小型超级电容器一起存储，以收集、存储和立即分配电荷。NDB表示，它将符合任何形状或标准，包括AA、AAA、18650、2170或各种定制尺寸。

值得注意的是，由于碳-14的半衰期是5,730年，也就是它的放射性衰减到最初效力的一半所需要的时间。因此，一块2016年生产的电池可以满负荷运转到7746年，之后，它的有效性将取决于它所供电设备的需求。

航空、国防领域先尝鲜

从成本来看，钻石电池与目前的电池(包括锂离子电池)相比，在价格上极具竞争力，而且一旦大规模生产，可能会更便宜——核废料的所有者甚至可能要付钱给该公司来解决他们手中的“烫手山芋”。

从参与者来看，钻石电池的研究团队孵化出了两家公司，其中之一是上文提到的NDB，于2019年2月4日在美国加州成立。NDB的最终目标是将电池转变为一种可行的能源，用于任何消耗电池的东西，大到飞机、电动汽车、火车等，小到智能手机、可穿戴设备和微型工业传感器。

在完成概念验证后，NDB目前正在研制第一款商用电池的原型，一款低能耗的商用版本预计将在两年内上市，而高性能版本预计将在五年内上市。 

据NDB透露，最近签约了第一批测试客户，这些客户将实际接收并使用首批原型。虽然没有具体名字，但声明称其中一家是“核燃料循环产品和服务的领导者”，另一家是“全球领先的航空、国防和安全制造公司”。显然，这类技术在几乎所有领域都有吸引力，尤其是国防和航空这种财力最为雄厚的领域。

另一家则在英国伦敦，名为Arkenlight，由该研究领头人斯科特和合作伙伴化学家尼尔·福克斯(Neil Fox)于今年8月14日创立，CEO为摩根·博德曼（Morgan Boardman）。与NDB不同的是，Arkenlight此前就已经创造出了原型，采用的是碳-14和少量的氚(放射性氢的一种形式)作为β射线来源，未来他们将建立一个试点设施来批量生产。该公司计划在2024年之前将其首个商用核能电池投放市场。

此外，Arkenlight目光瞄准的是无法定期更换电池的应用，比如位于核废料仓库或卫星中偏远或危险位置的传感器；以及一些离个人更近的应用，比如心脏起搏器或可穿戴设备。Arkenligh设想的未来是，人们在保留电池的同时更换设备，而不是像现在频繁更换电池。

不过，Arkenlight还没有使用经过改造的核废料制造出核电池，在准备投入使用之前，这种核钻石电池在实验室里还需要几年时间改进。但这项技术已经吸引了太空和核工业的兴趣。据报道，Arkenlight最近从欧洲航天局拿到一份合同，为 “卫星射频识别标签”开发钻石电池，这种标签可以发出微弱的无线电信号，可以在几千年的时间里识别卫星。

此外，除了这两家公司，还有一些美国公司，如City Lab和Widetronix，几十年来一直在开发商用核电池。这些公司专注于使用氚而不是碳-14钻石作为更传统的多层核电池的核动力来源。

核废料“救星”来了

钻石电池如果被开发出来，不仅在商业上前景广阔，而且对环境友好。核废料在全世界都是一个非常棘手的问题，核工业每年为此开支超过数亿美元。根据美国能源部的数据，美国的核反应堆总共每年产生超过2000吨的放射性废料，其中大部分最终都被弃置在现场，因为没有其它地方存放。

而在英国就有将近10万吨被辐射的石墨，如果这些核废料能够被钻石电池加以利用，悬在人类头上的能源危机迎刃而解。

此前，英国原子能机构从35吨被辐射的石墨块中回收了另一种用于核电池的放射性同位素氚，Arkenlight小组正与该机构合作，希望从石墨块中回收碳-14。

如果Arkenlight和NDB成功了，它们将获得几乎取之不尽用之不竭的原材料来制造核电池。英国的AEA估计，不到100磅的碳-14就足以制造数百万个核能电池。此外，通过从石墨块中去除放射性碳-14，将把它们从高放射性核废料降级为低放射性核废料，这使得它们在长期储存时更容易处理，也更安全。

而NDB的联合创始人尼玛·戈沙里也表示公司更着眼于保护环境，“我们非常关心地球安危，致力于降低气候变化，为子孙后代保护我们的地球。”

钻石电池项目顾问、英国伦敦大学学院计算机科学家约翰·谢威-泰勒(John Shawe-Taylor)博士说，NDB能以“接近零的环境影响和能源运输成本”解决全球能源危机。比如化石燃料电站、水电站、涡轮机、或核电站，“他们的技术能够在很长一段时间内提供能源，而不需要充电、加油或维修。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/index.html

https://newatlas.com/energy/nano-diamond-battery-interview-

https://www.wired.com/story/are-radioactive-diamond-batteries-a-cure-for-nuclear-waste/

http://www.bristol.ac.uk/cabot/news/2016/diamond-battery.html