贝塔伏打技术与核钻石电池相关信息研究报告(1.5万字)_展会资讯_资讯

贝塔伏打技术与核钻石电池相关信息研究报告(1.5万字)

摘要

贝塔伏打技术（Betavoltaic Technology）是一种利用放射性同位素衰变产生的β粒子（高能电子）直接转换为电能的新型能源技术。作为核电池的重要分支，它具有寿命极长、能量密度高、环境适应性强等独特优势，特别适用于传统电池难以胜任的低功率、长续航场景。

本报告系统梳理了贝塔伏打技术的核心概念、技术原理、发展历史、典型案例、商业化现状及未来趋势。

研究发现，该技术与核钻石电池（Nuclear Diamond Battery）存在密切关联，但并非完全等同关系：核钻石电池是贝塔伏打技术的一种先进实现形式，以人造金刚石作为半导体转换材料。

截至2025年，全球已有超过十家企业进入该领域，商业化进程正在加速。报告详细分析了Arkenlight、City Labs、NDB Inc.、Betavolt、Widetronix、BetaBatt、Infinity Power、Direct Kinetic Solutions、Qynergy等九家公司及科研机构的技术路线与产品参数，并对关键技术瓶颈、市场前景进行了探讨。

技术概述

1.1 核心概念澄清

1.1.1 贝塔伏打技术的定义

贝塔伏打技术是一种利用β粒子（电子或正电子）直接产生电流的核电池技术。其核心原理是：放射性同位素衰变释放的β粒子轰击半导体材料，在半导体内部产生电子-空穴对（Electron-Hole Pairs, EHPs），这些载流子被PN结或肖特基结的内建电场分离并被电极收集，从而形成持续的直流电流。

与传统的放射性同位素热电发生器（Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG）不同，贝塔伏打技术采用非热转换方式，直接将β粒子的动能转化为电能，绕过了"热能中间环节"。这一特性使其更适合小型化和微型化应用。

1.1.2 核钻石电池与贝塔伏打技术的关系

核钻石电池（Nuclear Diamond Battery）是贝塔伏打技术的一种先进实现形式，而非完全等同的概念。具体关系如下：

	贝塔伏打技术	核钻石电池
技术范畴	上位概念，包含所有基于β粒子-半导体转换的技术	贝塔伏打技术的一个子类别/先进形式
核心特征	放射性同位素 + 半导体PN结/肖特基结	放射性同位素 + 人造金刚石半导体
半导体材料	硅、SiC、GaN、金刚石等	仅限人造金刚石（单晶金刚石或类金刚石薄膜）
提出时间	1970年代	2016年（布里斯托大学团队首次提出概念）
代表应用	NanoTritium电池、各种SiC基电池	Arkenlight碳-14钻石电池、Betavolt镍-63钻石电池

核钻石电池的独特优势在于：

金刚石具有超宽禁带（5.47 eV），可承受高能粒子辐射而不易发生晶格损伤
极高的热导率（是铜的5倍），有利于散热
化学稳定性极佳，可作为β粒子的有效屏蔽层，同时完成能量转换
碳-14同位素可嵌入钻石结构，实现放射源与半导体的一体化

1.1.3 其他载体形式

除核钻石电池外，贝塔伏打技术还存在以下主要载体形式：

半导体材料	典型公司/研究机构	特点
硅（Si）	BetaBatt、Qynergy	工艺成熟、成本低，但禁带窄（1.12 eV）、辐射耐受性差
碳化硅（SiC）	Widetronix、Direct Kinetic Solutions	禁带较宽（3.27 eV）、工艺相对成熟，当前商业化首选
氮化镓（GaN）	City Labs（推测）	禁带宽度大（3.44 eV），但载流子扩散长度受限
氧化镓（Ga₂O₃）	学术研究阶段	超宽禁带（4.8-5.3 eV），潜力大但技术不成熟
氮化铝（AlN）	学术研究阶段	超宽禁带（6.2 eV），理论效率高但少子寿命极短
金刚石（C）	Arkenlight、Betavolt、MIPT/TISNCM	超宽禁带、辐射耐受性最佳，制备难度大

1.2 技术原理详解

1.2.1 基本工作原理

贝塔伏打电池的工作过程可概括为以下步骤：

放射性同位素衰变 → 发射β粒子 → β粒子进入半导体 → 产生电子-空穴对(EHPs)→ 内建电场分离载流子 → 电极收集形成电流

具体而言：

β粒子发射：放射性同位素（如氚、镍-63、碳-14）发生β衰变，释放高能电子（β粒子）
能量沉积：β粒子穿透半导体材料，与原子发生非弹性碰撞，逐级损失能量
EHP生成：每个β粒子（约50-200 keV能量）可产生数千至数万个电子-空穴对
载流子分离：在PN结或肖特基结的耗尽区内建电场作用下，电子和空穴分别向N区和P区漂移
电流输出：载流子被电极收集，在外部电路形成持续电流

能量损失机制：约2/3的β粒子能量以声子（晶格振动热能）形式损失，是转换效率的主要限制因素。

1.2.2 关键参数与效率限制

能量转换效率公式：

其中：

• E_g = 半导体禁带宽度

• E_{EHP} = 产生一个电子-空穴对所需的平均能量

Shockley-Queisser类限制：与光伏电池类似，单带宽隙贝塔伏打电池存在理论效率上限。

不同材料的理论效率对比（63Ni同位素）：

半导体	禁带宽度	电子-空穴对产生能	短路电流密度	开路电压	理论/模拟效率
4H-SiC	3.27 eV	7.78 eV	156 nA/cm²	2.66 V	~22%
GaN	3.44 eV	~10 eV	~95 nA/cm²	2.86 V	~17-21%
金刚石	5.47 eV	12.4 eV	72 nA/cm²	4.91 V	~29-31%

注：金刚石的理论效率最高，但受限于n型金刚石掺杂技术的不成熟，实际器件性能依然低于理论值。

1.3 常用放射性同位素

同位素	半衰期	β粒子最大能量	比功率	主要优势	主要劣势	典型应用
氚（³H）	12.3年	18.6 keV	325 mW/g	最安全（一张纸即可屏蔽）、成本较低	比功率低、半衰期短	City Labs NanoTritium、Widetronix Firefli-T
镍-63（⁶³Ni）	100.1年	67 keV	5.8 mW/g	半衰期长、β能量适中	比功率低、需核反应堆生产	Betavolt BV100、MIPT原型、Widetronix Firefli-N
碳-14（¹⁴C）	5,730年	156 keV	~0.1 mW/g	半衰期极长、来源广泛（核废料）	比功率极低、β能量较高	Arkenlight钻石电池、DGIST原型
钷-147（¹⁴⁷Pm）	2.6年	225 keV	~0.1 W/g	比功率较高	半衰期太短、含杂质发出γ射线	Betacel（历史）、Qynergy研究
锶-90（⁹⁰Sr）	28.8年	546 keV	~0.9 W/g	比功率高	需从核废料提取、γ辐射需屏蔽	Zeno Power（热转换式）

发展历史轨迹

2.1 技术起源（1913-1950年代）

年份	事件	意义
1913	英国物理学家亨利·莫塞莱（Henry Moseley）设计第一个核电池，使用镭源产生150 kV电压	开创核能直接发电的先河
1929	Ioffe首次提出热电转换机制	为RTG技术奠定基础
1937	Becker和Kruppke利用电子轰击硒材料，观察到半导体产生电子-空穴对	首次发现β辐射伏特效应
1953	保罗·拉帕波特（Paul Rappaport）提出利用半导体PN结将β衰变能转化为电能，发表关于硅基β辐射伏特电池的开创性论文	贝塔伏打技术概念正式诞生
1954	美国原子能委员会展示首个实用核电池，使用锶-90源	核电池实用化开端

2.2 商业化探索期（1960-1980年代）

年份	事件	意义
1961	美国成功发射载有放射性同位素温差发电器的导航卫星	核电池首次太空应用
1968-1974	Larry C. Olsen团队（麦克唐纳-道格拉斯实验室）开发Betacel贝塔伏打电池	首个商业化贝塔伏打电池
1970s	Betacel电池被用于心脏起搏器，植入超过285名患者（其中60名在美国）	医学植入式贝塔伏打电池首次临床应用
1971	中国第一台核电池（²¹⁰Po电池）安装试验成功	中国核电池领域起步
1988	锂电池起搏器商业化，贝塔伏打电池逐渐退出市场	锂电池成本优势终结第一代贝塔伏打商业化

关键人物：

• Larry C. Olsen：Betacel发明者，麦克唐纳-道格拉斯实验室研究团队负责人，后加入City Labs担任研究总监

• Paul Rappaport：贝塔伏打技术理论奠基人，1953年首次论证半导体PN结β辐射伏特效应的可行性

Betacel技术参数：

• 输出功率：~400 μW

• 功率密度：~0.025 mW/cm³

• 体积：~1立方英寸（16 cm³）

• 能量转换效率：~4%

• 同位素：钷-147

2.3 技术复兴期（2000-2010年代）

年份	事件	意义
2001	Qynergy Corporation成立	贝塔伏打技术商业化复兴开始
2005	City Labs, Inc.（佛罗里达国际大学孵化）成立	氚贝塔伏打电池商业化先驱
2008	City Labs开发首个NanoTritium电池原型	现代氚贝塔伏打电池首次亮相
2010	City Labs获得美国核管理委员会（NRC）通用许可证	行业首个也是唯一的通用许可证
2010	Widetronix, Inc.（康奈尔大学分拆）成立	SiC基贝塔伏打电池商业化
2012	City Labs推出首个商业化NanoTritium P100电池（100 μW，20克）	现代贝塔伏打电池首次商业销售
2016	布里斯托大学Cabot研究所首次提出核钻石电池概念	核钻石电池时代开启
2017	布里斯托大学团队制作首个镍-63钻石电池原型	核钻石电池概念验证
2018	MIPT/TISNCM团队宣布镍-63钻石电池原型，能量密度达3.3 kW·h/kg	俄罗斯核钻石电池突破

2.4 商业化加速期（2020年代至今）

年份	事件	意义
2020	Arkenlight公司成立（布里斯托大学技术商业化）	碳-14钻石电池商业化启动
2020	NDB Inc.完成概念验证测试（劳伦斯利弗莫尔国家实验室+剑桥大学）	纳米钻石电池概念验证
2021	Betavolt（北京贝塔伏特新能源科技有限公司）成立	中国进入贝塔伏打商业化赛道
2023	Betavolt获得中核集团创新大赛三等奖	中国核技术界认可
2024.01	Betavolt发布BV100微型原子能电池（镍-63+钻石半导体，100 μW，50年寿命）	首个进入中试阶段的微型核钻石电池
2024.06	Infinity Power宣布能量转换效率>60%的核电池	打破传统半导体转换效率限制
2024.12	布里斯托大学+英国原子能管理局（UKAEA）宣布首个碳-14钻石电池	核钻石电池从概念到实体
2025.03	DGIST（韩国）开发碳-14钙钛矿贝塔伏打电池，效率2.86%	新型材料体系突破
2025.05	Zeno Power完成5000万美元融资	核电池领域最大单笔融资
2025.07	DGIST发表10.79%效率的钙钛矿贝塔伏打电池（碳-14量子点+钙钛矿层）	有记录以来钙钛矿基贝塔伏打电池最高效率
2026.05	NDBI（Nuclear Diamond Batteries, Inc.）收到USPTO第二项专利许可通知书（No. 17/928,967，高孔隙率电极架构，19项权利要求）；公司已在OTC上市（代码NDBI）	核钻石电池IP布局加速，商业化路径进一步明确；官方寿命描述从"28,000年"收敛为"数十年"

典型案例详述

案例1：Arkenlight（英国）

公司概况：

• 总部：英国布里斯托

• 成立：2020年（从布里斯托大学分拆）

• CEO：Morgan Boardman（前Aspire Diamond Group战略顾问）

• 核心技术来源：布里斯托大学Tom Scott教授团队

• 合作机构：英国原子能管理局（UKAEA）

技术路线：

• 专注于碳-14钻石电池

• 以核电站退役石墨块中提取的碳-14作为放射源

• 人造金刚石（含碳-14）夹在非放射性碳-12钻石层之间

• 同时开发氚贝塔伏打电池（已商业化）

里程碑：

• 2024年9月：成功制造碳-14钻石层（世界首次）

• 2024年12月：与UKAEA联合发布首个碳-14钻石电池原型

技术参数：

• 碳-14半衰期：5,730年（理论寿命可达数千年）

• 每日能量输出：~15 J/day（1克碳-14）

• 开路电压：~2 V（原型堆叠）

应用目标：

• 心脏起搏器（永久植入）

• 深海传感器

• 太空探索设备

• 核废料资源化利用

案例2：City Labs, Inc.（美国）

公司概况：

• 总部：美国佛罗里达州迈阿密

• 成立：2005年（佛罗里达国际大学孵化）

• 联合创始人：Peter Cabauy（物理学家）、Denset Serralta

• 研究总监：Larry C. Olsen（Betacel发明者）

核心技术：

• NanoTritium™氚贝塔伏打电池

• 专有半导体二极管技术（推测为GaN或类似宽禁带材料）

• 可在单一芯片上堆叠多个电池单元

核心产品 - P100系列 NanoTritium电池：

参数	数值
输出电压	0.8-1.1 V
电流密度	150 nA/cm²
半衰期	12.32年
设计寿命	20+年
工作温度	-55°C 至 +150°C
氚活度	可达100 Ci（NRC许可上限）
安全性	NRC通用许可证（无需专门辐射许可）

商业化成就：

• 2010年：获得行业首个NRC通用许可证

• 2012年：首个商业化氚贝塔伏打电池上市

• 2023年：获得NASA创新先进概念（NIAC）奖项

• 2024年：NASA合同开发月球永久阴影环形山水资源探测自主传感器

竞争优势：

• 唯一获得NRC通用许可的贝塔伏打电池厂商

• 15年以上的原型仍在运行（验证可靠性）

• 已通过洛克希德·马丁第三方测试

案例3：Betavolt（北京贝塔伏特新能源科技有限公司）

公司概况：

• 总部：中国北京

• 成立：2021年4月

• CEO：张伟

• 技术定位：微型化、模块化、低成本原子能电池

核心技术：

• 镍-63β衰变 + 单晶金刚石半导体（第4代半导体）

• 全球唯一声称能掺杂制作大尺寸金刚石半导体材料的公司

• 结构：2微米厚镍-63薄片夹在两个10微米厚金刚石半导体转换器之间

旗舰产品 - BV100：

参数	数值
尺寸	15 × 15 × 5 mm³（比硬币还小）
输出功率	100 μW
电压	3 V
设计寿命	50年
能量密度	3,300 mW·h/g（是三元锂电池的10倍以上）
工作温度	-60°C 至 +120°C
安全性	针刺、枪击不起火不爆炸；无外部辐射

技术路线图：

• 2024年：BV100进入中试阶段

• 2025年：推出1瓦功率电池

• 未来：使用锶-90、钷-147、氘等同位素，寿命可达230年

市场目标：

• 航空航天

• AI设备

• 医疗器械（心脏起搏器、人工心脏、耳蜗）

• MEMS系统

• 高级传感器

• 小型无人机、微型机器人

竞争优势：

• 中国十四五规划核技术民用化重点支持

• 已在北京注册专利，并开始全球PCT专利布局

• 中核集团创新大赛三等奖

来源：Betavolt官网，China Daily (2024)，Tom's Hardware (2024)

案例4：Widetronix, Inc.（美国）

公司概况：

• 总部：纽约州伊萨卡

• 成立：2008年（康奈尔大学Spencer研究团队分拆）

• CEO：Jonathan Greene

• CTO：Dr. Christopher Thomas

• 首席科学顾问：Dr. Michael Spencer

核心技术：

• 碳化硅（4H-SiC）PN结贝塔伏打电池

• 从康奈尔大学独家许可宽禁带半导体技术

• 美国国防部资助（超过500万美元）

核心产品 - Firefli™系列：

型号	同位素	半衰期	氚活度范围	输出功率	开路电压
Firefli-T	氚（³H）	12.3年	25 mCi - 2.5 Ci	10 nW - 1 μW	2-6 V
Firefli-N	镍-63	100.1年	5 mCi - 500 mCi	5 nW - 500 nW	2-6 V

衍生产品：

• 实时时钟（RTC）：可运行25年以上的贝塔伏打供电时钟

• 功率脉冲控制器（PBC）：与微控制器集成，支持休眠模式唤醒

技术优势：

• 4H-SiC的理论转换效率>20%

• 开路电压可达2.0 V（硅基的约4倍）

• 纹理化（3D）结构可提高8倍输出功率

市场定位：

• 国防（反篡改电路）

• 医疗（传感器）

• 工业（物联网）

案例5：NDB Inc. → Nuclear Diamond Batteries, Inc. / NDBI（美国）

公司概况：

• 总部：美国加利福尼亚州

• 成立：2019年

• CEO：Dr. Nima Golsharifi（南安普顿大学本科，UCL纳米技术硕士/博士）

• 上市：OTC市场，代码NDBI

核心技术：

• 纳米钻石电池（Nano Diamond Battery）

• 碳-14同位素 + 碳化硅（SiC）半导体 + 专有液态半导体换能器

• 多层封装系统（HyPCD技术）

• 核废料回收再利用

声称的技术优势：

• 能量转换效率：声称40%（待独立验证）

• 寿命：最高28,000年（碳-14同位素）

• 多层安全屏障：离子注入锁定系统

技术平台：

平台	描述	目标应用
Cell	核伏打电池，纳瓦至毫瓦级	消费电子、医疗设备、物联网传感器
Chantico	下一代放射性同位素热电发生器	太空探索、关键基础设施
Volta	小型模块化反应堆	千瓦至兆瓦级

概念验证：

• 2020年8月：与劳伦斯利弗莫尔国家实验室完成概念验证

• 2020年8月：与剑桥大学卡文迪什实验室完成概念验证

合作伙伴：

• 空客（Airbus）

• 剑桥大学

商业化计划：

• 目标：2030年商业发布

• 初期目标：医疗器械、航空航天

最新进展（2026年5月12日）：

• 公司已更名为Nuclear Diamond Batteries, Inc.，在场外交易市场上市，代码OTC: NDBI

• 收到美国专利商标局（USPTO）的"许可通知书"（Notice of Allowance），专利号17/928,967，涵盖19项权利要求

• 该专利覆盖高孔隙率电极架构，旨在提升核钻石电池的储荷能力、能量传输效率和长期稳定性

• 这是NDBI的第二项专利。第一项专利（No. 17/926,508）约一年前获批，覆盖核伏打转换中的钻石半导体结构。两项专利分别覆盖"发电"和"储电/输电"，构成更完整的商业化平台

• 专利通过控股子公司AtomiQ, Inc.持有，更多专利申请仍在审理中（覆盖半导体结构、同位素集成方法、能量优化系统）

• 长期战略：构建从贝塔伏打转换到核废料同位素回收的垂直整合IP组合

• 目标市场表述：航空航天、国防、医疗植入物、远程工业监控、IoT传感器、水下系统、自主机器人、深空探测、低功耗计算基础设施

⚠️值得注意的是：本次官方新闻稿对电池寿命的描述为"可能持续数十年"，相较于此前"28,000年"的声明有明显收敛，措辞更为审慎

• 学界动态：布里斯托大学和英国原子能管理局（UKAEA）持续进行贝塔伏打技术研究

案例6：MIPT/TISNCM（俄罗斯团队）

机构概况：

• 主导单位：莫斯科物理技术学院（MIPT）

• 合作单位：超硬和新型碳材料技术研究所（TISNCM）、MISIS国立科技大学

• 团队负责人：Vladimir Blank教授（TISNCM所长、MIPT纳米结构物理与化学系主任）

核心成果 - 镍-63钻石核电池原型（2018）：

参数	数值
镍-63层厚度	2 μm
金刚石转换器厚度	10 μm
转换器层数	200层
输出功率	~1 μW
功率密度	10 μW/cm³
能量密度	3.3 kW·h/kg（是传统电化学电池的10倍）
同位素半衰期	100年

技术突破：

首次通过蒙特卡洛模拟优化镍-63源和金刚石转换器的厚度配比
开发了独特的大面积超薄金刚石片合成和分离技术
解决了传统核电池体积过大的问题

商业化障碍：

• 俄罗斯缺乏镍-63工业化生产设施

• 计划2020年代中期建立镍-63生产体系

后续发展：

• 2016年：MISIS团队首次展示镍-63原型

• 2017年：TISNCM和LUCH联合原型在Atomexpo 2017展出

• 持续研究向碳-14钻石电池方向拓展

案例7：Infinity Power（美国）

公司概况：

• 总部：加利福尼亚州欧申赛德

• 成立：2013年

• CEO/Founder：Dr. Jae W. Kwon（南加州大学博士，曾任密苏里大学教授）

• 融资：已获美国国防部SBIR资助超过340万美元；2024年6月获B轮融资

核心技术：

• 创新电化学能量转换机制（非传统半导体基贝塔伏打）

• 将放射性同位素溶解为电解质进行能量转换

• 金属封装硬币电池设计

革命性突破（2024年6月）：

参数	数值
能量转换效率	>60%（行业最高）
传统贝塔伏打效率	<10%
同位素	镍-63（推测）
封装	金属封装硬币电池
可扩展功率范围	纳瓦至千瓦

技术优势：

• 效率是其他核电池的5倍以上

• 高效率意味着同等功率下使用更少放射性材料

• 可使用更广泛的同位素选择

应用目标：

• 深海电源系统

• 太空电源系统

• 远程区域电源

• 微电网电源

• 植入式医疗设备

商业化计划：

• 目标：两年内（2026年前）上市

• 当前：生产测试用硬币电池

• 下一步：获政府销售批准

案例8：DGIST（韩国大邱庆北科学技术院）

机构概况：

• 研究团队：能源科学与工程系Su-Il In教授团队

• 发表期刊：Chemical Communications (2025.02)、Carbon Energy (2025.07)

技术路线：钙钛矿贝塔伏打电池

研究成果1（2025年3月发表）：

• 染料敏化贝塔伏打电池（Dye-sensitized betavoltaic cell）

• 使用碳-14作为阳极和阴极（双极设计）

• 二氧化钛半导体 + 钌基染料

• 效率：2.86%

• 功率密度：20.75 nW/cm²/mCi

研究成果2（2025年7月发表）：

• 世界首个混合钙钛矿贝塔伏打电池

• 碳-14量子点电极 + 甲脒碘化铅（ FAPbI₃）钙钛矿吸光层

• 双添加剂策略（MACl + CsCl）增强钙钛矿稳定性

• 效率：10.79%（钙钛矿基贝塔伏打电池世界最高）

• 连续运行时间：最长9小时（实验室测试）

技术突破：

电子迁移率提高约56,000倍
首次证明碳-14量子点与钙钛矿材料的集成可行性
电子雪崩效应：每个入射β粒子产生超过40万载流子

案例9：Direct Kinetic Solutions（美国）

公司概况：

• 总部：德克萨斯州埃尔帕索

• 成立：2019年

• 核心技术：金属有机框架（MOF）储氚 + SiC/InGaP半导体

SBIR II期项目（2025-2027）：

• 资助方：美国国家科学基金会（NSF）

• 金额：$985,369

• 目标：开发20年连续供电的放射性同位素电源

技术特色：

MOF储氚技术：通过金属有机框架安全存储和缓慢释放氚
SiC + InGaP半导体：优化的宽禁带材料组合
模块化堆叠设计：可定制功率输出

目标应用：

• 军事/国防（远程传感器、监视设备）

• 太空（卫星、深空探测器）

• 物联网（资产追踪、环境监测）

• 医疗（心脏起搏器）

专利：2025年4月获"通过MOF进行氚吸收和储存用于贝塔伏打电源"专利

案例10：Qynergy Corporation（美国）

公司概况：

• 总部：新墨西哥州阿尔伯克基

• 成立：2001年

• 投资方：In-Q-Tel（美国中央情报局投资部门，2002年）

早期成就：

• 与密苏里大学研究反应堆（MURR）合作

• 获得11%的能量转换效率（当时最高纪录）

• 传统记录：5%

核心技术 - QynCells™：

• 氚基贝塔伏打电池

• 可提供毫瓦至数十毫瓦功率

• 设计寿命：1-20年

应用领域（早期）：

• 国土安全

• 国防

• 军事

转型：Qynergy已从纯贝塔伏打电池转向更多样化的储能技术，包括QynCap超级电容器（海军机载定向能武器用）

案例11：BetaBatt Inc.（美国）

公司概况：

• 总部：德克萨斯州休斯顿（已停止运营）

• 核心技术：3D直接能量转换（DECTM）架构

• 关键创新：多孔硅3D结构 + 氚源分布在整个单元体积内

DECTM技术原理：

• 将氚源分布到整个3D多孔硅结构体积中（而非传统2D平面设计）

• 电流产生不是表面效应，而是发生在整个活性体积内

• 可实现10倍于传统2D设备的转换效率

产品规格（宣称）：

代际	功率密度
第一代	50 μW/cm³
第二代	175 μW/cm³
远期目标	2,000 μW/cm³

竞争优势：

• 1/4尺寸电池，12-20年寿命

• 制造工艺与标准半导体工艺兼容

• 比能量与锂电池相当，但寿命长10倍以上

终止原因：

• 2010年代后期停止运营（技术或商业化困难）

案例12：Zeno Power（美国）

公司概况：

• 总部：美国

• 成立：约2020年

• CEO：Dr. Matthew G. Johnson

• 融资：已获超过4000万美元国防部和NASA合同；2025年5月完成5000万美元B轮融资

核心技术：

• 放射性同位素功率系统（RPS）

• 锶-90热源 + 斯特林发动机

• 与橡树岭国家实验室（ORNL）合作获取锶-90

产品线 - RSG（Radioisotope Stirling Generator）：

参数	数值
功率范围	1-100瓦
燃料	锶-90、镅-241
设计寿命	5年以上
同位素来源	核废料回收

里程碑：

• 2024年1月：与能源部签署协议，从ORNL获取锶-90

• 2023年10月：在太平洋西北国家实验室（PNNL）完成新型热源首次示范

• 目标：2026年前向美国国防部交付首批核电池

应用场景：

• 月球/火星表面（极寒和黑暗环境）

• 深海（高压力、低温）

• 极地/北极

当前发展现状

4.1 全球主要玩家概览

根据市场研究，核电池市场的主要参与者包括：

公司	国家	技术路线	产品阶段	融资/合同
Arkenlight	英国	碳-14钻石	原型/预商业化	布里斯托大学技术转化
City Labs	美国	氚贝塔伏打	商业化	NASA、国防部合同
NDBI（NDB Inc.）	美国	碳-14纳米钻石	专利布局/OTC上市（NDBI）	空客、剑桥大学合作；2项USPTO专利
Betavolt	中国	镍-63钻石	中试	中核集团认可
Widetronix	美国	SiC贝塔伏打	原型	国防部500万美元+
Infinity Power	美国	电化学核电池	预商业化	国防部340万美元
Zeno Power	美国	锶-90斯特林	预商业化	4000万美元合同
Direct Kinetic Solutions	美国	MOF储氚贝塔伏打	研发	NSF 98万美元
DGIST（学术）	韩国	钙钛矿贝塔伏打	实验室	韩国政府
MIPT/TISNCM（学术）	俄罗斯	镍-63钻石	原型	政府资助

市场集中度：前10大玩家仅占2024年市场总收入的0.08%，反映极高的技术和监管壁垒。

4.2 技术参数横向对比

公司/项目	同位素	半导体	效率	功率密度	寿命	成熟度
City Labs P100	氚	专有（推测GaN）	~5-8%	0.025 mW/cm³	20年+	商业化
Widetronix SiC	氚/镍-63	4H-SiC	>20%（理论）	10s nW/cm²	25年+	原型
Betavolt BV100	镍-63	金刚石	未公布	100 μW（总）	50年	中试
Arkenlight	碳-14	金刚石	未公布	~μW级	千年	原型
DGIST	碳-14	钙钛矿	10.79%	低	数年	实验室
Infinity Power	镍-63（推测）	电化学	>60%	中	世纪级	预商业化
MIPT 2018	镍-63	金刚石	~3%	10 μW/cm³	100年	原型

来源：综合自上述各公司官网及学术论文

4.3 市场规模与预测

根据多家市场研究机构的预测：

年份	全球核电池市场规模	备注
2020	~3.49亿美元	历史数据
2024	~8.15亿美元	估计
2025	~81.5亿美元	暂无统一口径
2030	~116亿美元	预测（7.39% CAGR）

细分市场：

• 贝塔伏打电池：因体积小、功率密度适中，在医疗设备和物联网领域占据领先地位

• RTG（热电式）：在太空和深海等高功率需求场景保持优势

未来发展趋势

5.1 当前技术瓶颈

瓶颈类型	具体问题	影响
能量转换效率	当前商业技术效率多在10%以下	功率输出受限
功率密度	最多mW级，无法驱动高功耗设备	应用场景受限
材料制备	金刚石、SiC等宽禁带半导体工艺复杂、成本高	商业化成本高
同位素供应	镍-63、碳-14等需要核反应堆或特殊工艺生产	供应链不稳定
安全监管	核材料使用需要严格许可	市场准入门槛高
自吸收效应	β粒子在放射源内部被吸收	能量损失
辐射损伤	高能粒子长期轰击导致半导体晶格损伤	寿命衰减

5.2 突破方向

5.2.1 新型半导体材料

材料	禁带宽度	理论效率	研发状态	备注
氮化硼（BN）	6.0 eV	~34%	理论预测	尚未实际制备
金刚石	5.47 eV	~29-31%	原型验证	n型掺杂是瓶颈
氧化镓（Ga₂O₃）	4.8-5.3 eV	~18%	早期研究	可在商业SiC生产线上加工
氮化铝（AlN）	6.2 eV	~22%	早期研究	少子寿命极短

5.2.2 新型同位素方案

同位素	半衰期	突破潜力	研究机构
锕系核素（如镅-241）	432年	苏州大学实现8000倍效率提升	苏州大学王殳凹团队
碳-14	5,730年	与钻石半导体结合	Arkenlight、Betavolt
钚-238	87.7年	高能量密度，但γ辐射需屏蔽	Zeno Power

注：2024年9月，苏州大学团队在《自然》发表论文，提出"内置能量转换器"概念，将锕系核素衰变能转化为光能效率提升近8000倍，并组装出当时已知效率最高的辐光伏核电池。

5.2.3 新型器件架构

3D结构设计（如BetaBatt的多孔硅结构、Widetronix的纹理化SiC）：可增加10倍以上的活性面积
双面同位素设计（如DGIST的碳-14阴阳极双置）：减少β粒子传输距离损失
钙钛矿集成（如DGIST的钙钛矿贝塔伏打电池）：10.79%效率突破
电化学转换（如Infinity Power）：60%以上效率

5.3 市场前景

5.3.1 增长驱动因素

长寿命电源需求：物联网传感器、深空探测、极地科考
医疗设备需求：永久植入式起搏器、人工器官
极端环境应用：深海、高辐射区域、高温环境（金星表面可达460°C）
核废料资源化：碳-14钻石电池可将核电站废石墨转化为能源
AI和边缘计算：需要极低功耗、永久在线的电源

5.3.2 潜在应用场景

应用领域	典型场景	功率需求	适用性
太空探索	深空探测器、月球基地、火星车	μW-mW	★★★★★
医疗植入	心脏起搏器、人工耳蜗、神经刺激器	nW-μW	★★★★★
深海监测	海底电缆、海底传感器网络	μW-mW	★★★★☆
物联网/智慧城市	建筑结构监测、管道传感	nW-μW	★★★★☆
极地/沙漠	气象站、油气管道监测	μW-mW	★★★★☆
国防/军事	反篡改电路、远程传感器	nW-mW	★★★★☆
消费电子	手机、无人机（长期供电）	mW-W	★★☆☆☆（功率仍不足）

5.4 监管与安全

5.4.1 主要监管框架

国家/地区	监管机构	关键要求
美国	NRC（核管理委员会）	通用许可证制度；氚电池可获通用许可，其他同位素需专门许可
英国	ONR（核监管办公室）	需申请辐射源使用许可
中国	国家原子能机构	核技术民用化受"十四五"规划支持；需相关许可
欧盟	各成员国监管机构	欧盟辐射防护法规框架

5.4.2 安全特性

贝塔伏打电池的安全性已通过多项独立验证：

低能β辐射：一张纸即可屏蔽，无需厚重防护
内嵌式设计：放射源被半导体和封装材料完全包裹
无外部辐射：多款产品声称"零外部辐射"
衰变产物稳定：镍-63衰变为稳定的铜-63；碳-14衰变为氮-14

结论与展望

6.1 核心结论

贝塔伏打技术与核钻石电池的关系：核钻石电池是贝塔伏打技术采用人造金刚石作为半导体转换材料的先进实现形式，两者是包含与被包含的关系。核钻石电池凭借金刚石的独特物性（超宽禁带、高热导率、强辐射耐受性）成为该领域的重要发展方向。
技术成熟度：当前处于"早期商业化"到"预商业化"阶段。City Labs是唯一实现商业销售的企业；Betavolt进入中试；多数企业仍处于原型验证阶段。
效率瓶颈正在突破：2024-2025年间，Infinity Power实现60%+效率、DGIST实现10.79%钙钛矿电池效率等重大突破，正在打破"个位数效率"的传统认知。
应用场景清晰：太空探索、植入式医疗、极端环境传感是当前最具价值的三大应用方向；消费电子暂不适用。
中国在该领域的地位：Betavolt代表的中国企业已掌握微型化核钻石电池的核心技术，在第4代金刚石半导体领域取得突破，具备与国际领先机构竞争的实力。

6.2 发展趋势预判

时间段	预期进展
2025-2027年	City Labs扩大市场份额；Betavolt实现小批量生产；1-2家新公司进入商业化
2028-2030年	首个碳-14钻石电池商业产品出现；效率突破15%大关；太空应用增加
2030年代	医疗植入式电池获FDA批准；深海/极地传感网络普及；成本显著下降
2040年代+	核钻石电池成为长续航微功耗设备的"默认"能源方案

6.3 研究建议

重点关注：金刚石半导体掺杂技术、碳-14钻石电池实用化、钙钛矿基贝塔伏打电池稳定性
投资关注：具有NRC许可（美国市场）、明确国防/航天合同、掌握核心半导体技术的公司
风险关注：监管政策变化、同位素供应链安全、技术商业化不确定性

参考文献与溯源列表

学术文献

Bormashov, V.S., et al. (2018). "Prototype nuclear battery packs 10 times more power."Diamond and Related Materials.
Chen, Y., et al. (2022). "Understanding efficiency improvements of betavoltaic batteries based on 4H-SiC, GaN, and diamond."Applied Physics Letters, 121, 103902.
Kim, C.H., et al. (2025). "Novel perovskite-based betavoltaic cell: dual additive strategy."Chemical Communications.
"核电池概述及展望." 吉林大学物理学院/中科院长春光机所.
"Optimal Selection and Experimental Verification of Wide-Bandgap Semiconductor for Betavoltaic Battery."Nanomaterials(2025).
"Review—Betavoltaic Cell: The Past, Present, and Future."ECS Journal of Solid State Science and Technology(2021).
"TiO₂ Nanorod Array for Betavoltaic Cells."Nanomaterials(2025).

公司官网

City Labs, Inc. - NanoTritium™ Battery Technology. https://citylabs.net/technology-overview/
Widetronix, Inc. - Technology. https://www.widetronix.com/technology
NDB Inc. - Official Website. https://ndb.technology/
Betavolt (北京贝塔伏特) - 官网. https://www.betavolt.tech/
Arkenlight - Nuclear Diamond Batteries. https://newatlas.com/energy/arkenlight-nuclear-diamond-batteries/
Infinity Power - Official Website. https://www.infinitypower.energy
Zeno Power - Official Website. https://www.zenopower.com/

市场研究报告

"Global Betavoltaic Cell Market Report 2021-2026." ResearchAndMarkets.
"Nuclear Battery Market Report 2025-2030." The Business Research Company.
"Nuclear Battery Market Strategic Insights 2025-2030." Knowledge Sourcing.

新闻报道

"Chinese company unveils revolutionary nuclear battery with 50-year lifespan."China Daily(2024.01.16).
"Nuclear battery: Chinese firm aiming for mass market production."World Nuclear News(2024.01.16).
"Strongest Nuclear Battery is Revealed by US Company." PR Newswire (2024.06.11).
"Tiny nuclear battery could power devices for decades."New Atlas(2025.03.26).
"World's First Hybrid Betavoltaic Cell Promises Decades of Power Without Charging."Scitechdaily(2025.06.17).
"Nuclear Diamond Battery: Powering the Future with Radioactive Carbon."Boltflight(2025.04.22).
"Prototype nuclear battery packs 10 times more power." MIPT News (2018.05.31).

政府/机构文件

NASA Workshop: "High-Energy Dense Betavoltaics for Unattended Operation in Extreme Environments" (2024).
"NASA NIAC Award - Autonomous Tritium Micropowered Sensors." NASA.
国家核安全局：《美能源部将为泽诺电力提供核电池燃料锶-90》(2024.01).
中科院半导体研究所：《金刚石核电池研究进展》.

本报告基于公开可获取信息撰写，部分公司声明的参数和数据未经独立第三方验证。如涉及投资决策，请另行核实。

#金刚石 #人造金刚石 #核电池 #金刚石电池