ナノダイヤモンド電池：全デバイス向けエコ・高性能エネルギー

現代生活はモバイルバッテリー駆動デバイスに大きく依存しており、通信機器から輸送車両まで日常生活のあらゆる側面に影響を与えています。効率的でコスト効率の良い電池への需要は増大しています。従来の電池には多くの懸念があり、地球温暖化と廃棄物蓄積への意識が高まる時代において、生産は持続可能な開発の原則とプロセスに沿ったものでなければなりません。

ナノダイヤモンド電池（NDB）は、ダイヤモンドベースのアルファ、ベータ、中性子ボルタイック電池で、高出力であり、既存の化学電池の限界を克服し、多数のアプリケーションに生涯にわたるグリーンエネルギーを提供できます。NDBは小さな原子力発電機のように機能します。NDBの電源は、安全性のために合成ダイヤモンドの複数層で遮蔽された中程度および高レベルの放射性同位体です。エネルギーは非弾性散乱と呼ばれるプロセスでダイヤモンドに吸収され、電力を生成するために使用されます。自己充電プロセスにより、あらゆるデバイスや機械の全寿命にわたる充電を提供し、最大28,000年の電池寿命を実現します。

電池は自己充電型で自然空気への露出のみを必要とするため、余剰電荷をキャパシタ、スーパーキャパシタ、二次電池に蓄えて、携帯電話、航空機、ロケット、電気自動車、センサー、その他のデバイスと機械の電池寿命を延ばせます。

システム技術

ダイヤモンド核ボルタイック（DNV）技術 — デバイスとして、DNVは半導体、金属、セラミックの組み合わせで、電荷収集を促進する2つの接触面を持ちます。複数の単一ユニットが、DNVの側面にNiを堆積させて製造された導電チャネルを介して接続され、電池システムの+極と-極接点が作られます。これをDNVスタックと呼びます。これらの間に、崩壊時にアルファ、ベータ、または中性子放射を放出する放射性同位体があります。これは単結晶ダイヤモンド（SCD）内で非弾性散乱され、電荷収集器によって電荷が収集されます。

DNVスタックの各層は高エネルギー出力源で構成されます。このような配置はシステム全体の効率を向上させ、製品の多層安全シールドを提供します。

放射線から電力への高速変換 — すべての放射性同位体は大量の熱を生成することが知られています。DNVユニット間へのソースの戦略的配置により、DNVユニット内のSCDの存在による非弾性散乱が促進されます。この設計は放射性同位体による熱の自己吸収を防ぎ、使用可能な電力への高速変換を可能にします。

薄膜構造 — NDBが示す薄膜プロファイルにより、SCDでの放射線吸収が最小限の自己吸収で可能になります。柔軟な設計構造により、この技術はアプリケーションに応じてあらゆる形状と形態を取れます。NDBはアプリケーションが要求する大きさに作れ、最小サイズ限界は40μmです。

核リサイクルプロセス — 放射性廃棄物を再処理・リサイクルし、安全で安心な環境での持続可能性とクリーンエネルギー源を促進します。

安全機能

NDBの主要な革新は、熱的、機械的、放射線的安全性をカバーする洗練された安全機能です。

ダイヤモンドカプセル化 — DNVをダイヤモンドカプセル化で封入し、放射線をデバイス内に封じ込めることで放射線安全性を達成します。DNVスタックとソースは多結晶ダイヤモンド層でコーティングされ、これは最も熱伝導率の高い材料として知られ、デバイス内に放射線を封じ込める能力があります。またステンレス鋼の12倍の靭性があり、電池をタフで改ざん防止にします。

ナノレイヤーは「穴とキャップ」構造のクロムと鉛で作られ、DNVからの放射線を捕獲します。穴は熱伝導チャネルとして機能し、熱をカプセル化の外側部分に伝導します。キャップはダイヤモンドカプセル化コンポーネントに組み込まれた穴から出る放射線を捕獲し、二次放射線と背景放射線レベルに近い一次放射線も吸収・封じ込めできます。

内蔵熱通気口 — 電池システムに存在する高エネルギー源は動作中に熱を生成します。これによりシステム内で熱伝導が起こります。システム内の熱通気口は、ダイヤモンドの外表面に関してこのプロセスを伝導し、内部を最適レベルに保ちます。

ボロン添加SCD — システムのあらゆる側面を活用するため、NDBはアルファとベータに加えて、ボロン-10添加による中性子放射も利用します。添加により余分な中性子をアルファ線に変換します。

ロックインシステム — 核電源を電池システムに使用することは、Pu-238やU-232のような分裂性同位体の生成による核拡散の問題を提起します。この問題に対処するため、NDBは「ロックインシステム」と呼ばれるイオン注入メカニズムを使用し、発電以外の使用を防止します。これにより消費者安全要件を満たし、使いやすさを高めます。

アプリケーション

自動車 — 電気自動車は各国政府によって積極的に推進されており、近年最も急成長している分野の1つです。当然、そのキーコンポーネントである車両を推進する電池も積極的に開発されています。電池ソリューションとして、NDBは車の従来の側面だけでなくモーターにも電力を供給します。おそらく最も興味深いのは、ヘッドアップディスプレイ、拡張現実、自動運転、車載AIといった革新もNDBでサポートできることです。

NDBは昼間に車を動かし、夜に車が駐車しているとき、NDB搭載EVを家庭に接続すれば、生成された電荷で家庭に電力を供給し、余剰分をグリッドに売電できます。これは実質的に国家グリッドが電力をクラウドソーシングすることを意味し、EV採用率の上昇に伴う電力需要増大を緩和します。

航空宇宙 — 航空市場は巨大で、多くの技術進歩はデジタル革命から来ています。NDBの用途例には、コックピットなど重要な領域への必須電力確保による航空安全性向上、行方不明機捜索を助けるブラックボックスへの電力供給があります。ブラックボックスは定期的に位置を知らせる信号を発信しますが、信号の可用性はそれを動かす電池の充電に依存します。現在、ブラックボックスの電池充電の制約により、位置信号が利用不可になると捜索時間が制限されます。NDBはブラックボックスの電池寿命を延ばし、捜索隊により大きな救出チャンスを与えます。

宇宙技術の最近の進歩と電気航空機の台頭により、それらの電池システムへの需要が増大していますが、寿命と安全性への懸念によって妨げられています。衛星と宇宙船は太陽光発電に大きく依存していますが、過酷な宇宙環境で妨げられることがあります。NDBはドローン、電気航空機、衛星、宇宙ローバー、宇宙服、ステーションに電力を供給し、より長い活動を可能にします。

医療技術 — 補聴器やペースメーカーのようなインシチュ医療デバイスと埋め込み型デバイスは、小型パッケージでの長寿命電池と安全性の追加メリットから恩恵を受けられます。NDBなら、長寿命のため患者はペースメーカーの充電を心配しなくて済みます。NDBは構造にネイティブな放射線吸収層を統合しているため、埋め込みデバイスからの放射線漏洩を防ぎます。

産業 — NDBの安全性、出力、汎用性は、多くの日常的なアプリケーションと実装が難しいものの両方に電力を供給します。データセンター、遠隔地、過酷な環境用途でのNDBは、生産性と未来的アプリケーションにとって卓越した約束です。

Internet of Things（IoT）の短所の1つは物理デバイス自体にあります。各機能（照明など）にセンサーとWi-Fi接続受信機が必要になるため、必然的に電力が必要です。従来これは電池と直接電気配線で満たされてきましたが、どちらの場合も制約があります——電池は切れ、配線には電気工事士が必要で不便です。NDBを使用すれば、IoTデバイスは完全ワイヤレスになり、電池切れを心配せずどこにでも配置できます。

結論

NDBは排出がなく、環境に不活性で、コバルト採掘を必要としないためグリーンです。NDBは従来のエネルギー源よりエネルギー密度が高く、長寿命、天候非依存の代替手段です。付加価値は有害副産物の不在と核廃棄物のリサイクルです。

この技術は、ガソリンやリチウムイオン電池などの他のエネルギー源に取って代わる可能性があり、排出と有害金属廃棄物による負の環境影響を軽減します。

もう1つのトレンドは、リチウムイオン電池の重要な構成要素であるコバルトの不足です。NDBはコバルトを含まないため、原材料の供給不足の影響を受けない解決策です。

最後に、最も重要な最近のトレンドの1つは、電気自動車への需要が突然増加していることです。世界中の政府が化石燃料車から電気自動車へのシフトに取り組んでおり、NDBが自然に適合する市場です。

本記事は、NDB（カリフォルニア州サンフランシスコ）CEOのNima Golsharifi博士によって寄稿されました。詳細については、 をご覧ください。