核动力电池可以消除充电需求

快速阅读: 据《技术点》称，韩国研究团队开发出一种放射性碳核电池，可通过碳-14放射性衰变持续数十年供电，效率从0.48%提升至2.86%。虽功率低于锂电池，但寿命更长，适用于心脏起搏器、卫星及无人机等场景。研究获韩国政府资助。

展望未来：随着可充电锂离子（锂离子）电池为从智能手机到电动汽车的各种设备提供动力，其局限性也变得越来越明显。频繁充电的需求以及与锂矿开采和电池处理相关的环境担忧促使研究人员寻求替代方案。由韩国大邱庆北科学技术研究所教授尹洙一领导的研究团队正在开发一种创新解决方案：一种可以持续数十年无需充电的放射性碳核电池。尹教授在美国化学学会2025年春季会议（3月23日至27日举行）上展示了团队的研究成果。此次会议约有12,000场关于科学进步的报告。

这项研究针对日益增长的对耐用且可持续电源的需求，因为连接设备、数据中心和技术继续将锂离子电池的能力推向极限。“锂离子电池的性能几乎达到了饱和状态，”尹教授解释了为什么他的团队转向核电池作为替代方案。与其他放射性材料相比，它具有多个优势：它价格低廉，易于从核电站副产品中获取，并且易于回收。最重要的是，它的降解速度异常缓慢，半衰期为5,730年。

核电池通过利用某些材料放射性衰变过程中释放的高能粒子来发电。与铀或钚等传统核能来源不同，它们会发出有害的伽马射线，尹教授的设计使用了碳-14，这是一种被称为放射性碳的放射性同位素。放射性碳只发射β粒子，这些粒子危害较小，可以用一层薄铝安全地包裹。这使得β伏特电池成为紧凑型和安全能源解决方案的有希望的候选者。

与其他放射性材料相比，它具有多个优势：价格低廉，易于从核电站副产品中获取，并且易于回收。最重要的是，它的降解速度异常缓慢，半衰期为5,730年。核电池通过利用某些材料放射性衰变过程中释放的高能粒子来发电。与铀或钚等传统核能来源不同，它们会发出有害的伽马射线，尹教授的设计使用了碳-14，这是一种被称为放射性碳的放射性同位素。

这意味着放射性碳供电的电池理论上可以在不需要更换的情况下提供数千年的电力。“我决定使用碳的放射性同位素，因为它只产生β射线，”尹教授说。该团队的原型β伏特电池采用了先进的材料以最大化能量转换效率——这是核电池设计中的一个关键挑战。

电池的核心是一种常用于太阳能电池的二氧化钛基半导体。通过在阴极和阳极上引入放射性碳，这种染料敏化β伏特电池实现了更高的能量转换效率。这种材料经过钌基染料处理并用柠檬酸强化，形成了一种高度敏感的结构，能够高效地将β辐射转化为电能。

放射性碳发射的β粒子击中半导体上的钌基染料，触发一系列称为“电子雪崩”的电子转移反应。这些反应产生电能，二氧化钛层收集并传递给外部电路。这一过程是电池产生可用电力的核心。

尹教授设计的一大亮点是将放射性碳置于电池的阳极和阴极中——这与之前只在单个电极上使用放射性碳的设计不同。这种双位配置增加了β粒子的生成，同时减少了由于电极之间距离造成的能量损失。

结果令人瞩目：测试表明，这种方法使电池的能量转换效率从早期设计的0.48%提升至新原型的2.86%——几乎是六倍的提升。尽管取得了这样的进展，放射性碳电池在功率输出上仍逊色于锂离子电池。锂离子电池通常能达到约90%的能量转换效率。

然而，尽管这些核电池在即时性能上不及锂离子电池，但它们在寿命和可靠性方面弥补了这一不足。它们能够在不充电的情况下运行数十年，为各个行业开辟了新的可能性。例如，由放射性碳电池供电的心脏起搏器可以陪伴患者一生，避免了危险的手术更换。其他潜在应用包括为恶劣环境中使用的远程传感器、需要长期能源解决方案的太空卫星，甚至无人机或自动驾驶车辆供电，在这些情况下频繁充电是不切实际的。

尹教授承认，要提升这些核电池的性能，还需进一步优化。目前正努力改进β射线发射体的形状并开发更高效的吸收体以提升发电量。然而，他对它们的潜在影响持乐观态度。“我们可以将安全的核能放入手指大小的装置中，”他展望未来，认为核能不再局限于大型发电厂，而是融入日常技术中。

这项研究得到了韩国国家研究基金会的资助，并由韩国科学技术信息通信部支持的大邱庆北科学技术研究院研发计划提供支持。

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