科學家正在利用放射性碳製造微型、長壽命的核電池。這些貝塔伏特電池的壽命可能比鋰電池更長，無需充電即可為設備供電數十年，為未來能源提供更安全、更清潔的能源。

想像一下，你再也不用為手機充電，或是擁有終身使用的心臟節律器。科學家正在開發由放射性碳（核電廠的安全且豐富的副產品）驅動的微型核電池。

與鋰離子電池不同，鋰離子電池會隨著時間的推移而退化，並對環境造成危害，而這些新設計使用β射線來觸發電子雪崩並產生電力。團隊的最新原型大大提高了效率，儘管仍有挑戰，但這項技術有朝一日可能會讓核能像你的口袋設備一樣觸手可及。

手機意外沒電和電動車無法到達目的地都凸顯了一個常見問題：電池限制。從手機到汽車，大多數可充電鋰離子(Li-ion) 電池在充電後只能使用數小時或數天。隨著時間的推移，它們的性能會下降，需要更頻繁地充電。

為了解決這個問題，研究人員正在探索一種新方法：放射性碳驅動的核電池。這些體積小、價格實惠的電池可以提供安全、持久的能源，且可持續數十年，無需充電。

大邱慶北科學技術研究院教授Su-Il In 將在3 月23 日至27 日舉行的美國化學學會(ACS) 2025 年春季會議上介紹其團隊的研究成果。此次活動包括約12,000 場演講，涵蓋廣泛的科學主題。

小型染料敏化貝塔伏特電池的陰極和陽極上都有放射性碳，這提高了其能量轉換效率。圖片來源：Su-Il In

頻繁充電不僅不方便，還限制了無人機和遠端感測器等依賴穩定、長期電力的技術的實用性。鋰離子電池也有環境方面的缺點：鋰礦開採耗能大，不當處置會損害生態系統。隨著我們的世界變得更加互聯和數據驅動，對更耐用、更永續的電池解決方案的需求正在增長。

而更好的鋰離子電池可能不是解決這項挑戰的答案。 「鋰離子電池的性能幾乎已經飽和，」研究未來能源技術的In 說。因此，In 和他的團隊成員正在開發核電池作為鋰電池的替代品。

核電池利用放射性物質發射的高能量粒子來發電。並非所有放射性元素都會發射對生物體有害的輻射，某些輻射可以被某些材料阻擋。例如，β粒子（也稱為β射線）可以用薄鋁片屏蔽，這使得貝塔伏特電池成為核電池的潛在安全選擇。

研究人員利用碳-14（一種不穩定且具有放射性的碳形式，稱為放射性碳）製作了貝塔伏特電池原型。 「我決定使用碳的放射性同位素，因為它只產生β射線，」In 說。此外，放射性碳是核電廠的副產品，價格低廉、隨時可用且易於回收。而且由於放射性碳降解速度非常緩慢，因此放射性碳電池理論上可以使用數千年。

在典型的Betavoltaic電池中，電子會撞擊半導體，產生電能。半導體是Betavoltaic電池的關鍵組件，因為它們主要負責能量轉換。因此，科學家正在探索先進的半導體材料，以實現更高的能量轉換效率——衡量電池將電子轉化為可用電能的效率。

為了顯著提高新設計的能量轉換效率，In 和團隊使用了二氧化鈦基半導體，這是太陽能電池中常用的材料，並用釕基染料敏化。他們用檸檬酸處理加強了二氧化鈦和染料之間的結合。當放射性碳的β射線與處理過的釕基染料碰撞時，會發生一連串電子轉移反應，稱為電子雪崩。然後雪崩穿過染料，二氧化鈦有效地收集產生的電子。

新電池的染料敏化陽極和陰極中也含有放射性碳。透過放射性同位素處理兩個電極，研究人員增加了產生的β射線量，並減少了兩個結構之間與距離相關的β射線能量損失。

在展示原型電池時，研究人員發現，兩個電極上的放射性碳釋放的β射線會觸發陽極上的釕基染料，從而產生電子雪崩，電子雪崩被二氧化鈦層收集並透過外部電路產生可用電能。與先前僅在陰極上使用放射性碳的設計相比，研究人員的電池在陰極和陽極上都使用放射性碳，能量轉換效率高得多，從0.48% 提高到2.86%。

In 表示，這些長壽命核電池可以實現許多應用。例如，心臟節律器可以伴隨人的一生，無需進行手術更換。

然而，這種Betavoltaic設計只能將一小部分放射性衰變轉化為電能，因此與傳統鋰離子電池相比，其性能較低。這表明，進一步優化β射線發射器的形狀並開發更有效率的β射線吸收器可以提高電池的性能並增加發電量。

隨著氣候問題日益嚴重，民眾對核能的看法正在改變。但人們仍然認為核能只是在偏遠地區的大型發電廠生產的能源。有了這些雙源染料敏化貝塔伏特電池，In 表示：“我們可以將安全的核能放入手指大小的設備中。”

該研究由韓國國家研究基金會以及 韓國科學和資訊通信技術部大邱慶北科學技術研究所研究與開發計畫資助。

編譯自/ ScitechDaily