想象一下，手机永远不需要充电，心脏起搏器终身使用。科学家们正在研发以放射性碳为动力的微型核电池，放射性碳是核电厂一种安全且丰富的副产品。

与性能会随时间下降且有害环境的锂离子电池不同，这些新型设计利用β辐射触发电子雪崩效应并产生电能。研究团队最新开发的原型机大幅提高了效率，尽管仍面临挑战，但该技术或许有朝一日能让核能像便携式电子设备一样触手可及。

当前电池的问题

手机突然关机、电动汽车无法到达目的地，这些现象凸显出一个普遍问题：电池性能受限。从手机到汽车，大多数充电式锂离子电池（锂电）每次充电后仅能使用数小时或数天。随着时间推移，电池性能会下降，需要更频繁地充电。

为了解决这一问题，研究人员正在探索一种新的方法：利用放射性碳制成的核电池。这些小巧且经济实惠的电池能够在数十年内提供安全、持久的能源，且无需充电。

提出一种新解决方案

大邱庆北科学技术院(Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology)的In Su-Il教授将于3月23日至27日举行的美国化学学会(American Chemical Society)2025年春季会议上介绍其团队的发现。此次会议将包括约1.2万场涵盖广泛科学主题的演讲。

环境和技术限制

频繁充电不仅麻烦，还限制了无人机和远程传感器等依赖稳定、长期供电的技术的作用。锂离子电池还存在环境方面的弊端：锂矿开采能耗高，处置不当会破坏生态系统。随着我们的世界日益互联、数据驱动，对更耐用、更可持续的电池解决方案的需求也在增长。

而性能更佳的锂离子电池或许并不是应对这一挑战的答案。研究未来能源技术的尹（In）表示：“锂离子电池的性能几乎已达饱和。”因此，尹及其团队成员正在开发核电池，以作为锂离子电池的替代品。

核电池的工作原理

核电池通过利用放射性材料释放的高能粒子产生电力。并非所有放射性元素释放的辐射都会对生物体造成损害，并且某些辐射可以被特定材料阻挡。例如，可以用薄铝板屏蔽β粒子（亦称贝塔射线），使得β伏打电池成为核电池的一种潜在安全选择。

研究人员用碳14（一种不稳定且具放射性的碳形态，即放射性碳）制作了一款β伏打电池的原型。“我决定使用碳的放射性同位素，因为它只产生β射线，”尹（In）表示。此外，放射性碳是核电站的副产品，成本低廉，容易获得，且易于回收。而且，由于放射性碳的降解速度非常慢，因此从理论上讲，一个以放射性碳为动力的电池可以持续使用数千年。

构建更优质的β伏打电池

在典型的β伏打电池中，电子会撞击半导体，从而产生电能。半导体是β伏打电池的关键组件，因为它们主要负责能量转换。因此，科学家们正在探索先进的半导体材料，以实现更高的能量转换效率——这是衡量电池将电子转换为可用电能效率的一个指标。

为了显著提升新设计的能量转换效率，In（人名）及其团队使用了基于二氧化钛的半导体，这是一种常用于太阳能电池的材料，并用钌基染料对其进行了敏化。他们使用柠檬酸处理强化了二氧化钛和染料之间的结合。当碳-14的β射线与经过处理的钌基染料发生碰撞时，会发生一系列电子转移反应，即电子雪崩。然后，雪崩通过染料传播，二氧化钛有效地收集了产生的电子。

双电极创新

这种新电池在染料敏化阳极和阴极中也含有放射性碳。通过对两个电极采用放射性同位素处理，研究人员增加了生成的β射线的量，并减少了两个结构之间与距离相关的β辐射能量损失。

在原型电池的演示过程中，研究人员发现，从两极放射性碳中释放出的β射线触发了阳极上基于钌的染料，从而产生电子雪崩，这些电子被二氧化钛层收集并通过外部电路，从而产生可用电。与之前仅在阴极使用放射性碳的设计相比，研究人员设计的阴极和阳极均使用放射性碳的电池的能量转换效率要高得多，从0.48%提高到2.86%。

长期潜力与应用

In表示，这些持久耐用的核电池可用于许多领域。例如，心脏起搏器可为患者提供终身使用，无需再进行手术更换。

然而，这种β伏特设计仅将放射性衰变的一小部分转化为电能，导致与传统锂离子电池相比性能较低。研究表明，进一步优化β射线发射器的形状并开发更高效的β射线吸收器，可以提高电池的性能和发电效率。

重思核能

随着人们对气候问题的日益关注，公众对核能的看法也在发生变化。但人们仍然认为核能只能在偏远的大型发电厂生产。In说道：“有了这种双位点源染料敏化β伏打电池，我们就能把安全的核能装进指头大小的装置里。”

本研究由韩国国家研究基金会以及韩国科学技术信息通信部大邱庆北科学技术研究院研发计划资助。

下一代电池：高效稳定的C14染料敏化β伏打电池

目前尚需一种能够为植入物、远程设备和卫星供电长达数十年的电池。为此，我们首次开发出染料敏化β伏打电池，该电池采用纳米尺寸的量子点组成的放射性同位素碳和基于钌的染料敏化二氧化钛作为电极。在该电池中，染料而非二氧化钛吸收β辐射，从而使性能优于原始β伏打电池。然而，仍需进一步改进。因此，我们开发了另一种新型β伏打器件，即双位点放射性同位素染料敏化β伏打电池（d-DSBC），该器件由碳放射性同位素的衰变能供电。该器件的阳极和阴极均采用β辐射源（双位点源），以实现具有改进β辐射吸收的β伏打设计。阳极由先涂覆柠檬酸放射性同位素的二氧化钛层组成，然后是作为电荷产生层的钌络合物染料。阴极由碳纳米颗粒/量子点的放射性同位素组成。d-DSBC的每个放射性源的功率密度高达20.75 nW cm−2 mCi−1，能量转换效率为2.86%。这些结果为β伏打电池的实用化迈出了重要一步。