一款能運行千年的電池，與核燃料堆竟有異曲同工之妙。

01

前途無量的新電池

這塊電池，放到心臟起搏器里的話，一輩子都不用擔心它斷電更換；給鋼鐵俠的話，能讓他再無“換裝”焦慮，是不是很神奇？

有意思的是，英國、中國的研究團隊在近期，先后開發出了基于碳-14（Carbon-14，下簡稱C-14）研發的電池的雛形，本文我們就一起來研究下。

先看國內，國內的這款C-14核電池并不是國字號研究所做出來的，而是西北師范大學科研團隊與一家醫藥研發公司的成果。無錫貝塔醫藥科技有限公司負責人介紹，國內首款C-14核電池名叫“燭龍一號”，現在還是款工程樣機，但是理論優點多得不得了。

首先就是其超長續航能力，這點跟它的主要元素C-14息息相關，下文會詳述；其次就是它的超高適應性，能容忍零下100攝氏度到零上200攝氏度的溫度區間；還有就是2200毫瓦時每克（mWh/g）的超高能量密度。

這個能量密度是什么概念？

目前高端電車普遍使用的三元鋰電池的能量密度大約在200～300mWh/g，特斯拉研發的鋰硫電池理論可達500mWh/g。“燭龍一號”核電池是傳統鋰電池的10倍以上，相當于能將一輛電動汽車的電池包重量從500公斤壓縮到50公斤，續航卻提升10倍。

這種基于C-14打造的電池性能怎么會如此強悍？這就要先介紹一下C-14從哪來，以及它用作電池時的工作原理。

02

宇宙賜予的超級能量

為何亙古不變

其實我們的地球，時刻都會受到來自宇宙的高能粒子的轟擊，這些粒子被稱為“宇宙射線”。

宇宙射線進入大氣層后，會和大氣中的原子發生作用，產生各種次級粒子。其中產生的中子可以和氮-14發生核反應，形成所謂的C-14，并放出一個質子。

你可以理解為，宇宙天天在放“高能粒子煙花”，其中有一種叫做中子的粒子，會像小炮彈一樣撞上高層大氣層中的氮原子，記住，氮原子本來有7個質子和7個中子；現在，氮原子被“打”了一拳，“吃”了一個中子，又不得不“吐”出一個質子，搖身一變就成了C-14。

這個C-14也很有意思，它本來就是碳元素的一種同位素，只不過原子核包含6個質子和8個中子，比自然界最常見的碳元素同位素“碳-12”多了兩個中子，且具有放射性——但除此之外，他跟碳-12性質差不多。

Tips:常見的石墨、鉆石、鉛筆芯等，這些都是“碳-12”，除此以外它還有一些同位素“姐妹”，比方說“碳-11”“碳-13”以及我們重點講解的“碳-14”。它們的原子核里都有6個質子，區別就在于中子數的不同

氮原子“吃”了一個中子，又不得不“吐”出一個質子，搖身一變就成了C-14

所以C-14也可以參與各種化學反應，它會和地球上的氧氣結合成二氧化碳，再被地球上的植物吸收，通過食物鏈進入動物或人體的體內。在宇宙射線持續不斷的“轟擊”下，大氣中C-14的含量基本是穩定的。

生物只要還活著，還能呼吸、新陳代謝，那么你體內就會像每天簽收快遞一樣，有著穩定含量的C-14。但是一旦我們死去，和大氣這種碳元素交換也就停止了，體內留存的C-14就會慢慢減少——這一步就是C-14的放射性衰變。

C-14會慢慢放出一個高能電子，也就是貝塔（β）射線。慢慢地，每經過5730年，你體內的C-14數量就會減少一半。學界一般用“半衰期”來指代放射性元素的原子核半數衰變所需的時間，可以理解為一群“不安分”的原子中，有一半突然變成其他原子的過程。

那么，“5730年”就是是C-14的半衰期。其實我們很少能見到一個輕元素的放射性同位素有這么長的半衰期。作為對比，碳-11的半衰期只有20.5分鐘。

那C-14會變成什么？這簡直是一個意味深長的輪回——它又會變成氮原子“氮-14”。

假設你的身體里有100個C-14原子，5730年后會剩50個，再過5730年會剩25個……直到它們全部“退休”成氮原子（但理論上永遠不會歸零）。最重要的是，半衰期是原子核自帶的屬性，不受溫度、壓力影響，哪怕你把C-14丟到巖漿里，它還是會按照自己的時間規律衰減消失。

它自身就是一個計時器，科學家正式利用這個規律來檢測文物的年齡，比如恐龍化石的生日，以及古埃及那些著名的法老們的死亡時間與統治期。

03

別讓貝塔粒子跑了

大概了解了C-14，再來說說它是怎么發電的。其實發電的不是C-14本身，而是人們巧妙地將這種放射性元素的衰變能轉化為了電能。

變放射性元素為電，最常見的就是利用“熱電效應”原理的熱核發電器，一般搭載于深空探測器、人造衛星上，能為這些設備長時間提供數百瓦甚至更低的電力。不過這種“核電池”一般是基于钚-238元素，放射性強，在地球反正要離得遠遠的。

C-14核電池還不太一樣，它是基于C-14釋放的高能電子（即貝塔粒子）來發電。

貝塔粒子是發電的重要元素

前文我們說過，C-14衰變的時候會釋放高能電子，這個電子我們不能拿來直接用；但是當它四處亂竄時，我們可以用某個半導體材料來承接它，比如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）和砷化鎵（GaAs）等材料，這樣一來，會激發出大量自由電子，形成我們能用的電流。

微觀來看，這些半導體材料在被高能撞擊時，之所以會產生電流和它材料本身的導電原理息息相關，這里我們簡單講一下。

當貝塔粒子撞擊半導體材料時，它會與半導體材料中的原子或價帶（束縛態）電子發生碰撞。一般這種貝塔粒子都是“高能量”，至少比半導體的能量足，它會把能量傳給價帶電子，使其掙脫原子束縛躍遷到導帶，形成自由電子，這個電子一走，就會留下一個帶正電的空位置（空穴）。

新生成的自由電子和空穴都不是省事的，它們也會四處亂竄，碰撞其他原子，像雪崩一樣產生更多電子-空穴對。半導體材料天然的發電機制，就會在這種情況下發電——光伏電池也是這個工作原理，只不過捕捉的是光能。

研究人員要做的就是用人造鉆石或碳化硅等材料造一張超強的“網”，牢牢抓住貝塔粒子就行。這樣就能細水長流，一直發電。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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