革命性突破：永不充電的核能電池問世

想像一下，你的手機再也不用充電，或是心臟起搏器能夠使用一輩子。科學家們正在開發一種由放射性碳驅動的微型核能電池，這種電池不僅安全，而且原料來自核電廠的副產品，供應充足。與鋰離子電池不同，這種新型電池利用β輻射觸發電子雪崩來產生電力，不會隨著時間退化，也不會對環境造成傷害。研究團隊的最新原型已經大幅提升了效率，雖然仍面臨挑戰，但這項技術有望讓核能變得像口袋裝置一樣普及。

手機突然沒電或電動車無法抵達目的地，這些問題都凸顯了一個共同的痛點：電池的侷限性。目前，從手機到汽車，大多數可充電的鋰離子電池只能維持幾小時或幾天的電力，且隨著時間推移，效能會逐漸下降，需要更頻繁地充電。為瞭解決這一問題，研究人員正在探索一種新方法：由放射性碳驅動的核能電池。這種小型、經濟的電池能夠提供安全、持久的能源，甚至數十年無需充電。

韓國大邱慶北科學技術院的教授Su-Il In將在2025年3月23日至27日舉行的美國化學學會（ACS）春季會議上發表其團隊的研究成果。該會議涵蓋了約12,000場演講，涉及廣泛的科學主題。頻繁充電不僅不便，還限制了無人機和遠端感測器等技術的實用性，這些裝置都需要穩定、長期的電力供應。此外，鋰離子電池還存在環境問題：鋰礦開採耗能巨大，且不當處理會對生態系統造成損害。隨著世界變得更加互聯和資料驅動，對更耐用、可持續的電池解決方案的需求日益增長。

Su-Il In指出，鋰離子電池的效能幾乎已經達到極限，因此他和團隊正在開發核能電池作為替代方案。核能電池透過利用放射性材料釋放的高能粒子來產生電力。並非所有放射性元素都會釋放對生物有害的輻射，某些輻射可以被特定材料阻擋。例如，β粒子（也稱為β射線）可以用薄鋁片遮蔽，這使得β輻射成為核能電池的安全選擇。

研究團隊使用碳-14（一種不穩定且具有放射性的碳同位素，稱為放射性碳）製作了原型β輻射電池。In解釋道：「我選擇使用碳的放射性同位素，因為它只產生β射線。」此外，放射性碳是核電廠的副產品，成本低廉、易於取得且可回收。由於放射性碳的衰變速度非常緩慢，這種電池理論上可以持續使用數千年。

在典型的β輻射電池中，電子撞擊半導體，從而產生電力。半導體是β輻射電池的關鍵元件，主要負責能量轉換。因此，科學家們正在探索先進的半導體材料，以提高能量轉換效率，即電池將電子轉化為可用電力的有效性。為了大幅提升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，並用釕基染料進行敏化處理。他們透過檸檬酸處理加強了二氧化鈦與染料之間的結合。當放射性碳釋放的β射線與處理後的釕基染料碰撞時，會引發一系列電子轉移反應，稱為電子雪崩，隨後雪崩穿過染料，二氧化鈦有效地收集生成的電子。

新電池還在染料敏化陽極和陰極中加入了放射性碳。透過在兩個電極上使用放射性同位素，研究人員增加了β射線的生成量，並減少了兩者之間因距離導致的β輻射能量損失。在原型電池的演示中，研究人員發現，從兩個電極釋放的β射線觸發了陽極上的釕基染料，產生電子雪崩，並被二氧化鈦層收集，透過外部電路轉化為可用電力。與僅在陰極使用放射性碳的設計相比，新電池的能量轉換效率從0.48%提升至2.86%。

In表示，這種長效核能電池可以應用於許多領域，例如心臟起搏器，能夠持續使用一輩子，無需手術更換。然而，這種β輻射設計僅將一小部分放射性衰變轉化為電能，效能仍低於傳統的鋰離子電池。In建議，進一步最佳化β射線發射器的形狀並開發更高效的β射線吸收器，可以提升電池的效能和發電量。

隨著氣候問題日益嚴重，公眾對核能的看法正在改變。然而，核能仍被認為只能在偏遠地區的大型電廠生產。In指出，這種雙位點源染料敏化β輻射電池可以將安全的核能放入手指大小的裝置中。這項研究由韓國國家研究基金會以及大邱慶北科學技術院的研究與發展計畫資助，展示了β輻射電池在實際應用中的重大進展。