一种旨在超越文明存续的能源
设想一种永远不需要充电的设备。不仅在你的一生中不需要，在你的子女、孙辈，甚至曾孙辈的一生中也不需要。2024年12月，布里斯托大学和英国原子能管理局的研究人员公布了一款原型设备，这一构想由科幻走进实验室现实，也挑战了我们对能源存储的一切既有认知。
碳-14金刚石电池通过放射性衰变发电，其半衰期为5700年。这意味着，近六千年后，设备仍能保留一半的初始输出功率，足以跨越古代文明与现代科技之间的鸿沟。锂离子电池几年内就会性能衰减，太阳能电池板甚至还需要阳光；与它们不同，这种能源装置被封装在地球上已知最坚硬的天然物质中，能够持续运行。
布里斯托大学材料学教授汤姆·斯科特教授负责领导这一创新项目。他的研究团队多年来一直致力于开发将放射性材料转化为实用能源的方法，最终研制出这款概念验证设备，有望重塑我们对偏远、难以抵达环境中设备供电方式的认识。这项成果是核材料研究的一项重要里程碑，表明裂变反应堆的废弃产物可以变废为宝。
这款电池的使用寿命颠覆了人们对能源存储的传统认知。现代可充电电池通常在经历500至1000次充电循环后便会明显衰减，而这款金刚石电池在今天的历史记录都已成为考古趣闻之后，仍能提供实用电力。碳-14衰变的基本物理规律具有类似钟表般的可靠性，这是化学电池无法比拟的。
这种稳定性使该技术尤其适用于故障不可接受、又不可能进行维护的场景。这款原型设备并非只是电池化学领域的一次渐进式改良，而是从根本上重新构想了如何为设备供电：其时间跨度以世纪计，而非以小时计。
放射性衰变如何转化为电能
要了解这种电池的工作原理，可以先看看太阳能电池板背后的原理。传统光伏电池捕获称为光子的光粒子所携带的能量，并将其转化为电能。金刚石电池采用一种类似的原理，称为β伏特效应；但它捕获的不是阳光，而是碳-14原子衰变时释放的高速电子。
碳-14是一种放射性同位素，因在考古学中的应用而广为人知。科学家利用其可预测的衰变速率为古代有机材料测定年代。碳-14衰变时会释放穿透距离较短的β辐射，并放出高能电子。在金刚石电池中，碳-14被嵌入人工生长的金刚石层内。随着同位素衰变，它会释放β粒子，金刚石的半导体特性则将这些粒子转化为电流。
金刚石结构发挥着双重作用：既能发电，又能充当坚不可摧的辐射屏蔽层。由于碳-14只会释放穿透距离较短的辐射，金刚石外壳会在内部吸收所有可能有害的辐射。设备正常运行时不会有辐射逸出，因此可安全用于医疗植入物和消费类产品。
英国原子能管理局（UKAEA）氚燃料循环部门主任萨拉·克拉克解释了这项技术的安全机制。
金刚石电池能够以安全、可持续的方式持续提供微瓦级电力。这是一项新兴技术，使用人造金刚石安全封装少量碳-14。
原型电池尺寸约为10毫米×10毫米，厚度最高可达0.5毫米。这种紧凑的形态可持续提供微瓦级电力，足以驱动低能耗设备，但远低于智能手机或电动汽车的用电需求。
将核废料转化为能源
这项技术最引人注目的或许是其原材料来源。电池所用的碳-14来自核裂变反应堆中拆除的石墨块。否则，这些材料就只能作为放射性废物进行昂贵的长期储存。仅英国就持有约9.5万吨这类石墨块，既面临储存难题，也拥有尚未开发的资源。
通过从反应堆石墨中提取碳-14，科学家既减少了核废料体积，又创造出有价值的能源资源。这一工艺将放射性材料置于通过等离子体增强化学气相沉积法生长的合成金刚石中。英国原子能管理局卡勒姆园区的工程师建造了一套专用等离子体沉积装置，精确制备金刚石层，在安全固定放射性材料的同时，最大限度地捕获能量。
这项制造技术直接源自聚变能源研究。英国原子能管理局在放射性材料处理、等离子体沉积和专用半导体制造方面积累的专业技术，最初是为托卡马克反应堆研发的，后来应用于金刚石电池项目。这一合作表明，对基础物理研究的投入能够带来意想不到的实际应用。
布里斯托大学能源材料学教授尼尔·福克斯教授强调了金刚石外壳的防护性能。
金刚石是人类已知最坚硬的物质；确实没有其他材料能提供更好的保护。
电池最终达到使用寿命后，可送回制造商进行受控回收或处置。在整个生命周期中，碳-14都会被安全封装，既满足能源需求，也顾及环境问题。一克碳-14每天可提供15焦耳电能，其使用寿命比传统电池长几个世纪。
寿命比功率更重要的应用场景
金刚石电池提供的是微瓦级电力，远低于智能手机或电动汽车的需求。不过，在某些场景中，寿命和可靠性比功率更重要，这一限制反而成了优势。这项技术尤其适用于更换电池危险、昂贵或不可能的环境。
医疗植入物是最具前景的应用领域之一。目前的心脏起搏器、助听器和眼科设备都依赖传统电池，通常每隔五至十年就需要通过手术更换。每次更换手术都伴有感染、并发症和恢复期等风险。金刚石电池可为这些设备供电，持续患者一生，免去反复手术并降低医疗成本。对于难以获得医疗服务的偏远地区患者，这种长寿命电池可能带来改变人生的影响。
太空探索也是天然的应用场景。深空探测器和卫星最终会因太阳能电池板无法捕获足够阳光或传统电池耗尽而失联。人类制造的、距离地球最远的物体“旅行者1号”，依靠寿命有限的传统核电池供电。碳-14能源装置可让仪器和通信系统持续运行数十年乃至数百年，使任务得以突破当前技术极限。
航天器或有效载荷上的射频标签可在数千年内保持可追踪，从而降低运营成本并延长任务寿命。这种电池无需自放电，在零下60摄氏度至零上120摄氏度的极端温度范围内都能有效工作，因此非常适合严酷环境。
地面偏远地区的应用包括北极监测站、用于油气基础设施的海底传感器，以及难以抵达地点的安防设备。任何需要数十年无人值守运行的系统，都可能适用这项技术。主动式射频标签可在地球或太空中识别和追踪设备数十年，从而降低成本并延长运行寿命。
全球原子电池竞赛
布里斯托大学和英国原子能管理局凭借首款碳-14原型电池成为新闻焦点，但研发核电池的并非只有他们。该技术已引发国际竞争，中国、美国和欧洲的研究团队正竞相利用不同的放射性同位素开发类似设备并实现商业化。
中国北京贝塔伏特新能源科技有限公司宣布推出一款竞争性设计，使用镍-63而非碳-14。该公司于2024年初公布的BV100电池尺寸为15毫米×15毫米×5毫米，可在3伏电压下提供100微瓦电力。镍-63电池的使用寿命为50年，显著短于碳-14电池；不过，贝塔伏特计划在今年晚些时候推出一瓦版本，通过串联连接为消费电子产品供电。
总部位于加利福尼亚州的Infinity Power也于2024年加入竞争，开发了与贝塔伏特方案类似的镍-63纽扣电池。与此同时，韩国大邱庆北科学技术院的研究人员也在试验使用多种放射性同位素的β伏特电池，包括碳和氢的同位素。
在特定应用的寿命方面，布里斯托大学团队仍拥有独特优势。镍-63电池可使用数十年，适合消费电子产品；而碳-14长达5700年的半衰期，则为不可能维护的超长时应用提供了截然不同的价值主张。斯科特教授创立了商业企业Arkenlight，以拓展产业合作并评估碳-14技术的市场机会。
中国的方案侧重于近期在航空航天、人工智能设备和微型机器人领域实现商业化；英国团队则着眼于对超长寿命有要求的医疗设备和深空应用。两种方案的共同目标，都是免除关键系统的电池维护和更换需求。
商业化之路上的挑战
金刚石电池要进入医疗设备或航天器领域，还面临不少重大障碍。制备纯碳-14金刚石所需的气态原料，每升成本约为4.6万美元，因此扩大生产规模面临经济上的挑战。制造过程需要在放射性物质操作设施中安装专用静态流化学气相沉积反应器，这限制了产能。
监管审批也是一道复杂的门槛。尽管金刚石外壳的封闭结构简化了安全认证流程，使其相较其他核技术更易获批，但任何含有放射性材料的设备都必须接受全面测试和监管。医疗应用的要求尤其严格，必须确保设备植入数十年后仍能保障患者安全。
公众观感也会影响技术的推广前景。尽管封装碳-14在技术上是安全的，“放射性”一词仍带有负面印象，可能阻碍其在消费市场上的普及。要实现广泛应用，透明地说明封装机制和辐射安全至关重要。
斯科特教授对通过持续研究克服这些挑战仍持乐观态度，并介绍了未来十年的研发规划。
我们的微功率技术可支持各种重要应用，从航天技术和安防设备到医疗植入物。未来几年，我们很期待与产业界和研究领域的合作伙伴一道，探索所有这些可能性。我们希望利用这项技术推动人类进步。
未来十年的重点是扩大生产规模、提高供电性能。如果制造规模化取得成功，就有望降低成本，并将应用范围拓展至专业医疗和航空航天领域之外。
要点
- 布里斯托大学和英国原子能管理局的研究人员于2024年12月研制出世界首款碳-14金刚石电池
- 该电池利用半衰期为5700年的碳-14放射性衰变，可持续数千年提供微瓦级电力
- 碳-14从核反应堆石墨块中提取，将放射性废料转化为封装式能源
- 合成金刚石兼具半导体和辐射屏蔽功能，在发电的同时吸收所有释放出的粒子
- 应用包括医疗植入物（心脏起搏器、助听器）、深空探测器、远程传感器和射频追踪标签
- 中国贝塔伏特和美国的竞品技术使用镍-63，使用寿命较短，但更有望在近期实现商业化
- 商业化推广需要扩大制造规模并获得监管批准；目前每升原料气体的生产成本高达4.6万美元
