摘要：重大突破，同志们，中国成功研发了首款碳14核电池，理论上可以持续放电上千年，可以为心脏起搏器永久供能。看到这条新闻，我就联想到了钢铁侠胸口的弧形反应堆，难道这个就是现实版的雏形吗？恰好不久前，英国团队也开发出了这种电池，这期视频就来一起研究一下。

续航千年？解读碳14核电池，钢铁侠来了也得点赞。

重大突破，同志们，中国成功研发了首款碳14核电池，理论上可以持续放电上千年，可以为心脏起搏器永久供能。看到这条新闻，我就联想到了钢铁侠胸口的弧形反应堆，难道这个就是现实版的雏形吗？恰好不久前，英国团队也开发出了这种电池，这期视频就来一起研究一下。

这个成果是无锡(江阴)一家医药公司和西北师范大学联合开展的。说实话，我一开始还有点质疑，这也不是什么国字头院所搞的，靠谱吗？但是官媒也确认了，而且中科院合肥物质研究院也进行了测试，表示核心技术指标都达到了国际领先，就放心了。

什么叫碳14核电池？顾名思义，就是基于碳14来打造的一种电池。而碳14大家都知道，是碳元素的放射性同位素，它会通过贝塔衰变来释放能量。所谓的贝塔衰变，就是发射出一个贝塔粒子的衰变，而贝塔粒子其实就是一个高能的电子。

具体来说，碳14原子核中的一个中子转化为了一个质子，同时又释放出了一个高能电子和一个反中微子，然后这个碳14就衰变成了氮14。而这种电池最大的优势就是它的续航非常长，因为这个碳14的半衰期长达5730年。

也就是说，现在手头如果有100个碳14原子，经过大约5730年之后，才会衰变掉一半，也就是剩下50个，再剩下一半，也就是25个的时间，也是5730年，所以相当持久。

对于碳14来说，它的Q值也就是衰变能是156keV，这些能量会在衰变反应中产生的高能电子和反中微子之间随机分配，要么是电子获得的多，要么是反中微子获得的多。所以，一个极端情况就是，电子最大可能获得了接近156keV的能量。

而这个水平的高能电子，其实它的穿透力是比较弱的，在空气中也就能够传播几厘米，也很容易被几毫米厚的塑料等固体给挡住。所以这个安全性，是非常有保障的。而实际上这个还只是最大能量。平均来说贝塔粒子也就是高能电子的能量也就只有49keV左右，这个是一个非常低的数值。

而要把一种放射性元素的衰变能转化为电能，一般可以通过热电效应或者说β伏特效应来进行。热电效应就是射空探测器所搭载的放射性同位素热核发电机的原理，它一般是基于钚238元素的衰变来采集热量的，进而通过热电材料将其转化为电能。

而β伏特效应就是利用了高能电子来发电。注意这个地方并不是说直接用电子本身来发电，虽然说它是个电子，但是电流不是由它直接带来的。其中的原理在于β粒子也就是高能电子在被发射出来以后会四处的乱窜，这个时候要用半导体材料来承接它。

当高能电子撞击到半导体材料中的电子时，这里的电子就会被从价带踢到导带，从而就形成了自由电子。价带就是原子核周围电子所处的非常稳定的区域，它不会到处乱跑，而导带就是电子会到处乱跑。当一个电子被从价带踢到导带以后，很显然它就从束缚状态变成了自由状态。

这里的关键问题在于为何要用半导体来承接？因为半导体可以形成PN结，PN结很多人都知道是晶体管的核心原理，这个地方具体的就不去细说了。总之PN结可以分离电子和空穴，因为高能电子打过来以后它的能量相对于半导体的禁带宽度，也就是价带到导带的能量差来说是非常大的。

像这一次中国团队所采用的是碳化硅，它的禁带宽度是3.26eV，此前英国团队所采用的是钻石，禁带宽度是5.47eV。相对于高能电子平均49keV的能量来说其实是非常小的，而这个也就意味着，高能电子进来以后连续冲撞半导体材料内部的电子，只需要一个高能电子就能够激发出数以千计的电子和空穴对。

这个地方是电子和空穴对，因为电子被踢出去以后原来那个位置就是一个空位，没有了负电荷的电子，这个空位就是一个带正电荷的空穴，所以有多少个电子被踢出就有多少个空穴也相应诞生。

这个空穴也是可以流动的，有了PN结以后大量的电子和空穴就会形成一个电场，这个电场相当于是分流了两者，一正一负就形成了电势差，这样一来电压就建立了，在接通外部负载之后电流也就产生了，这个就是碳14电池用来发电的原理。

这里顺便说一下英国团队所采用的钻石，按照常规理解它应该是属于绝缘体，但是在这里它是可以作为一个半导体来使用。在这一次中国团队所开发的碳14电池中最终就获得了8%的能量转换效率，最大输出功率是433nW。

这个是个什么概念？它相当于是0.000000433W，它们之间还隔着微瓦和毫瓦两个数量级，而这个功率通过集成储能器件是可以间歇性来点亮LED灯的。根据报导LED灯已经是持续工作了近四个月，累计闪烁35000次，所以看上去微不足道，但是仍然是可以发挥价值的。

当然这是原型机，后续还会继续改进。英国团队所开发的没有查到具体功率，但是根据推测也不会超过1uW，也就是几百nW的水平。而心脏起搏器的平均功耗一般是10-50uW水平。

所以目前来看碳14电池的功率还需要继续提升，暂时无法驱动这类器件，但是功率上属于极低水平，人家能量密度高，就中国碳14电池的能量密度据说是达到了2200Wh/g，相当于是2200Wh/g。相当于是2200Wh/kg，这个比锂电池的能量密度是远了去了，而且不需要担心衰减，所以这种电池的应用潜力还是有很多的。

随着技术提升，除了心脏起搏器、人工耳蜗、脑机接口这些医学应用之外，实际上在物联网器件、深空探测、军事设备等方面都有一定的应用价值。甚至于随着技术的提升，智能手表、无线耳机和射频标签等硬件也可能会由它来驱动，根本就不需要充电。

我知道你在想什么，电动车理论上也不是不可以。这类基于放射性同位素和β伏特效应来运行的电池还有很多。另外一个典型案例就是镍63核电池，镍63同样也可以通过衰变来产生高能电子。尽管它的电子最大能量只有66keV，但是它的半衰期只有100年，这意味着单位时间内它所释放的粒子也就是高能电子要多很多。

所以基于镍63打造的核电池，它的功率相对就要比碳14要大一些。目前可以做到微瓦级，在能量密度上也可以达到3000mWh/g以上，比碳14也要高。这样来说其实对于这类电池，镍63反而是要更加实用，而且它能够提供的续航时间也完全可以满足诸如心脏起搏器之类的设备。

既然如此，为何还要去研究碳14电池？一方面是因为碳14电池有永久性标签，它的长寿命特性带来了更好的宣传价值，对于一些深空探测项目来说也更有保障。另外一方面在于镍63不仅在自然界中不存在，它只能通过对镍62进行中子辐照来生产，成本是非常高的，每年的产量极其有限。

而这个原材料镍62本身就很稀有，它的分离和提取成本也非常高。但是碳14就不一样了，它首先在自然界是存在的，其次还可以通过对氮14或者碳13进行中子辐照来产生。而这两种原材料，它们是更加容易获取的。

值得一提的是研发碳14电池其实还有一层环保原因，那就是核反应堆中用来给中子减速的石墨经过长期的辐照之后也会有一定量的碳14存在，所以可以对这些核废料进行二次利用创造价值。

所以整体来说虽然说碳14电池在性能上要略低于镍63电池，但是它的原材料成本更低，可能更有希望大规模生产。这个就是这一次中国研发的碳14电池背后需要了解的内容。这个确实是一个突破性成果，而且是全球首款利用了碳化硅的碳14电池，相比钻石方案它的产业化潜力可能要更好一些。

我是大刘，感谢观看。

来源：天哥有故事