从“自然时钟”到“永恒能源”，神奇的碳-14

一款能运行千年的电池，与核燃料堆竟有异曲同工之妙。

01

前途无量的新电池

这块电池，放到心脏起搏器里的话，一辈子都不用担心它断电更换；给钢铁侠的话，能让他再无“换装”焦虑，是不是很神奇？

有意思的是，英国、中国的研究团队在近期，先后开发出了基于碳-14（Carbon-14，下简称C-14）研发的电池的雏形，本文我们就一起来研究下。

先看国内，国内的这款C-14核电池并不是国字号研究所做出来的，而是西北师范大学科研团队与一家医药研发公司的成果。无锡贝塔医药科技有限公司负责人介绍，国内首款C-14核电池名叫“烛龙一号”，现在还是款工程样机，但是理论优点多得不得了。

首先就是其超长续航能力，这点跟它的主要元素C-14息息相关，下文会详述；其次就是它的超高适应性，能容忍零下100摄氏度到零上200摄氏度的温度区间；还有就是2200毫瓦时每克（mWh/g）的超高能量密度。

这个能量密度是什么概念？

目前高端电车普遍使用的三元锂电池的能量密度大约在200～300mWh/g，特斯拉研发的锂硫电池理论可达500mWh/g。“烛龙一号”核电池是传统锂电池的10倍以上，相当于能将一辆电动汽车的电池包重量从500公斤压缩到50公斤，续航却提升10倍。

这种基于C-14打造的电池性能怎么会如此强悍？这就要先介绍一下C-14从哪来，以及它用作电池时的工作原理。

02

宇宙赐予的超级能量

为何亘古不变

其实我们的地球，时刻都会受到来自宇宙的高能粒子的轰击，这些粒子被称为“宇宙射线”。

宇宙射线进入大气层后，会和大气中的原子发生作用，产生各种次级粒子。其中产生的中子可以和氮-14发生核反应，形成所谓的C-14，并放出一个质子。

你可以理解为，宇宙天天在放“高能粒子烟花”，其中有一种叫做中子的粒子，会像小炮弹一样撞上高层大气层中的氮原子，记住，氮原子本来有7个质子和7个中子；现在，氮原子被“打”了一拳，“吃”了一个中子，又不得不“吐”出一个质子，摇身一变就成了C-14。

这个C-14也很有意思，它本来就是碳元素的一种同位素，只不过原子核包含6个质子和8个中子，比自然界最常见的碳元素同位素“碳-12”多了两个中子，且具有放射性——但除此之外，他跟碳-12性质差不多。

Tips:常见的石墨、钻石、铅笔芯等，这些都是“碳-12”，除此以外它还有一些同位素“姐妹”，比方说“碳-11”“碳-13”以及我们重点讲解的“碳-14”。它们的原子核里都有6个质子，区别就在于中子数的不同

氮原子“吃”了一个中子，又不得不“吐”出一个质子，摇身一变就成了C-14

所以C-14也可以参与各种化学反应，它会和地球上的氧气结合成二氧化碳，再被地球上的植物吸收，通过食物链进入动物或人体的体内。在宇宙射线持续不断的“轰击”下，大气中C-14的含量基本是稳定的。

生物只要还活着，还能呼吸、新陈代谢，那么你体内就会像每天签收快递一样，有着稳定含量的C-14。但是一旦我们死去，和大气这种碳元素交换也就停止了，体内留存的C-14就会慢慢减少——这一步就是C-14的放射性衰变。

C-14会慢慢放出一个高能电子，也就是贝塔（β）射线。慢慢地，每经过5730年，你体内的C-14数量就会减少一半。学界一般用“半衰期”来指代放射性元素的原子核半数衰变所需的时间，可以理解为一群“不安分”的原子中，有一半突然变成其他原子的过程。

那么，“5730年”就是是C-14的半衰期。其实我们很少能见到一个轻元素的放射性同位素有这么长的半衰期。作为对比，碳-11的半衰期只有20.5分钟。

那C-14会变成什么？这简直是一个意味深长的轮回——它又会变成氮原子“氮-14”。

假设你的身体里有100个C-14原子，5730年后会剩50个，再过5730年会剩25个……直到它们全部“退休”成氮原子（但理论上永远不会归零）。最重要的是，半衰期是原子核自带的属性，不受温度、压力影响，哪怕你把C-14丢到岩浆里，它还是会按照自己的时间规律衰减消失。

它自身就是一个计时器，科学家正式利用这个规律来检测文物的年龄，比如恐龙化石的生日，以及古埃及那些著名的法老们的死亡时间与统治期。

03

别让贝塔粒子跑了

大概了解了C-14，再来说说它是怎么发电的。其实发电的不是C-14本身，而是人们巧妙地将这种放射性元素的衰变能转化为了电能。

变放射性元素为电，最常见的就是利用“热电效应”原理的热核发电器，一般搭载于深空探测器、人造卫星上，能为这些设备长时间提供数百瓦甚至更低的电力。不过这种“核电池”一般是基于钚-238元素，放射性强，在地球反正要离得远远的。

C-14核电池还不太一样，它是基于C-14释放的高能电子（即贝塔粒子）来发电。

前文我们说过，C-14衰变的时候会释放高能电子，这个电子我们不能拿来直接用；但是当它四处乱窜时，我们可以用某个半导体材料来承接它，比如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）等材料，这样一来，会激发出大量自由电子，形成我们能用的电流。

微观来看，这些半导体材料在被高能撞击时，之所以会产生电流和它材料本身的导电原理息息相关，这里我们简单讲一下。

当贝塔粒子撞击半导体材料时，它会与半导体材料中的原子或价带（束缚态）电子发生碰撞。一般这种贝塔粒子都是“高能量”，至少比半导体的能量足，它会把能量传给价带电子，使其挣脱原子束缚跃迁到导带，形成自由电子，这个电子一走，就会留下一个带正电的空位置（空穴）。

新生成的自由电子和空穴都不是省事的，它们也会四处乱窜，碰撞其他原子，像雪崩一样产生更多电子-空穴对。半导体材料天然的发电机制，就会在这种情况下发电——光伏电池也是这个工作原理，只不过捕捉的是光能。

研究人员要做的就是用人造钻石或碳化硅等材料造一张超强的“网”，牢牢抓住贝塔粒子就行。这样就能细水长流，一直发电。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

总编辑｜吴新

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