為文明存續而打造的電力來源
試想一種永遠不必充電的裝置。你的一生都不必充電，你的孩子、孫子，甚至曾孫也都不必。2024 年 12 月，布里斯托大學與英國原子能管理局的研究人員公布一款原型裝置，這項構想就此從科幻走進實驗室，挑戰我們對能源儲存的一切既有想像。
碳 14 金剛石電池透過放射性衰變發電，半衰期長達 5700 年。也就是說，近六千年後，裝置仍能保有一半的初始輸出功率，足以跨越古代文明與現代科技之間的漫長歲月。鋰離子電池幾年內就會劣化，太陽能板則需要陽光；與它們不同，這種電力來源封存在地球上已知最堅硬的天然物質之中，能持續運作。
布里斯托大學材料學教授湯姆・史考特（Tom Scott）率領團隊研發這項創新技術。他的研究團隊多年來致力於開發將放射性物質轉化為實用能源的方法，最終打造出這款概念驗證裝置，有望改變我們在難以抵達的環境中為裝置供電的思維。這項發布是核材料研究的重要里程碑，證明核分裂反應爐的廢棄物能成為資產，而非負擔。
這款電池的壽命顛覆了人們對能源儲存的傳統認知。現代充電電池通常在經歷 500 至 1000 次充電循環後便會明顯劣化；相比之下，這種金剛石電池在今日的歷史紀錄已褪色成考古趣聞時，仍能提供實用電力。碳 14 衰變的基本物理特性如同精準的時鐘，可靠性是化學電池無法比擬的。
這種穩定性讓該技術特別適用於不能故障、也無法維護的場合。這款原型不只是電池化學的小幅改良，更是從根本重新思考如何為裝置供電，讓供電時間尺度從數小時延伸至數百年。
放射性衰變如何轉化為電力
若要了解這款電池的運作原理，可以先想想太陽能板。傳統光電池捕捉稱為光子的光粒子，並將其轉換為電力。金剛石電池採用類似的原理，稱為 β 伏特效應；不過，它捕捉的不是陽光，而是碳 14 原子衰變時釋出的高速電子。
碳 14 是一種放射性同位素，以考古學上的用途聞名。科學家利用其可預測的衰變速率，為古代有機材料定年。碳 14 衰變時會釋出短程 β 輻射，並釋放高能電子。在金剛石電池中，碳 14 被嵌入人工合成的金剛石層。隨著同位素衰變，釋出的 β 粒子會經由金剛石的半導體特性轉換為電流。
金剛石結構有雙重作用：既能發電，也能作為堅不可摧的輻射屏蔽。由於碳 14 只會釋出短程輻射，金剛石外殼會在內部吸收所有可能有害的輻射。裝置正常運作時不會有輻射逸出，因此可安全用於醫療植入物及消費性產品。
英國原子能管理局氚燃料循環部門主任莎拉・克拉克（Sarah Clark）說明這項技術的安全機制。
金剛石電池能以安全、永續的方式，持續提供微瓦等級的電力。這是一項新興技術，利用人造金剛石安全封裝少量碳 14。
原型電池尺寸約為 10 毫米乘以 10 毫米，厚度最高可達 0.5 毫米。這種精巧的外型可持續提供微瓦等級的電力，足以供應低耗能裝置，但遠低於智慧型手機或電動車的需求。
將核廢料轉化為能源
這項技術最引人注目之處，或許在於它所使用的原料。電池中的碳 14 取自核分裂反應爐拆除的石墨塊；這些材料原本必須耗費巨資長期存放，作為放射性廢棄物處理。僅英國就持有約 9.5 萬噸這類石墨塊，既是儲存難題，也是尚未開發的資源。
從反應爐石墨中萃取碳 14，能在減少核廢料體積的同時，創造有價值的能源資產。製程會將放射性物質置於合成金剛石內，並以電漿輔助化學氣相沉積法製成金剛石。英國原子能管理局卡勒姆園區的工程師建造專用電漿沉積設備，精準製作這些金剛石層，在安全封存放射性物質的同時，盡可能提升能量捕捉效率。
這項製造技術直接源自核融合能源研究。英國原子能管理局原本為托卡馬克反應爐研發的放射性物質處理、電漿沉積及專用半導體製造技術，後來應用於金剛石電池專案。這項合作展現了基礎物理研究的投資如何帶來意想不到的實際應用。
布里斯托大學能源材料學教授尼爾・福克斯（Neil Fox）強調金剛石外殼的防護特性。
金剛石是人類已知最堅硬的物質；事實上，我們不可能找到防護能力更強的材料。
電池最終達到使用年限後，可送回製造商進行受控回收或處置。碳 14 在整個生命週期中都會安全封存，兼顧能源需求與環境考量。一公克碳 14 每天可提供 15 焦耳電力，使用壽命比傳統電池長數百年。
長壽命比高功率更重要的應用
金剛石電池能提供微瓦等級的電力，遠低於智慧型手機或電動車的需求。然而，在某些情境中，壽命與可靠性比輸出功率更重要，這項限制反而成為優勢。電池更換既危險、昂貴又不可能的環境，正是這項技術的用武之地。
醫療植入物是最具發展潛力的領域之一。現有心律調節器、助聽器及眼科裝置仰賴傳統電池，每五至十年就需要透過手術更換。每次更換都有感染、併發症及術後恢復等風險。金剛石電池可為這些裝置供電，使用時間涵蓋患者一生，免除反覆手術並降低醫療成本。對醫療資源有限的偏遠地區患者而言，這種長效供電可能帶來重大改變。
太空探索也是這項技術的理想應用領域。深空探測器與衛星最終會因太陽能板無法捕捉足夠陽光，或傳統電池耗盡而失去聯繫。人造物體中距離地球最遠的航海家 1 號，仰賴壽命有限的傳統核電池。碳 14 電力來源則可讓儀器與通訊系統運作數十年乃至數百年，實現超越目前科技限制的任務。
太空船或酬載上的射頻標籤可維持數千年可追蹤，降低營運成本並延長任務時間。電池在攝氏零下 60 度至攝氏 120 度的極端溫度下仍能有效運作，且不會自行放電，因此非常適合嚴苛環境。
地面上的偏遠應用則包括北極監測站、油氣設施的海底感測器，以及難以抵達地點的安全裝置。任何需要數十年無人維護的系統，都可能適用這項技術。主動式射頻標籤能在地球或太空中辨識並追蹤裝置長達數十年，降低成本並延長使用年限。
全球原子電池競賽
布里斯托大學與英國原子能管理局以全球首款碳 14 原型電池受到矚目，但投入核電池研發的並非只有他們。這項技術引發國際競爭，中國、美國及歐洲各地的研究團隊正競相以不同放射性同位素開發類似裝置並推向商業市場。
中國北京貝特沃爾特新能源科技（Beijing Betavolt New Energy Technology）宣布推出競爭設計，採用鎳 63，而非碳 14。該公司的 BV100 電池於 2024 年初亮相，尺寸為 15 毫米乘以 15 毫米乘以 5 毫米，可在 3 伏特下產生 100 微瓦電力。鎳 63 電池的壽命為 50 年，遠短於碳 14 電池；不過，貝特沃爾特計劃於今年稍晚推出一瓦版本，透過串聯電池為消費性電子產品供電。
總部位於加州的 Infinity Power 也在 2024 年加入競賽，開發與貝特沃爾特採用類似技術的鎳 63 鈕扣電池。與此同時，南韓大邱慶北科學技術院的研究人員已試驗多種放射性同位素的 β 伏特電池，包括碳與氫的同位素。
布里斯托團隊在特定應用所需的長壽命方面仍具優勢。鎳 63 電池可使用數十年，適合消費性電子產品；碳 14 的半衰期則長達 5700 年，為無法維護的超長期應用提供截然不同的價值。史考特教授成立商業公司 Arkenlight，與產業建立合作關係，並評估碳 14 技術的市場機會。
中國的發展方向著重近期商業化，應用於航太、人工智慧設備及微型機器人；英國團隊則聚焦於醫療裝置與深空應用，這些領域都需要極長的使用壽命。雙方的共同目標，都是免除關鍵系統的電池維護與更換。
商業化之路的挑戰
金剛石電池要應用於醫療裝置或太空船，仍有重大障礙需要克服。製造純碳 14 金剛石所需的氣態原料，每公升約需 4.6 萬美元，使擴大生產面臨成本挑戰。製程需要在放射性物質處理設施內安裝專用的靜態流化學氣相沉積反應器，限制了產能。
取得法規核准也是一大難關。金剛石外殼的密封設計，讓安全認證比其他核技術更簡單，但任何含有放射性物質的裝置仍須接受廣泛測試與監管。醫療用途的要求尤其嚴格，必須確保植入數十年期間的患者安全。
大眾觀感也會影響技術的採用前景。儘管封存在金剛石中的碳 14 技術上安全，「放射性」一詞仍帶有負面印象，可能阻礙消費市場接受這項技術。若要廣泛採用，必須清楚說明封存機制與輻射安全性。
史考特教授對於透過持續研究克服這些挑戰仍抱持樂觀。他說明了未來十年的發展時程。
我們的微功率技術能支援各種重要應用，從太空科技、安全裝置到醫療植入物。我們很期待未來幾年能與產業及研究夥伴合作，探索所有這些可能性。我們希望運用這項技術推進人類發展。
未來十年的重點是擴大產量並提升供電效能。若能成功擴大製造規模，就有機會降低成本，讓應用領域超越專業醫療與航太產業。
重點整理
- 布里斯托大學與英國原子能管理局的研究人員於 2024 年 12 月研製出全球首款碳 14 金剛石電池
- 電池利用半衰期為 5700 年的碳 14 放射性衰變，持續提供微瓦等級電力，使用壽命可達數千年
- 碳 14 取自核反應爐的石墨塊，將放射性廢棄物重新利用為密封的能源來源
- 合成金剛石兼具半導體與輻射屏蔽功能，可吸收所有放射粒子並同時發電
- 應用包括醫療植入物（心律調節器、助聽器）、深空探測器、遠端感測器及射頻追蹤標籤
- 中國貝特沃爾特與美國的競爭技術採用鎳 63，壽命較短，但更接近商業化
- 商業化仍須擴大製程規模並取得法規核准，目前每公升原料氣體的生產成本為 4.6 萬美元
