你是否也在為手機(jī)頻繁充電而頭疼？你是否也為心臟起搏器定期手術(shù)更換電池而煩惱？你是否知道深海探測(cè)無(wú)人潛水器要如何才能更長(zhǎng)久地工作？你知道火星車(chē)為了延長(zhǎng)續(xù)航使用了一種特殊的電池嗎？

2021年，登陸火星的好奇號(hào)探測(cè)器使用了一種多用途放射性同位素溫差同位素電池（MMRTG），這種電池可以很好地解決以上的問(wèn)題，今天就帶你了解這種神奇的電池——同位素電池。

一、什么是同位素，同位素能干什么？

同位素是指原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)（原子序數(shù)）相同但中子數(shù)不同的同一元素。比如我們生活中常見(jiàn)的氫元素就有三種同位素，分別是氕（H）、氘（D，重氫）、氚（T，超重氫），它們之間互為同位素，是同一元素的不同核素。

其中有一些元素非常不穩(wěn)定，能自發(fā)地發(fā)射粒子或射線，釋放一定的能量從而變成另一種元素穩(wěn)定的原子，這種元素就是放射性同位素。放射性同位素發(fā)射射線的過(guò)程就是同位素衰變的過(guò)程，放射性核素的數(shù)目衰變到原有的一半所需的時(shí)間就是放射性同位素的半衰期。例如，²³⁸Pu的半衰期是87.7年，也就是說(shuō)，一顆²³⁸Pu放射源在放了87.7年后只有一半的²³⁸Pu衰變掉了。

除了在國(guó)防科技中的作用，在我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中，許多同位素也發(fā)揮著重要的作用，例如在食品生產(chǎn)中，可以利用同位素⁶⁰Co產(chǎn)生伽馬射線來(lái)對(duì)食物進(jìn)行輻照滅菌；在醫(yī)療臨床方面，已經(jīng)建立了百余種同位素治療的方法，可以對(duì)一些癌細(xì)胞實(shí)現(xiàn)靶向輻射進(jìn)而阻礙其在病人體內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)散；在能源領(lǐng)域，利用核反應(yīng)堆來(lái)提供電力。

除了上述應(yīng)用之外，還可以利用²³⁸Pu等同位素衰變時(shí)的熱能制造同位素溫差電池以及利用⁶³Ni衰變時(shí)釋放的輻射粒子來(lái)制造輻射伏特效應(yīng)同位素電池。

二、同位素電池長(zhǎng)啥樣？

這里我們著重介紹下應(yīng)用較為成熟的兩種電池：同位素溫差電池和輻射伏特效應(yīng)同位素電池。

同位素溫差電池（RTG）是利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)將同位素的衰變熱直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。RTG由三個(gè)部分組成，從內(nèi)到外分別是同位素?zé)嵩?、熱電轉(zhuǎn)換器件、散熱外殼。同位素?zé)嵩窗l(fā)出的熱能使熱電材料兩端產(chǎn)生溫差，從而利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生電流，而特殊材料制成的外殼既可以隔絕輻射，又可以把未被利用的熱能釋放出去。

同位素溫差電池典型結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：鳳麟核團(tuán)隊(duì)）

輻射伏特效應(yīng)同位素電池由放射源、半導(dǎo)體換能器件、電極、外殼等結(jié)構(gòu)組成，其工作原理是放射源與半導(dǎo)體材料發(fā)生相互作用時(shí)，通過(guò)電離激發(fā)作用產(chǎn)生電子空穴對(duì)，然后在半導(dǎo)體內(nèi)建電場(chǎng)的作用下這些產(chǎn)生的電子空穴對(duì)被電極分離收集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了將放射源的衰變能轉(zhuǎn)換為電能。

三、同位素電池可以干什么？

同位素電池具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、壽命長(zhǎng)（可以連續(xù)供能數(shù)十年）、不受環(huán)境影響、無(wú)需維護(hù)等共同優(yōu)勢(shì)，因此可以在一些需要長(zhǎng)期免維護(hù)或者環(huán)境復(fù)雜難以充電的場(chǎng)景，做到一勞永逸，直到退役。同位素電池抵抗外界干擾的能力可以碾壓一眾普通化學(xué)電池；同時(shí)，同位素電池的使用壽命主要與同位素的半衰期有關(guān)，最長(zhǎng)的甚至可以使用百年。

也正是因?yàn)橛幸陨蟽?yōu)勢(shì)，放射性同位素電池在實(shí)際的應(yīng)用領(lǐng)域中有著“既能上九天攬?jiān)?，又能下五洋捉鱉”的獨(dú)特技能。

2018年，我國(guó)成功發(fā)射的探月工程“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器，其搭載的同位素溫差電池在月夜休眠期間的零下190℃溫度中能夠滿(mǎn)足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，相比之下，普通化學(xué)電池則無(wú)法在這樣極端的低溫下工作。在實(shí)際工作過(guò)程中，月球車(chē)發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)表明同位素溫差電池供熱、供電正常，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次同位素溫差電池空間應(yīng)用。

在大洋深處，太陽(yáng)能電池幾乎派不上用場(chǎng)，燃料電池和其他化學(xué)電池的使用壽命又太短，此時(shí)，同位素電池就可以大放異彩。例如，它可以作為海底潛艇導(dǎo)航信標(biāo)的能源，能保證航標(biāo)每隔幾秒鐘閃光一次地連續(xù)工作數(shù)十年；美國(guó)將同位素電池用作海底電纜的中繼站電源，能夠在五六千米深海的高壓下安全可靠地工作。

同位素電池還有生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。例如在心臟起搏器中，目前常用的鋰—碘電池由于容易受到電磁波的干擾從而給使用者帶來(lái)不便，且壽命在5年左右。而醫(yī)用同位素電池不易受到電磁干擾，使用壽命在15年左右。世界上已經(jīng)有部分心臟病患者植入了同位素電池驅(qū)動(dòng)的心臟起搏器，使他們重獲新生。

不僅如此，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為保證集成電路（IC）和傳感器、低功耗器件等微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）能夠正常散熱且不影響無(wú)線通信信號(hào)，這些電子器件及系統(tǒng)模塊的供能裝置逐漸趨于微型化、長(zhǎng)壽命、穩(wěn)定性強(qiáng)，而同位素電池相較于普通化學(xué)電池更能滿(mǎn)足這種要求。

四、同位素電池已經(jīng)發(fā)展到什么程度？

從1961年美國(guó)第一顆人造衛(wèi)星“探險(xiǎn)者一號(hào)”首次攜帶同位素電池進(jìn)入外層空間工作，到阿波羅登月飛船攜帶兩顆同位素電池登上了月球，再到2010年有公司取得同位素電池產(chǎn)品的銷(xiāo)售資質(zhì)，經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，同位素電池在美國(guó)已經(jīng)走向了產(chǎn)業(yè)化。

類(lèi)似的從科研到產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展歷程也出現(xiàn)在俄羅斯。而我國(guó)的同位素電池起步較晚，特別是在同位素電池的產(chǎn)業(yè)化方面，還有很大的進(jìn)步空間。根據(jù)國(guó)家航天局在2018年公布的深空探測(cè)計(jì)劃，未來(lái)三十年我國(guó)將開(kāi)展月球、火星、木星的探測(cè)，這意味著同位素電池的國(guó)產(chǎn)化是迫在眉睫的需求。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)團(tuán)隊(duì)在同位素電池研發(fā)方面加大投入，百花齊放。

同位素電池正以肉眼可見(jiàn)的速度飛速發(fā)展，相信在未來(lái)，也能夠給人類(lèi)日常生活的方方面面帶來(lái)極大方便，認(rèn)識(shí)了這樣的同位素電池后，你心動(dòng)了嗎？

出品：科普中國(guó)

作者：中子科學(xué)國(guó)際研究院

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

責(zé)任編輯：胡惠雯