出品：科普中国

作者：中子科学国际研究院

监制：中国科普博览

你是否也在为手机频繁充电而头疼？你是否也为心脏起搏器定期手术更换电池而烦恼？你是否知道深海探测无人潜水器要如何才能更长久地工作？你知道火星车为了延长续航使用了一种特殊的电池吗？

2021年，登陆火星的好奇号探测器使用了一台多用途放射性同位素温差同位素电池(MMRTG)，这种电池可以很好地解决以上的问题，今天就带你了解这种神奇的电池——同位素电池。

一、什么是同位素，同位素能干什么?

同位素是指原子核内质子数(原子序数)相同但中子数不同的同一元素。比如我们生活中常见的氢元素有就三种同位素，分别是氕(H)、氘(D，重氢)、氚(T，超重氢)，它们之间互为同位素，是同一元素的不同核素。

氕、氘、氚原子结构示意图（图片来源：作者手绘）

其中有一些元素非常不稳定，能自发地发射粒子或射线，释放一定的能量从而变成另一种元素稳定的原子，这种元素就是放射性同位素。放射性同位素发射射线的过程就是同位素衰变的过程，放射性核素的数目衰变到原有的一半所需的时间就是放射性同位素的半衰期。例如，238Pu的半衰期是87.7年，也就是说，一颗238Pu放射源在放了87.7年后只有一半的钚-238衰变掉了。

除了在国防科技中的作用，在我们日常生产生活中，许多同位素也发挥着重要的作用，例如在食品生产中，可以利用同位素60Co产生伽马射线来对食物进行辐照灭菌；在医疗临床方面，已经建立了百余种同位素治疗的方法，可以对一些癌细胞实现靶向辐射进而阻碍其在病人体内继续扩散；在能源领域，利用核反应堆来提供电力。

除了上述应用之外，还可以利用238Pu等同位素衰变时的热能制造同位素温差电池以及利用63Ni衰变时释放的辐射粒子来制造辐射伏特效应同位素电池。

二、同位素电池长啥样？

这里我们着重介绍下应用较为成熟的两种电池：同位素温差电池和辐射伏特效应同位素电池。

同位素温差电池（RTG）是利用热电材料的塞贝克效应将同位素的衰变热直接转换成电能的发电装置。RTG由三个部分组成，从内到外分别是同位素热源、热电转换器件、散热外壳。同位素热源发出的热能使热电材料两端产生温差，从而利用热电材料的塞贝克效应产生电流，而特殊材料制成的外壳既可以隔绝辐射，又可以把未被利用的热能释放出去。

同位素温差电池典型结构（图片来源：凤麟核团队）

辐射伏特效应同位素电池由放射源、半导体换能器件、电极、外壳等结构组成，其工作原理是放射源与半导体材料发生相互作用时，通过电离激发作用产生电子空穴对，然后在半导体内建电场的作用下这些产生的电子空穴对被电极分离收集，进而实现了将放射源的衰变能转换为电能。

三、同位素电池可以干什么？

同位素电池具有结构紧凑、可靠性高、寿命长（可以连续供能数十年）、不受环境影响、无需维护等共同优势，因此可以在一些需要长期免维护或者环境复杂难以充电的场景，做到一劳永逸，直到退役。同位素电池抵抗外界干扰的能力可以碾压一众普通化学电池；同时，同位素电池的使用寿命主要与同位素的半衰期有关，最长的甚至可以使用百年。

也正是因为有以上优势，放射性同位素电池在实际的应用领域中有着“既能上九天揽月，又能下五洋捉鳖”的独特技能。

2018年，我国成功发射的探月工程嫦娥“四号”探测器，其搭载的同位素温差电池在月夜休眠期间的零下190℃温度中能够满足各项技术指标要求，相比之下，普通化学电池则无法在这样极端的低温下工作。在实际工作过程中，月球车发送回来的数据表明同位素温差电池供热、供电正常，实现了我国首次同位素温差电池空间应用。

在大洋深处，太阳能电池几乎派不上用场，燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短，此时，同位素电池就可以大放异彩。例如，它可以作为海底潜艇导航信标的能源，能保证航标每隔几秒钟闪光一次地连续工作数十年；美国将同位素电池用作海底电缆的中继站电源，能够在五六千米深海的高压下安全可靠地工作。

同位素电池还有生物医学上的应用。例如在心脏起搏器中，目前常用的锂-碘电池由于容易受到电磁波的干扰从而给使用者带来不便，且寿命在5年左右。而医用同位素电池不易受到电磁干扰，使用寿命长在15年左右。世界上已经有部分心脏病患者植入了同位素电池驱动的心脏起搏器，使他们重获新生。

不仅如此，随着物联网技术的快速发展，为保证集成电路（IC）和传感器、低功耗器件等微机电系统（MEMS）能够正常散热且不影响无线通讯信号，就使得这些电子器件及系统模块的供能装置逐渐趋于微型化、长寿命、稳定性好的特点，而同位素电池相较于普通化学电池更能满足这种要求。

四、同位素电池已经发展到什么程度？

从1961年美国第一颗人造卫星“探险者一号”首次携带同位素电池进入外层空间工作，到阿波罗登月飞船携带两颗同位素电池登上了月球，再到2010年有公司取得同位素电池产品的销售资质，经过了几十年的发展，同位素电池在美国已经走向了产业化。

类似的从科研到产业化的发展历程也出现在苏联和俄罗斯。而我国的同位素电池起步较晚，特别是在同位素电池的产业化方面，还有很大的进步空间。根据国家航天局在2018年宣布的深空探测计划，未来三十年我国将开展月球、火星、木星的探测，这意味着同位素电池的国产化是迫在眉睫的需求。目前，国内相关团队在同位素电池研发方面加大投入，百花齐放。

同位素电池正以肉眼可见的速度飞速发展，相信在未来，也能够给人类日常生活的方方面面带来极大方便，认识了这样的同位素电池后，你心动了吗？

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