作者：中子科學國際研究院

監(jiān)制：中國科普博覽

(相關(guān)資料圖)

2021年，登陸火星的好奇號探測器使用了一臺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的氫元素有就三種同位素，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。

氕、氘、氚原子結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：作者手繪）

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)射射線的過程就是同位素衰變的過程，放射性核素的數(shù)目衰變到原有的一半所需的時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，一顆238Pu放射源在放了87.7年后只有一半的钚-238衰變掉了。

除了在國防科技中的作用，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)生伽馬射線來對食物進行輻照滅菌；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，可以對一些癌細胞實現(xiàn)靶向輻射進而阻礙其在病人體內(nèi)繼續(xù)擴散；在能源領(lǐng)域，利用核反應堆來提供電力。

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

二、同位素電池長啥樣？

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

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由三個部分組成，從內(nèi)到外分別是同位素熱源、熱電轉(zhuǎn)換器件、散熱外殼。同位素熱源發(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)（圖片來源：鳳麟核團隊）

輻射伏特效應同位素電池由放射源、半導體換能器件、電極、外殼等結(jié)構(gòu)組成，其工作原理是放射源與半導體材料發(fā)生相互作用時，通過電離激發(fā)作用產(chǎn)生電子空穴對，然后在半導體內(nèi)建電場的作用下這些產(chǎn)生的電子空穴對被電極分離收集，進而實現(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（可以連續(xù)供能數(shù)十年）、不受環(huán)境影響、無需維護等共同優(yōu)勢，因此可以在一些需要長期免維護或者環(huán)境復雜難以充電的場景，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電池；同時，同位素電池的使用壽命主要與同位素的半衰期有關(guān)，最長的甚至可以使用百年。

也正是因為有以上優(yōu)勢，放射性同位素電池在實際的應用領(lǐng)域中有著“既能上九天攬月，又能下五洋捉鱉”的獨特技能。

2018年，我國成功發(fā)射的探月工程嫦娥“四號”探測器，其搭載的同位素溫差電池在月夜休眠期間的零下190℃溫度中能夠滿足各項技術(shù)指標要求，相比之下，普通化學電池則無法在這樣極端的低溫下工作。在實際工作過程中，月球車發(fā)送回來的數(shù)據(jù)表明同位素溫差電池供熱、供電正常，實現(xiàn)了我國首次同位素溫差電池空間應用。

在大洋深處，太陽能電池幾乎派不上用場，燃料電池和其他化學電池的使用壽命又太短，此時，同位素電池就可以大放異彩。例如，它可以作為海底潛艇導航信標的能源，能保證航標每隔幾秒鐘閃光一次地連續(xù)工作數(shù)十年；美國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)學上的應用。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，使用壽命長在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、低功耗器件等微機電系統(tǒng)（MEMS）能夠正常散熱且不影響無線通訊信號，就使得這些電子器件及系統(tǒng)模塊的供能裝置逐漸趨于微型化、長壽命、穩(wěn)定性好的特點，而同位素電池相較于普通化學電池更能滿足這種要求。

四、同位素電池已經(jīng)發(fā)展到什么程度？

從1961年美國第一顆人造衛(wèi)星“探險者一號”首次攜帶同位素電池進入外層空間工作，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)品的銷售資質(zhì)，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，同位素電池在美國已經(jīng)走向了產(chǎn)業(yè)化。

類似的從科研到產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展歷程也出現(xiàn)在蘇聯(lián)和俄羅斯。而我國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，還有很大的進步空間。根據(jù)國家航天局在2018年宣布的深空探測計劃，未來三十年我國將開展月球、火星、木星的探測，這意味著同位素電池的國產(chǎn)化是迫在眉睫的需求。目前，國內(nèi)相關(guān)團隊在同位素電池研發(fā)方面加大投入，百花齊放。

同位素電池正以肉眼可見的速度飛速發(fā)展，相信在未來，也能夠給人類日常生活的方方面面帶來極大方便，認識了這樣的同位素電池后，你心動了嗎？