你是不是也饱受手机频繁充电的困扰？你也担心在常规手术中更换心脏起搏器的电池吗？你知道深海探测无人潜航器可以工作多长时间吗？你知道漫游者使用一种特殊的电池来延长电池寿命吗？

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?

同位素是指原子核中质子数(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的同位素有三种，分别是氘(H)、氘(D，重氢)和氚(T，超重氢)。它们互为同位素，是同一元素的不同核素。

氘、氚的原子结构示意图(来源：作者手绘)

其中一些元素非常不稳定，可以自发发射粒子或射线，释放一定的能量成为另一种元素的稳定原子，这种元素就是放射性同位素。放射性同位素发出射线的过程就是同位素衰变的过程，放射性核素的数量衰变到原来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，一个238Pu放射源的钚-238只有一半在87.7年后衰变。

除了在国防科技中的作用，很多同位素在我们的日常生产生活中也发挥着重要的作用。例如，在食品生产中，同位素60Co可用于产生伽马射线来对食品进行消毒。

在医学临床上，已经建立了100多种同位素治疗方法，可以实现对某些癌细胞的靶向辐射，然后阻碍其在患者体内继续扩散。在能源领域，核反应堆被用来提供电力。

除上述应用外，还可以利用238Pu等同位素衰变的热能制作同位素热电电池，利用63Ni衰变释放的辐射粒子制作具有辐射伏特效应的同位素电池。

二、同位素电池长啥样？

这里重点介绍两种比较成熟的电池：同位素热电电池和辐射伏特效应同位素电池。

同位素热电电池(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化为电能的发电装置。RTG由三部分组成，从里到外分别是同位素热源、热电转换装置和散热外壳。

同位素发出的热能造成热电材料两端的温差，从而利用热电材料的塞贝克效应产生电流。特殊材料制成的外壳不仅能隔离辐射，还能释放未使用的热能。

同位素热电电池的典型结构(来源：林峰核团队)

辐射伏特效应同位素电池由放射源、半导体换能器、电极、外壳等结构组成。其工作原理是，当放射源与半导体材料相互作用时，通过电离激发产生电子-空穴对，然后这些产生的电子-空穴对在半导体内建电场的作用下被电极分离和收集，从而将放射源的衰变能量转化为电能。

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(连续供能几十年)、无环境影响、免维护等共同优点。所以在一些需要长期免维护或者环境复杂难以充电的场景下，可以一劳永逸的使用，直到报废。

同位素电池抗外界干扰的能力可以碾压很多普通的化学电池；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一百年。

正是由于上述优点，放射性同位素电池在实际应用中具有“九天登月，五洋捉鳖”的独特技能。

2018年，我国成功发射探月工程嫦娥“四号”探测器，其同位素温差电池在月夜休眠过程中，可满足零下190的各项技术指标要求。相比之下，普通的化学电池无法在如此极端的低温下工作。

在实际工作过程中，月球车发回的数据显示，同位素温差电池提供正常的热量和功率，从而实现了同位素温差电池在我国的首次空间应用。

在海洋深处，太阳能电池几乎没有用，燃料电池和其他化学电池的使用寿命也太短。这时候同位素细胞就可以大放异彩了。

比如可以作为潜艇导航信标的能源，可以保证信标每隔几秒闪烁一次，连续工作几十年；采用美国同位素电池作为海底电缆的中继站电源，可以在五六公里深海的高压下安全可靠的工作。

同位素电池也有生物医学应用。比如心脏起搏器中，常用的锂碘电池易受电磁波干扰，给用户带来不便，寿命在5年左右。而医用同位素电池不易受电磁干扰，使用寿命在15年左右。

世界上一些心脏病患者已经被植入由同位素电池供电的起搏器，这给了他们新的生命。

不仅如此，随着物联网技术的快速发展，为了保证集成电路(IC)、传感器、小功率器件等微机电系统(MEMS)能够在不影响无线通信信号的情况下正常散热，这些电子设备和系统模块的供电装置逐渐趋于小型化、长寿命、稳定，同位素电池比普通化学电池更能满足这一要求。

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“探索者I号”首次搭载同位素电池进入外太空，到阿波罗搭载两块同位素电池登陆月球，再到2010年某公司获得同位素电池产品销售资质。经过几十年的发展，同位素电池在美国已经进入产业化。

类似的从科研到产业化的发展过程也出现在苏联和俄罗斯。而我国同位素电池起步较晚，尤其是在同位素电池产业化方面，还有很大的提升空间。

根据2018年国家航天局公布的深空探测计划，中国将在未来30年内探索月球、火星和木星，这意味着同位素电池的国产化迫在眉睫。目前国内相关团队加大了对同位素电池的研发投入，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，也会给人类日常生活的方方面面带来极大的便利。知道这样的同位素电池后，你激动吗？