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質子數(原子序數)相同但中子數不同的同一元素。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、氚原子結構示意圖（圖片來源：作者手繪）
其中有一些元素非常不穩定，能自發地發射粒子或射線，釋放一定的能量從而變成另一種元素穩定的原子，這種元素就是放射性同位素。放射性同位素發射射線的過程就是同位素衰變的過程，放射性核素的數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，在我們日常生產生活中，許多同位素也發揮著重要的作用，例如在食品生產中，可以利用同位素60Co產生伽馬射線來對食物進行輻照滅菌；在醫療臨床方面，已經建立了百余種同位素治療的方法，可以對一些癌細胞實現靶向輻射進而阻礙其在病人體內繼續擴散；在能源領域，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換成電能的發電裝置。RTG由三個部分組成，從內到外分別是同位素熱源、熱電轉換器件、散熱外殼。同位素熱源發出的熱能使熱電材料兩端產生溫差，從而利用熱電材料的塞貝克效應產生電流，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構（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、外殼等結構組成，其工作原理是放射源與半導體材料發生相互作用時，通過電離激發作用產生電子空穴對，然后在半導體內建電場的作用下這些產生的電子空穴對被電極分離收集，進而實現了將放射源的衰變能轉換為電能。
三、同位素電池可以干什么？
同位素電池具有結構緊湊、可靠性高、壽命長（可以連續供能數十年）、不受環境影響、無需維護等共同優勢，因此可以在一些需要長期免維護或者環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，最長的甚至可以使用百年。
也正是因為有以上優勢，放射性同位素電池在實際的應用領域中有著“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，月球車發送回來的數據表明同位素溫差電池供熱、供電正常，實現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工作數十年；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。世界上已經有部分心臟病患者植入了同位素電池驅動的心臟起搏器，使他們重獲新生。
不僅如此，隨著物聯網技術的快速發展，為保證集成電路（IC）和傳感器、低功耗器件等微機電系統（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模塊的供能裝置逐漸趨于微型化、長壽命、穩定性好的特點，而同位素電池相較于普通化學電池更能滿足這種要求。
四、同位素電池已經發展到什么程度？
從1961年美國第一顆人造衛星“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品的銷售資質，經過了幾十年的發展，同位素電池在美國已經走向了產業化。
類似的從科研到產業化的發展歷程也出現在蘇聯和俄羅斯。而我國的同位素電池起步較晚，特別是在同位素電池的產業化方面，還有很大的進步空間。根據國家航天局在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化是迫在眉睫的需求。目前，國內相關團隊在同位素電池研發方面加大投入，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？
出品：科普中國
作者：中子科學國際研究院
監制：中國科普博覽
