在科幻电影《火星救援》中，男主角在火星的沙尘中挖出一个类似圆柱状的东西，在缠上一圈金属纸后，放在座椅后取暖。观众不禁好奇，到底是啥东西，深埋多年后挖出来竟然还能发热？



男主角挖出的核电池

（图片来源：《火星救援》电影片段）

其实，男主角用来取暖的是放射性同位素温差核电池。这种电池利用放射性元素衰变放出的热发电，使用寿命长达几十年！然而正如电影中的描述，这种核电池的体积和重量都较大，携带并不方便，但是其长寿命和受环境影响小的特点又是太空中电池的不错选择。那么是否有体积更小的核电池呢？



放射性同位素温差核电池内部结构

（图片来源：参考文献1）

微型核电池：未来电池新形态

微型核电池（penny-sized nuclear battery）是指体积较小，续航能力极强的“核电池”。该电池具有能量密度高、使用寿命长、不依赖外界太阳光等特点，被广泛应用于航空航天、极地探索、医学和微机电系统。



核动力火星探测器

（图片来源：veer图库）

微型核电池的发电原理与锂电池、太阳能电池不同，主要是利用放射性同位素衰变时释放的能量进行发电。

放射性同位素是指具有相同原子序数，但中子数不同的一类元素，总共有2000多种。这类元素会自发地发生放射性衰变即放出射线（如α射线、β射线、γ射线等），并且伴随着能量的释放，这种能量被称为衰变能。



部分同位素示例图

（图片来源：veer图库）

微型核电池的“换能器”有哪些？

微型核电池发电的基本原理就是将放射性同位素的衰变能转换为电能。转换的方式有很多种，包括直接充电、伏特效应、热动力、热光电、压电转换等。其中，伏特效应转换是近年来微型核电池领域的研究热点之一。

伏特效应转换主要利用放射性同位素在α衰变或β衰变时产生的α粒子或电子所携带的能量转化为电能。根据能量转换的不同过程，伏特效应放射性同位素电池可分为三类。

热电转换：将α或β衰变能转换为热能，再转换为电能。《火星救援》电影中的放射性同位素温差核电池就是利用的该原理。

辐射光电转换：通过荧光材料将衰变能转变为光能，再用太阳能电池将光能转变为电能。

辐射伏特效应转换：利用带有一定能量的粒子束照射半导体材料，通过电离效应产生电子空穴对，然后在内建电场作用下，实现对电子空穴对的分离，产生电流。辐射伏特效应转换具有功率小、寿命长和稳定好的特点，在微型核电池中应用较多。



热电转换电池结构图

（图片来源：参考文献1）

微型核电池技术新突破

微型核电池的寿命与放射性元素的半衰期相关。半衰期是放射性元素原子数衰变减少到原来的一半所用的时间，一般认为放射性元素在经历10个半衰期后就已经完全衰变。不同放射性元素的半衰期不同，例如锶－90的半衰期约为28年、钚－238半衰期约为89.6年、钋－210的半衰期约为138.4天。长续航微型核电池所用到的放射性同位素的半衰期要尽可能长。而半衰期长的放射性同位素，往往能够提供更持久的电能供给。

镅（Am）位于元素周期表的锕系，它的同位素镅-243的半衰期为7380年，是为数不多的半衰期长达数千年的同位素，如果能作为微型核电池的材料，在理论上将会大大延长电池的使用寿命。但是，镅-243发生衰变时释放的α粒子穿透力极弱（仅有10-25微米），并且传统微型核电池具有较强的自吸附效应，导致镅-243的衰变能量利用率极低，实际的输出功率比理论值低几个数量级。

2024年9月18日，中国科学家在《自然》期刊上发表了一篇题目为“基于聚能传感器的微核电池”的论文，在微核电池的研究上取得重大突破。研究者将放射性元素镅与发光镧系元素配位聚合物结合，研制出一种高转换效率的微核电池，将α衰变能量到持续自发光的能量转换效率提高了8000倍。

研究者利用铽和镅的离子半径、电荷密度和配位化学性质相似的特性，将镅-243掺入含铽（Tb）配位聚合物的晶格中，形成相对密集的三维框架结构。



含铽（Tb）配位聚合物的合成与表征

（a）配位聚合物的拓扑结构；（b）镅与铽在相邻结构中的距离；（c）自发光光谱图；（d）光子计数与镅掺杂量的关系

（图片来源：参考文献2）

含铽（Tb）配位聚合物中的Tb3+跃迁可以发射绿光，并且具有较高的光致发光量产率（61.53%），是一种很好的发光材料。因此243Am的引入使放射性同位素和发光材料在分子水平上形成一种高效的能量换能器。实验结果表明，该能量换能器的自发光强度较非分子水平结合的能量换能器高8000多倍。

微型核电池和核电站有什么区别？

俄罗斯切尔诺贝利核电站爆炸和日本福岛核泄漏事故使得人们对核反应发电产生恐惧，大部分人甚至“谈核色变”。那么微型核电池安全吗？会不会和核电站一样有爆炸风险呢？

其实，微型核电池与核电站相比，除了体积小、安全性高之外，原理也不一样。

核电站主要利用核裂变反应来产生大量的热能，通过热交换和蒸汽轮机发电。在核裂变过程中，重核（如铀-235）被中子轰击后分裂成两个较轻的原子核，并释放出大量的能量和中子。这些中子又可以继续轰击其他重核，形成链式反应，就像多米诺骨牌一样。

核反应堆

（图片来源：veer图库）

微型核电池由于其体积小、重量轻且封闭性好，在安全性方面具有较高的保障。此外，微型核电池的能量主要来源于同位素衰变释放的α粒子，穿透力极低，穿透距离很短（空气中为厘米级），对外界环境的影响较小。如果结合合适的放射性同位素和优化电池结构，微型核电池的潜在安全风险可以进一步降低。

微型核电池的未来应用

太空探索

微型核电池在太空探索中具有广泛的应用前景。在航天领域，搭载物的质量和体积往往会直接影响发射过程的成本。此外，由于太空环境极端恶劣，质量和体积小、持久可靠的电池对于太空探测器来说至关重要。微型核电池体积小，寿命长达数十年，且不受环境温度、压力和磁场等环境因素影响，可以保证探测器在整个生命周期中的稳定运行。



火星探测车

（图片来源：veer图库）

医疗领域

微型核电池在医疗领域也有潜在的应用价值。例如，在植入式医疗设备中，微型核电池可以提供持久、稳定的电力来源，从而减少对外部电源的依赖和更换电池的频率。这有助于提高患者的生活质量和医疗效果。早在20世纪70年代初，依靠微核电池供能的心脏起搏器就已经得到了应用。法国一种用于心脏起搏器的微型核电池利用238Pu同位素作为燃料，输出功率可达700µW，重量仅为40克左右。



微型核电池心脏起搏器

（图片来源：中国核技术网）

除了太空探索和医疗领域外，微型核电池还可以应用于深海探测、极地科考等需要在极端环境条件下工作的领域。然而，由于功率和成本等问题，微型核电池还没有在手机等消费电子产品上得到应用。我们期待微型核电池以安全、性能优异的“全能手”身份走进我们的生活，为我们打破续航的焦虑。