在科幻電影《火星救援》中，男主角在火星的沙塵中挖出一個類似圓柱狀的東西，在纏上一圈金屬紙後，放在座椅後取暖。觀眾不禁好奇，到底是啥東西，深埋多年後挖出來竟然還能發熱？
男主角挖出的核電池
（圖片來源：《火星救援》電影片段）
其實，男主角用來取暖的是放射性同位素溫差核電池。這種電池利用放射性元素衰變放出的熱發電，使用壽命長達幾十年！然而正如電影中的描述，這種核電池的體積和重量都較大，攜帶並不方便，但是其長壽命和受環境影響小的特點又是太空中電池的不錯選擇。那麼是否有體積更小的核電池呢？
放射性同位素溫差核電池內部結構
（圖片來源：參考文獻1）
微型核電池：未來電池新形態
微型核電池（penny-sized nuclear battery）是指體積較小，續航能力極強的「核電池」。該電池具有能量密度高、使用壽命長、不依賴外界太陽光等特點，被廣泛應用於航空航天、極地探索、醫學和微機電系統。
核動力火星探測器
（圖片來源：veer圖庫）
微型核電池的發電原理與鋰電池、太陽能電池不同，主要是利用放射性同位素衰變時釋放的能量進行發電。
放射性同位素是指具有相同原子序，但中子數不同的一類元素，總共有2000多種。這類元素會自發地發生放射性衰變即放出射線（如α射線、β射線、γ射線等），並且伴隨著能量的釋放，這種能量被稱為衰變能。
部分同位素示例圖
（圖片來源：veer圖庫）
微型核電池的「換能器」有哪些？
微型核電池發電的基本原理就是將放射性同位素的衰變能轉換為電能。轉換的方式有很多種，包括直接充電、伏特效應、熱動力、熱光電、壓電轉換等。其中，伏特效應轉換是近年來微型核電池領域的研究熱點之一。
伏特效應轉換主要利用放射性同位素在α衰變或β衰變時產生的α粒子或電子所攜帶的能量轉化為電能。根據能量轉換的不同過程，伏特效應放射性同位素電池可分為三類。
熱電轉換：將α或β衰變能轉換為熱能，再轉換為電能。《火星救援》電影中的放射性同位素溫差核電池就是利用的該原理。
輻射光電轉換：通過螢光材料將衰變能轉變為光能，再用太陽能電池將光能轉變為電能。
輻射伏特效應轉換：利用帶有一定能量的粒子束照射半導體材料，通過電離效應產生電子空穴對，然後在內建電場作用下，實現對電子空穴對的分離，產生電流。輻射伏特效應轉換具有功率小、壽命長和穩定好的特點，在微型核電池中應用較多。
熱電轉換電池結構圖
（圖片來源：參考文獻1）
微型核電池技術新突破
微型核電池的壽命與放射性元素的半衰期相關。半衰期是放射性元素原子數衰變減少到原來的一半所用的時間，一般認為放射性元素在經歷10個半衰期後就已經完全衰變。不同放射性元素的半衰期不同，例如鍶－90的半衰期約為28年、鈽－238半衰期約為89.6年、釙－210的半衰期約為138.4天。長續航微型核電池所用到的放射性同位素的半衰期要儘可能長。而半衰期長的放射性同位素，往往能夠提供更持久的電能供給。
鋂（Am）位於元素周期表的錒系，它的同位素鋂-243的半衰期為7380年，是為數不多的半衰期長達數千年的同位素，如果能作為微型核電池的材料，在理論上將會大大延長電池的使用壽命。但是，鋂-243發生衰變時釋放的α粒子穿透力極弱（僅有10-25微米），並且傳統微型核電池具有較強的自吸附效應，導致鋂-243的衰變能量利用率極低，實際的輸出功率比理論值低幾個數量級。
2024年9月18日，中國科學家在《自然》期刊上發表了一篇題目為「基於聚能傳感器的微核電池」的論文，在微核電池的研究上取得重大突破。研究者將放射性元素鋂與發光鑭系元素配位聚合物結合，研製出一種高轉換效率的微核電池，將α衰變能量到持續自發光的能量轉換效率提高了8000倍。
研究者利用鋱和鋂的離子半徑、電荷密度和配位化學性質相似的特性，將鋂-243摻入含鋱（Tb）配位聚合物的晶格中，形成相對密集的三維框架結構。
含鋱（Tb）配位聚合物的合成與表徵
（a）配位聚合物的拓撲結構；（b）鋂與鋱在相鄰結構中的距離；（c）自發光光譜圖；（d）光子計數與鋂摻雜量的關係
（圖片來源：參考文獻2）
含鋱（Tb）配位聚合物中的Tb3+躍遷可以發射綠光，並且具有較高的光致發光量產率（61.53%），是一種很好的發光材料。因此243Am的引入使放射性同位素和發光材料在分子水平上形成一種高效的能量換能器。實驗結果表明，該能量換能器的自發光強度較非分子水平結合的能量換能器高8000多倍。
微型核電池和核電站有什麼區別？
俄羅斯車諾比核電站爆炸和日本福島核泄漏事故使得人們對核反應發電產生恐懼，大部分人甚至「談核色變」。那麼微型核電池安全嗎？會不會和核電站一樣有爆炸風險呢？
其實，微型核電池與核電站相比，除了體積小、安全性高之外，原理也不一樣。
核電站主要利用核裂變反應來產生大量的熱能，通過熱交換和蒸汽輪機發電。在核裂變過程中，重核（如鈾-235）被中子轟擊後分裂成兩個較輕的原子核，並釋放出大量的能量和中子。這些中子又可以繼續轟擊其他重核，形成鏈式反應，就像多米諾骨牌一樣。
核反應堆
（圖片來源：veer圖庫）
微型核電池由於其體積小、重量輕且封閉性好，在安全性方面具有較高的保障。此外，微型核電池的能量主要來源於同位素衰變釋放的α粒子，穿透力極低，穿透距離很短（空氣中為厘米級），對外界環境的影響較小。如果結合合適的放射性同位素和優化電池結構，微型核電池的潛在安全風險可以進一步降低。
微型核電池的未來應用太空探索
微型核電池在太空探索中具有廣泛的應用前景。在航天領域，搭載物的質量和體積往往會直接影響發射過程的成本。此外，由於太空環境極端惡劣，質量和體積小、持久可靠的電池對於太空探測器來說至關重要。微型核電池體積小，壽命長達數十年，且不受環境溫度、壓力和磁場等環境因素影響，可以保證探測器在整個生命周期中的穩定運行。
火星探測車
（圖片來源：veer圖庫）
醫療領域
微型核電池在醫療領域也有潛在的應用價值。例如，在植入式醫療設備中，微型核電池可以提供持久、穩定的電力來源，從而減少對外部電源的依賴和更換電池的頻率。這有助於提高患者的生活品質和醫療效果。早在20世紀70年代初，依靠微核電池供能的心臟起搏器就已經得到了應用。法國一種用於心臟起搏器的微型核電池利用238Pu同位素作為燃料，輸出功率可達700µW，重量僅為40克左右。
微型核電池心臟起搏器
（圖片來源：中國核技術網）
除了太空探索和醫療領域外，微型核電池還可以應用於深海探測、極地科考等需要在極端環境條件下工作的領域。然而，由於功率和成本等問題，微型核電池還沒有在手機等消費電子產品上得到應用。我們期待微型核電池以安全、性能優異的「全能手」身份走進我們的生活，為我們打破續航的焦慮。
