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【导语】电子设备因电池寿命有限而频繁更换的问题一直困扰着用户。近期，科学家提出了新型微型核电池的设计理念，有望解决这一难题。微型核电池利用放射性同位素衰变产生的能量转化为电能，具有超长使用寿命和稳定性能。然而，传统微型核电池存在自吸收效应导致能量转换效率低下的问题。2024年9月，苏州大学团队提出了一种基于“内置能量转换器”的锕系微型核电池结构设计，实现了放射源与能量转换单元的分子层级耦合，大幅提高了能量转换效率。虽然这项技术仍处于实验阶段，但其未来应用前景广阔，可能彻底改变便携式电子设备的充电方式，并首先应用于航天、深(shēn)海(hǎi)探(tàn)测(cè)、植(zhí)入(rù)式(shì)医(yī)疗(liáo)设(shè)备(bèi)等(děng)长(zhǎng)寿(shòu)命(mìng)低(dī)功(gōng)耗(hào)领(lǐng)域。

图(tú)虫(chóng)创(chuàng)意(yì)

不(bù)知(zhī)道(dào)各(gè)位(wèi)是(shì)不(bù)是(shì)和(hé)我(wǒ)一(yī)样(yàng)有(yǒu)一(yī)个(gè)困(kùn)扰(rǎo)。很(hěn)多(duō)电(diàn)子(zi)设(shè)备(bèi)明(míng)明(míng)还(hái)能(néng)用(yòng)，但(dàn)就(jiù)因(yīn)为电池寿命到了，不得不换。不过最近咱们的科学家提出了新型微型核电池的设计理念，可能电子设备一辈子都不用换电池。

传统电池，比如碱性电池、铅酸电池和锂电池，大都通过化学反应储存能量，属于化学电池。

微型核电池是一种将放射性同位素衰变产生的能量转化为电能的装置。微型核电池的工作原理是将放射性同位素衰变时释放能量转化为电能。整个过程是物理变化。所以，核电池属于物理电池。

由于放射性物质的衰变周期较长且稳定，所以一般来说核电池不仅使用寿命超级长，而且能在极端环境下保持稳定运行。但和传统电池不同的是，核电池不能充电。

目前，核电池主要分两种，一类是热离子型核电池。

这类核电池主要利用放射性同位素（如钚-238）衰变产生的热量，通过热电效应（塞贝克效应）或斯特林发动机等方式转换为电能。

“旅行者”号、“好奇号”火星车等深空探测器上使用的就是这种核电池。

另一类是自发辐射型核电池。

这类核电池直接利用放射性同位素的β射线或α射线轰击半导体材料，产生电子-空穴对，从而形成电流。

心脏起搏器、深海传感器、航天器低功耗部件使用的就是这种核电池。

但不管是热离子型核电池还是热离子型核电池都有一个缺点，放射源与能量转换单元是分开的，导致自吸收效应严重阻碍了锕系α衰变能的转换。

什么意思呢？

简单来说，考虑到安全性、散热和材料兼容性，传统微型核电池设计中，放射源（如放射性同位素） 和 能量转换单元（如半导体材料） 是分开的，也就是说它们之间存在一定的物理距离。

而α粒子的穿透能力较弱（通常只能穿透几微米），如果放射源材料较厚或者密度较高，很多α粒子会在材料内部碰撞损失能量，无法到达能量转换单元。这样就导致即使α衰变本身释放了很高的能量，但有效利用率却很低。

开头说的新型微型核电池解决的就是这个问题。

2024年9月，由苏州大学王殳凹教授和王亚星教授团队牵头1，联合多家科研机构提出了一种基于 “内置能量转换器” 的锕系微型核电池结构设计理念。

在这一架构中，锕系元素243Am与发光镧系元素Tb3+共同组装成晶态配位聚合物，且它们之间的距离处于埃米范围内，从而实现了放射性元素与能量转换单元的分子层级耦合。243Am衰变产生的α粒子能量被极为高效地沉积到周围的镧系元素上，产生显著的辐射发光现象。

简单来说就是这个方案把放射源和能量转换单元“贴”在了一起。

为什么传统核电池必须把放射源和能量转换单元分开，而基于 “内置能量转换器” 的锕系微型核电池却能”贴“在一起呢？

其实谜底就在谜面上。这种设计的巧妙之处在于它不是简单地把两者放在一起，而是直接把它们“拼接”成了一种新材料——晶态配位聚合物。

在这种材料里，放射源 镅-243（Am-243） 和能量转换单元镝元素（Tb³⁺） 的距离只有埃米（Å）级别（1Å=0.1纳米），相当于两个原子那么近。这样一来，α粒子刚释放出来就能马上把能量传递给镝元素，让它发出强烈的荧光。

也就是说，新型核电池采用“内置能量转换器”结构，把放射源（Am-243）和转换单元（Tb³⁺）在分子层面结合，消除了自吸收问题，提高了能量转换效率，同时保持小型化和安全性。

这就像是把“燃料”和“发动机”融合成一个整体，而不是让它们分开工作，从而让能量转换更加高效、紧凑、安全。

目前这项技术还处于实验阶段，还有很多问题需要解决。

比如能量转换效率提升。目前的实验结果主要聚焦在α粒子激发镧系元素（Tb³⁺）产(chǎn)生(shēng)强(qiáng)辐(fú)射发光，但如何高效地将光能转换为电能（如利用光伏材料）仍需要优化。

如何大规模制备高质量的晶态配位聚合物，以及如何做到可控的放射性材料封装，也是工程化过程中需要解决的难题。

理论上说，如果这项技术突破现有瓶颈并成熟应用，它是可以用于智能手机等便携式电子设备的。它比目前的锂电池更轻、更薄，基本不受外界温度影响同时提供更高能量密度。未来的智能手机、智能手表等设备可能不再需要充电器，彻底改变用户体验。但是，不知道大家对手上拿着一块核电池会不会心理不适。

目前来看，微型核电池的功率普遍较低（通常在微瓦到毫瓦级），而智能手机等电子设(shè)备(bèi)通(tōng)常(cháng)需(xū)要(yào)瓦(wǎ)级(jí)（W）功(gōng)率(lǜ)，要(yào)满(mǎn)足(zú)这(zhè)一(yī)需(xū)求(qiú)需(xū)要(yào)大(dà)幅(fú)提(tí)升(shēng)功(gōng)率(lǜ)输(shū)出(chū)。所(suǒ)以(yǐ)这(zhè)种(zhǒng)新(xīn)型(xíng)核(hé)电(diàn)池(chí)更(gèng)可(kě)能(néng)首先用于航天、深海探测、植入式医疗设备等长寿命低功耗设备。

不过随着技术的不断成熟，相信在核电池在更多领域实现广泛应用。

本文为·创作培育计划扶持作品

作者：董汉文 凝聚态物理博士

审核：霍群海 中国科学院电工研究所 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司