一種熱離子‑光電‑熱電複合式同位素電池及其製備方法與流程

2023-05-11 03:41:37

本發明屬於同位素電池領域，具體涉及一種熱離子-光電-熱電複合式同位素電池；本發明還涉及一種熱離子-光電-熱電複合式同位素電池的製備方法。

背景技術：

原子核成分（或能態）自發地發生變化，同時放射出射線的同位素稱為放射性同位素。放射性同位素電池，簡稱同位素電池，它是利用換能器件將放射性同位素衰變時釋放出射線的能量轉換成電能輸出，從而達到供電目的。由於同位素電池具有服役壽命長、環境適應性強、工作穩定性好、無需維護、小型化等優點，目前已在軍事國防、航天航海、極地探測、生物醫療、電子工業等重要領域被廣泛應用。

同位素電池首先由英國物理學家henrymosley於1913年提出，而有關同位素電池的研究主要集中在過去的100年，蘭州大學周毅等人結合不同換能方式下同位素電池換能效率高低與輸出功率大小將同位素電池的換能方式分成了四類（zhouy,zhangsx,ligp.areviewofradioisotopebatteries.chinscibull,2017,doi:10.1360/n972016-00793）：①靜態型熱電式（直接收集、溫差電/熱電、熱離子發射、接觸電勢差、熱光伏、鹼金屬熱電轉換）同位素電池；②輻射伏特效應（肖特基、pn/pin結）同位素電池；③動態換能方式（布雷頓循環、斯特林循環、朗肯循環、磁流體發電、外中子源驅動式）同位素電池；④特殊換能機理（輻射發光、衰變lc電路耦合諧振、宇宙射線/電磁波收集、壓電懸臂梁、磁約束下β粒子電磁輻射、磁分離式、輻射電離、射流驅動壓電式）同位素電池。

上述四類同位素電池的研究結果表明，能量轉換效率低仍是目前同位素電池的共性所在。靜態型熱電式同位素電池的發展主要得益於國家層面的研究開發，特別是溫差式同位素電池（radioisotopethermoelectricgenerators,rtg）的設計與製造目前在美國已日趨完善，但其基於熱電材料換能電池能量轉換效率較低，即便nasa最新報導的增強型多任務溫差式同位素電池（enhancedmulti-missionradioisotopethermoelectricgenerators,emmrtg）的換能效率也不足10%（http://www.jpl.nasa.gov/news/news.phpfeature=6646），因而其使用範圍十分有限、民用化過程較為困難。輻射伏特效應同位素電池以半導體材料為換能單元，可實現同位素電池器件小型化，擴大了同位素電池的應用範圍，且隨著材料科學的飛速發展取得了一定的研究成效，但輻射伏特效應同位素電池存在射線長期輻照下半導體材料性能退化的問題，降低了輻射伏特效應同位素電池的使用壽命。發明人通過對比靜態型熱電式同位素電池和其他類型同位素電池的換能方式可知，採用技術成熟的熱離子發射、光電、熱電技術並進行多層耦合實現梯級換能，有望大幅提高靜態型熱電式同位素電池的能量轉換效率與功率密度。

技術實現要素：

本發明要解決的第一技術問題在於提供一種熱離子-光電-熱電複合式同位素電池；該同位素電池能夠突破傳統靜態型同位素電池存在單一換能、能損較大的技術瓶頸，具有能量轉換效率高、輸出功率大、工作穩定性好等特點。本發明要解決的第二個技術問題在於提供一種熱離子-光電-熱電複合式同位素電池的製備方法。

本發明為解決上述第一技術問題所提供的一種熱離子-光電-熱電複合式同位素電池，包括放射源和換能結構；其特徵在於：同位素電池整體為柱狀結構，換能結構兩端分別裝配電池正極與電池負極；換能結構包括從內向外依次緊密疊層設置的發射極板、填充介質與透明電荷收集板；發射極板設在放射源側表面；電池負極一側的放射源、發射極板、填充介質的端面設有耐高溫絕熱密封墊，電池正極一側的放射源、填充介質與透明電荷收集板的端面設有耐高溫絕熱密封墊，放射源、發射極板、填充介質與透明電荷收集板通過耐高溫絕熱密封墊形成密封結構；換能結構還包括從內向外依次緊密疊層設置的第一透明絕緣襯底、光電組件、第二透明絕緣襯底與熱電組件，第一透明絕緣襯底設在透明電荷收集板側表面；光電組件兩端設有第一電學輸出電極，熱電組件兩端設有第二電學輸出電極；換能結構側表面及其兩端的電池正極、電池負極包覆有緩衝墊，緩衝墊外表面設置內封裝，內封裝外表面設置外封裝散熱層，外封裝散熱層與電池正極、電池負極之間裝配有絕緣環。

光電組件由柔性光電材料固定包覆於熱電組件外側，形成筒狀結構；熱電組件由柔性複合熱電材料固定包覆於透明電荷收集板外側，形成筒狀結構。

發射極板、電池正極一側第一電學輸出電極、電池正極一側第二電學輸出電極依次並聯接入電池正極，透明電荷收集板、電池負極一側第一電學輸出電極、電池負極一側第二電學輸出電極依次並聯接入電池負極。

根據實際工作環境的要求確定，可調整緩衝墊的厚度；根據實際應用時輸出電壓電流的需求，可調整放射源的活度大小；根據具體參數要求，可選擇熱電組件中熱電單元的數量，選擇串聯、並聯或串並聯結合的方式組配熱電單元；根據實際工作環境的要求，可確定外封裝散熱層的散熱翅片數量。

放射源可以是α放射源：210po、gd210po、210po(re)、210po(re)3、235u、238pu、238puo2微球、238puo2-mo陶瓷、238puo2燃料球、238puo2陶瓷、238pu-zr合金、238pu-ga合金、238pu-pt合金、238pu-sc合金、238pun、238puc、241am、242cm、242cm2o3、244cm或244cm2o3；也可以是β放射源：sc3h2、(c4h33h5-)n、14c、35s、63ni、90sr、90sr/90y、90srtio3、106ru、137cs、137cscl、144ce、144ceo2、147pm、147pm2o3或151sm。

發射極板為具有高真空功函數的難熔金屬，可以是金屬w、金屬ta、金屬re或金屬mo。

填充介質的材質可以是cs氣體（1torr）。

透明電荷收集板是低逸出功材料，具有透明導電性和低電子發射率，可以是nb、nbn、mo、sn(ito)或ai(zao)。

光電組件的材質可以是si、ge、nd2o3、gasb、ingaassb、ingaas或inpassb。

熱電組件的材質可以是naco2o5方鈷礦納米材料、si0.8ge0.2納米材料、sige/pbte功能梯度材料、pbsnte/tags/pbte功能梯度材料、pbte/tags/bite功能梯度材料、pbte/tags功能梯度材料或pbte。

第一電學輸出電極、第二電學輸出電極、電池正極和電池負極的材質相同，可以是金屬au、pd、pt、al、cu、ni或ti。

第一透明絕緣襯底、第二透明絕緣襯底和絕緣環的材質相同，可以是sio2、矽膠或環氧樹脂。

耐高溫絕熱密封墊的材質可以是無塵石棉布或矽酸鋁製品；緩衝墊的材質可以是碳纖維；內封裝的材質可以是石墨-環氧樹脂導熱複合材料（gec）；外封裝散熱層的材質可以是feni可伐合金。

一種熱離子-光電-熱電複合式同位素電池的製備方法，包括製備換能結構、組配電池結構、灌裝內封裝材料與製備外封裝散熱層；具體步驟如下：

（1）製備換能結構

a、選用柱狀放射源，在其表面包覆具有高真空功函數的金屬材料，形成發射極板；

b、選用確定形狀的透明電荷收集板，用高溫粘合劑將耐高溫絕熱密封墊與發射極板兩端、透明電荷收集板兩端進行固定；根據發射極板產生熱電子在填充介質中的射程，確定發射極板與透明電荷收集板之間間距，在其中裝配填充介質並進行絕熱封裝；

c、在透明電荷收集板側表面沉積形成第一透明絕緣襯底，用高溫粘合劑將光電組件固定於第一透明絕緣襯底外表面；

d、在光電組件兩端側表面電鍍、濺射形成第一電學輸出電極；

e、在光電組件側表面沉積形成第二透明絕緣襯底，用高溫粘合劑將熱電組件固定於第二透明絕緣襯底側表面；

f、在熱電組件兩端面電鍍、濺射形成第一電學輸出電極，製成換能結構。

（2）組配電池結構

a、在換能結構兩端面電鍍、濺射形成電池正極、電池負極，構成電池坯體；

b、用高溫粘合劑將緩衝墊粘接在換能結構側表面及其兩端的電池正極、電池負極，

對電池坯體進行絕熱封裝，在電池坯體外部形成絕熱緩衝層，組配完成電池結構。

（3）灌裝內封裝材料與製備外封裝散熱層

a、採用模具灌裝法用內封裝材料將組配完成的電池結構灌裝封閉，室溫下放置十二小時以上固化成型，製備完成內封裝；

b、在內封裝表面固定包覆外封裝散熱層材料，接口處用密封膠固定，製備外封裝散熱層。

c、在內封裝與外封裝散熱層同電池正極、電池負極交界處裝配絕緣環，完成電池整體組裝。

上述步驟（2）a中還可以在換能結構兩端面採用蒸發或電鍍方法製備電池正極、電池負極。

本發明所依據的原理是：放射性同位素發生衰變所釋放出的射線入射到換能組件中，射線的能量轉化為熱能，通過高導熱係數材料將換能組件中的熱能傳遞給換能器件（發射極板、光電組件、熱電組件）實現放射源衰變能向電能的轉化。同理，本發明所提供的熱離子-光電-熱電複合式同位素電池，實現電學輸出的過程可以依次描述為：放射性同位素衰變時釋放出的射線與發射極板作用發射熱電子；利用透明電荷收集板對電子進行收集；放射源、發射極板、透明電荷收集板與熱電組件同時釋放紅外光，採用光電組件將紅外光轉化為電能；最後利用熱電組件將電池內部的放射源、發射極板、透明電荷收集板、光電組件與外封裝散熱層之間的溫差轉化為電能；上述發射極板、電池正極一側第一電學輸出電極、電池正極一側第二電學輸出電極依次並聯接入電池正極，透明電荷收集板、電池負極一側第一電學輸出電極、電池負極一側第二電學輸出電極依次並聯接入電池負極實現電能輸出。

本發明提供的同位素電池採用高真空功函數金屬材料、光電材料與熱電材料為換能材料，有效突破了傳統靜態型同位素電池存在的單一換能、能損較大的技術瓶頸，同時較大程度地提升了靜態型同位素電池的能量轉換效率，具有能量轉換效率高、輸出功率大、環境適用性強、工作穩定性好、使用壽命長、易於實施等特點，可長時間穩定工作於軍事國防、深空深海、極地探測、生物醫療、電子工業等重要領域，進一步滿足了能源需求的環保、高效、便攜、普適。與現有技術相比，主要有益效果如下：

1、本發明採用透明電荷收集板對熱電子進行收集，突破了傳統靜態型放射性同位素電池局限於電容器、金屬板模式下所實現熱離子轉換方式能量損耗較大、換能效率較低的技術瓶頸，且透明電荷收集板選擇性的濾波作用有助於提高光電組件換能效率，其對新一代靜態型同位素電池研究具有借鑑價值，可應用於微機電系統等領域。

2、本發明採用發射極板、透明電荷收集板、光電組件、熱電組件等方式實現級聯梯級換能，較大程度地提高了電池能量轉化效率，滿足能源低碳環保、集成高效、經濟普適的要求。

3、本發明依次採用發射極板、透明電荷收集板、光電組件、熱電組件實現放射源衰變能向電能轉化，層狀換能結構有效減小甚至避免了半導體材料（光電組件、熱電組件）的輻照損傷，並對射線起到屏蔽作用，進一步提高了電池的安全性。

4、本發明採用緩衝墊對電池內部換能組件與電池電極連接處、電池換能結構外表面進行絕熱粘結，有助於緩衝放射源與換能組件等電池內部結構存在的機械擠壓與熱應力，提高電池穩定性，並且更好的工作於各種惡劣環境。

附圖說明

圖1為本發明提供的熱離子-光電-熱電複合式同位素電池的結構示意圖；

圖2為圖1的徑向截面圖；

圖3至圖12為熱離子-光電-熱電複合式同位素電池的製作工藝流程圖。

圖中：1—耐高溫絕熱密封墊，2—放射源，3—發射極板，4—填充介質，5—透明電荷收集板，6—第一透明絕緣襯底，7—光電組件，8—第二透明絕緣襯底，9—熱電組件，10—電池負極，11—緩衝墊，12—內封裝，13—外封裝散熱層，14—第一電學輸出電極，15—第二電學輸出電極，16—絕緣環，17—電池正極。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的內容作進一步說明。

電池實施例；如圖1與圖2所示：一種熱離子-光電-熱電複合式同位素電池，包括放射源2和換能結構；同位素電池整體為圓柱狀結構，換能結構兩端分別裝配電池正極17與電池負極10；換能結構包括從內向外依次緊密疊層設置的發射極板3、填充介質4與透明電荷收集板5；發射極板3設在放射源2側表面；電池負極10一側放射源2、發射極板3、填充介質4的端面設有耐高溫絕熱密封墊1，電池正極17一側放射源2、填充介質4、透明電荷收集板5的端面設有耐高溫絕熱密封墊1；放射源2、發射極板3、填充介質4與透明電荷收集板5通過耐高溫絕熱密封墊1形成密封結構；發射極板3、電池正極17一側第一電學輸出電極14、電池正極17一側第二電學輸出電極15依次並聯接入電池正極17，透明電荷收集板5、電池負極10一側第一電學輸出電極14、電池負極10一側第二電學輸出電極15依次並聯接入電池負極10；換能結構還包括從內向外依次緊密疊層設置的第一透明絕緣襯底6、光電組件7、第二透明絕緣襯底8與熱電組件9，第一透明絕緣襯底6設在透明電荷收集板5側表面；光電組件7兩端設有第一電學輸出電極14，熱電組件9兩端設有第二電學輸出電極15；換能結構側表面及其兩端的電池正極17、電池負極10包覆有緩衝墊11，緩衝墊11外表面設置內封裝12，內封裝12外表面設置外封裝散熱層13，外封裝散熱層13與電池正極17、電池負極10之間裝配有絕緣環16。

參見圖2：電池的徑向結構呈夾層狀分布，放射源2位於圓柱狀幾何中心，放射源2外表面自內向外依次為發射極板3、填充介質4、透明電荷收集板5、第一透明絕緣襯底6、光電組件7、第二透明絕緣襯底8、熱電組件9、緩衝墊11、內封裝12與外封裝散熱層13。

本實施例的放射源2為α放射源238puo2陶瓷；發射極板3為金屬鎢製作；填充介質4的材質為cs氣體（1torr）；透明電荷收集板5的材質為nbn；光電組件7的材質為gasb；熱電組件9的材質為si0.8ge0.2納米材料；第一電學輸出電極14、第二電學輸出電極15、電池正極17和負極10的材質相同，為金屬cu；第一透明絕緣襯底6、第二透明絕緣襯底8和絕緣環16的材質相同，為環氧樹脂；耐高溫絕熱密封墊1的材質為無塵石棉布；緩衝墊11的材質為碳纖維；內封裝12的材質為石墨-環氧樹脂導熱複合材料（gec）；外封裝散熱層13的材質為feni可伐合金。

放射源2還可以是其它α放射源，諸如：210po或gd210po或210po(re)或210po(re)3或235u或238pu或238puo2微球或238puo2燃料球或238pu-zr合金或238pu-ga合金或238pu-pt合金或238pu-sc合金或238pun或238puc或241am或242cm或242cm2o3或244cm或244cm2o3；放射源2也可以是β放射源，諸如：sc3h2或(c4h33h5-)n或14c或35s或63ni或90sr或90sr/90y或90srtio3或106ru或137cs或137cscl或144ce或144ceo2或147pm或147pm2o3或151sm。

發射極板3還可以是具有高真空功函數的其它難熔金屬，諸如：金屬ta、金屬re或金屬mo。

透明電荷收集板5還可以是其它具有透明導電性和低電子發射率的低逸出功材料製作，諸如：nb、mo、sn(ito)或ai(zao)。

光電組件7的材質還可以是si或ge或nd2o3或ingaassb或ingaas或inpassb。

熱電組件9的材質還可以是naco2o5方鈷礦納米材料或sige/pbte功能梯度材料或pbsnte/tags/pbte功能梯度材料或pbte/tags/bite功能梯度材料或pbte/tags功能梯度材料或pbte。

第一電學輸出電極14、第二電學輸出電極15、電池正極17和電池負極10的材質相同，還可以是金屬au或pd或pt或al或ni或ti。

第一透明絕緣襯底6、第二透明絕緣襯底8和絕緣環16的材質相同，還可以是sio2或矽膠；耐高溫絕熱密封墊1的材質還可以是矽酸鋁製品。

同位素電池整體還可以是橢圓柱狀結構或正稜柱結構。

電池製備方法實施例1；一種熱離子-光電-熱電複合式同位素電池的製備方法，具體步驟如下：

（1）製備換能結構

a、參見圖3：用圓柱狀238puo2陶瓷作為放射源2，圓柱狀放射源2外側曲麵包覆具有高真空功函數的難熔金屬w，形成發射極板3。

b、參見圖4：用無塵石棉布作為耐高溫絕熱密封墊1，用高溫密封膠將耐高溫絕熱密封墊1同放射源2、發射極板3固定密封，形成密封源結構。

c、參見圖5：在距發射極板3側壁0.5mm處，用高溫粘合劑將圓筒狀透明電荷收集板5與耐高溫絕熱密封墊1相固定，構成縫隙，向縫隙填充cs氣體（1torr）形成填充介質4。

d、參見圖6：在透明電荷收集板5外表面沉積環氧樹脂形成第一透明絕緣襯底6，用粘結劑在第一透明絕緣襯底6外表面固定gasb材料作為光電組件7，並在光電組件7兩端電鍍金屬cu形成第一電學輸出電極14。

e、參見圖7：在光電組件7外表面沉積環氧樹脂形成第二透明絕緣襯底8，用粘結劑在第二透明絕緣襯底8外表面固定si0.8ge0.2納米材料作為熱電組件9，並在熱電組件9兩端電鍍金屬cu形成第二電學輸出電極15，完成換能結構的製備。

（2）組配電池結構

a、參見圖8：在換能結構兩端分別電鍍金屬cu形成電池正極17、電池負極10，構成電池坯體。

b、參見圖9：用高溫粘合劑在構成電池坯體外表面粘接固定碳纖維形成緩衝墊11，完成電池結構的組配。

（3）灌裝內封裝材料與製備外封裝散熱層

a、參見圖10：用石墨-環氧樹脂導熱複合材料（gec）作為內封裝材料，採用模具灌裝法將組配完成的電池結構灌裝封閉，室溫下放置十二小時以上固化成型，製備完成內封裝12；

b、參見圖11：在內封裝12表面包覆feni可伐合金，接口處用密封膠固定，製備外封裝散熱層13。

c、參見圖12：在內封裝12與外封裝散熱層13同電池正極17、電池負極10的交界處裝配絕緣環16，完成電池整體組裝。

方法實施例2；（1）製備換能結構，同實施例1。

（2）組配電池結構，在換能結構兩端面採用蒸發或電鍍方法製備電池正極17、電池負極10，餘同實施例1。

（3）灌裝內封裝材料與製備外封裝散熱層13，同實施例1。