一种热离子‑光电‑热电复合式同位素电池及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201710229471.3 | 申请日 | 2017-04-10 | 公开(公告)号 | CN106941017A | 公开(公告)日 | 2017-07-11 |
| 申请人 | 兰州大学; | 发明人 | 周毅; 张世旭; 李公平; | ||||
| 摘要 | 一种热离子‑光电‑热电复合式同位素 电池 ，包括 放射源 和换能结构；换能结构两端分别装配电池正极与电池负极；换能结构包括从内向外依次紧密叠层设置的发射极板、填充介质与透明电荷收集板；发射极板设在放射源侧表面；换能结构还包括从内向外依次紧密叠层设置的第一透明绝缘衬底、光电组件、第二透明绝缘衬底与热电组件，第一透明绝缘衬底设在透明电荷收集板侧表面；光电组件两端设有第一电学输出 电极 ，热电组件两端设有第二电学输出电极；换能结构侧表面及其两端的电池正极、电池负极包覆有缓冲垫，缓冲垫外表面设置内封装、外封装 散热 层。该电池具有 能量 转换效率高、输出功率大、环境适用性强、工作 稳定性 好、使用寿命长的特点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种热离子-光电-热电复合式同位素电池，包括放射源（2）和换能结构；同位素电池整体为柱状结构，换能结构两端分别装配电池正极（17）与电池负极（10）；换能结构包括从内向外依次紧密叠层设置的发射极板（3）、填充介质（4）与透明电荷收集板（5）；发射极板（3）设在放射源（2）侧表面；电池负极（10）一侧放射源（2）、发射极板（3）、填充介质（4）的端面设有耐高温绝热密封垫（1），电池正极（17）一侧放射源（2）、填充介质（4）、透明电荷收集板（5）的端面设有耐高温绝热密封垫（1），放射源（2）、发射极板（3）、填充介质（4）与透明电荷收集板（5）通过耐高温绝热密封垫（1）形成密封结构；换能结构还包括从内向外依次紧密叠层设置的第一透明绝缘衬底（6）、光电组件（7）、第二透明绝缘衬底8与热电组件（9），第一透明绝缘衬底（6）设在透明电荷收集板（5）侧表面；光电组件（7）两端设有第一电学输出电极（14），热电组件（9）两端设有第二电学输出电极（15）；换能结构侧表面及其两端的电池正极（17）、电池负极（10）包覆有缓冲垫（11），缓冲垫（11）外表面设置内封装（12），内封装（12）外表面设置外封装散热层（13），外封装散热层（13）与电池正极（17）、电池负极（10）之间装配有绝缘环（16）。 |
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| 说明书全文 | 一种热离子-光电-热电复合式同位素电池及其制备方法技术领域[0001] 本发明属于同位素电池领域，具体涉及一种热离子-光电-热电复合式同位素电池；本发明还涉及一种热离子-光电-热电复合式同位素电池的制备方法。 背景技术[0002] 原子核成分（或能态）自发地发生变化，同时放射出射线的同位素称为放射性同位素。放射性同位素电池，简称同位素电池，它是利用换能器件将放射性同位素衰变时释放出射线的能量转换成电能输出，从而达到供电目的。由于同位素电池具有服役寿命长、环境适应性强、工作稳定性好、无需维护、小型化等优点，目前已在军事国防、航天航海、极地探测、生物医疗、电子工业等重要领域被广泛应用。 [0003] 同位素电池首先由英国物理学家Henry Mosley于1913年提出，而有关同位素电池的研究主要集中在过去的100年，兰州大学周毅等人结合不同换能方式下同位素电池换能 效率高低与输出功率大小将同位素电池的换能方式分成了四类（Zhou Y, Zhang S X, Li G P. A review of radioisotope batteries. Chin Sci Bull, 2017, doi: 10.1360/ N972016-00793）：①静态型热电式（直接收集、温差电/热电、热离子发射、接触电势差、热光伏、碱金属热电转换）同位素电池；②辐射伏特效应（肖特基、PN/PIN结）同位素电池；③动态换能方式（布雷顿循环、斯特林循环、朗肯循环、磁流体发电、外中子源驱动式）同位素电池； ④特殊换能机理（辐射发光、衰变LC电路耦合谐振、宇宙射线/电磁波收集、压电悬臂梁、磁约束下β粒子电磁辐射、磁分离式、辐射电离、射流驱动压电式）同位素电池。 [0004] 上述四类同位素电池的研究结果表明，能量转换效率低仍是目前同位素电池的共性所在。静态型热电式同位素电池的发展主要得益于国家层面的研究开发，特别是温差式 同位素电池（radioisotope thermoelectric generators, RTG）的设计与制造目前在美国已日趋完善，但其基于热电材料换能电池能量转换效率较低，即便NASA最新报道的增强型 多任务温差式同位素电池（enhanced multi-mission radioisotope thermoelectric generators, eMMRTG）的换能效率也不足10%（http://www.jpl.nasa.gov/news/ news.phpfeature=6646），因而其使用范围十分有限、民用化过程较为困难。辐射伏特效应同位素电池以半导体材料为换能单元，可实现同位素电池器件小型化，扩大了同位素电池 的应用范围，且随着材料科学的飞速发展取得了一定的研究成效，但辐射伏特效应同位素 电池存在射线长期辐照下半导体材料性能退化的问题，降低了辐射伏特效应同位素电池的 使用寿命。发明人通过对比静态型热电式同位素电池和其他类型同位素电池的换能方式可 知，采用技术成熟的热离子发射、光电、热电技术并进行多层耦合实现梯级换能，有望大幅提高静态型热电式同位素电池的能量转换效率与功率密度。 发明内容[0005] 本发明要解决的第一技术问题在于提供一种热离子-光电-热电复合式同位素电池；该同位素电池能够突破传统静态型同位素电池存在单一换能、能损较大的技术瓶颈，具有能量转换效率高、输出功率大、工作稳定性好等特点。本发明要解决的第二个技术问题在于提供一种热离子-光电-热电复合式同位素电池的制备方法。 [0006] 本发明为解决上述第一技术问题所提供的一种热离子-光电-热电复合式同位素电池，包括放射源和换能结构；其特征在于：同位素电池整体为柱状结构，换能结构两端分别装配电池正极与电池负极；换能结构包括从内向外依次紧密叠层设置的发射极板、填充 介质与透明电荷收集板；发射极板设在放射源侧表面；电池负极一侧的放射源、发射极板、填充介质的端面设有耐高温绝热密封垫，电池正极一侧的放射源、填充介质与透明电荷收 集板的端面设有耐高温绝热密封垫，放射源、发射极板、填充介质与透明电荷收集板通过耐高温绝热密封垫形成密封结构；换能结构还包括从内向外依次紧密叠层设置的第一透明绝 缘衬底、光电组件、第二透明绝缘衬底与热电组件，第一透明绝缘衬底设在透明电荷收集板侧表面；光电组件两端设有第一电学输出电极，热电组件两端设有第二电学输出电极；换能结构侧表面及其两端的电池正极、电池负极包覆有缓冲垫，缓冲垫外表面设置内封装，内封装外表面设置外封装散热层，外封装散热层与电池正极、电池负极之间装配有绝缘环。 [0007] 光电组件由柔性光电材料固定包覆于热电组件外侧，形成筒状结构；热电组件由柔性复合热电材料固定包覆于透明电荷收集板外侧，形成筒状结构。 [0008] 发射极板、电池正极一侧第一电学输出电极、电池正极一侧第二电学输出电极依次并联接入电池正极，透明电荷收集板、电池负极一侧第一电学输出电极、电池负极一侧第二电学输出电极依次并联接入电池负极。 [0009] 根据实际工作环境的要求确定，可调整缓冲垫的厚度；根据实际应用时输出电压电流的需求，可调整放射源的活度大小；根据具体参数要求，可选择热电组件中热电单元的数量，选择串联、并联或串并联结合的方式组配热电单元；根据实际工作环境的要求，可确定外封装散热层的散热翅片数量。 [0010] 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。 [0012] 填充介质的材质可以是Cs气体（1Torr）。 [0013] 透明电荷收集板是低逸出功材料，具有透明导电性和低电子发射率，可以是Nb、NbN、Mo、Sn(ITO)或AI(ZAO)。 [0014] 光电组件的材质可以是Si、Ge、Nd2O3、GaSb、InGaAsSb、InGaAs或InPAsSb。 [0015] 热电组件的材质可以是NaCo2O5方钴矿纳米材料、Si0.8Ge0.2纳米材料、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。 [0016] 第一电学输出电极、第二电学输出电极、电池正极和电池负极的材质相同，可以是金属Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti。 [0019] 一种热离子-光电-热电复合式同位素电池的制备方法，包括制备换能结构、组配电池结构、灌装内封装材料与制备外封装散热层；具体步骤如下： （1）制备换能结构 a、选用柱状放射源，在其表面包覆具有高真空功函数的金属材料，形成发射极板； b、选用确定形状的透明电荷收集板，用高温粘合剂将耐高温绝热密封垫与发射极板 两端、透明电荷收集板两端进行固定；根据发射极板产生热电子在填充介质中的射程，确定发射极板与透明电荷收集板之间间距，在其中装配填充介质并进行绝热封装； c、在透明电荷收集板侧表面沉积形成第一透明绝缘衬底，用高温粘合剂将光电组件 固定于第一透明绝缘衬底外表面； d、在光电组件两端侧表面电镀、溅射形成第一电学输出电极； e、在光电组件侧表面沉积形成第二透明绝缘衬底，用高温粘合剂将热电组件固定于 第二透明绝缘衬底侧表面； f、在热电组件两端面电镀、溅射形成第一电学输出电极，制成换能结构。 [0020] （2）组配电池结构 a、在换能结构两端面电镀、溅射形成电池正极、电池负极，构成电池坯体； b、用高温粘合剂将缓冲垫粘接在换能结构侧表面及其两端的电池正极、电池负极， 对电池坯体进行绝热封装，在电池坯体外部形成绝热缓冲层，组配完成电池结构。 [0021] （3）灌装内封装材料与制备外封装散热层 a、采用模具灌装法用内封装材料将组配完成的电池结构灌装封闭，室温下放置十二 小时以上固化成型，制备完成内封装； b、在内封装表面固定包覆外封装散热层材料，接口处用密封胶固定，制备外封装散热 层。 [0022] c、在内封装与外封装散热层同电池正极、电池负极交界处装配绝缘环，完成电池整体组装。 [0024] 本发明所依据的原理是：放射性同位素发生衰变所释放出的射线入射到换能组件中，射线的能量转化为热能，通过高导热系数材料将换能组件中的热能传递给换能器件（发射极板、光电组件、热电组件）实现放射源衰变能向电能的转化。同理，本发明所提供的热离子-光电-热电复合式同位素电池，实现电学输出的过程可以依次描述为：放射性同位素衰 变时释放出的射线与发射极板作用发射热电子；利用透明电荷收集板对电子进行收集；放 射源、发射极板、透明电荷收集板与热电组件同时释放红外光，采用光电组件将红外光转化为电能；最后利用热电组件将电池内部的放射源、发射极板、透明电荷收集板、光电组件与外封装散热层之间的温差转化为电能；上述发射极板、电池正极一侧第一电学输出电极、电池正极一侧第二电学输出电极依次并联接入电池正极，透明电荷收集板、电池负极一侧第 一电学输出电极、电池负极一侧第二电学输出电极依次并联接入电池负极实现电能输出。 [0025] 本发明提供的同位素电池采用高真空功函数金属材料、光电材料与热电材料为换能材料，有效突破了传统静态型同位素电池存在的单一换能、能损较大的技术瓶颈，同时较大程度地提升了静态型同位素电池的能量转换效率，具有能量转换效率高、输出功率大、环境适用性强、工作稳定性好、使用寿命长、易于实施等特点，可长时间稳定工作于军事国防、深空深海、极地探测、生物医疗、电子工业等重要领域，进一步满足了能源需求的环保、高效、便携、普适。与现有技术相比，主要有益效果如下： 1、本发明采用透明电荷收集板对热电子进行收集，突破了传统静态型放射性同位素电 池局限于电容器、金属板模式下所实现热离子转换方式能量损耗较大、换能效率较低的技 术瓶颈，且透明电荷收集板选择性的滤波作用有助于提高光电组件换能效率，其对新一代 静态型同位素电池研究具有借鉴价值，可应用于微机电系统等领域。 [0026] 2、本发明采用发射极板、透明电荷收集板、光电组件、热电组件等方式实现级联梯级换能，较大程度地提高了电池能量转化效率，满足能源低碳环保、集成高效、经济普适的要求。 [0027] 3、本发明依次采用发射极板、透明电荷收集板、光电组件、热电组件实现放射源衰变能向电能转化，层状换能结构有效减小甚至避免了半导体材料（光电组件、热电组件）的辐照损伤，并对射线起到屏蔽作用，进一步提高了电池的安全性。 [0028] 4、本发明采用缓冲垫对电池内部换能组件与电池电极连接处、电池换能结构外表面进行绝热粘结，有助于缓冲放射源与换能组件等电池内部结构存在的机械挤压与热应 力，提高电池稳定性，并且更好的工作于各种恶劣环境。 附图说明 [0030] 图中：1—耐高温绝热密封垫，2—放射源，3—发射极板，4—填充介质，5—透明电荷收集板，6—第一透明绝缘衬底，7—光电组件，8—第二透明绝缘衬底，9—热电组件，10—电池负极，11—缓冲垫，12—内封装，13—外封装散热层，14—第一电学输出电极，15—第二电学输出电极，16—绝缘环，17—电池正极。 具体实施方式[0031] 下面结合附图对本发明的内容作进一步说明。 [0032] 电池实施例；如图1与图2所示：一种热离子-光电-热电复合式同位素电池，包括放射源2和换能结构；同位素电池整体为圆柱状结构，换能结构两端分别装配电池正极17与电池负极10；换能结构包括从内向外依次紧密叠层设置的发射极板3、填充介质4与透明电荷收集板5；发射极板3设在放射源2侧表面；电池负极10一侧放射源2、发射极板3、填充介质4的端面设有耐高温绝热密封垫1，电池正极17一侧放射源2、填充介质4、透明电荷收集板5的端面设有耐高温绝热密封垫1；放射源2、发射极板3、填充介质4与透明电荷收集板5通过耐高温绝热密封垫1形成密封结构；发射极板3、电池正极17一侧第一电学输出电极14、电池正极17一侧第二电学输出电极15依次并联接入电池正极17，透明电荷收集板5、电池负极10一侧第一电学输出电极14、电池负极10一侧第二电学输出电极15依次并联接入电池负极10； 换能结构还包括从内向外依次紧密叠层设置的第一透明绝缘衬底6、光电组件7、第二透明 绝缘衬底8与热电组件9，第一透明绝缘衬底6设在透明电荷收集板5侧表面；光电组件7两端设有第一电学输出电极14，热电组件9两端设有第二电学输出电极15；换能结构侧表面及其两端的电池正极17、电池负极10包覆有缓冲垫11，缓冲垫11外表面设置内封装12，内封装12外表面设置外封装散热层13，外封装散热层13与电池正极17、电池负极10之间装配有绝缘 环16。 [0033] 参见图2：电池的径向结构呈夹层状分布，放射源2位于圆柱状几何中心，放射源2外表面自内向外依次为发射极板3、填充介质4、透明电荷收集板5、第一透明绝缘衬底6、光电组件7、第二透明绝缘衬底8、热电组件9、缓冲垫11、内封装12与外封装散热层13。 [0034] 本实施例的放射源2为α放射源238PuO2陶瓷；发射极板3为金属钨制作；填充介质4的材质为Cs气体（1Torr）；透明电荷收集板5的材质为NbN；光电组件7的材质为GaSb；热电组件9的材质为Si0.8Ge0.2纳米材料；第一电学输出电极14、第二电学输出电极15、电池正极17和负极10的材质相同，为金属Cu；第一透明绝缘衬底6、第二透明绝缘衬底8和绝缘环16的材质相同，为环氧树脂；耐高温绝热密封垫1的材质为无尘石棉布；缓冲垫11的材质为碳纤维；内封装12的材质为石墨-环氧树脂导热复合材料（GEC）；外封装散热层13的材质为FeNi可伐合金。 [0035] 放射源2还可以是其它α放射源，诸如：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，诸如：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。 [0036] 发射极板3还可以是具有高真空功函数的其它难熔金属，诸如：金属Ta、金属Re或金属Mo。 [0037] 透明电荷收集板5还可以是其它具有透明导电性和低电子发射率的低逸出功材料制作，诸如：Nb、Mo、Sn(ITO)或AI(ZAO)。 [0038] 光电组件7的材质还可以是Si或Ge或Nd2O3或InGaAsSb或InGaAs或InPAsSb。 [0039] 热电组件9的材质还可以是NaCo2O5方钴矿纳米材料或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。 [0040] 第一电学输出电极14、第二电学输出电极15、电池正极17和电池负极10的材质相同，还可以是金属Au或Pd或Pt或Al或Ni或Ti。 [0041] 第一透明绝缘衬底6、第二透明绝缘衬底8和绝缘环16的材质相同，还可以是SiO2或硅胶；耐高温绝热密封垫1的材质还可以是硅酸铝制品。 [0042] 同位素电池整体还可以是椭圆柱状结构或正棱柱结构。 [0043] 电池制备方法实施例1；一种热离子-光电-热电复合式同位素电池的制备方法，具体步骤如下： （1）制备换能结构 a、参见图3：用圆柱状238PuO2陶瓷作为放射源2，圆柱状放射源2外侧曲面包覆具有高真 空功函数的难熔金属W，形成发射极板3。 [0045] c、参见图5：在距发射极板3侧壁0.5 mm处，用高温粘合剂将圆筒状透明电荷收集板5与耐高温绝热密封垫1相固定，构成缝隙，向缝隙填充Cs气体（1Torr）形成填充介质4。 [0046] d、参见图6：在透明电荷收集板5外表面沉积环氧树脂形成第一透明绝缘衬底6，用粘结剂在第一透明绝缘衬底6外表面固定GaSb材料作为光电组件7，并在光电组件7两端电镀金属Cu形成第一电学输出电极14。 [0047] e、参见图7：在光电组件7外表面沉积环氧树脂形成第二透明绝缘衬底8，用粘结剂在第二透明绝缘衬底8外表面固定Si0.8Ge0.2纳米材料作为热电组件9，并在热电组件9两端电镀金属Cu形成第二电学输出电极15，完成换能结构的制备。 [0048] （2）组配电池结构a、参见图8：在换能结构两端分别电镀金属Cu形成电池正极17、电池负极10，构成电池 坯体。 [0049] b、参见图9：用高温粘合剂在构成电池坯体外表面粘接固定碳纤维形成缓冲垫11，完成电池结构的组配。 [0050] （3）灌装内封装材料与制备外封装散热层 a、参见图10：用石墨-环氧树脂导热复合材料（GEC）作为内封装材料，采用模具灌装法 将组配完成的电池结构灌装封闭，室温下放置十二小时以上固化成型，制备完成内封装12； b、参见图11：在内封装12表面包覆FeNi可伐合金，接口处用密封胶固定，制备外封装 散热层13。 [0051] c、参见图12：在内封装12与外封装散热层13同电池正极17、电池负极10的交界处装配绝缘环16，完成电池整体组装。 [0052] 方法实施例2；（1）制备换能结构，同实施例1。 [0053] （2）组配电池结构，在换能结构两端面采用蒸发或电镀方法制备电池正极17、电池负极10，余同实施例1。 [0054] （3）灌装内封装材料与制备外封装散热层13，同实施例1。 |
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