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

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。

A thermionic photoelectric thermoelectric compound isotope battery and preparation method thereof

A thermionic photoelectric thermoelectric compound isotope battery, which comprises a radiation source and change the energy structure; energy transfer structure at both ends are respectively assembled battery anode and battery; transducer structure comprises a transmitting plate, from inside to outside closely stacked set filling medium and transparent charge collector plates; plates located in the side surface emission source can change; structure also includes from inside to outside closely stacked set the first transparent insulating substrate, photoelectric component, second transparent insulating substrate and the thermoelectric module, a first transparent insulating substrate is arranged on the transparent board side surface charge collection; optoelectronic components are arranged at both ends of the first electrical output electrode, thermoelectric module are arranged at both ends of second electrical output; energy transfer structure the side surface and the ends of the battery anode, battery anode coated with cushion, cushion is arranged on the outer surface of inner packaging, outer packaging radiation Layer. The battery has the characteristics of high energy conversion efficiency, large output power, good environmental applicability, good work stability and long service life.

【技术实现步骤摘要】
一种热离子-光电-热电复合式同位素电池及其制备方法
本专利技术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；本专利技术还涉及一种热离子-光电-热电复合式同位素电池的制备方法。
技术介绍
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。同位素电池首先由英国物理学家HenryMosley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（ZhouY,ZhangSX,LiGP.Areviewofradioisotopebatteries.ChinSciBull,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。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（radioisotopethermoelectricgenerators,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（enhancedmulti-missionradioisotopethermoelectricgenerators,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。专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。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。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。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。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。发射极板为具有高真空功函数的难熔金属，可以是金属W、金属Ta、金属Re或金属Mo。填充介质的材质可以是Cs气体（1Torr）。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)。光电组件的材质可以是Si、Ge、Nd2O3、GaSb、InGaAsSb、InGaAs或InPAsSb。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。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。第一透明绝缘衬底、第二透明绝缘衬底和绝缘环的材质相同，可以是SiO2、硅胶或环氧树脂。耐高温绝热密封垫的材质可以是无尘石棉布或硅酸铝制品；缓冲垫的材质可以是碳纤维；内封装的材质可以是石墨-环氧树脂导热复合材料（GEC）；外封装散热层的材质可以是FeNi可伐合金。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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）。...

【技术特征摘要】
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）。2.如权利要求1所述的一种热离子-光电-热电复合式同位素电池；其特征在于：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）。3.如权利要求2所述的一种热离子-光电-热电复合式同位素电池；其特征在于：放射源（2）是α放射源，由下述材料择其一：210Po或Gd210Po或210Po(RE)或210Po(RE)3或235U或238Pu或238PuO2微球或238PuO2-Mo陶瓷或238PuO2燃料球或238PuO2陶瓷或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。4.如权利要求1所述的一种热离子-光电-热电复合式同位素电池；其特征在于：放射源（2）是β放射源，由下述材料择其一：Sc3H2或(C4H33H5-)n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。5.如权利要求1至4任意所述的一种热离子-光电-热电复合式同位素电池；其特征在于：发射极板（3）的材质是具有高真空功函数的难熔金属，由下述材料择其一：W或Ta或Re或Mo；填充介质（4）的材质为Cs气体（1Torr）；透明电荷收集板（5）是具有透明导电性，由下述材料择其一：Nb或NbN或Mo或Sn(ITO)或AI(ZAO)；光电组件（7）的材质由下述材料择其一：Si或Ge或Nd2O3或GaSb或InGaAsSb或InGaAs或InPAsSb...

【专利技术属性】
技术研发人员：周毅，张世旭，李公平，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62