一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池及其制备方法技术

一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池；包括热源结构、换能结构和惰性气体管道；热源结构包括热源腔体和热源装置，热源腔体包括热源腔体外壳、热反射层和气动单向阀，热源装置包括放射源、导热筒和防辐射层，热源装置被封装并固定于热源腔体内；换能结构包括压电能量收集电路、以及分别设于惰性气体管道壁内、外表面的纳米线压电组件、纳米热电组件，纳米线压电组件经压电能量收集电路与电池正、负极连接，纳米热电组件直接与电池正、负极连接；利用惰性气体管道连接热源结构和换能结构；电池结构被内封装固定，内封装表面设有外封装层。它突破了传统动态型同位素电池的技术瓶颈，能量转换效率高、寿命长、适用性强、清洁环保。

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米材料复合式动态型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，具体涉及一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池；本专利技术还涉及一种基于纳米材料复合式动态型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，正是直接利用放射性同位素衰变释放出射线所具有的电能或是利用换能器件将放射性同位素衰变释放出射线的能量转换成电能，并将电能输出，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50年里，其可分为四类：①静态辐射热转换方式同位素电池的研究；②动态热电转换机制（动态型）同位素电池的研究；③辐射伏特效应同位素电池的研究；④其他辐射效应转换机制同位素电池的研究。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。静态辐射热转换方式的同位素电池的发展主要得益于国家层面的研究开发，特别是温差式热电转换机制同位素电池的设计与制造目前在美国已日趋完善，但目前静态辐射热转换方式同位素电池的热电转换效率仍较低，仅为4%～8%，导致其使用区域大幅减小、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。与静态辐射热转换方式同位素电池和辐射伏特效应同位素电池相比，动态型同位素电池具有较高的能量转换效率，使其成为目前同位素电池的重要研究方向，但传统动态型同位素电池存在高速运转部件润滑困难、高速转动产生的惯性矢量影响系统稳定性等技术瓶颈。本专利技术提出的一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池可突破传统动态型同位素电池存在的上述技术瓶颈，同时较大程度地提升动态型同位素电池的能量转换效率。
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基于纳米材料复合式动态型同位素电池，该同位素电池能够突破传统动态型同位素电池存在高速运转部件润滑困难、高速转动产生的惯性矢量影响系统稳定性的技术瓶颈，具有能量转换效率高、输出功率大、工作稳定性好、绿色经济等特点。本专利技术要解决的第二个技术问题在于提供一种基于纳米材料复合式动态型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基于纳米材料复合式动态型同位素电池：包括热源结构、换能结构和惰性气体管道；热源结构包括热源腔体和热源装置，热源腔体包括热源腔体外壳，热源腔体外壳内表面设有热反射层，热源腔体外壳两端渐变收缩并通过气动单向阀连接有惰性气体管道，热源装置包括设有夹层的导热筒，导热筒夹层内装放射源，导热筒内、外壁均设有防辐射层，热源装置被封装于热源装置外壳内，热源装置外壳外表面均匀设有三个固定支架，热源装置利用螺丝通过固定支架固定于热源腔体外壳上，热源装置中间设有通孔；换能结构包括纳米线压电组件和纳米热电组件，纳米线压电组件固定于惰性气体管道壁内表面，纳米线压电组件两端设有第一电学输出电极，纳米热电组件固定于惰性气体管道壁外表面，纳米热电组件两端设有第二电学输出电极；第一电学输出电极通过导线与压电能量收集电路输入端连接，压电能量收集电路输出端和第二电学输出电极分别通过导线与电池正极、电池负极连接；热源腔体和惰性气体管道中充有惰性气体，惰性气体在热源腔体和惰性气体管道中形成气流循环；利用内封装材料将热源结构、换能结构和惰性气体管道固定封装，制成内封装，内封装的外表面设有外封装层。纳米线压电组件由八个均匀固定于惰性气体管道壁内表面的纳米线压电单元通过导线连接组成，纳米线压电单元包括第一绝缘衬底、纳米梳、第二绝缘衬底和金属电极层；纳米热电组件由十六个均匀固定于惰性气体管道壁外表面的纳米热电单元通过导线连接组成，纳米热电单元包括第三绝缘衬底、金属导体、p型纳米热电元件和n型纳米热电元件。根据实际工作环境的要求，可增加固定支架的数量；根据实际应用时的输出电压电流的需求，可调整放射源的剂量大小，可增减纳米线压电单元和纳米热电单元的数量，可选择串联、并联或串并联结合的方式将纳米线压电单元连接组成纳米线压电组件，亦可选择串联、并联或串并联结合的方式将纳米热电单元连接组成纳米热电组件，以满足具体参数要求。热源腔体外壳、热源装置外壳、固定支架、螺丝和惰性气体管道壁的材质相同，可以是316不锈钢、304不锈钢或310不锈钢；热反射层的材质可以是Al2O3；防辐射层的材质可以是钽合金、铅薄膜、有机玻璃和铁复合材料、树脂和纳米铅复合材料或树脂和纳米硫酸铅复合材料；导热筒的材质可以是BN；放射源可以是α放射源：Am-241、Po-210、Pu-238或Pu-238氧化物，也可以是β放射源：H-3、Ni-63、Pm-147、Sr-90、Sm-151或C-14；气动单向阀可采用JKT-420Mpa气动单向阀；第一绝缘衬底、第二绝缘衬底和第三绝缘衬底的材质相同，可以是SiO2、硅胶或环氧树脂；纳米梳的材质可以是PbZrTiO3、ZnO或GaN；金属电极层可以是Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti薄膜；金属导体的材质可以是金属Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti；压电能量收集电路可采用LTC3588-1型号芯片；导线可采用GN500镀镍铜芯高耐火绝缘导线；p型纳米热电元件的材质可以是p型BiSbTe纳米材料、p型SiGe纳米材料或p型Bi2Se3纳米材料，n型纳米热电元件的材质可以是n型YbxCo4Sb12填充方钴矿纳米材料；惰性气体可以是Ar或Ne；内封装的材质可以是乙烯基聚二甲基硅氧烷复合材料；外封装层的材质可以是FeNi可伐合金。本专利技术解决上述第二技术问题所采取的一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池的制备方法，包括制备热源结构、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层，具体步骤如下：（1）制备热源结构a、加热淬火耐高温不锈钢制作成设计形状的热源腔体外壳；b、在热源腔体外壳内表面涂刷热反射层材料制备热反射层；c、用耐高温不锈钢锻造固定支架，将固定支架焊接于热源装置外壳外表面；d、用螺丝通过固定支架将热源装置固定于热源腔体外壳上；e、在热源腔体外壳两端装配气动单向阀。（2）制备换能结构a、制作第一绝缘衬底，并采用水热法在第一绝缘衬底上表面合成纳米线，制备纳米梳；b、制作第二绝缘衬底，在第二绝缘衬底上表面采用溅射方法制备金属薄膜作为金属电极层；c、用粘结剂将第一绝缘衬底下表面与金属电极层上表面粘结，制成纳米线压电单元；d、用粘结剂将纳米线压电单元固定于惰性气体管道壁内表面，制成纳米线压电组件，用导线将纳米线压电单元以串联方式连接，制成第一电学输出电极；e、制作第三绝缘衬底，用金属导体将p型纳米热电元件与n型纳米热电元件以串联方式连接，并用粘结剂垂直固定于第三绝缘衬底表面，制成纳米热电单元；f、用粘结剂将纳米热电单元固本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池；其特征在于：包括热源结构、换能结构和惰性气体管道（20）；热源结构包括热源腔体（1）和热源装置，热源腔体（1）包括热源腔体外壳（2），热源腔体外壳（2）内表面设有热反射层（3），热源腔体外壳（2）两端渐变收缩并通过气动单向阀（11）连接有惰性气体管道（20），热源装置包括设有夹层的导热筒（6），导热筒（6）夹层内装放射源（7），导热筒（6）内、外壁均设有防辐射层（5），热源装置被封装于热源装置外壳（4）内，热源装置利用螺丝（9）通过固定支架（8）固定于热源腔体外壳（2）上，热源装置中间设有通孔（10）；换能结构包括纳米线压电组件（12）和纳米热电组件（18），纳米线压电组件（12）固定于惰性气体管道壁（21）内表面，纳米线压电组件（12）两端设有第一电学输出电极（13），纳米热电组件（18）固定于惰性气体管道壁（21）外表面，纳米热电组件（18）两端设有第二电学输出电极（19）；第一电学输出电极（13）通过导线（17）与压电能量收集电路（14）的输入端连接，压电能量收集电路（14）的输出端和第二电学输出电极（19）分别通过导线（17）与电池正极（15）、电池负极（16）连接；惰性气体（22）在热源腔体（1）和惰性气体管道（20）中形成气流循环；利用内封装材料将热源结构、换能结构、压电能量收集电路（14）和惰性气体管道（20）固定封装，制成内封装（23），内封装（23）的外表面设有外封装层（24）。...

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池；其特征在于：包括热源结构、换能结构和惰性气体管道（20）；热源结构包括热源腔体（1）和热源装置，热源腔体（1）包括热源腔体外壳（2），热源腔体外壳（2）内表面设有热反射层（3），热源腔体外壳（2）两端渐变收缩并通过气动单向阀（11）连接有惰性气体管道（20），热源装置包括设有夹层的导热筒（6），导热筒（6）夹层内装放射源（7），导热筒（6）内、外壁均设有防辐射层（5），热源装置被封装于热源装置外壳（4）内，热源装置利用螺丝（9）通过固定支架（8）固定于热源腔体外壳（2）上，热源装置中间设有通孔（10）；换能结构包括纳米线压电组件（12）和纳米热电组件（18），纳米线压电组件（12）固定于惰性气体管道壁（21）内表面，纳米线压电组件（12）两端设有第一电学输出电极（13），纳米热电组件（18）固定于惰性气体管道壁（21）外表面，纳米热电组件（18）两端设有第二电学输出电极（19）；第一电学输出电极（13）通过导线（17）与压电能量收集电路（14）的输入端连接，压电能量收集电路（14）的输出端和第二电学输出电极（19）分别通过导线（17）与电池正极（15）、电池负极（16）连接；惰性气体（22）在热源腔体（1）和惰性气体管道（20）中形成气流循环；利用内封装材料将热源结构、换能结构、压电能量收集电路（14）和惰性气体管道（20）固定封装，制成内封装（23），内封装（23）的外表面设有外封装层（24）。2.如权利要求1所述的一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池；其特征在于：热源装置外壳（4）外表面均匀设有三个固定支架（8）；纳米线压电组件（12）由八个均匀固定于惰性气体管道壁（21）内表面的纳米线压电单元（25）通过导线（17）连接组成；纳米热电组件（18）由十六个均匀固定于惰性气体管道壁（21）外表面的纳米热电单元（26）通过导线（17）连接组成。3.如权利要求2所述的一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池；其特征在于：纳米线压电单元包括第一绝缘衬底（27）、纳米梳（28）、第二绝缘衬底（29）和金属电极层（30），第一绝缘衬底（27）上表面设有纳米梳（28），第二绝缘衬底（29）上表面设有金属电极层（30），第一绝缘衬底（27）下表面与金属电极层（30）粘接；纳米热电单元包括第三绝缘衬底（31）、金属导体（32）、p型纳米热电元件（33）和n型纳米热电元件（34），p型纳米热电元件（33）和n型纳米热电元件（34）通过金属导体（32）首尾依次相连，并垂直固定于第三绝缘衬底（31）表面。4.如权利要求3所述的一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池；其特征在于：第一绝缘衬底（27）、第二绝缘衬底（29）和第三绝缘衬底（31）的材质是SiO2、硅胶或环氧树脂；纳米梳（28）的材质是PbZrTiO3、ZnO或GaN；金属电极层（30）是Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti薄膜；p型纳米热电元件（33）的材质是p型BiSbTe纳米材料、p型SiGe纳米材料或p型Bi2Se3纳米材料，n型纳米热电元件（34）的材质是n型YbxCo4Sb12填充方钴矿纳米材料。5.如权利要求1至4任意一项所述的一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池；其特征在于：热源腔体外壳（2）、热源装置外壳（4）、固定支架（8）、螺丝（9）和惰性气体管道壁（21）的材质相同，是316不锈钢、304不锈钢或310不锈钢；导线（17）采用GN500镀镍铜芯高耐火绝缘导线。6.如权利要求5所述的一种基于纳米材料复合式动态型同位素电池；...

【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