直接收集-热离子发射-热电同位素电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了直接收集‑热离子发射‑热电同位素电池及其制备方法，该同位素电池包括：换能结构、正极、负极、缓冲垫、内封装层、外封装散热层和绝缘环。其中，换能结构包括：金属衬底、放射源镀层、耐高温绝热密封垫、第一电荷收集板、第一绝缘衬底、发射极板、第二电荷收集板、填充介质、第二绝缘衬底、热电组件和电学输出电极。耐高温绝热密封垫包括第一密封垫、第二密封垫、第三密封垫和第四密封垫。该直接收集‑热离子发射‑热电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。

Direct collection thermionic emission thermoelectric isotope cell and its preparation method

The invention discloses a direct collection thermoionic emission thermoisotope battery and a preparation method thereof. The isotope battery comprises a transducer structure, a positive electrode, a negative electrode, a buffer pad, an inner packaging layer, an outer packaging heat dissipation layer and an insulating ring. Among them, the transducer structure includes: metal substrate, radiation source coating, high temperature insulation gasket, first charge collection plate, first insulating substrate, emitter plate, second charge collection plate, filling medium, second insulating substrate, 1 and electrical output electrode. The high temperature resistant and insulating gasket comprises a first gasket, a second gasket, a third gasket and a fourth gasket. The direct collection thermoionic emission thermoisotope cell can break through the technical bottleneck of traditional static isotope cell, which has high energy conversion efficiency, high output power and good working stability.

【技术实现步骤摘要】
直接收集-热离子发射-热电同位素电池及其制备方法
本专利技术属于热电器件与同位素电池领域，具体涉及一种直接收集-热离子发射-热电同位素电池及其制备方法。
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，其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、深空深海、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HenryMoseley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，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可分为四类：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动态型热电式(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.php？feature＝6646)，因而其使用范围有限、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，提高了其在MEMS/NEMS与低功率器件方面的应用，且随着宽禁带半导体与多维结构材料的快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问题，降低了辐射伏特效应同位素电池的使用寿命。因此，现有同位素电池的换能结构仍有待进一步改进，以提高电池的换能效率与工作稳定性，扩大应用环境。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出直接收集-热离子发射-热电同位素电池及其制备方法。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。在本专利技术的第一方面，本专利技术提出了一种直接收集-热离子发射-热电同位素电池。根据本专利技术的实施例，该同位素电池包括：换能结构，所述换能结构包括：金属衬底，所述金属衬底呈柱状，所述金属衬底的两端分别为正极端和负极端；放射源镀层，所述放射源镀层形成在所述金属衬底的外周面上，所述金属衬底的负极端与所述放射源镀层的一端平齐，所述金属衬底的正极端突出所述放射源镀层的另一端；第一密封垫，所述第一密封垫呈环状，所述第一密封垫套设在所述金属衬底的正极端且与所述放射源镀层相抵；第二密封垫，所述第二密封垫设置在所述金属衬底的负极端和所述放射源镀层的端面上；第一电荷收集板，所述第一电荷收集板套设在所述放射源镀层的外周，所述第一电荷收集板一端的端面与所述第一密封垫相抵，所述第一电荷收集板另一端的内周面与所述第二密封垫相抵，所述第一电荷收集板与所述放射源镀层之间间隔形成有真空腔体；第一绝缘衬底，所述第一绝缘衬底形成在所述第一电荷收集板的外周面上，所述第一绝缘衬底的两端分别与所述金属衬底的正极端和负极端平齐；发射极板，所述发射极板设置在所述第一绝缘衬底的外周面上；第三密封垫，所述第三密封垫呈环状，所述第三密封垫套设在所述发射极板的一端，且所述第三密封垫的外表面与所述金属衬底的正极端平齐；第四密封垫，所述第四密封垫呈环状，所述第四密封垫套设在所述第一绝缘衬底的一端，且与所述发射极板相抵；第二电荷收集板，所述第二电荷收集板套设在所述发射极板的外周，且所述第二电荷收集板一端的端面与所述第三密封垫相抵，所述第二电荷收集板另一端的内周面与所述第四密封垫相抵，所述第二电荷收集板与所述发射极板之间间隔形成有腔体，所述腔体内填充有填充介质；第二绝缘衬底，所述第二绝缘衬底形成在所述第二电荷收集板的外周面上；热电组件，所述热电组件设置在所述第二绝缘衬底的外周面上，且所述热电组件两端的端面上分别设置有电学输出电极；正极，所述正极设置在所述换能结构的正极端；负极，所述负极设置在所述换能结构的负极端；缓冲垫，所述缓冲垫包裹在所述换能结构的外周面以及所述正极和所述负极的一部分上；内封装层，所述内封装层包裹在所述缓冲垫的外表面上；以及外封装散热层，所述外封装散热层包裹在所述内封装层的外表面上，所述外封装散热层与所述正极和所述负极之间设置有绝缘环。根据本专利技术实施例的直接收集-热离子发射-热电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。另外，根据本专利技术上述实施例的直接收集-热离子发射-热电同位素电池还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，所述直接收集-热离子发射-热电同位素电池呈圆柱状、椭圆柱状、棱柱状或正棱柱状。在本专利技术的一些实施例中，所述金属衬底由W、Cu或Cr形成。在本专利技术的一些实施例中，所述放射源镀层由α放射源形成，所述α放射源为选自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和244Cm2O3中的至少一种。在本专利技术的一些实施例中，所述放射源镀层由β放射源形成，所述β放射源为选自Sc3H2、(C4H33H5-)n、14C、35S、63Ni、90Sr、90Sr/90Y、90SrTiO3、106Ru、137Cs、137CsCl、144Ce、144CeO2、147Pm、147Pm2O3和151Sm中的至少一种。在本专利技术的一些实施例中，所述第一电荷收集板和所述第二电荷收集板由Nb、NbN、Mo、Sn(ITO)或AI(ZAO)形成；所述发射极板由W、Ta、Re或Mo形成。在本专利技术的一些实施例中，所述热电组件由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功能梯度材料形成。在本专利技术的一些实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直接收集‑热离子发射‑热电同位素电池，其特征在于，包括：换能结构，所述换能结构包括：金属衬底，所述金属衬底呈柱状，所述金属衬底的两端分别为正极端和负极端；放射源镀层，所述放射源镀层形成在所述金属衬底的外周面上，所述金属衬底的负极端与所述放射源镀层的一端平齐，所述金属衬底的正极端突出所述放射源镀层的另一端；第一密封垫，所述第一密封垫呈环状，所述第一密封垫套设在所述金属衬底的正极端且与所述放射源镀层相抵；第二密封垫，所述第二密封垫设置在所述金属衬底的负极端和所述放射源镀层的端面上；第一电荷收集板，所述第一电荷收集板套设在所述放射源镀层的外周，所述第一电荷收集板一端的端面与所述第一密封垫相抵，所述第一电荷收集板另一端的内周面与所述第二密封垫相抵，所述第一电荷收集板与所述放射源镀层之间间隔形成有真空腔体；第一绝缘衬底，所述第一绝缘衬底形成在所述第一电荷收集板的外周面上，所述第一绝缘衬底的两端分别与所述金属衬底的正极端和负极端平齐；发射极板，所述发射极板设置在所述第一绝缘衬底的外周面上；第三密封垫，所述第三密封垫呈环状，所述第三密封垫套设在所述发射极板的一端，且所述第三密封垫的外表面与所述金属衬底的正极端平齐；第四密封垫，所述第四密封垫呈环状，所述第四密封垫套设在所述第一绝缘衬底的一端，且与所述发射极板相抵；第二电荷收集板，所述第二电荷收集板套设在所述发射极板的外周，且所述第二电荷收集板一端的端面与所述第三密封垫相抵，所述第二电荷收集板另一端的内周面与所述第四密封垫相抵，所述第二电荷收集板与所述发射极板之间间隔形成有腔体，所述腔体内填充有电解质溶液；第二绝缘衬底，所述第二绝缘衬底形成在所述第二电荷收集板的外周面上；热电组件，所述热电组件设置在所述第二绝缘衬底的外周面上，且所述热电组件两端的端面上分别设置有电学输出电极；正极，所述正极设置在所述换能结构的正极端；负极，所述负极设置在所述换能结构的负极端；缓冲垫，所述缓冲垫包裹在所述换能结构的外周面以及所述正极和所述负极的一部分上；内封装层，所述内封装层包裹在所述缓冲垫的外表面上；以及外封装散热层，所述外封装散热层包裹在所述内封装层的外表面上，所述外封装散热层与所述正极和所述负极之间设置有绝缘环。...

【技术特征摘要】
1.一种直接收集-热离子发射-热电同位素电池，其特征在于，包括：换能结构，所述换能结构包括：金属衬底，所述金属衬底呈柱状，所述金属衬底的两端分别为正极端和负极端；放射源镀层，所述放射源镀层形成在所述金属衬底的外周面上，所述金属衬底的负极端与所述放射源镀层的一端平齐，所述金属衬底的正极端突出所述放射源镀层的另一端；第一密封垫，所述第一密封垫呈环状，所述第一密封垫套设在所述金属衬底的正极端且与所述放射源镀层相抵；第二密封垫，所述第二密封垫设置在所述金属衬底的负极端和所述放射源镀层的端面上；第一电荷收集板，所述第一电荷收集板套设在所述放射源镀层的外周，所述第一电荷收集板一端的端面与所述第一密封垫相抵，所述第一电荷收集板另一端的内周面与所述第二密封垫相抵，所述第一电荷收集板与所述放射源镀层之间间隔形成有真空腔体；第一绝缘衬底，所述第一绝缘衬底形成在所述第一电荷收集板的外周面上，所述第一绝缘衬底的两端分别与所述金属衬底的正极端和负极端平齐；发射极板，所述发射极板设置在所述第一绝缘衬底的外周面上；第三密封垫，所述第三密封垫呈环状，所述第三密封垫套设在所述发射极板的一端，且所述第三密封垫的外表面与所述金属衬底的正极端平齐；第四密封垫，所述第四密封垫呈环状，所述第四密封垫套设在所述第一绝缘衬底的一端，且与所述发射极板相抵；第二电荷收集板，所述第二电荷收集板套设在所述发射极板的外周，且所述第二电荷收集板一端的端面与所述第三密封垫相抵，所述第二电荷收集板另一端的内周面与所述第四密封垫相抵，所述第二电荷收集板与所述发射极板之间间隔形成有腔体，所述腔体内填充有电解质溶液；第二绝缘衬底，所述第二绝缘衬底形成在所述第二电荷收集板的外周面上；热电组件，所述热电组件设置在所述第二绝缘衬底的外周面上，且所述热电组件两端的端面上分别设置有电学输出电极；正极，所述正极设置在所述换能结构的正极端；负极，所述负极设置在所述换能结构的负极端；缓冲垫，所述缓冲垫包裹在所述换能结构的外周面以及所述正极和所述负极的一部分上；内封装层，所述内封装层包裹在所述缓冲垫的外表面上；以及外封装散热层，所述外封装散热层包裹在所述内封装层的外表面上，所述外封装散热层与所述正极和所述负极之间设置有绝缘环。2.根据权利要求1所述的直接收集-热离子发射-热电同位素电池，其特征在于，所述直接收集-热离子发射-热电同位素电池呈圆柱状、椭圆柱状、棱柱状或正棱柱状。3.根据权利要求1所述的直接收集-热离子发射-热电同位素电池，其特征在于，所述金属衬底由W、Cu或Cr形成。4.根据权利要求1所述的直接收集-热离子发射-热电同位素电池，其特征在于，所述放射源镀层由α放射源形成，所述α放射源为选自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、238...

【专利技术属性】
技术研发人员：何佳清，周毅，李公平，张世旭，陈跃星，孙鑫，鄂得俊，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44