[發明專利]一種基于納米材料復合式動態型同位素電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201511005242.0
• 申請日: 2015-12-29
• 公開（公告）號: CN105575453B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 周毅;張世旭;李公平
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: G21H1/00
• 分類號: G21H1/00;G21H1/10;B82Y40/00
• 代理公司: 甘肅省知識產權事務中心62100
• 代理人: 劉繼春

1.一種基于納米材料復合式動態型同位素電池；其特征在于：包括熱源結構、換能結構和惰性氣體管道（20）；熱源結構包括熱源腔體（1）和熱源裝置，熱源腔體（1）包括熱源腔體外殼（2），熱源腔體外殼（2）內表面設有熱反射層（3），熱源腔體外殼（2）兩端漸變收縮并通過氣動單向閥（11）連接有惰性氣體管道（20），熱源裝置包括設有夾層的導熱筒（6），導熱筒（6）夾層內裝放射源（7），導熱筒（6）內、外壁均設有防輻射層（5），熱源裝置被封裝于熱源裝置外殼（4）內，熱源裝置利用螺絲（9）通過固定支架（8）固定于熱源腔體外殼（2）上，熱源裝置中間設有通孔（10）；換能結構包括納米線壓電組件（12）和納米熱電組件（18），納米線壓電組件（12）固定于惰性氣體管道壁（21）內表面，納米線壓電組件（12）兩端設有第一電學輸出電極（13），納米熱電組件（18）固定于惰性氣體管道壁（21）外表面，納米熱電組件（18）兩端設有第二電學輸出電極（19）；第一電學輸出電極（13）通過導線（17）與壓電能量收集電路（14）的輸入端連接，壓電能量收集電路（14）的輸出端和第二電學輸出電極（19）分別通過導線（17）與電池正極（15）、電池負極（16）連接；惰性氣體（22）在熱源腔體（1）和惰性氣體管道（20）中形成氣流循環；利用內封裝材料將熱源結構、換能結構、壓電能量收集電路（14）和惰性氣體管道（20）固定封裝，制成內封裝（23），內封裝（23）的外表面設有外封裝層（24）。

2.如權利要求1所述的一種基于納米材料復合式動態型同位素電池；其特征在于：熱源裝置外殼（4）外表面均勻設有三個固定支架（8）；納米線壓電組件（12）由八個均勻固定于惰性氣體管道壁（21）內表面的納米線壓電單元（25）通過導線（17）連接組成；納米熱電組件（18）由十六個均勻固定于惰性氣體管道壁（21）外表面的納米熱電單元（26）通過導線（17）連接組成。

3.如權利要求2所述的一種基于納米材料復合式動態型同位素電池；其特征在于：納米線壓電單元包括第一絕緣襯底（27）、納米梳（28）、第二絕緣襯底（29）和金屬電極層（30），第一絕緣襯底（27）上表面設有納米梳（28），第二絕緣襯底（29）上表面設有金屬電極層（30），第一絕緣襯底（27）下表面與金屬電極層（30）粘接；納米熱電單元包括第三絕緣襯底（31）、金屬導體（32）、p型納米熱電元件（33）和n型納米熱電元件（34），p型納米熱電元件（33）和n型納米熱電元件（34）通過金屬導體（32）首尾依次相連，并垂直固定于第三絕緣襯底（31）表面。

4.如權利要求3所述的一種基于納米材料復合式動態型同位素電池；其特征在于：第一絕緣襯底（27）、第二絕緣襯底（29）和第三絕緣襯底（31）的材質是SiO₂、硅膠或環氧樹脂；納米梳（28）的材質是PbZrTiO₃、ZnO或GaN；金屬電極層（30）是Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti薄膜； p型納米熱電元件（33）的材質是p型BiSbTe納米材料、p型SiGe納米材料或p型Bi₂Se₃納米材料，n型納米熱電元件（34）的材質是n型Yb_xCo₄Sb₁₂填充方鈷礦納米材料。

5.如權利要求1至4任意一項所述的一種基于納米材料復合式動態型同位素電池；其特征在于：熱源腔體外殼（2）、熱源裝置外殼（4）、固定支架（8）、螺絲（9）和惰性氣體管道壁（21）的材質相同，是316不銹鋼、304不銹鋼或310不銹鋼；導線（17）采用GN500鍍鎳銅芯高耐火絕緣導線。

6.如權利要求5所述的一種基于納米材料復合式動態型同位素電池；其特征在于：熱反射層（3）的材質是Al₂O3；防輻射層（5）的材質是鉭合金或者是樹脂和納米鉛復合材料或者是樹脂和納米硫酸鉛復合材料；導熱筒（6）的材質是BN；放射源（7）是α放射源：Am-241、Po-210、Pu-238或Pu-238氧化物，或者是β放射源：H-3、Ni-63、Pm-147、Sr-90、Sm-151或C-14。

7.如權利要求6所述的一種基于納米材料復合式動態型同位素電池；其特征在于：壓電能量收集電路（14）是LTC3588-1型號芯片；惰性氣體（22）是Ar或Ne；內封裝（23）的材質是乙烯基聚二甲基硅氧烷復合材料；外封裝層（24）的材質是FeNi可伐合金。

8.一種基于納米材料復合式動態型同位素電池的制備方法，其特征在于：包括制備熱源結構、制備換能結構、組配電池結構、灌裝內封裝（23）與制備外封裝層（24），具體步驟如下：

1）制備熱源結構

a、加熱淬火耐高溫不銹鋼制作成設計形狀的熱源腔體外殼（2）；

b、在熱源腔體外殼（2）內表面涂刷或濺射熱反射層材料制備熱反射層（3）；

c、用耐高溫不銹鋼鍛造固定支架（8），將固定支架（8）焊接于熱源裝置外殼（4）外表面；

d、用螺絲（9）通過固定支架（8）將熱源裝置固定于熱源腔體外殼（2）上；

e、在熱源腔體外殼（2）兩端裝配氣動單向閥（11）；

2）制備換能結構

a、制作第一絕緣襯底（27），在第一絕緣襯底（27）上表面采用水熱法或靜電紡絲法合成納米線，制備納米梳（28）；

b、制作第二絕緣襯底（29），在第二絕緣襯底（29）上表面采用濺射方法、蒸發方法或電鍍方法制備金屬薄膜作為金屬電極層（30）；

c、用粘結劑將第一絕緣襯底（27）下表面與金屬電極層（30）上表面粘結，制成納米線壓電單元（25）；

d、用粘結劑將納米線壓電單元（25）固定于惰性氣體管道壁內表面，制成納米線壓電組件（12），用導線（17）將納米線壓電單元（25）以串聯方式連接，制成第一電學輸出電極（13）；

e、制作第三絕緣襯底（31），用金屬導體（32）將p型納米熱電元件（33）與n型納米熱電元件（34）以串聯方式連接，并用粘結劑垂直固定于第三絕緣襯底（31）表面，制成納米熱電單元（26）；

f、用粘結劑將納米熱電單元（26）固定于惰性氣體管道壁（21）外表面，制成納米熱電組件（18），用導線將納米熱電單元以串聯方式連接，制成第二電學輸出電極（19）；

3）組配電池結構

a、將熱源腔體外殼（2）所連接惰性氣體管道（20）的氣流出口端與納米線壓電組件（12）所在惰性氣體管道（20）的一端對接，對接時，以橡膠墊圈為墊片，采用外加固定結構進行裝配；

b、將納米線壓電組件（12）所在惰性氣體管道（20）氣流出口端與納米熱電組件（18）所在惰性氣體管道（20）的一端對接，對接時，以橡膠墊圈為墊片，采用外加固定結構進行裝配；

c、將納米熱電組件（18）所在惰性氣體管道（20）氣流出口端與熱源腔體（1）所連接惰性氣體管道（20）的氣流入口端對接，對接時，以橡膠墊圈為墊片，采用外加固定結構進行裝配，并充入惰性氣體（22）；

d、將第一電學輸出電極（13）通過導線（17）與壓電能量收集電路（14）輸入端連接，壓電能量收集電路（14）的輸出端和第二電學輸出電極（19）分別通過導線（17）與電池正極（15）、電池負極（16）連接；

4）灌裝內封裝材料與制備外封裝層（24）

a、采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12小時以上固化成型，制備內封裝（23）；

b、在內封裝（23）表面包覆外封裝層材料，接口處用密封膠固定，制備外封裝層（24）。