[發(fā)明專利]一種基于納米材料復(fù)合式動態(tài)型同位素電池及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201511005242.0
• 申請日: 2015-12-29
• 公開（公告）號: CN105575453B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周毅;張世旭;李公平
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州大學(xué)
• 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(chǎn)權(quán)事務(wù)中心62100
• 代理人: 劉繼春

1.一種基于納米材料復(fù)合式動態(tài)型同位素電池；其特征在于：包括熱源結(jié)構(gòu)、換能結(jié)構(gòu)和惰性氣體管道（20）；熱源結(jié)構(gòu)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(nèi)表面設(shè)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(shè)有夾層的導(dǎo)熱筒（6），導(dǎo)熱筒（6）夾層內(nèi)裝放射源（7），導(dǎo)熱筒（6）內(nèi)、外壁均設(shè)有防輻射層（5），熱源裝置被封裝于熱源裝置外殼（4）內(nèi)，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(shè)有通孔（10）；換能結(jié)構(gòu)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(nèi)表面，納米線壓電組件（12）兩端設(shè)有第一電學(xué)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(shè)有第二電學(xué)輸出電極（19）；第一電學(xué)輸出電極（13）通過導(dǎo)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(xué)輸出電極（19）分別通過導(dǎo)線（17）與電池正極（15）、電池負(fù)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(huán)；利用內(nèi)封裝材料將熱源結(jié)構(gòu)、換能結(jié)構(gòu)、壓電能量收集電路（14）和惰性氣體管道（20）固定封裝，制成內(nèi)封裝（23），內(nèi)封裝（23）的外表面設(shè)有外封裝層（24）。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于納米材料復(fù)合式動態(tài)型同位素電池；其特征在于：熱源裝置外殼（4）外表面均勻設(shè)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(nèi)表面的納米線壓電單元（25）通過導(dǎo)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(dǎo)線（17）連接組成。

3.如權(quán)利要求2所述的一種基于納米材料復(fù)合式動態(tài)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(shè)有納米梳（28），第二絕緣襯底（29）上表面設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(quán)利要求3所述的一種基于納米材料復(fù)合式動態(tài)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(zhì)是SiO₂、硅膠或環(huán)氧樹脂；納米梳（28）的材質(zhì)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(zhì)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(zhì)是n型Yb_xCo₄Sb₁₂填充方鈷礦納米材料。

5.如權(quán)利要求1至4任意一項所述的一種基于納米材料復(fù)合式動態(tài)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(zhì)相同，是316不銹鋼、304不銹鋼或310不銹鋼；導(dǎo)線（17）采用GN500鍍鎳銅芯高耐火絕緣導(dǎo)線。

6.如權(quán)利要求5所述的一種基于納米材料復(fù)合式動態(tài)型同位素電池；其特征在于：熱反射層（3）的材質(zhì)是Al₂O3；防輻射層（5）的材質(zhì)是鉭合金或者是樹脂和納米鉛復(fù)合材料或者是樹脂和納米硫酸鉛復(fù)合材料；導(dǎo)熱筒（6）的材質(zhì)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(quán)利要求6所述的一種基于納米材料復(fù)合式動態(tài)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(nèi)封裝（23）的材質(zhì)是乙烯基聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料；外封裝層（24）的材質(zhì)是FeNi可伐合金。

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

1）制備熱源結(jié)構(gòu)

a、加熱淬火耐高溫不銹鋼制作成設(shè)計形狀的熱源腔體外殼（2）；

b、在熱源腔體外殼（2）內(nèi)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(jié)構(gòu)

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

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

e、制作第三絕緣襯底（31），用金屬導(dǎo)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(lián)方式連接，并用粘結(jié)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(jié)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(dǎo)線將納米熱電單元以串聯(lián)方式連接，制成第二電學(xué)輸出電極（19）；

3）組配電池結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，并充入惰性氣體（22）；

d、將第一電學(xué)輸出電極（13）通過導(dǎo)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(xué)輸出電極（19）分別通過導(dǎo)線（17）與電池正極（15）、電池負(fù)極（16）連接；

4）灌裝內(nèi)封裝材料與制備外封裝層（24）

a、采用模具灌裝法用內(nèi)封裝材料將組配完成的電池結(jié)構(gòu)灌裝封閉，室溫下放置12小時以上固化成型，制備內(nèi)封裝（23）；

b、在內(nèi)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）。