[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

技術領域

本發明屬于同位素電池領域，具體涉及一種基于納米材料復合式動態型同位素電池；本發明還涉及一種基于納米材料復合式動態型同位素電池的制備方法。

背景技術

原子核成分（或能態）自發地發生變化，同時放射出射線的同位素稱為放射性同位素。放射性同位素電池，簡稱同位素電池，正是直接利用放射性同位素衰變釋放出射線所具有的電能或是利用換能器件將放射性同位素衰變釋放出射線的能量轉換成電能，并將電能輸出，從而達到供電目的。由于同位素電池具有服役壽命長、環境適應性強、工作穩定性好、無需維護、小型化等優點，目前已在軍事國防、航天航海、極地探測、生物醫療、電子工業等重要領域被廣泛應用。

同位素電池首先由英國物理學家Henry Mosley于1913年提出，而有關同位素電池的研究主要集中在過去的50年里，其可分為四類：①靜態輻射熱轉換方式同位素電池的研究；②動態熱電轉換機制（動態型）同位素電池的研究；③輻射伏特效應同位素電池的研究；④其他輻射效應轉換機制同位素電池的研究。上述四類同位素電池的研究結果表明，能量轉換效率低仍是目前同位素電池的共性所在。靜態輻射熱轉換方式的同位素電池的發展主要得益于國家層面的研究開發，特別是溫差式熱電轉換機制同位素電池的設計與制造目前在美國已日趨完善，但目前靜態輻射熱轉換方式同位素電池的熱電轉換效率仍較低，僅為4%～8%，導致其使用區域大幅減小、民用化過程較為困難。輻射伏特效應同位素電池以半導體材料為換能單元，可實現同位素電池器件小型化，擴大了同位素電池的應用范圍，且隨著材料科學的飛速發展取得了一定的研究成效，但輻射伏特效應同位素電池存在長期輻照下半導體材料性能退化的問題，降低了輻射伏特效應同位素電池的使用壽命。與靜態輻射熱轉換方式同位素電池和輻射伏特效應同位素電池相比，動態型同位素電池具有較高的能量轉換效率，使其成為目前同位素電池的重要研究方向，但傳統動態型同位素電池存在高速運轉部件潤滑困難、高速轉動產生的慣性矢量影響系統穩定性等技術瓶頸。本發明提出的一種基于納米材料復合式動態型同位素電池可突破傳統動態型同位素電池存在的上述技術瓶頸，同時較大程度地提升動態型同位素電池的能量轉換效率。

發明內容

本發明要解決的第一技術問題在于提供一種基于納米材料復合式動態型同位素電池，該同位素電池能夠突破傳統動態型同位素電池存在高速運轉部件潤滑困難、高速轉動產生的慣性矢量影響系統穩定性的技術瓶頸，具有能量轉換效率高、輸出功率大、工作穩定性好、綠色經濟等特點。本發明要解決的第二個技術問題在于提供一種基于納米材料復合式動態型同位素電池的制備方法。

本發明為解決上述第一技術問題所提供的一種基于納米材料復合式動態型同位素電池：包括熱源結構、換能結構和惰性氣體管道；熱源結構包括熱源腔體和熱源裝置，熱源腔體包括熱源腔體外殼，熱源腔體外殼內表面設有熱反射層，熱源腔體外殼兩端漸變收縮并通過氣動單向閥連接有惰性氣體管道，熱源裝置包括設有夾層的導熱筒，導熱筒夾層內裝放射源，導熱筒內、外壁均設有防輻射層，熱源裝置被封裝于熱源裝置外殼內，熱源裝置外殼外表面均勻設有三個固定支架，熱源裝置利用螺絲通過固定支架固定于熱源腔體外殼上，熱源裝置中間設有通孔；換能結構包括納米線壓電組件和納米熱電組件，納米線壓電組件固定于惰性氣體管道壁內表面，納米線壓電組件兩端設有第一電學輸出電極，納米熱電組件固定于惰性氣體管道壁外表面，納米熱電組件兩端設有第二電學輸出電極；第一電學輸出電極通過導線與壓電能量收集電路輸入端連接，壓電能量收集電路輸出端和第二電學輸出電極分別通過導線與電池正極、電池負極連接；熱源腔體和惰性氣體管道中充有惰性氣體，惰性氣體在熱源腔體和惰性氣體管道中形成氣流循環；利用內封裝材料將熱源結構、換能結構和惰性氣體管道固定封裝，制成內封裝，內封裝的外表面設有外封裝層。

納米線壓電組件由八個均勻固定于惰性氣體管道壁內表面的納米線壓電單元通過導線連接組成，納米線壓電單元包括第一絕緣襯底、納米梳、第二絕緣襯底和金屬電極層；納米熱電組件由十六個均勻固定于惰性氣體管道壁外表面的納米熱電單元通過導線連接組成，納米熱電單元包括第三絕緣襯底、金屬導體、p型納米熱電元件和n型納米熱電元件。

根據實際工作環境的要求，可增加固定支架的數量；根據實際應用時的輸出電壓電流的需求，可調整放射源的劑量大小，可增減納米線壓電單元和納米熱電單元的數量，可選擇串聯、并聯或串并聯結合的方式將納米線壓電單元連接組成納米線壓電組件，亦可選擇串聯、并聯或串并聯結合的方式將納米熱電單元連接組成納米熱電組件，以滿足具體參數要求。