CN101645317B - 一种碳纳米管同位素电池 - Google Patents

Abstract

本发明属于同位素电池领域，特别涉及以碳纳米管为换能材料的碳纳米管同位素电池。一种碳纳米管同位素电池，在外壳内，第一电极与第二电极之间设置有绝缘封装层，在绝缘封装层的下部设置有P型碳纳米管宏观体，在P型碳纳米管宏观体的下面设置有N型硅，在N型硅与最底层的第二电极之间为高掺杂浓度的N型硅。本发明的碳纳米管作为换能结构材料，也作为电池燃料的加载材料。不仅能提高电池的比功率，还解决了在辐生伏特同位素电池制作过程遇到的放射性同位素加载的问题。P型碳纳米管有自我修复能力，可以提高电池的寿命。

Description

一种碳纳米管同位素电池

技术领域

本发明属于同位素电池领域，特别涉及以碳纳米管为换能材料的碳纳米管同位素电池。 

现有技术

在放射性同位素衰变过程中，会释放大量的能量，把衰变能转换成电能的装置就是同位素电池，也称核电池。 

同位素电池种类繁多，有初级同位素电池、热电转换同位素电池、热离子发射同位素电池、p-n结同位素电池、接触电势同位素电池、利用γ辐射的次级电子同位素电池及闪烁体-光电池型同位素电池等。 

初级同位素电池，也称作电荷直接接收型同位素电池，是由两个极板组成，它们之间由真空或绝缘体材料分开，其中一个涂有放射性同位素材料的极板，向着另一个极板(收集板)发射出α或β粒子，这些粒子在收集板上积累，形成电压，接上外部负载电路，即可产生电流。 

热电转换同位素电池是在热电转换的基础上，利用放射性同位素产生热，再应用热电转换装置把热能转换成电能。热电转换型同位素电池的典型代表是美国军方开发的SNAP系列同位素电池。用于阿波罗飞船、无人气象站、海军浮标、海底声纳站等。 

热离子发射同位素电池是利用放射性同位素产生热，加热电子发射体，放出电子，被收集体接收，在回路中产生电流。 

p-n结同位素电池与太阳能电池非常相似的，只不过在p-n结同位素 电池中用α或β射线代替了太阳光作为能量源。 

接触电势同位素电池：α和β射线在气体中会产生电离作用，生成大量带电粒子，如果在气体两端加上电压，带电粒子会向相应电极运动，形成电流，产生电能。接触电压同位素电池就是利用不同金属的接触电压达到分离带电粒子的目的。 

次级电子同位素电池是利用γ射线与物质相互作用产生高能次级电子。将这些电子收集，作为电源。 

闪烁体-光电池型同位素电池是利用射线轰击磷等物质时，发射荧光，在太阳能电池中电离出电子-空穴对载流子，这些载流子被收集产生电能。 

在上述同位素电池中，热电转换同位素电池应用最广，我国也研制出百毫瓦级热电转换同位素电池样品；热离子发射同位素电池仅有俄罗斯研制成功；p-n结同位素电池主要用于微机械电子系统(MEMs)中，提供nW量级的功率。其它同位素电池都因转换效率太低或输出功率太小而未得到实际应用。 

目前，在初级同位素电池的基础上，利用直接收集带电粒子产生高电压，进而转换成机械能，然后通过压电器件将机械能转换成电能，已经开发出适用于给微机电系统能源供电的电源。美国康奈尔大学和威斯康星-麦迪逊大学开发的一种同位素电池是一个自给能往复式运动悬臂梁。在用硅材料制成的一个悬臂梁的自由端上连接了一块铜片，与铜片面对面地设置了一块正方形具有beta放射性的Ni-63辐射源。在悬臂梁的固定端连接了一块压电材料。Ni-63不断发射出电子从而带正电，铜片不断接受Ni-63发射的电子从而带负电。由于静电力的作用，Ni-63和铜片互相吸引，使悬臂梁产生弯曲，在压电材料内产生应力，从而有电能输出。当Ni-63和 铜片距离很近或接触时，它们之间产生放电，静电力消失，悬臂梁恢复原位，如此循环下去，源源不断地输出电能。通过周期性地充放电过程使铜片形变，使与之链接的压电材料发生周期性电功率输出。康奈尔大学和威斯康星-麦迪逊大学的课题组还开发出了利用该悬臂梁式同位素电池供给能量的一些原型电子处理器和光传感器等器件。 

辐生伏特同位素电池被广泛地认为是应用于MEMS等领域最有前景的一种微电源技术。辐生伏特同位素电池的研究重点主要集中在提高制作工艺水平和提高电池比体积功率或比质量功率上。 

这种同位素电池先把带电粒子形成的电场能转换成机械能，后又通过压电器件将机械能转换成电能，转换效率低。 

发明内容

针对现有技术中同位素电池先将电场能转换成机械能，再将机械能转换成电能，转换效率低的技术问题，本发明提出如下技术方案： 

一种碳纳米管同位素电池，在绝缘外壳内，第一电极与第二电极之间设置有绝缘封装层，在绝缘封装层的下部设置有P型碳纳米管宏观体，在P型碳纳米管宏观体的下面设置有N型硅，在N型硅与最底层的第二电极之间为相对于N型硅为高掺杂浓度的N型硅。 

所述的P型碳纳米管宏观体是电池燃料放射性同位素氚气的加载材料。 

所述的P型碳纳米管宏观体与N型硅形成的异质结构成了碳纳米管同位素电池的换能结构。 

本发明使用的碳纳米管同位素电池利用了碳纳米管这种材料的优异 性能，在电池中，碳纳米管不仅作为换能结构的组成部分，也作为电池燃料(放射性同位素氚气)的加载材料，能提高电池的比功率。除此之外，碳纳米管具有很强的自我修复能力和自组织能力，使得其具有很强的抗辐射能力，从而可以提高电池的寿命，因为不存在先转换机械能再转换为电能的问题，所以转换效率高。 

附图说明

附图是本发明的结构示意图。 

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。 

具体实施方式

如图所示，在电池外壳7中，在第一电极1与第二电极6之间设置有绝缘封装层2，第一电极1与P型碳纳米管宏观体3相连接，在P型碳纳米管宏观体3的下面设置有N型硅4，在N型硅4与第二电极6之间是相对于N型硅4为高掺杂浓度N型硅5，第一电极1与第二电极6是本发明碳纳米管同位素电池的两个输出电极。从第一电极1与第二电极6引出可以直接接负载。 

本发明碳纳米管同位素电池的P型碳纳米管宏观体3是电池燃料放射性同位素氚气的加载材料。 

本发明碳纳米管同位素电池的换能结构为P型碳纳米管宏观体3与N型硅4形成的异质结。P型碳纳米管宏观体3具有很强的自我修复能力，很强的抗辐射能力，可以提高电池的寿命。 

P型碳纳米管宏观体3中加载的氚气衰变放出的β射线在与P型碳纳米管宏观体3和N型硅4发生作用时，将产生电子——空穴对，P型碳纳米管宏观体3与N型硅4形成的半导体异质结中会建立起内建电场，而电子——空穴对将在内建电场的作用下分离，即电子通过相对于N型硅4为高掺杂浓度N型硅5向第二电极6聚集，空穴向第一电极1聚集。此时如果接入负载，将会有电流产生，电流方向是从第一电极1流向第二电极6。

N型硅4的掺杂浓度、尺寸等参数由电池所设计的额定输出电压、输出电流的大小来通过计算决定，P型碳纳米管宏观体3的尺寸也是由电池所设计的额定输出电压、输出电流的大小来通过计算决定。 

由于碳纳米管宏观体3具有较强的抗辐射损伤能力，可以使电池的寿命得到提高。电池中的燃料——放射性同位素氚气也被很好的封装在电池中，可以很好地防止电池中放射性物质的泄露。 

Claims (3)

1.一种碳纳米管同位素电池，其特征在于：在绝缘外壳(7)内，第一电极(1)与第二电极(6)之间设置有绝缘封装层(2)，在绝缘封装层(2)的下部设置有P型碳纳米管宏观体(3)，在P型碳纳米管宏观体(3)的下面设置有N型硅(4)，在N型硅(4)与最底层的第二电极(6)之间为相对于N型硅(4)为高掺杂浓度的N型硅(5)。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管同位素电池，其特征在于：所述的P型碳纳米管宏观体(3)是电池燃料放射性同位素氚气的加载材料。

3.根据权利要求1所述的碳纳米管同位素电池，其特征在于：所述的P型碳纳米管宏观体(3)与N型硅(4)形成的异质结构成了碳纳米管同位素电池的换能结构。

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