CN108538422B - 直接收集-热离子发射-热电同位素电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了直接收集‑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。

Description

直接收集-热离子发射-热电同位素电池及其制备方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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Henry Moseley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(radioisotope thermoelectric generators,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(enhanced multi-mission radioisotope thermoelectricgenerators,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。
发明内容
本发明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，本发明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。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种直接收集-热离子发射-热电同位素电池。根据本发明的实施例，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。
根据本发明实施例的直接收集-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，根据本发明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：
在本发明的一些实施例中，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。
在本发明的一些实施例中，所述金属衬底由W、Cu或Cr形成。
在本发明的一些实施例中，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。
在本发明的一些实施例中，所述放射源镀层由β放射源形成，所述β放射源为选自Sc3H2、(C4H3 3H5-)n、14C、35S、63Ni、90Sr、90Sr/90Y、90SrTiO3、106Ru、137Cs、137CsCl、144Ce、144CeO2、147Pm、147Pm2O3和151Sm中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，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。
在本发明的一些实施例中，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。
在本发明的一些实施例中，所述填充介质为Cs气体。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备上述实施例的直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)提供金属衬底；(2)在所述金属衬底的外周面上电镀放射源镀层；(3)在所述金属衬底的正极端和负极端分别设置第一密封垫和第二密封垫；(4)将所述放射源镀层的外周套设第一电荷收集板，并将所述第一电荷收集板与所述放射源镀层之间间隔形成的空间进行抽真空，以便形成真空腔体；(5)在所述第一电荷收集板的外周面上沉积形成第一绝缘衬底；(6)在所述第一绝缘衬底的外周面上设置发射极板；(7)在所述发射极板的两端分别设置第三密封垫和第四密封垫；(8)在所述发射极板的外周套设第二电荷收集板，并在所述第二电荷收集板与所述发射极板之间间隔形成的腔体内装配填充介质；(9)在所述第二电荷收集板的外周面上沉积形成第二绝缘衬底；(10)在所述第二绝缘衬底的外周面上设置热电组件，并在所述热电组件的两端形成电学输出电极，以便得到换能结构；(11)在所述换能结构的正极端和负极端分别形成正极和负极，以便得到电池坯体；(12)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包裹缓冲垫；(13)在所述缓冲垫的外表面上设置内封装层；以及(14)在所述内封装层的外表面上包裹外封装散热层，并在所述外封装散热层与所述正极和所述负极之间设置绝缘环，以便获得所述直接收集-热离子发射-热电同位素电池。
由此，根据本发明实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法制备得到的直接收集-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，根据本发明上述实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述内封装层通过将包裹所述缓冲垫的换能结构放置在模具内，并灌注内封装材料，待固化成型后形成。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的直接收集-热离子发射-热电同位素电池的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的直接收集-热离子发射-热电同位素电池的径向截面结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法流程示意图；
图4是根据本发明一个实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法流程示意图；
图5是根据本发明一个实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法流程示意图；
图6是根据本发明一个实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法流程示意图；
图7是根据本发明一个实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法流程示意图；
图8是根据本发明一个实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法流程示意图；
图9是根据本发明一个实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法流程示意图；
图10是根据本发明一个实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法流程示意图；
图11是根据本发明一个实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法流程示意图；
图12是根据本发明一个实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法流程示意图。
附图标记说明：
1-耐高温绝热密封垫；2-金属衬底；3-放射源镀层；4-真空腔体；5-第一电荷收集板；6-第一绝缘衬底；7-发射极板；8-填充介质；9-第二电荷收集板；10-负极；11-第二绝缘衬底；12-热电组件；13-缓冲垫；14-内封装层；15-外封装散热层；16-电学输出电极；17-绝缘环；18-正极。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种直接收集-热离子发射-热电同位素电池。根据本发明的实施例，参考图1～图2，该同位素电池包括：换能结构、正极18、负极10、缓冲垫13、内封装层14、外封装散热层15和绝缘环17。其中，换能结构包括：金属衬底2、放射源镀层3、耐高温绝热密封垫1、第一电荷收集板5、第一绝缘衬底6、发射极板7、第二电荷收集板9、填充介质8、第二绝缘衬底11、热电组件12和电学输出电极16。耐高温绝热密封垫1包括第一密封垫、第二密封垫、第三密封垫和第四密封垫。
根据本发明的实施例，金属衬底2呈柱状，金属衬底2的两端分别为正极端和负极端。根据本发明的具体实施例，金属衬底2可以由W、Cu或Cr形成。
根据本发明的实施例，放射源镀层3形成在金属衬底2的外周面上，金属衬底2的负极端与放射源镀层3的一端平齐，金属衬底2的正极端突出放射源镀层3的另一端。
根据本发明的具体实施例，放射源镀层3可以由α放射源形成，且α放射源可以为选自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。
根据本发明的具体实施例，放射源镀层3可以由β放射源形成，且β放射源可以为选自Sc3H2、(C4H3 3H5-)n、14C、35S、63Ni、90Sr、90Sr/90Y、90SrTiO3、106Ru、137Cs、137CsCl、144Ce、144CeO2、147Pm、147Pm2O3和151Sm中的至少一种。
根据本发明的一个具体实施例，可以根据实际应用时输出电压电流的需求，可调整放射源镀层3的活度大小。
根据本发明的实施例，第一密封垫呈环状，第一密封垫套设在金属衬底2的正极端且与放射源镀层3相抵。
根据本发明的实施例，第二密封垫设置在金属衬底2的负极端和放射源镀层3的端面上。
根据本发明的具体实施例，第一密封垫和第二密封垫均为可以为无尘石棉布或硅酸铝制品。
根据本发明的实施例，第一电荷收集板5套设在放射源镀层3的外周，第一电荷收集板5一端的端面与第一密封垫相抵，第一电荷收集板5另一端的内周面与第二密封垫相抵，第一电荷收集板5与放射源镀层3之间间隔形成有真空腔体4。根据本发明的具体实施例，第一电荷收集板5可以采用低逸出功材料，例如由Nb、NbN、Mo、Sn(ITO)或AI(ZAO)形成。低逸出功材料具有低的二次电子发射率，保证电荷收集效果。
根据本发明的实施例，第一绝缘衬底6形成在第一电荷收集板5的外周面上，第一绝缘衬底6的两端分别与金属衬底2的正极端和负极端平齐。根据本发明的具体实施例，第一绝缘衬底6可以由SiO2、硅胶或环氧树脂形成。
根据本发明的实施例，发射极板7设置在第一绝缘衬底6的外周面上。根据本发明的具体实施例，发射极板7为具有高真空功函数的难熔金属，例如可以由W、Ta、Re或Mo形成。
根据本发明的实施例，第三密封垫呈环状，第三密封垫套设在发射极板7的一端，且第三密封垫的外表面与金属衬底2的正极端平齐，需要说明的是，第三密封垫的外表面是指不直接与发射极板7相连的一面。
根据本发明的实施例，第四密封垫呈环状，第四密封垫套设在第一绝缘衬底6的一端，且与发射极板7相抵。
根据本发明的具体实施例，第一密封垫和第二密封垫均为耐高温绝热密封垫1，例如无尘石棉布或硅酸铝制品。
根据本发明的实施例，第二电荷收集板9套设在发射极板7的外周，且第二电荷收集板9一端的端面与第三密封垫相抵，第二电荷收集板9另一端的内周面与第四密封垫相抵，第二电荷收集板9与发射极板7之间间隔形成有腔体，腔体内填充有填充介质8。根据本发明的具体实施例，填充介质8可以为Cs气体(1Torr)。
根据本发明的实施例，第二绝缘衬底11形成在第二电荷收集板9的外周面上。根据本发明的具体实施例，第二绝缘衬底11可以由SiO2、硅胶或环氧树脂形成。
根据本发明的实施例，热电组件12设置在第二绝缘衬底11的外周面上，且热电组件12两端的端面上分别设置有电学输出电极16。
根据本发明的具体实施例，热电组件12可以由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。
根据本发明的一个具体实施例，热电组件12由柔性复合热电材料形成，并固定包覆于第二绝缘衬底外侧，形成筒状结构。同时，可以根据具体参数要求，可选择热电组件12中热电单元的数量，选择串联、并联或串并联结合的方式组配热电单元。
根据本发明的具体实施例，电学输出电极16可以由Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti形成。
根据本发明的实施例，正极18设置在换能结构的正极端。需要说明的是，上述换能结构的正极端是指换能结构邻近上述金属衬底正极端的一端。
根据本发明的实施例，负极10设置在换能结构的负极端。需要说明的是，上述换能结构的负极端是指换能结构邻近上述金属衬底负极端的一端。
根据本发明的具体实施例，正极18和负极10可以由Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti形成。
根据本发明的实施例，缓冲垫13包裹在换能结构的外周面以及正极18和负极10的一部分上。根据本发明的具体实施例，缓冲垫13的材质可以是碳纤维。同时，根据实际工作环境的要求，可调整缓冲垫13的厚度。
根据本发明的实施例，内封装层14包裹在缓冲垫13的外表面上。根据本发明的具体实施例，内封装层14的材质可以是石墨-环氧树脂导热复合材料。
根据本发明的实施例，外封装散热层15包裹在内封装层14的外表面上，外封装散热层15与正极18和负极10之间设置有绝缘环17。根据本发明的具体实施例，外封装散热层15的材质可以是FeNi可伐合金；绝缘环17的材质可以为SiO2或硅胶。根据本发明的具体实施例，外封装散热层15可以起到散热作用，根据实际工作环境的要求，可确定外封装散热层15的散热翅片数量。
根据本发明的实施例，本发明的直接收集-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。由此，可以进一步提高同位素电池的适用范围。
根据本发明实施例的直接收集-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。
根据本发明的实施例，放射性同位素发生衰变所释放出的射线入射到换能结构中，射线的能量转化为电能与热能，通过高导热系数材料将换能组件中的热能传递给换能器件(金属衬底、发射极板、热电组件)实现放射源衰变能向电能的转化。同理，本发明实施例的直接收集-热离子发射-热电同位素电池实现电学输出的过程可以依次描述为：放射性同位素衰变时释放出的离子通过第一电荷收集板进行收集；发射极板被放射源衰变加热释放离子，并利用第二电荷收集板进行收集；最后利用热电组件将电池内部的金属衬底、放射源镀层、第一电荷收集板、发射极板、第二电荷收集板与外封装散热层之间的温差转化为电能；上述金属衬底、正极一侧发射极板、正极一侧电学输出电极依次并联接入正极，负极一侧第一电荷收集板、负极一侧第二电荷收集板、负极一侧电学输出电极依次并联接入负极实现电能输出。
本发明提供的同位素电池通过采用高真空功函数金属材料、热电材料为换能材料，有效突破了传统静态型同位素电池存在的单一换能、能损较大的技术瓶颈，同时较大程度地提升了静态型同位素电池的能量转换效率，具有能量转换效率高、输出功率大、环境适用性强、工作稳定性好、使用寿命长、易于实施等特点，可长时间稳定工作于军事国防、深空深海、极地探测、生物医疗、电子工业等重要领域，进一步满足了能源需求的环保、高效、便携、普适。
如上所述，根据本发明实施例的直接收集-热离子发射-热电同位素电池可以具有选自下列的优点至少之一：
1、本发明采用第一电荷收集板、发射极板、第二电荷收集板、热电组件等方式实现级联梯级换能，较大程度地提高了电池能量转化效率，满足能源低碳环保、集成高效、经济普适的要求。
2、本发明依次采用金属衬底、第一电荷收集板、发射极板、第二电荷收集板、热电组件实现放射源衰变能向电能转化，层状换能结构有效减小甚至避免了半导体材料(热电组件)的辐照损伤，并对射线起到屏蔽作用，进一步提高了电池的安全性。
3、本发明采用缓冲垫对电池内部换能组件与电池电极连接处、电池换能结构外表面进行绝热粘结，有助于缓冲放射源镀层与换能组件等电池内部结构存在的机械挤压与热应力，提高电池稳定性，并且更好的工作于各种恶劣环境。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备上述实施例的直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)提供金属衬底；(2)在金属衬底的外周面上电镀放射源镀层；(3)在金属衬底的正极端和负极端分别设置第一密封垫和第二密封垫；(4)将放射源镀层的外周套设第一电荷收集板，并将第一电荷收集板与放射源镀层之间间隔形成的空间进行抽真空，以便形成真空腔体；(5)在第一电荷收集板的外周面上沉积形成第一绝缘衬底；(6)在第一绝缘衬底的外周面上设置发射极板；(7)在发射极板的两端分别设置第三密封垫和第四密封垫；(8)在发射极板的外周套设第二电荷收集板，并在第二电荷收集板与发射极板之间间隔形成的腔体内装配填充介质；(9)在第二电荷收集板的外周面上沉积形成第二绝缘衬底；(10)在第二绝缘衬底的外周面上设置热电组件，并在热电组件的两端形成电学输出电极，以便得到换能结构；(11)在换能结构的正极端和负极端分别形成正极和负极，以便得到电池坯体；(12)在换能结构的外周面以及正极和负极的一部分上包裹缓冲垫；(13)在缓冲垫的外表面上设置内封装层；以及(14)在内封装层的外表面上包裹外封装散热层，并在外封装散热层与正极和负极之间设置绝缘环，以便获得直接收集-热离子发射-热电同位素电池。
由此，根据本发明实施例的制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法制备得到的直接收集-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。
根据本发明的实施例，内封装层可以采用模具灌装法形成。具体地，内封装层可以通过将包裹有缓冲垫的换能结构放置在模具内，并灌注内封装材料，待固化成型后形成。
根据本发明的具体实施例，上述制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法可以包括制备换能结构、组配电池结构、灌装内封装材料与制备外封装散热层；具体步骤如下：
(1)制备换能结构
a、选用确定形状的金属衬底，在其表面电镀放射性同位素薄膜作为放射源镀层；
b、将圆环片状的耐高温绝热密封垫(第一密封垫)用高温粘合剂粘接于放射源镀层的一个端面及该端面金属衬底的侧面，将圆形片状的耐高温绝热密封垫(第二密封垫)用高温粘合剂粘接于金属衬底及放射源镀层的另一个端面；耐高温绝热密封垫同金属衬底、放射源镀层固定密封，形成密封源结构。
c、选用与金属衬底形状适配的第一电荷收集板，将第一电荷收集板两端固定，其中一端固定于环状的耐高温绝热密封垫(第一密封垫)的内端面、另一端固定于圆形片状的耐高温绝热密封垫(第二密封垫)的侧面；根据放射源衰变产生的离子在真空中的射程，确定第一电荷收集板与放射源镀层之间间距，对间距空间抽真空并绝热封装；
d、在第一电荷收集板外表面沉积形成第一绝缘衬底；用高温粘合剂将发射极板固定于第一绝缘衬底外表面；选用确定形状的第二电荷收集板，用高温粘合剂将耐高温绝热密封垫(第三密封垫和第四密封垫)与发射极板两端、第二电荷收集板两端进行固定；根据发射极板产生热电子在填充介质中的射程，确定发射极板与第二电荷收集板之间间距，在间距中装配填充介质并进行绝热封装；
e、在第二电荷收集板外表面沉积形成第二绝缘衬底；用高温粘合剂将热电组件固定于第二绝缘衬底外表面；
f、在热电组件两端外表面电镀、溅射形成电学输出电极，制成换能结构。
(2)组配电池结构
a、在换能结构两端端面电镀、溅射形成正极、负极，构成电池坯体；
b、用高温粘合剂将缓冲垫粘接在换能结构侧表面及其两端的正极、负极，对电池坯体进行绝热封装，在电池坯体外部形成缓冲垫，组配完成电池结构。
(3)灌装内封装材料与制备外封装散热层
a、采用模具灌装法用内封装材料将组配完成的电池结构灌装封闭，室温下放置十二小时以上固化成型，制备完成内封装层；
b、在内封装层表面固定包覆外封装散热层材料，接口处用密封胶固定，制备外封装散热层。
c、在内封装层与外封装散热层同正极、负极交界处装配绝缘环，完成电池整体组装。
上述步骤(2)a中还可以在换能结构两端端面采用蒸发或电镀方法制备正极、负极。
需要说明的是，上述针对直接收集-热离子发射-热电同位素电池所描述的特征和优点同样适用于该制备直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法，此处不再赘述。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
直接收集-热离子发射-热电同位素电池的结构如图1～2所示：
如图1与图2所示：同位素电池包括放射源镀层3和换能结构；同位素电池整体为柱状结构，换能结构两端分别装配正极18与负极10；换能结构包括从内向外依次叠层设置的金属衬底2、真空腔体4、第一电荷收集板5、发射极板7、填充介质8、第二电荷收集板9和热电组件12；放射源镀层3设于金属衬底2表面；负极10一侧的金属衬底2、放射源镀层3、真空腔体4的端面设有耐高温绝热密封垫1，正极18一侧的放射源镀层3、真空腔体4和第一电荷收集板5的端面设有耐高温绝热密封垫1，金属衬底2、放射源镀层3、真空腔体4与第一电荷收集板5通过耐高温绝热密封垫1形成密封结构；换能结构还包括从内向外依次紧密叠层设置的第一绝缘衬底6、发射极板7、填充介质8、第二电荷收集板9、第二绝缘衬底11与热电组件12，第一绝缘衬底6设在第一电荷收集板5侧表面；热电组件12两端设有电学输出电极16；换能结构侧表面及其两端的正极18、负极10包覆有缓冲垫13，缓冲垫13外表面设置内封装层14，内封装层14外表面设置外封装散热层15，外封装散热层15与正极18、负极10之间装配有绝缘环17。
参见图2，电池径向结构呈夹层状分布，自内向外依次为金属衬底2、放射源镀层3、真空腔体4、第一电荷收集板5、第一绝缘衬底6、发射极板7、填充介质8、第二电荷收集板9、第二绝缘衬底11、热电组件12、缓冲垫13、内封装层14与外封装散热层15。
本实施例的放射源镀层3是β放射源90Sr；金属衬底2为金属Cu；第一电荷收集板5和第二电荷收集板9的材质相同，为NbN；发射极板7的材质为金属W，填充介质8为Cs气体(1Torr)，热电组件12的材质为PbTe；电学输出电极16、正极18和负极10的材质相同，为金属Cu；第一绝缘衬底6、第二绝缘衬底11和绝缘环17的材质相同，为环氧树脂；耐高温绝热密封垫1的材质为无尘石棉布；缓冲垫13的材质为碳纤维；内封装层14的材质为石墨-环氧树脂导热复合材料；外封装散热层15的材质为FeNi可伐合金。
放射源镀层3还可以是α放射源，诸如：210Po或Gd210Po或210Po(RE)或210Po(RE)3或235U或238Pu或238PuO2微球或238PuO2燃料球或238PuO2陶瓷或238Pu-Zr合金或238Pu-Ga合金或238Pu-Pt合金或238Pu-Sc合金或238PuN或238PuC或241Am或242Cm或242Cm2O3或244Cm或244Cm2O3；放射源镀层3也可以是β放射源，诸如：Sc3H2或(C4H3 3H5-)n或14C或35S或63Ni或90Sr/90Y或90SrTiO3或106Ru或137Cs或137CsCl或144Ce或144CeO2或147Pm或147Pm2O3或151Sm。
金属衬底2为耐高温金属，还可以是金属W或金属Cr；
发射极板7为具有高真空功函数的难熔金属，还可以是金属Ta、金属Re或金属Mo。
第一电荷收集板5、第二电荷收集板9的材质相同，还可以是其它具有导电性和低电子发射率的低逸出功材料制作，诸如：Nb或Mo或Sn(ITO)或AI(ZAO)。
热电组件12的材质还可以是NaCo2O5方钴矿纳米材料或Si0.8Ge0.2纳米材料或SiGe/PbTe功能梯度材料或PbSnTe/TAGS/PbTe功能梯度材料或PbTe/TAGS/BiTe功能梯度材料或PbTe/TAGS功能梯度材料。
电学输出电极16、正极18和负极10的材质相同，还可以是金属Au或Pd或Pt或Al或Ni或Ti。
第一绝缘衬底6、第二绝缘衬底11和绝缘环17的材质相同，还可以是SiO2或硅胶；耐高温绝热密封垫1的材质还可以是硅酸铝制品。
同位素电池整体还可以是椭圆柱状结构或正棱柱结构。
实施例2
本发明实施例的直接收集-热离子发射-热电同位素电池的制备方法，具体步骤如下：
(1)制备换能结构
a、参见图3：用圆柱状金属Cu作为金属衬底2，在其表面电镀90Sr同位素薄膜作为发射源镀层3；
b、参见图4：用无尘石棉布作为耐高温绝热密封垫1，将圆环片状的耐高温绝热密封垫1用高温粘合剂粘接于发射源镀层3的一个端面及该端面金属衬底2的侧面，将圆形片状的耐高温绝热密封垫1用高温粘合剂粘接于金属衬底2及发射源镀层3的另一个端面；耐高温绝热密封垫1同金属衬底2、发射源镀层3固定密封，形成密封源结构。
c、参见图5：选用与金属衬底2形状适配的NbN材料作为第一电荷收集板5，将第一电荷收集板5两端固定，其中一端固定于环状的耐高温绝热密封垫1的内端面、另一端固定于圆形片状的耐高温绝热密封垫1的侧面；根据发射源镀层3衰变产生的离子在真空中的射程，确定第一电荷收集板5与发射源镀层3之间设间距，对间距抽真空形成真空腔体4并绝热封装。
d、参见图6：在第一电荷收集板5外表面沉积环氧树脂形成第一绝缘衬底6；选用高真空功函数材料金属W作为发射极板7，用高温粘合剂将发射极板7固定于第一绝缘衬底6外表面；选用NbN材料作为第二电荷收集板9，在距发射极板7侧壁0.5mm处，用高温粘合剂将圆筒状第二电荷收集板9与耐高温绝热密封垫1相固定，构成缝隙，向缝隙填充Cs气体(1Torr)形成填充介质8，并进行绝热封装。
e、参见图7：在第二电荷收集板9外表面沉积环氧树脂形成第二绝缘衬底11；用高温粘合剂在第二绝缘衬底11外表面固定PbTe材料作为热电组件12；在热电组件12两端外表面电镀、溅射金属Cu形成第一电学输出电极16，制成换能结构。
(2)组配电池结构
a、参见图8：在换能结构两端面电镀、溅射金属Cu形成正极18、负极10，构成电池坯体；
b、参见图9：用高温粘合剂将碳纤维材料的缓冲垫13粘接在换能结构侧表面及其两端的正极18、负极10，对电池坯体进行绝热封装，在电池坯体外部形成绝热缓冲层，组配完成电池结构。
(3)灌装内封装材料与制备外封装散热层
a、参见图10：用石墨-环氧树脂导热复合材料作为内封装材料，采用模具灌装法将组配完成的电池结构灌装封闭，室温下放置十二小时以上固化成型，制备完成内封装层14；
b、参见图11：在内封装层14表面包覆FeNi可伐合金，接口处用密封胶固定，制备外封装散热层15。
c、参见图12：在内封装层14与外封装散热层15同正极18、负极10的交界处装配绝缘环17，完成电池整体组装。
实施例3；
(1)制备换能结构，同实施例1。
(2)组配电池结构，在换能结构两端面采用蒸发或电镀方法制备正极18、负极10，余同实施例1。
(3)灌装内封装材料与制备外封层15，同实施例1。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

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；
其中，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，所述填充介质为Cs气体；
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、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。
5.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β放射源形成，所述β放射源为选自Sc3H2、(C4H3 3H5-)n、14C、35S、63Ni、90Sr、90Sr/90Y、90SrTiO3、106Ru、137Cs、137CsCl、144Ce、144CeO2、147Pm、147Pm2O3和151Sm中的至少一种。
6.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。
7.一种制备权利要求1～6任一项所述的直接收集-热离子发射-热电同位素电池的方法，其特征在于，包括：
(1)提供金属衬底；
(2)在所述金属衬底的外周面上电镀放射源镀层；
(3)在所述金属衬底的正极端和负极端分别设置第一密封垫和第二密封垫；
(4)将所述放射源镀层的外周套设第一电荷收集板，并将所述第一电荷收集板与所述放射源镀层之间间隔形成的空间进行抽真空，以便形成真空腔体；
(5)在所述第一电荷收集板的外周面上沉积形成第一绝缘衬底；
(6)在所述第一绝缘衬底的外周面上设置发射极板；
(7)在所述发射极板的两端分别设置第三密封垫和第四密封垫；
(8)在所述发射极板的外周套设第二电荷收集板，并在所述第二电荷收集板与所述发射极板之间间隔形成的腔体内装配填充介质；
(9)在所述第二电荷收集板的外周面上沉积形成第二绝缘衬底；
(10)在所述第二绝缘衬底的外周面上设置热电组件，并在所述热电组件的两端形成电学输出电极，以便得到换能结构；
(11)在所述换能结构的正极端和负极端分别形成正极和负极，以便得到电池坯体；
(12)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包裹缓冲垫；
(13)在所述缓冲垫的外表面上设置内封装层；以及
(14)在所述内封装层的外表面上包裹外封装散热层，并在所述外封装散热层与所述正极和所述负极之间设置绝缘环，以便获得所述直接收集-热离子发射-热电同位素电池。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述内封装层通过将包裹所述缓冲垫的换能结构放置在模具内，并灌注内封装材料，待固化成型后形成。
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