CN108631649B - 基于二维薄膜的碱金属热电转换器和同位素电池 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了碱金属热电转换器和同位素电池。该碱金属热电转换器包括：环形管道，环形管道内部限定出封闭的环形腔体；碱金属工质，碱金属工质填充在所述环形管道中；电磁泵，电磁泵设置在环形管道中，用于驱动碱金属工质在环形腔体中循环流动；热电转换结构，热电转换结构设置在环形管道中，与电磁泵间隔设置，且热电转换结构包括沿环形管道轴向依次层叠设置的第一电学输出电极、第一电荷收集电极、非氧化铝二维导电薄膜、第二电荷收集电极和第二电学输出电极。由此，该碱金属热电转换器可突破传统碱金属热电转换器存在的工作温度低、输出功率小、热损耗较大等技术瓶颈，且具有环境适应性强、工作稳定性好、使用寿命长或者易于实施的优点。
Description
技术领域
本发明属于压电器件、碱金属热电发电器与同位素电池领域，具体涉及基于二维薄膜的碱金属热电转换器和同位素电池。
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，它是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。2017年，周毅等人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分成了四类：①静态型热电式(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、射流驱动压电式)同位素电池；④特殊换能机理(直接收集、辐射发光、衰变LC电路耦合谐振、压电悬臂梁、外中子源驱动式、宇宙射线/电磁波收集、磁约束下β粒子电磁辐射、磁分离式、辐射电离)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)的换能效率仍不足8％，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/超低功率电子器件方面的应用，且随着宽禁带半导体与多维有序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。
碱金属热电转换器作为一种无运动部件、无需维护、无噪声的离子热机已被用于高效同位素电池的设计与制造方面。目前，尽管碱金属热电转换器的热电转换效率在理论层面高达30％，但局限于传统β"-Al2O3固体电解质作为离子导电陶瓷，同位素碱金属热电转换器的最高工作温度普遍低于1350K，单一转换器输出功率不足2W，未能满足实际应用。综上所述，关于碱金属热电转换器和同位素电池的研究有待深入。
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一种碱金属热电转换器和使用该碱金属热电转换器的同位素电池，其中，该碱金属热电转换器可突破传统碱金属热电转换器存在的工作温度低、输出功率小、热损耗较大等技术瓶颈，同时较大程度地提高了使用该碱金属热电转换器的同位素电池的能量转换效率与功率密度，而且该同位素电池具有环境适应性强、工作稳定性好、使用寿命长或者易于实施的优点。
在本申请的一个方面，本申请提供了一种碱金属热电转换器。根据本申请的实施例，该碱金属热电转换器包括：环形管道，所述环形管道内部限定出封闭的环形腔体；碱金属工质，所述碱金属工质填充在所述环形管道中；电磁泵，所述电磁泵设置在所述环形管道中，用于驱动所述碱金属工质在所述环形腔体中循环流动；热电转换结构，所述热电转换结构设置在所述环形管道中，与所述电磁泵间隔设置，且所述热电转换结构包括沿所述环形管道轴向依次层叠设置的第一电学输出电极、第一电荷收集电极、非氧化铝二维导电薄膜、第二电荷收集电极和第二电学输出电极。由此，该碱金属热电转换器可突破传统碱金属热电转换器存在的工作温度低、输出功率小、热损耗较大等技术瓶颈，且具有环境适应性强、工作稳定性好、使用寿命长或者易于实施的优点，当该碱金属热电转换器应用于同位素电池时，可较大程度地提高了同位素电池的能量转换效率与功率密度。
根据本申请的实施例，碱金属热电转换器还包括压电换能组件和设置在所述压电换能组件上的压电电学输出电极，所述压电换能组件设置在所述环形管道的内壁上，在所述环形管道的轴向上位于所述电磁泵和所述热电转换结构之间。
根据本申请的实施例，形成所述环形管道的材料选自316不锈钢、304不锈钢和310不锈钢中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述碱金属工质选自钠、钾和钠钾合金中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述电磁泵为圆柱泵。
根据本申请的实施例，形成所述非氧化铝二维导电薄膜的材料选自LaCrO3、ZrO2、石墨烯和过渡金属硫化物中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述非氧化铝二维导电薄膜具有纳米多孔结构，所述纳米多孔的孔径为0.1-0.2nm，所述非氧化铝二维导电薄膜的厚度为0.7-1.1mm。
根据本申请的实施例，形成所述第一电学输出电极、所述第二电学输出电极、所述第一电荷收集电极、所述第二电荷收集电极和所述压电电学输出电极的材料选自Pd、Rh、Ir、Pt、Nb、Ta、V、W、Re、Os、Zr、Ni、Ti、Mo、MoTi和TiN中的至少一种。
根据本申请的实施例，形成所述压电换能组件的材料选自钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅、铌锌酸铅、钽钪酸铅、钛酸钡、钛酸铋钠、聚偏氟乙烯和钙钛矿压电材料中的至少一种。
在本申请的另一方面，本申请提供了一种同位素电池。根据本申请的实施例，该同位素电池包括：热源结构；多个前面所述的碱金属热电转换器，多个所述碱金属热电转换器围绕所述热源结构设置，且在垂直方向上层叠设置；绝缘缓冲垫，所述绝缘缓冲垫设置在在垂直方向上相邻的两个所述碱金属热电转换器之间；散热结构，所述散热结构位于所述碱金属热电转换器远离所述热源结构的一侧，并围绕所述碱金属热电转换器设置，且沿着所述碱金属热电转换器中的环形管道的轴向，所述热源结构、所述碱金属热电转换器中的热电转换结构、所述散热结构和所述碱金属热电转换器中的电磁泵依次间隔设置。由此，该同位素电池可有效突破传统静态型同位素电池存在工作温度低、输出功率小、热损耗较大等技术瓶颈，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与功率密度，具有能量转换效率高、功率密度大、环境适用性强、工作稳定性好、使用寿命长、易于实施等特点，其中，绝缘缓冲垫的设置，可以最大化实现同位素热源的衰变热利用，并有效调节热源结构、换能组件与散热结构等电池内部结构之间存在的机械挤压与热应力，提高了电池工作稳定性与服役寿命。
根据本申请的实施例，所述热源结构包括：燃料盒，所述燃料盒上具有开口；燃料盒密封垫，所述燃料盒密封垫设置在所述开口中，以使得所述燃料盒中限定出密封的热源空间；放射源，所述放射源的一端设置在所述燃料盒密封垫上，另一端伸入所述燃料盒中。
根据本申请的实施例，所述燃料盒密封垫上设置有固定件，所述放射源设置在所述固定件上。
根据本申请的实施例，所述同位素电池进一步包括第一密封垫和第二密封垫，所述第一密封垫和所述第二密封垫设置在所述热源结构垂直方向上的两端，并固定于所述散热结构上，用于密封所述热源结构和所述碱金属热电转换器。
根据本申请的实施例，形成所述燃料盒、所述燃料盒密封垫和所述固定件的材料分别选自钽合金、锆合金和铱合金中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述放射源选自α放射源、β放射源、泛燃料固化物、小型模块化核热源和小型模块化反应堆中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述α放射源选自210Po、Gd210Po、Y210Po、La210Po、Ce210Po、Pr210Po、Nd210Po、Sm210Po、Eu210Po、Tb210Po、Dy210Po、Ho210Po、Er210Po、Tm210Po、Yb210Po、Lu210Po、Pm210Po、Sc210Po、Gd3 210Po、Y3 210Po、La3 210Po、Ce3 210Po、Pr3 210Po、Nd3 210Po、Sm3 210Po、Eu3 210Po、Tb3 210Po、Dy3 210Po、Ho3 210Po、Er3 210Po、Tm3 210Po、Yb3 210Po、Lu3 210Po、228Th、228ThO2、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；所述β放射源选自(C4H3 3H5-)n、Sc3H2、14C、35S、63Ni、90Sr、90Sr/90Y、90SrTiO3、99Tc、106Ru、137Cs、137CsCl、144Ce、144CeO2、147Pm、147Pm2O3、151Sm和226Ra中的至少一种。
根据本申请的实施例，形成所述绝缘缓冲垫、所述第一密封垫和所述第二密封垫的材料分别选自橡胶和碳纤维之中的至少一种。
根据本申请的实施例，形成所述散热结构的材料选自石墨、铜和铝合金中的至少一种。
本申请提供的同位素电池通过采用碱金属为工质，非氧化铝二维导电薄膜、碱金属热电转换器(可进一步包括压电换能组件)为换能组件，有效突破了传统静态型同位素电池存在工作温度低、输出功率小、热损耗较大等技术瓶颈，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与功率密度，具有能量转换效率高、功率密度大、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。与相关技术相比，至少具有以下有益效果如下：
1、本申请采用非氧化铝二维导电薄膜为渗透膜，通过纳米孔单向选择实现了碱金属离子的快速萃取，增强了碱金属工作介质对电极表面的有效浸润和渗透，促进电极-电解液界面间电荷的快速转移，颠覆了传统碱金属热电转换器局限于β"-Al2O3固体电解质的换能方式。此外，具有纳米多孔的非氧化铝二维导电薄膜高的工作温度大幅提高了碱金属热电转换器的换能效率与功率密度，满足能源低碳环保、集成高效、经济普适的要求。
2、本申请采用换能结构垂直于热源结构轴线方向叠层堆垛，辅之第一密封垫与第二密封垫，最大化实现同位素热源的衰变热利用，并有效调节热源结构、换能组件与散热结构等电池内部结构之间存在的机械挤压与热应力，提高了电池工作稳定性与服役寿命。
3、本申请可对多个换能结构进行电源管理，通过加载泛燃料固化物达到核废料回收利用的同时，可实现千瓦级(kW级)电功率输出，扩大了电池的输出功率范围，进一步满足不同领域需求。
附图说明
图1是本申请一个实施例中碱金属热电转换器的结构示意图。
图2是本申请另一个实施例中碱金属热电转换器的结构示意图。
图3是本申请又一个实施例中碱金属热电转换器中的压电换能组件的结构示意图。
图4是本申请一个实施例中同位素电池的纵剖面结构示意图。
图5是沿着图4中AB线的俯视图。
图6是本申请又一个实施例中同位素电池的部分纵剖面结构示意图。
图7是本申请又一个实施例中同位素电池的部分纵剖面结构示意图。
图8是本申请实施例1中同位素电池的电学输出结果图。
图9是本申请实施例2中同位素电池的电学输出结果图。
图10是本申请实施例3中同位素电池的电学输出结果图。
图11是本申请对比例与实施例1-3中同位素电池的输出电压的对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本申请的一个方面，本申请提供了一种碱金属热电转换器。根据本申请的实施例，参照图1和图2，该碱金属热电转换器20a(或20b)包括：环形管道210，环形管道210内部限定出封闭的环形腔体；碱金属工质(可包括液态碱金属工质211和气态碱金属工质206)，碱金属工质填充在环形管道210中；电磁泵209，电磁泵209设置在环形管道210中，用于驱动碱金属工质211在环形腔体中循环流动；热电转换结构，热电转换结构设置在环形管道210中，与电磁泵209间隔设置，且热电转换结构包括沿环形管道210轴向依次层叠设置的第一电学输出电极201、第一电荷收集电极202、非氧化铝二维导电薄膜203、第二电荷收集电极204和第二电学输出电极205。由此，该碱金属热电转换器可突破传统碱金属热电转换器存在的工作温度低、输出功率小、热损耗较大等技术瓶颈，且具有环境适应性强、工作稳定性好、使用寿命长或者易于实施的优点，当该碱金属热电转换器应用于同位素电池时，可较大程度地提高了同位素电池的能量转换效率与功率密度。
根据本申请的实施例，图1是液溃式碱金属热电转换器20a，即液态碱金属工质211受热电离为离子和电子，离子被第一电荷收集电极收集，电子被非氧化铝二维导电薄膜203单向萃取后，被第二电荷收集电极204收集，进而实现热电的转换以及电能的输出，邻近第二电学输出电极205的碱金属工质因受热变为气态碱金属工质206，冷却后液态碱金属工质211在电磁泵的作用下实现碱金属工质的闭式循环。图2是气溃式碱金属热电转换器20b，即受热形成的气态碱金属工质206电离为离子和电子，离子被第一电荷收集电极收集，电子被非氧化铝二维导电薄膜203单向萃取后，被第二电荷收集电极204收集，进而实现热电的转换以及电能的输出，邻近第二电学输出电极205的碱金属工质冷却后变为液态碱金属工质211，并在电磁泵的作用下实现碱金属工质的闭式循环。
根据本申请的实施例，为了克服换能的单一性，以及转换后电学的输出，参照图1和图2，碱金属热电转换器还包括压电换能组件207和设置在压电换能组件207上的压电电学输出电极208，压电换能组件207设置在环形管道210的内壁上，在环形管道210的轴向上位于电磁泵209和热电转换结构之间。由此，压电换能组件在碱金属工质的驱动下发生形变，输出电能，克服碱金属热电转换器单一换能的难题，而且由于压电换能组件207设置在环形管道210的轴向上位于电磁泵209和热电转换结构之间，可便于将压电换能组件转换的电能供给给电磁泵，使其保持持续工作状态，进而提高电池功率密度。
根据本申请的实施例，为了给碱金属工质提供一个安全稳定的工作环境，形成环形管道的材料选自316不锈钢、304不锈钢和310不锈钢中的至少一种。由此，环形管道耐碱金属的腐蚀，也不易因受到外界的碰撞而损伤，保证碱金属工质的稳定性工作，也提高碱金属热电转换器的环境适应性和工作稳定性。
根据本申请的实施例，碱金属工质选自钠、钾和钠钾合金中的至少一种。由此，熔点低、易于汽化和电离、流动性好、安全性高。
根据本申请的实施例，由于碱金属热电转换器的基体为环形管道，为了便于电磁泵的设置，在本申请的实施例中，电磁泵为圆柱泵。由此，电磁泵和环形管道可以更好的固定在一起，有利于提高碱金属热电转换器的工作稳定性。
根据本申请的实施例，为了可使碱金属热电转换器在较高温度下的环境中稳定工作，形成非氧化铝二维导电薄膜的材料选自LaCrO3、ZrO2、石墨烯和过渡金属硫化物中的至少一种。由此，上述的非氧化铝二维导电薄膜的材料可以在高温下不易受到损伤，进而可以提高碱金属热电转换器的工作温度，而工作温度的提高又可以大幅度提高金金属热电转换器的换能效率和功率密度，满足能源低碳环保、集成高效以及经济普适的要求。
根据本申请的实施例，为了更好的萃取碱金属电离的电子，非氧化铝二维导电薄膜具有纳米多孔结构，纳米多孔的孔径为0.1-0.2nm，非氧化铝二维导电薄膜的厚度为0.7-1.1mm。由此，可以提高对碱金属电离出的电子的萃取效率，进而提高热电换能效率。
根据本申请的实施例，形成第一电学输出电极、第二电学输出电极、第一电荷收集电极、第二电荷收集电极和压电电学输出电极的材料选自Pd、Rh、Ir、Pt、Nb、Ta、V、W、Re、Os、Zr、Ni、Ti、Mo、MoTi和TiN中的至少一种。由此，导电性佳，耐碱金属的腐蚀，来源广泛。
根据本申请的实施例，为了提高压电换能组件的换能效率，形成压电换能组件的材料选自钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅、铌锌酸铅、钽钪酸铅、钛酸钡、钛酸铋钠、聚偏氟乙烯和钙钛矿压电材料中的至少一种。由此，压电换能组件的换能效率高，且耐碱金属腐蚀性好，进而保证碱金属热电转换器的工作稳定性和使用寿命。
根据本申请的实施例，压电换能组件的具体种类没有限制要求，参照图3，压电换能组件可以为单边固定压电组件207a，也可以是双边固定压电组件207b。
在本申请的另一方面，本申请提供了一种同位素电池。根据本申请的实施例，参照图4和图5，其中，图5是图4沿AB的截面俯视图，该同位素电池包括：热源结构10；多个前面所述的碱金属热电转换器20(选自液溃式碱金属热电转换器20a和气溃式碱金属热电转换器20b中的至少一种)，多个碱金属热电转换器围绕源结构10设置，且在垂直方向上层叠设置；绝缘缓冲垫402，绝缘缓冲垫402设置在垂直方向上相邻的两个碱金属热电转换器之间；散热结构30，散热结构30位于碱金属热电转换器20远离热源结构10的一侧，并围绕碱金属热电转换器20设置，且沿着碱金属热电转换器20中的环形管道的轴向，热源结构10、碱金属热电转换器20中的热电转换结构、散热结构30和碱金属热电转换器20中的电磁泵209依次间隔设置。由此，该同位素电池可有效突破了传统静态型同位素电池存在工作温度低、输出功率小、热损耗较大等技术瓶颈，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与功率密度，具有能量转换效率高、功率密度大、环境适用性强、工作稳定性好、使用寿命长、易于实施等特点，其中，绝缘缓冲垫的设置，可以最大化实现同位素热源的衰变热利用，并有效调节热源结构、换能组件与散热结构等电池内部结构之间存在的机械挤压与热应力，提高了电池工作稳定性与服役寿命。
为了给同位素电池提供一个稳定的工作环境，参照图4和图5，可以在同为电池的顶部和底部分别设置第一密封垫401和第二密封垫404，具体的：第一密封垫401和第二密封垫404设置在热源结构10垂直方向上的两端，并固定于散热结构30上，用于密封热源结构10和碱金属热电转换器20。由此，可以防止外界对同位素电池的干扰，保证该同位素电池的工作稳定性和使用寿命，通过密封，还可以最大化实现同位素热源的衰变热利用。其中，固定方式没有限制要求，本领域技术人员可以根据实际需求灵活选择，在本申请的实施例中，通过固定螺钉403将第一密封垫401和第二密封垫404固定于散热结构30，并对热源结构和碱金属热电转换器进行密封，本领域技术人员可根据实际工作环境灵活调整固定螺钉的数量和尺寸。在本申请的实施例中，固定螺钉的形成材料可以选自316不锈钢、304不锈钢和310不锈钢中的至少一种，如此，固定效果更佳。
根据本申请的实施例，形成绝缘缓冲垫、第一密封垫和第二密封垫的材料分别选自橡胶和碳纤维之中的至少一种。由此，可以很好地将彼此相邻的两个碱金属热电转换器隔离开，以防相互干扰，上述材料形成的第一密封垫和第二密封垫可以较佳的将热源结构和碱金属热电转换器与外界环境隔离开，使其不受外界环境的干扰，提高同位素电池的工作稳定性以及使用寿命。其中，绝缘缓冲垫、第一密封垫和第二密封垫的数量和厚度没有限制要求，本领域技术人员根据实际需求灵活选择即可，在此不作限制要求。
根据本申请的实施例，参照图6和图7，热源结构10包括：燃料盒101，燃料盒101上具有开口；燃料盒密封垫103，燃料盒密封垫103设置在开口中，以使得燃料盒101中限定出密封的热源空间；放射源102，放射源102的一端设置在燃料盒密封垫103上，另一端伸入燃料盒101中。由此，可以通过可拆卸的燃料盒密封垫来更换放射源，进而延长动态同位素电池的使用寿命，降低同位素电池的设计和制造成本，且放射源的数目可以根据实际应用情况灵活调整。
根据本申请的实施例，为了进一步固定放射源，燃料盒密封垫上设置有固定件，放射源设置在固定件上。根据本申请的实施例，固定件的具体种类没有特别限制，在本申请的一些实施例中，固定件为固定栅格，放射源配合设置在固定栅格中。由此，固定件结构简单，便于制作，且放射源的安装和拆卸操作方便，易于操作。
根据本申请的实施例，形成燃料盒、密封垫和固定件的材料可以相同，也可不同，为了提高动态同位素电池的安全性和稳定性，形成燃料盒、密封垫和固定件的材料分别选自钽合金、锆合金和铱合金中的至少一种。由此，可保证放射源处于一个安全稳定的工作环境，进而保证动态同位素电池的稳定性和安全可靠性。此外，本领域技术人员可根据实际应用时输出电压电流的需求，可调整固定件的几何形状、物理尺寸与数量。
根据本申请的实施例，本申请的动态同位素电池扩大了放射源的选择范围，放射源选自α放射源、β放射源、泛燃料固化物、小型模块化核热源和小型模块化反应堆中的至少一种。根据本申请的实施例，所述α放射源选自210Po、Gd210Po、Y210Po、La210Po、Ce210Po、Pr210Po、Nd210Po、Sm210Po、Eu210Po、Tb210Po、Dy210Po、Ho210Po、Er210Po、Tm210Po、Yb210Po、Lu210Po、Pm210Po、Sc210Po、Gd3 210Po、Y3 210Po、La3 210Po、Ce3 210Po、Pr3 210Po、Nd3 210Po、Sm3 210Po、Eu3 210Po、Tb3 210Po、Dy3 210Po、Ho3 210Po、Er3 210Po、Tm3 210Po、Yb3 210Po、Lu3 210Po、228Th、228ThO2、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；所述β放射源选自(C4H3 3H5-)n、Sc3H2、14C、35S、63Ni、90Sr、90Sr/90Y、90SrTiO3、99Tc、106Ru、137Cs、137CsCl、144Ce、144CeO2、147Pm、147Pm2O3、151Sm和226Ra中的至少一种。
需要说明的是，本文中所采用的描述方式“泛燃料固化物”是指核燃料沥青固化物、核燃料水泥固化物、核燃料玻璃固化物或核燃料陶瓷固化物中的至少一种；“小型模块化核热源”是指通用核热源(General Purpose Heater Source)或轻量核热源(LightedWeighted Radioisotope Heater Unit)中的至少一种；“小型模块化反应堆”是指结合了小规模发电和模块化生产这两大特点、以第三代核反应堆技术为主的反应堆中的至少一种；另外，当放射源为(C4H3 3H5-)n时，表示氚化聚1-乙基乙烯，其中，n代表聚合度，具体值的选择没有限制要求，本领域技术人员可以根据电池的应用领域或具体参数要求灵活选择上述放射源的聚合度。
根据本申请的实施例，本领域技术人员可以根据实际应用时输出电压电流的需求，可灵活调整放射源的活度大小、加载数量与物理尺寸。由此，可以满足同位素电池的不同使用需求。此外，本领域技术人员可以根据具体电学输出参数要求，可选择碱金属热电转换器的工作模式和装配数量，可选择串联、并联或串并联结合的方式集成换能组件。
根据本申请的实施例，为了使同位素电池具有较好的散热效果，形成散热结构的材料选自石墨、铜和铝合金中的至少一种，散热结构30的具体结构可以包括散热基垫301和散热翅片302(参照结构示意图6和7)。由此，可使同位素电池具有最佳的散热效果。
实施例
下面根据本申请的几个具体实施例详细描述一下本申请的同位素电池的结构：
实施例1
参照图4和图6，采用液溃式碱金属热电换能器20a，该同位素电池的结构包括：
热源结构10，热源结构包括：燃料盒101，燃料盒101上具有开口；燃料盒密封垫103，燃料盒密封垫103设置在开口中，以使得燃料盒101中限定出密封的热源空间，且燃料盒密封垫上设置有固定栅格；放射源102，放射源102的一端设置在燃料盒密封垫103上，另一端深伸入燃料盒101中，使其配合设置在固定栅格中；
多个前面所述的液溃式碱金属热电转换器20a，多个液溃式碱金属热电转换器围绕热源结构10设置，且在垂直方向上层叠设置，其中，液溃式碱金属热电转换器包括：环形管道210，环形管道210内部限定出封闭的环形腔体；碱金属工质(包括液态碱金属工质211和气态碱金属工质206)，碱金属工质填充在环形管道210中；电磁泵209，电磁泵209设置在环形管道210中，用于驱动工质211在环形腔体中循环流动；热电转换结构，热电转换结构设置在环形管道210中，与电磁泵209间隔设置，且热电转换结构包括沿环形管道210轴向依次层叠设置的第一电学输出电极201、第一电荷收集电极202、非氧化铝二维导电薄膜203、第二电荷收集电极204和第二电学输出电极205；压电换能组件207和设置在压电换能组件207上的压电电学输出电极208，压电换能组件207设置在环形管道210的内壁上，在环形管道210的轴向上位于电磁泵209和热电转换结构之间；
绝缘缓冲垫402，绝缘缓冲垫402设置在在垂直方向上相邻的两个液溃式碱金属热电转换器20a之间；
散热结构30，散热结构30位于液溃式碱金属热电转换器20a远离热源结构10的一侧，并围绕液溃式碱金属热电转换器20a设置，且沿着液溃式碱金属热电转换器20a中的环形管道的轴向设置，热源结构10、液溃式碱金属热电转换器20a中的热电转换结构、散热结构30和液溃式碱金属热电转换器20a中的电磁泵209依次间隔设置，其中，散热结构包括散热基垫301和散热翅片302；
第一密封垫401和第二密封垫404，第一密封垫401和第二密封垫404设置在热源结构10的两端，并通过固定螺钉403固定于散热结构30上，用于密封热源结构10和液溃式碱金属热电转换器20a。
在该实施例1中，放射源102是238PuO2陶瓷；非氧化铝二维导电薄膜是LaCrO3；纳米多孔尺寸为0.15nm，厚度为1mm；液态工质211和气态工质206材料相同，为金属Na；燃料盒101、固定件和燃料盒密封垫103的材质相同，是钽合金；压电换能组件207为单边固定压电组件207a，材质是铌镁酸铅(PMN)；第一电学输出电极201、第一电荷收集电极202、第二电学输出电极204、第二电荷收集电极205和压电电学输出电极208的材质相同，为金属Mo；绝缘缓冲垫402、第一密封垫401和第二密封垫404的材质相同，是碳纤维；固定螺钉403和环形管道210的材质相同，是316不锈钢；散热基底301和散热翅片302的材质相同，为石墨散热片；电磁泵209为圆柱泵。当然，上述各个结构的具体材料还可以采用前面所述的其他材料，比如燃料盒102、固定件102a和燃料盒密封垫105的材质还可以是铱合金或钽合金等材料，碱金属热电转换器20也可以为气溃式碱金属热电转换器20b，其他结构一样，在此不再一一赘述。
该实施例1中的同位素电池的电学输出结果参照图8，在低温600K(散热结构远离热源结构一侧的温度)和高温2150K(热源结构的温度，也是非氧化铝二维导电薄膜LaCrO3所能承受的最高工作温度)的最大温差条件下，同位素电池的理论输出电压超过2.5V，输出功率超过8W。
实施例2
参照图4和图6，采用液溃式碱金属热电换能器20a，该同位素电池的结构包括：
热源结构10，热源结构包括：燃料盒101，燃料盒101上具有开口；燃料盒密封垫103，燃料盒密封垫103设置在开口中，以使得燃料盒101中限定出密封的热源空间，且燃料盒密封垫上设置有固定栅格；放射源102，放射源102的一端设置在燃料盒密封垫103上，另一端深入燃料盒101中，使其配合设置在固定栅格中；
多个前面所述的液溃式碱金属热电转换器20a，多个液溃式碱金属热电转换器围绕热源结构10设置，且在垂直方向上层叠设置，其中，液溃式碱金属热电转换器包括：环形管道210，环形管道210内部限定出封闭的环形腔体；碱金属工质(包括液态碱金属工质211和气态碱金属工质206)，碱金属工质填充在环形管道210中；电磁泵209，电磁泵209设置在环形管道210中，用于驱动工质211在环形腔体中循环流动；热电转换结构，热电转换结构设置在环形管道210中，与电磁泵209间隔设置，且热电转换结构包括沿环形管道210轴向依次层叠设置的第一电学输出电极201、第一电荷收集电极202、非氧化铝二维导电薄膜203、第二电荷收集电极204和第二电学输出电极205；压电换能组件207和设置在压电换能组件207上的压电电学输出电极208，压电换能组件207设置在环形管道210的内壁上，在环形管道210的轴向上位于电磁泵209和热电转换结构之间；
绝缘缓冲垫402，绝缘缓冲垫402设置在在垂直方向上相邻的两个液溃式碱金属热电转换器20a之间；
散热结构30，散热结构30位于液溃式碱金属热电转换器20a远离热源结构10的一侧，并围绕液溃式碱金属热电转换器20a设置，且沿着液溃式碱金属热电转换器20a中的环形管道的轴向设置，热源结构10、液溃式碱金属热电转换器20a中的热电转换结构、散热结构30和液溃式碱金属热电转换器20a中的电磁泵209依次间隔设置，其中，散热结构包括散热基垫301和散热翅片302。
第一密封垫401和第二密封垫404，第一密封垫401和第二密封垫404设置在热源结构10的两端，并通过固定螺钉403固定于散热结构30上，用于密封热源结构10和液溃式碱金属热电转换器20a。
在该实施例2中，放射源102是238PuO2陶瓷；非氧化铝二维导电薄膜是ZrO2；纳米多孔尺寸为0.15nm，厚度为1mm；液态工质211和气态工质206材料相同，为金属Na；燃料盒101、固定件和燃料盒密封垫103的材质相同，是钽合金；压电换能组件207为单边固定压电组件207a，材质是铌镁酸铅(PMN)；第一电学输出电极201、第一电荷收集电极202、第二电学输出电极204、第二电荷收集电极205和压电电学输出电极208的材质相同，为金属Mo；绝缘缓冲垫402、第一密封垫401和第二密封垫404的材质相同，是碳纤维；固定螺钉403和环形管道210的材质相同，是316不锈钢；散热基底301和散热翅片302的材质相同，为石墨散热片；电磁泵209为圆柱泵。当然，上述各个结构的具体材料还可以采用前面所述的其他材料，比如燃料盒102、固定件102a和燃料盒密封垫105的材质还可以是铱合金或钽合金等材料，碱金属热电转换器20也可以为气溃式碱金属热电转换器20b，其他结构一样，在此不再一一赘述。
该实施例2中的同位素电池的电学输出结果参照图9，在低温600K(散热结构远离热源结构一侧的温度)和高温2450K(热源结构的温度，也是非氧化铝二维导电薄膜是ZrO2所能承受的最高工作温度)的最大温差条件下，同位素电池的理论输出电压超过3V，输出功率超过10W。
实施例3
参照图4和图6，采用液溃式碱金属热电换能器20a，该同位素电池的结构包括：
热源结构10，热源结构包括：燃料盒101，燃料盒101上具有开口；燃料盒密封垫103，燃料盒密封垫103设置在开口中，以使得燃料盒101中限定出密封的热源空间，且燃料盒密封垫上设置有固定栅格；放射源102，放射源102的一端设置在燃料盒密封垫103上，另一端深入燃料盒101中，使其配合设置在固定栅格中；
多个前面所述的液溃式碱金属热电转换器20a，多个液溃式碱金属热电转换器围绕热源结构10设置，且在垂直方向上层叠设置，其中，液溃式碱金属热电转换器包括：环形管道210，环形管道210内部限定出封闭的环形腔体；碱金属工质(包括液态碱金属工质211和气态碱金属工质206)，碱金属工质填充在环形管道210中；电磁泵209，电磁泵209设置在环形管道210中，用于驱动工质211在环形腔体中循环流动；热电转换结构，热电转换结构设置在环形管道210中，与电磁泵209间隔设置，且热电转换结构包括沿环形管道210轴向依次层叠设置的第一电学输出电极201、第一电荷收集电极202、非氧化铝二维导电薄膜203、第二电荷收集电极204和第二电学输出电极205；压电换能组件207和设置在压电换能组件207上的压电电学输出电极208，压电换能组件207设置在环形管道210的内壁上，在环形管道210的轴向上位于电磁泵209和热电转换结构之间；
绝缘缓冲垫402，绝缘缓冲垫402设置在在垂直方向上相邻的两个液溃式碱金属热电转换器20a之间；
散热结构30，散热结构30位于液溃式碱金属热电转换器20a远离热源结构10的一侧，并围绕液溃式碱金属热电转换器20a设置，且沿着液溃式碱金属热电转换器20a中的环形管道的轴向设置，热源结构10、液溃式碱金属热电转换器20a中的热电转换结构、散热结构30和液溃式碱金属热电转换器20a中的电磁泵209依次间隔设置，其中，散热结构包括散热基垫301和散热翅片302。
第一密封垫401和第二密封垫404，第一密封垫401和第二密封垫404设置在热源结构10的两端，并通过固定螺钉403固定于散热结构30上，用于密封热源结构10和液溃式碱金属热电转换器20a。
在该实施例3中，放射源102是乏燃料固化物；非氧化铝二维导电薄膜是石墨烯；纳米多孔尺寸为0.15nm，厚度为1mm；液态工质211和气态工质206材料相同，为金属Na；燃料盒101、固定件和燃料盒密封垫103的材质相同，是钽合金；压电换能组件207为单边固定压电组件207a，材质是锆钛酸铅(PZT)；第一电学输出电极201、第一电荷收集电极202、第二电学输出电极204、第二电荷收集电极205和压电电学输出电极208的材质相同，为金属MoTi；绝缘缓冲垫402、第一密封垫401和第二密封垫404的材质相同，是碳纤维；固定螺钉403和环形管道210的材质相同，是316不锈钢；散热基底301和散热翅片302的材质相同，为石墨散热片；电磁泵209为圆柱泵。当然，上述各个结构的具体材料还可以采用前面所述的其他材料，比如燃料盒102、固定件102a和燃料盒密封垫105的材质还可以是铱合金或钽合金等材料，碱金属热电转换器20也可以为气溃式碱金属热电转换器20b，其他结构一样，在此不再一一赘述。
该实施例3中的同位素电池的电学输出结果参照图10，在低温600K(散热结构远离热源结构一侧的温度)和高温3000K(热源结构的温度，也是非氧化铝二维导电薄膜是石墨烯所能承受的最高工作温度)的最大温差条件下，同位素电池的理论输出电压超过4V，输出功率超过16W。
对比例1
该对比例中的同位素电池的具体结构与实施例1中同位素电池结构一致，区别在于二维导电薄膜采用的氧化铝二维导电薄膜，具体为β"-Al2O3，该同位素电池在低温600K(散热结构远离热源结构一侧的温度)和高温1350K(热源结构的温度，也是β"-Al2O3所能承受的最高工作温度)的最大温差条件下的理论输出电压与实施例1-3中的同位素电池在最大温差条件下的输出电压结果比较参照图11。通过对比可知，本申请中通过采用非氧化铝二维导电薄膜，可以很好的提高同位素电池的电学输出，提高同位素电池的电能转换效率。
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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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 (17)
1.一种基于二维薄膜的碱金属热电转换器，其特征在于，包括：
环形管道，所述环形管道内部限定出封闭的环形腔体；
碱金属工质，所述碱金属工质填充在所述环形管道中；
电磁泵，所述电磁泵设置在所述环形管道中，用于驱动所述碱金属工质在所述环形腔体中循环流动；
热电转换结构，所述热电转换结构设置在所述环形管道中，与所述电磁泵间隔设置，且所述热电转换结构包括沿所述环形管道轴向依次层叠设置的第一电学输出电极、第一电荷收集电极、非氧化铝二维导电薄膜、第二电荷收集电极和第二电学输出电极；
其中，形成所述非氧化铝二维导电薄膜的材料选自LaCrO3、ZrO2、石墨烯和过渡金属硫化物中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的碱金属热电转换器，其特征在于，还包括压电换能组件和设置在所述压电换能组件上的压电电学输出电极，所述压电换能组件设置在所述环形管道的内壁上，在所述环形管道的轴向上位于所述电磁泵和所述热电转换结构之间。
3.根据权利要求1所述的碱金属热电转换器，其特征在于，形成所述环形管道的材料选自316不锈钢、304不锈钢和310不锈钢中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的碱金属热电转换器，其特征在于，所述碱金属工质选自钠、钾和钠钾合金中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的碱金属热电转换器，其特征在于，所述电磁泵为圆柱泵。
6.根据权利要求1所述的碱金属热电转换器，其特征在于，所述非氧化铝二维导电薄膜具有纳米多孔结构，所述纳米多孔的孔径为0.1-0.2nm，所述非氧化铝二维导电薄膜的厚度为0.7-1.1mm。
7.根据权利要求2所述的碱金属热电转换器，其特征在于，形成所述第一电学输出电极、所述第二电学输出电极、所述第一电荷收集电极、所述第二电荷收集电极和所述压电电学输出电极的材料选自Pd、Rh、Ir、Pt、Nb、Ta、V、W、Re、Os、Zr、Ni、Ti、Mo、MoTi和TiN中的至少一种。
8.根据权利要求2所述的碱金属热电转换器，其特征在于，形成所述压电换能组件的材料选自钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅、铌锌酸铅、钽钪酸铅、钛酸钡、钛酸铋钠、聚偏氟乙烯和钙钛矿压电材料中的至少一种。
9.一种同位素电池，其特征在于，包括：
热源结构；
多个权利要求1-8中任一项所述的碱金属热电转换器，多个所述碱金属热电转换器围绕所述热源结构设置，且在垂直方向上层叠设置；
绝缘缓冲垫，所述绝缘缓冲垫设置在在垂直方向上相邻的两个所述碱金属热电转换器之间；
散热结构，所述散热结构位于所述碱金属热电转换器远离所述热源结构的一侧，并围绕所述碱金属热电转换器设置，且沿着所述碱金属热电转换器中的环形管道的轴向，所述热源结构、所述碱金属热电转换器中的热电转换结构、所述散热结构和所述碱金属热电转换器中的电磁泵依次间隔设置。
10.根据权利要求9所述的同位素电池，其特征在于，所述热源结构包括：
燃料盒，所述燃料盒上具有开口；
燃料盒密封垫，所述燃料盒密封垫设置在所述开口中，以使得所述燃料盒中限定出密封的热源空间；
放射源，所述放射源的一端设置在所述燃料盒密封垫上，另一端伸入所述燃料盒中。
11.根据权利要求10所述的同位素电池，其特征在于，所述燃料盒密封垫上设置有固定件，所述放射源设置在所述固定件上。
12.根据权利要求11所述的同位素电池，其特征在于，进一步包括：
第一密封垫和第二密封垫，所述第一密封垫和所述第二密封垫设置在所述热源结构垂直方向上的两端，并固定于所述散热结构上，用于密封所述热源结构和所述碱金属热电转换器。
13.根据权利要求11所述的同位素电池，其特征在于，形成所述燃料盒、所述燃料盒密封垫和所述固定件的材料分别选自钽合金、锆合金和铱合金中的至少一种。
14.根据权利要求10所述的同位素电池，其特征在于，所述放射源选自α放射源、β放射源、泛燃料固化物、小型模块化核热源和小型模块化反应堆中的至少一种。
15.根据权利要求14所述的同位素电池，其特征在于，所述α放射源选自210Po、Gd210Po、Y210Po、La210Po、Ce210Po、Pr210Po、Nd210Po、Sm210Po、Eu210Po、Tb210Po、Dy210Po、Ho210Po、Er210Po、Tm210Po、Yb210Po、Lu210Po、Pm210Po、Sc210Po、Gd3 210Po、Y3 210Po、La3 210Po、Ce3 210Po、Pr3 210Po、Nd3 210Po、Sm3 210Po、Eu3 210Po、Tb3 210Po、Dy3 210Po、Ho3 210Po、Er3 210Po、Tm3 210Po、Yb3 210Po、Lu3 210Po、228Th、228ThO2、235U、238Pu、238PuO2-Mo陶瓷、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；所述β放射源选自(C4H3 3H5-)n、Sc3H2、14C、35S、63Ni、90Sr、90Sr/90Y、90SrTiO3、99Tc、106Ru、137Cs、137CsCl、144Ce、144CeO2、147Pm、147Pm2O3、151Sm和226Ra中的至少一种。
16.根据权利要求12所述的同位素电池，其特征在于，形成所述绝缘缓冲垫、所述第一密封垫和所述第二密封垫的材料分别选自橡胶和碳纤维之中的至少一种。
17.根据权利要求9所述的同位素电池，其特征在于，形成所述散热结构的材料选自石墨、铜和铝合金中的至少一种。
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