CN110473647B - 一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池 - Google Patents

Abstract

本发明属于同位素电池领域，涉及一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池。所述电池包括发射极、收集极、填充介质和电池外壳，所述电池包括多个基本单元，一个基本单元由一个发射极和一个收集极组成，填充介质填充在发射极和收集极之间，发射极的两端通过发射极连接材料与电池外壳连接，发射极为双层或三层结构；每两个收集极之间通过绝缘支撑材料连接，所有收集极通过收集极连接材料串联，发射极为双面发射，除两端的收集极外其余收集极为双面收集。所述结构简单，通过双面直接收集放射性同位素源衰变过程中不断释放出的带电粒子，将其衰变能直接转化为电能。

Description

一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池

技术领域

本发明属于同位素电池领域，涉及一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，具体为一种以放射性同位素自支撑薄膜为放射源，通过双面直接收集其衰变过程中不断释放出的带电粒子，将放射性同位素衰变能直接转化为电能的装置。

背景技术

同位素电池的研究在20世纪50年代取得突破性进展，广泛应用于航天、深海、心脏起搏器等领域。自1913年英国物理学家Moseley制作成功同位素电池至今，已发展出多种不同类型的同位素电池。最常见的同位素电池分类方式，即按照能量转换方式，可分为直接和间接能量转换型：间接能量转换是将衰变能先转换成热能或光能等，再转换成电能，因为涉及多次能量转换过程，这种类型能量转换效率普遍不高，且结构复杂；而直接能量转换则是将放射源衰变放出带电粒子的动能直接转换成电能，结构简单，能量转换效率可大大提高。

在直接能量转换同位素电池中，直充式同位素电池因其结构简单、成本低、开路电压高、输出功率稳定等优良性能引起了研究人员的关注，同时，直充式同位素电池可广泛应用于电子显微镜、光电倍增管等设备装置的高压电源。

现有同位素电池中，大部分为β辐射伏特式或伽马光伏式，属于间接能量转换方式同位素电池。这类同位素电池的输出电压一般不大于1V量级，且能量转化效率偏低，小于8％。中国专利文献CN102306511中采用辐射伏特式和肖特基势垒式复合类型，以提高同位素源的利用效率，然而这种效率的提高非常有限，在1％量级。中国专利文献CN105575453中批露了新型动态式的间接能量转换方式同位素电池，但结构较为复杂，工程实现难度挑战大。中国专利文献CN101552046中批露了直充式和热电式复合类型同位素电池，但其中直充式部分的发射极设计为单面发射结构，没有达到充分利用同为素放射源的目的。有研究(核技术，2011年第34卷第11期:872-876)讨论和理论分析了直充式核电池的结构和工作原理，并提出了一些增大充电电流的方法，但并未明确指出提高直充式同位素电池能量转换效率的具体途径，提出的收集极为用圆柱形或球形收集极，且所述设计并未涉及多发射极或多收集极结构。在研究文献(Applied Radiation and Isotopes,Vol.67(2009)：1057-1062)中讨论和理论分析了直充式核电池的优选放射源核素，并以¹⁴⁷Pm核素为例演示了结构和工作原理。该研究文献中涉及的直充式核电池中的发射极，放射源膜覆盖在石英玻璃层基底上，且放射源膜上下两面具有铝或钽保护层；该设计直充式核电池为单个发射极的单层结构。

当前已有的同位素电池其能量转换效率普遍较低，生产成本高，且部分设计工艺加工难度大，因此迫切需要设计一种能量转换效率较高的结构简单、易于加工的同位素电池。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，以提高同位素电池的能量转换效率。所述电池采用双面发射极的网状支撑薄膜源直充式同位素电池能很大程度上解决同位素电池能量转换效率低和工艺实现难度大的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，所述电池包括发射极、收集极、填充介质和电池外壳，其中，发射极、收集极和填充介质位于电池外壳内部，所述电池包括多个基本单元，一个基本单元由一个发射极和一个收集极组成，填充介质填充在发射极和收集极之间，发射极的两端通过发射极连接材料与电池外壳连接，发射极为双层结构，由一层网状支撑材料和一层覆盖在网状支撑材料上的放射性同位素自支撑薄膜组成；每两个收集极之间通过绝缘支撑材料连接，所有收集极通过收集极连接材料串联，发射极为双面发射，除两端的收集极外其余收集极为双面收集；

其中，所述放射性同位素自支撑薄膜的厚度为1-500nm；所述放射性同位素自支撑薄膜源为含β放射性同位素或α放射性同位素的单质、化合物或混合物；

所述网状支撑材料的网孔与网径的比率大于1：1，以有利于同位素放射源衰变放出的带电粒子穿过；

所述收集极材料为低原子序数金属或合金材料；

所述绝缘支撑材料为电阻率大于10⁹Ω·m的绝缘材料；

所述收集极连接材料和发射极连接材料为导电性材料；

所述填充介质的真空度小于10Pa；

所述电池外壳材料为可承受内外压差1个标准大气压的材料。

优选的，所述发射极还可以为三层结构，由两层网状支撑材料及夹在两层网状支撑材料中间的一层放射性同位素自支撑薄膜组成。

优选的，一个基本单元中发射极和收集极之间的距离为0.5-5mm。

优选的，所述β放射性同位素为³H、⁶³Ni、⁹⁰Sr、¹³⁷Cs、¹⁴⁴Ce或¹⁴⁷Pm；α放射性同位素为²¹⁰Po、²²⁶Ra、²³⁸Pu、²⁴¹Am或²⁴⁴Cm。

优选的，所述网状支撑材料为铍网、铜网、铝网、镍网或碳网。

优选的，所述收集极材料为含有铍、铝、铁或铜的金属或合金。

优选的，所述绝缘支撑材料为聚四氟乙烯、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺或聚乙烯。

优选的，所述收集极连接材料和发射极连接材料为银、铜、铝或铁。

优选的，所述填充介质为真空、氮气或二氧化碳。

优选的，所述电池外壳材料为铁、铝、不锈钢或铝合金。

有益效果：

(1)在本发明的一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池中，发射极中的放射性核素衰变放出带电粒子(α粒子或β粒子)，带电粒子穿出发射极自身的放射源层和网状支撑层后，经过真空或者其他种类如不易放电的气体，到达收集极，发射极和收集极携带电性相反的电荷，之间相互绝缘，因而会产生相应的电势差，在发射极和收集极之间加负载后，形成回路即可产生电流。本发明所述装置结构简单，利用长半衰期、高能量密度、不易受环境影响的放射性同位素衰变作为能量来源，将衰变能直接转化为电能，形成可以长时间、适应能力强、稳定工作的电源装置。

(2)在本发明的一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池中，发射极采用多层结构设计，薄膜厚度范围可在数十微米到亚微米量级范围，尽可能减小了源层的自吸收效应，源效率可达90％以上；所述的网状支撑材料网孔与网径的比率尽量高，有利于同位素放射源衰变放出的带电粒子穿过；电池发射极和电池收集极同属于双面发射和收集结构，即发射极两面发出的粒子或射线被相邻的收集极收集，相应地，收集极可收集两侧发射极发出的粒子或射线。发射极和收集极的距离在优化设置条件下可达到几何因子超过95％。本发明设计最大限度地提高了同位素电池的整体能量转换效率。

(3)在本发明的一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池中，一个同位素电池发射极和一个电池收集极组合起来形成电池的一个基本单元，多个基本单元重叠起来形成同位素电池组件。通过调节发射极的大小和不同数量单元的组合可以进行不同大小功率的灵活输出。本发明模块化的设计，可根据工作环境的不同，灵活进行组装，拓展了装置的应用范围。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为网状支撑薄膜源的直充式同位素电池示意图；

图2为同位素电池发射极结构示意图。

其中，1-发射极；2-收集极；3-绝缘支撑材料；4-收集极连接材料；5-发射极连接材料；6-填充介质；7-电池外壳；11-放射性同位素自支撑薄膜；12-网状支撑材料。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明提供的技术方案及所给出的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1和2所示，一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，所述电池包括发射极1、收集极2、填充介质6和电池外壳7，其中，发射极1、收集极2和填充介质6位于电池外壳内部，所述电池包括十个基本单元，一个基本单元由一个发射极1和一个收集极2组成，填充介质6填充在发射极1和收集极2之间，发射极1的两端通过发射极连接材料5与电池外壳7连接，发射极1为双层结构，具体为一层网状支撑材料12和一层覆盖在网状支撑材料上的放射性同位素自支撑薄膜11；每两个收集极2之间通过绝缘支撑材3料连接，所有收集极2通过收集极连接材料4串联后接入负载，电池外壳7接地；发射极1为双面发射，收集极2为双面收集，即发射极1两面发出的粒子或射线被相邻的收集极2收集，相应地，收集极2可收集两侧发射极1发出的粒子或射线；

其中，一个基本单元中发射极1和收集极2之间的距离为5mm；

所述放射性同位素自支撑薄膜11为自支撑同位素薄膜⁶³Ni，薄膜厚度约为200nm；

所述网状支撑12材料为铍网，网孔与网径的比率约为2:1，有利于同位素放射源衰变放出的带电粒子穿过；

所述收集极2材料为铍；

所述绝缘支撑材料2为聚四氟乙烯；

所述收集极连接材料4和发射极连接材料5为铜；

所述填充介质6中填充为真空，真空度约0.1Pa；

所述电池外壳7材料为不锈钢。

所述放射性同位素自支撑薄膜11衰变释放出的带电粒子，除小部分被放射性同位素自支撑薄膜11、网状支撑材料12、绝缘支撑材料3和填充介质6吸收外，绝大部分被收集极2持续收集。由于同位素薄膜源⁶³Ni衰变发射β粒子，带负电荷，因此，发射极就成为了电池的阳极，收集极就成为了电池的阴极。电池在外接负载之后，即可实现电能的有效输出。

通过蒙特卡龙模拟计算得到，发射极源效率可达90％以上；发射极和收集极的距离约5mm时几何因子超过95％。通过理论模拟计算得到，同位素电池的总体能量转换效率约15％。

实施例2

一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，所述电池包括发射极1、收集极2、填充介质6和电池外壳7，其中，发射极1、收集极2和填充介质6位于电池外壳内部，所述电池包括十个基本单元，一个基本单元由一个发射极1和一个收集极2组成，填充介质6填充在发射极1和收集极2之间，发射极1的两端通过发射极连接材料5与电池外壳7连接，所述发射极1为三层结构，两层网状支撑材料12及夹在两层网状支撑材料中间的一层放射性同位素自支撑薄膜11；每两个收集极2之间通过绝缘支撑材3料连接，所有收集极2通过收集极连接材料4串联后接入负载，电池外壳7接地；发射极1为双面发射，收集极2为双面收集，即发射极1两面发出的粒子或射线被相邻的收集极2收集，相应地，收集极2可收集两侧发射极1发出的粒子或射线；

其中，一个基本单元中发射极1和收集极2之间的距离为3mm；

所述放射性同位素自支撑薄膜11为自支撑同位素薄膜¹⁴⁷Pm，薄膜厚度约为400nm；

所述网状支撑材料12为碳网，网孔与网径的约为2:1，有利于同位素放射源衰变放出的带电粒子穿过。

所述收集极2材料为铜；

所述绝缘支撑材料3为聚醚醚酮(PEEK)；

所述收集极连接材料4和发射极连接材料5为银；

所述填充介质6为不易放电气体氮气，真空度约1Pa；

所述电池外壳7材料为铝合金。

所述放射性同位素自支撑薄膜11衰变释放出的带电粒子，除小部分被放射性同位素自支撑薄膜11、网状支撑12、绝缘支撑材料3和填充介质6吸收外，绝大部分被收集极2持续收集。由于同位素薄膜源¹⁴⁷Pm衰变发射β粒子，带负电荷，因此，发射极就成为了电池的阳极，收集极就成为了电池的阴极。电池在外接负载之后，即可实现电能的有效输出。

通过蒙特卡龙模拟计算得到，发射极源效率可达90％以上；发射极和收集极的距离为3mm时几何因子超过95％。通过理论模拟计算得到，同位素电池的总体能量转换效率约12％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，其特征在于：所述电池包括发射极(1)、收集极(2)、填充介质(6)和电池外壳(7)，其中，发射极(1)、收集极(2)和填充介质(6)位于电池外壳(7)内部，所述电池包括多个基本单元，一个基本单元由一个发射极(1)和一个收集极(2)组成，填充介质(6)填充在发射极(1)和收集极(2)之间，发射极(1)的两端通过发射极连接材料(5)与电池外壳(7)连接，发射极(1)为双层结构，由一层网状支撑材料(12)和一层覆盖在网状支撑材料(12)上的放射性同位素自支撑薄膜(11)组成；每两个收集极(2)之间通过绝缘支撑材料(3)连接，所有收集极(2)通过收集极连接材料(4)串联，发射极(1)为双面发射，除两端的收集极(2)外其余收集极(2)为双面收集；

其中，所述放射性同位素自支撑薄膜(11)的厚度为200-500nm；所述放射性同位素自支撑薄膜源为含β放射性同位素或α放射性同位素的单质、化合物或混合物；

所述网状支撑材料(12)的网孔与网径的比率大于1：1；

所述收集极(2)材料为低原子序数的金属或合金材料；

所述绝缘支撑材料(3)为电阻率大于10⁹Ω·m的绝缘材料；

所述收集极连接材料(4)和发射极连接材料(5)为导电性材料；

所述填充介质(6)的真空度小于10Pa；

所述电池外壳(7)材料为可承受内外压差1个标准大气压的材料；

一个基本单元中发射极(1)和收集极(2)之间的距离为0.5-5mm。

2.一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，其特征在于：所述电池包括发射极(1)、收集极(2)、填充介质(6)和电池外壳(7)，其中，发射极(1)、收集极(2)和填充介质(6)位于电池外壳(7)内部，所述电池包括多个基本单元，一个基本单元由一个发射极(1)和一个收集极(2)组成，填充介质(6)填充在发射极(1)和收集极(2)之间，发射极(1)的两端通过发射极连接材料(5)与电池外壳(7)连接，发射极(1)为三层结构，由两层网状支撑材料(12)及夹在两层网状支撑材料(12)中间的一层放射性同位素自支撑薄膜(11)组成；每两个收集极(2)之间通过绝缘支撑材料(3)连接，所有收集极(2)通过收集极连接材料(4)串联，发射极(1)为双面发射，除两端的收集极(2)外其余收集极(2)为双面收集；

其中，所述放射性同位素自支撑薄膜(11)的厚度为200-500nm；所述放射性同位素自支撑薄膜源为含β放射性同位素或α放射性同位素的单质、化合物或混合物；

所述网状支撑材料(12)的网孔与网径的比率大于1：1；

所述收集极(2)材料为低原子序数的金属或合金材料；

所述绝缘支撑材料(3)为电阻率大于10⁹Ω·m的绝缘材料；

所述收集极连接材料(4)和发射极连接材料(5)为导电性材料；

所述填充介质(6)的真空度小于10Pa；

所述电池外壳(7)材料为可承受内外压差1个标准大气压的材料；一个基本单元中发射极(1)和收集极(2)之间的距离为0.5-5mm。

3.如权利要求1或2所述的一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，其特征在于：所述β放射性同位素为³H、⁶³Ni、⁹⁰Sr、¹³⁷Cs、¹⁴⁴Ce或¹⁴⁷Pm；α放射性同位素为²¹⁰Po、²²⁶Ra、²³⁸Pu、²⁴¹Am或²⁴⁴Cm。

4.如权利要求1或2所述的一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，其特征在于：所述网状支撑材料(12)为铍网、铜网、铝网、镍网或碳网。

5.如权利要求1或2所述的一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，其特征在于：所述收集极(2)材料为含有铍、铝、铁或铜的金属或合金。

6.如权利要求1或2所述的一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，其特征在于：所述绝缘支撑材料(3)为聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰亚胺或聚乙烯。

7.如权利要求1或2所述的一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，其特征在于：所述收集极连接材料(4)和发射极连接材料(5)为银、铜、铝或铁。

8.如权利要求1或2所述的一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，其特征在于：所述填充介质(6)为真空、氮气或二氧化碳。

9.如权利要求1或2所述的一种网状支撑薄膜源直充式同位素电池，其特征在于：所述电池外壳(7)材料为铁、铝、不锈钢或铝合金。

Images