CN110473648B - 一种模块化辐伏类同位素电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化同位素电池结构。所述的电池中的壳体中设置多个模块电池；单个模块电池从外到内依次设置有高Z材料的屏蔽层、高分子弹性材料层、金属密封外壳、弹性抗震层、单元电池；单个单元电池由外到内依次设置有下电路外壳、上盖板、绝缘层、下电路板绝缘层、单元电池、上电路板、上发光陶瓷片、下发光陶瓷片、密封放射源；多个单元电池间通过连接线路板实现串并联，多个模块电池通过电路板实现串并联。本发明采用多重密封和多重抗震结构以及弹性结构的电互联大大增加了用户在运输、存储和使用中的安全可靠性。

Description

一种模块化辐伏类同位素电池

技术领域

本发明属于同位素电池技术领域，具体涉及一种模块化辐伏类同位素电池。

背景技术

辐伏类同位素电池的研究起始于上世纪50年代，自上世纪70年代以来，辐伏类同位素的研究成为微型自供电系统研究领域的热点，发达国家投入了大量的人力与财力开展了研究，尤其是美国，其国防部、航空航天部、能源部每年都投入数千万美元组织武器实验室(圣地亚实验室、Army Research Laboratory)、高校(康奈尔、威斯康辛、加利福尼亚、罗切斯特等)和公司(Bettabatt、Widetronix、Citylabs、Qynergy)开展长期的研究(M.A.Prelas等，Progress in Nuclear Energy[J]，7，4，2014；L.L.Gadeken，NRELIndustry Growth Forum，Apr.2007)。辐伏类同位素电池包括直接辐射伏特效应同位素电池、辐射致光联合光伏效应同位素电池及辐伏/光伏联合转换同位素电池。本世纪以来已经有这方面产品开发的公开报道：美国Widetronix2010年推出了输出的0.15μW～1μW的氚电池(J.W.Greene，NREL Industry Growth Forum，Nov.2009)，用于微传感器、超低功耗射频电子标签等。美国的CityLabs公司2008年推出了输出75nW的氚电池样品，2012年推出了输出达到μW级的电池样品，用于结构件健康状况监测传感、密码锁等(L.C.Olsen等，Physicstoday[J]，11，2012)。

当前，中国MEMS系统技术和芯片技术与发达国家有很大的差距，尤其在低功耗系统设计与工艺实现方面差距更大，但随着我国科学探索向空间纵深延伸，在深海、空间等不易更换电源而太阳能等其他能源供给形式不存在或不稳定存在的情况下，对长寿命的同位素电源的需求或者包含长寿命同位素电源的复合能源的需求逐渐凸显。电子元器件及电路的降耗技术也逐渐起步，基于MEMS工艺的灵敏元器件和低功耗集成电路芯片技术持续发展，低功耗微机电系统(MEMS)广泛进入国防和社会生活领域，辐伏类同位素电池和包含辐伏类同位素电池的复合电池作为一种与低功耗集成电路和低功耗MEMS系统匹配良好的长寿命微型电源必将有广阔的应用前景。

提高辐伏类同位素电池的输出能量密度是辐伏类同位素研制持续追求的目标，其中，采用中高能同位素，提高辐伏类同位素电池的能量输入密度是提高输出能量密度的有效途径之一，但对发射较高能量的β和d同位素，必须解决一般半导体结型器件不耐高能粒子轰击而使电池性能不能维持长时间的稳定的问题。1995年United States Patent5440187“Long life radioisotope-powered，voltaic-junction battery usingradiation resistant materials”报道了InP掺杂半导体形成的PN结在电池内部的低热条件(约50℃)自退火的抗辐射器件，但这只一定程度地改善PN结的辐射损伤，并不能完全修复PN结的辐射损伤，其长期性能没有验证报道。

2004年United States Patent 6700298“Extremely-efficient，miniaturized，long-lived alpha-voltaic power source using liquid gallium”报道了Cm-244作用于液态Ga的电池，液态Ga两侧分别是金属板Ir和Zr，Ir的功函数比Zr的功函数高1.62V，因此在液态Ga中形成了由Ir指向Zr的电场，Cm-244的粒子(5.8MeV)电离Ga原子产生的电子和Ga+正是在上述电场的作用下实现分离：电子流向Ir，Ga+流向Zr。在外电路中，电子由Ir流经负载、流向Zr并中和那里的Ga+完成回路，因此外电路中的电场由Zr指向Ir，该电池内部的温度须保持在35℃以上。

2004年U.S.Patent 6753469报道用金刚石PN结作为高能β和d同位素的辐射伏特效电池的能量转换器件，该金刚石器件的N型层和P型层各厚约10μm，掺杂浓度较低(10¹⁵～10¹⁴/cm³，甚至更低)，但金刚石PN结器件的制备非常困难，成本高，不易推广应用。

2006年CD.Cress等“InGaP alpha voltaic batteries，Journal of appliedphysics，2006，100：114519”报道了采用抗辐射InGaP器件加载Am-241和Po-210的辐伏同位素电池，电池转换效率大于5％。但没有长时间的可靠性数据作为支撑。

中国工程物理研究院核物理与化学研究所的刘业兵等报道了一种复合转换同位素电池(专利授权号：CN 104409127 B)，采用基于辐射致光-光伏转换与辐射伏特转换的复合转换来避免高能贝塔同位素对半导体器件的急剧辐射损伤，给出了放射性同位素、发光材料与半导体器件的基本布局。

但刘业兵的专利仅仅给出了电池基本功能件的基本结构，没有给出模块化的结构、模块内部的电互联和电引出、模块间的电互联和电引出的结构和方式，没有提出密封要求，没有提出多维的抗震材料与结构；其次，刘业兵专利也没有提出对电池内部半导体器件活性面接触的气氛环境的控制；另外，刘业兵的专利针对辐射致光-光伏转换与辐射伏特转换的复合转换，没有提出针对辐射致光-光伏转换的适用性；再次，刘业兵专利中没有提出对同位素Cs-137、Sm-151、Eu-152/Eu-154的适用性，也没有提出对混合同位素的适用性；再次，刘业兵专利中没有提出对无机氧化物、硫化物、卤化物的晶体的适用性；同时，该专利对半导体器件的材料、结型、结数、衬底材料的适用性有限。

发明内容

为了克服已有技术中的电池结构没有采用模块化的设计、未控制半导体器件活性面接触的环境气氛、电池结构中没有充分设计多维度的抗震抗冲击的材料与结构、电池没有考虑密封材料、密封方式的不足，以及对放射性同位素、半导体器件、发光材料的适用性有限给较大功率辐伏类同位素电池制备和使用带来的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种模块化辐伏类同位素电池。

本发明的模块化辐伏类同位素电池，电池中的壳体中设置多个模块；单个模块电池从外到内依次设置高Z材料的屏蔽壳、高分子弹性材料层、金属密封外壳、弹性抗震层、多个单元电池的串并联组合；单元电池由外到内依次设置金属密封外壳、绝缘层、弹性抗震结构层、半导体器件电路板、发光材料、密封放射源；单元电池内部或者模块电池内部填充干燥氮气或者干燥惰性气体；单元电池引出电极从内部用绝缘密封方式经经下电路壳体引出，模块电池引出电极从内部用绝缘密封的方式经金属密封壳体引出，整体电池的引出电极从内部用绝缘密封的方式经壳体引出；多个单元电池通过电路板实现串并联，多个模块电池通过线路板实现串并联。

所述的单元电池中的密封放射源、发光材料和半导体结型器件为各自独立的功能件或者组合功能件，包括密封放射源与发光材料合为密封放射性放光材料，或者发光材料与半导体器件合为带发光材料层的半导体器件；密封放射源内的放射性同位素为Sr/Y-90、Cs-137、Sm-151、Eu-152、Eu-154单一放射性组份或者多种放射性组份的混合或组合同位素；发光材料为抗辐射的无机氧化物、硫化物、卤化物的晶体或陶瓷，如Ce：YAG晶体或陶瓷、Eu：Y₂O₃晶体或陶瓷、Ag(Cu)：ZnS晶体、Tl：CsI晶体。

所述的基本单元中的半导体器件为单晶硅PN结或NP结、PIN结或NIP结，GaAs及InP等III-V族二元化合物或三元化合物或四元化合物的PN结或NP结，CdTe及ZnS等II-VI族二元化合物或三元化合物的PN结或NP结，结型器件为单结或者双结或三结器件，器件衬底为晶体硅、锗、GaAs、InP的刚性衬底，或者为金属薄膜、高分子薄膜的柔性衬底。

半导体器件贴装在三维立体单元电池的上、下电路板上，单元电池的上下电路板绝缘层为PCB板或者陶瓷；下电路板与金属外壳结合为一个整体。

所述的单元电池焊接密封或者所述的模块电池焊接密封；焊接密封壳体内部排出氧气和水汽后填充干燥氮气或者干燥惰性气体，包括Ne、Ar、Kr、Xe单组份气体或者多组分的混合气体。

所述的单元电池的金属密封壳体采用可伐合金、钛或者铝中的一种。

所述的模块电池的屏蔽壳采用内层铅、外层不锈钢的双层结构，或者W合金的单层结构，该屏蔽壳的上、下两底或者左、右两侧可拆分，拆分后多个模块电池的屏蔽壳可以相互对接形成整体的屏蔽壳，拆分或者结合部位的屏蔽结构为斜面或者子口接口结构。

所述的单元电池、模块电池和整体电池的引出电极外周镀金，连接线路板和电路板的串并联布线及连接弹簧片镀金。

本发明的模块化辐伏类同位素电池，包括由中高能放射性同位素、抗辐射无机发光材料和半导体结型能量转换器件构成的单元电池；单元电池中放射性同位素源或包含放射性同位素的发光材料焊接密封，发光材料部分阻挡或全部阻挡中高能同位素的主要辐射，不包括伴随伽马辐射和韧致辐射，半导体结型器件贴装在三维立体PCB电路板或三维立体金属/陶瓷组合电路板内，与半导体结型器件活性区直接接触的气氛环境排除氧气和水汽的存在，单元电池组装后外壳进行密封，单元电池的正负电极通过绝缘密封电极经外壳引出；多个单元电池在垂直方向或水平方向叠放形成小电池模块的芯体，电池模块芯体的六面(上、下、左、右、前、后)均装有弹片/弹簧或弹性高分子材料的抗震结构，单元电池之间的电互联通过电路板和装配其上的弹性拔插头实现，同时电路板引出串并联后的正负极并通过绝缘密封电极的形式从电池模块的封装外壳引出；单元电池和小电池模块的密封中至少一种要进行焊接密封，焊接密封的壳体内部用干燥氮气、干燥惰性气体(Ne、Ar、Kr、Xe)填充；小电池模块与高Z材料屏蔽壳体之间有抗辐射高分子弹性橡胶或泡沫填充，屏蔽壳体为上下两底或左右两侧可拆卸，拆卸后便于多个电池模块在垂直方向或水平方向组装连接成最终用户电池，电池模块的引出电极在与模块组装方向成90度角的面上，电池模块间的电互联同样通过电路板和装配其上的弹性拔插头实现；最终用户电池可以在组合的电池模块上增加一个抗腐蚀的外壳，最终电极以绝缘密封电极的形式从抗腐蚀外壳中引出；为增加电接触的可靠性，所有电极接线柱及对应接触弹片外周都要镀金，镀金厚度大于2μm。

本发明要解决的技术问题是针对加载一种中高能放射性同位素或多种混合中高能放射性同位素的辐射致光——光伏转换、辐射致光——光伏转换与辐射伏特转换的复合转换，提供一种模块化辐伏类同位素电池。本发明拓宽了电池可应用放射性同位素的能量和组份范围、拓宽了适用发光材料和半导体器件的种类，有助于大幅度提高这类电池的输出功率和降低放射性同位素的提取成本；模块化的结构为大功率电池的制备、检测和更换提供便利；控制半导体器件活性区接触的环境气氛中排除氧气和水汽的不良影响，有利于降低半导体器件在辐射下的损伤程度；多重密封和多重抗震结构以及弹性结构的电互联大大增加了制备工艺的安全可靠性和最终用户电池在运输、存储和使用中的安全可靠性。本发明的有益效果是：模块化辐伏类同位素电池输出功率大于100μw，满足低功耗传感器和低功耗集成电路芯片进行数据采集和短距离无线数据传输的用电要求。

附图说明

图1是本发明的模块化辐伏类同位素电池结构示意图；

图2是本发明的模块化辐伏类同位素电池中的模块电池的结构示意图；

图3是本发明的电池基本单元结构示意图；

图中 1.壳体 2.模块电池 3.电路板 01.屏蔽壳 02.高分子弹性材料层 03.金属密封外壳 04.弹性抗震层 05.单元电池 06.单元电池引出电极 07.模块电池过渡电极08.外电极连接弹簧片 09.模块电池引出电极 010.连接线路板 011.内电极连接弹簧片001.下电路外壳 002.密封放射源 003.上盖板 004.上电路板 005.压紧弹性片 006.上电路板绝缘层 007.惰性气体 008.下电路板 009.上电极 0010.下电极座 0011.上发光陶瓷片 0012.下发光陶瓷片 0013.下电路板绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的模块化辐伏类同位素电池结构示意图。图2是本发明的模块化辐伏类同位素电池中的模块电池的结构示意图。图3是本发明的单元电池的结构示意图。

在图1～图3中，本发明的模块化辐伏类同位素电池，电池中包括：壳体1、多个模块电池2；单个模块电池2从外到内依次设置有高Z材料的屏蔽层01、高分子弹性材料层02、金属密封外壳03、弹性抗震层04、单元电池05、单元电池引出电极06、模块电池过渡电极07、外电极连接弹簧片08、模块电池引出电极09、单元电池间的串并联连接线路板010、内电极连接弹簧片011。单个单元电池05由外到内依次设置下电路外壳001、上盖板003、上电路板绝缘层006、下电路板绝缘层0013、压紧弹性片005、上电路板004、下电路板008、下电极座0010、上发光陶瓷片0011、下发光陶瓷片0012、密封放射源002；单元电池内部或者模块电池内部填充干燥氮气或者干燥惰性气体007；单元电池引出电极06从内部用绝缘密封方式经下电路壳体001引出，模块电池引出电极09从内部用绝缘密封方式经金属密封壳体03引出，整体电池的引出电极从内部用绝缘密封方式经壳体1引出；多个单元电池间通过连接线路板010实现串并联，多个模块电池2通过电路板3实现串并联。

所述的单元电池中的密封放射源、发光材料和半导体结型器件为各自独立的功能件或者组合功能件，包括密封放射源与发光材料合为密封放射性放光材料，或者发光材料与半导体器件合为带发光材料层的半导体器件；密封放射源内的放射性同位素为Sr/Y-90、Cs-137、Sm-151、Eu-152、Eu-154单一放射性组份或者多种放射性组份的混合或组合同位素；发光材料为抗辐射的无机氧化物、硫化物、卤化物的晶体或陶瓷，如Ce：YAG晶体或陶瓷、Eu：Y₂O₃晶体或陶瓷、Ag(Cu)：ZnS晶体、Tl：CsI晶体。

所述的单元电池中的半导体器件为单晶硅PN结或NP结、PIN结或NIP结，GaAs及InP等III-V族二元化合物或三元化合物或四元化合物的PN结或NP结，CdTe及ZnS等II-VI族二元化合物或三元化合物的PN结或NP结，结型器件为单结或者双结或三结器件，器件衬底为晶体硅、锗、GaAs、InP的刚性衬底，或者为金属薄膜、高分子薄膜的柔性衬底。

单元电池的上下电路板绝缘层为PCB板或者陶瓷；所述下电路板与金属外壳结合为一个整体，下电路外壳001。

所述的单个单元电池焊接密封或者所述的单个模块电池焊接密封；焊接密封壳体内部排出氧气和水汽后填充干燥氮气或者干燥惰性气体，包括Ne、Ar、Kr、Xe单组份气体或者多组分的混合气体。

所述的单元电池的下电路外壳001和上盖板003采用可伐合金、钛或者铝中的一种。

所述的模块电池的屏蔽壳01采用内层铅、外层不锈钢的双层结构，或者W合金的单层结构，该屏蔽壳的上、下两底或者左、右两侧可拆分，拆分后多个模块电池的屏蔽壳可以相互对接形成整体的屏蔽壳，拆分或结合部位的屏蔽壳为斜面或者子口接口结构。

所述的单元电池、模块电池和整体电池的引出电极外周均镀金，连接线路板010和电路板3的串并联布线及连接弹簧片镀金。

本发明的模块化辐伏类同位素电池，首先制备密封的单元电池，多个单元电池的串并联并且屏蔽后制备出模块电池，多个模块电池串并联后制备出用户电池。在单元电池中，先制备焊接密封放射源，放射源置于上下两片发光陶瓷片中，发光陶瓷外侧安装半导体器件的串并联电路板形成单元电池的芯体，该芯体置于可焊接金属外壳内，金属壳体上制备有绝缘密封电极，芯体电极通过壳体的绝缘密封电极引出，最后焊接金属外壳，金属外壳内部填充惰性气体。单元电池测试合格后准备装配模块电池。

制备多个测试合格的单元电池，将单元电池依次装入模块框架内形成模块芯体，模块框架实现定位、抗震、电互联的作用，模块芯体置于金属外壳内，金属外壳上制备有绝缘密封电极，芯体电极通过壳体的绝缘密封电极引出，然后焊接金属外壳。为了进一步增加电池模块的抗震性能和降低表面辐射剂量，将该焊接后的金属壳整体装入屏蔽壳体，在焊接金属壳和屏蔽外壳之间填装高分子弹性材料，屏蔽壳体不密封，屏蔽壳体上制备有绝缘密封电极，焊接金属壳体上的绝缘密封电极与屏蔽壳体上的绝缘密封电极通过金属弹性压片进行电连接，完成带屏蔽的模块电池的制备。模块电池测试合格后准备装配用户电池。

制备多个测试合格的模块电池，将模块电池依次装入用户电池壳体内，模块电池之间的电互联通过电路板实现，该电路板同时与电池外壳的电极柱连接，用户电池外壳为金属或非金属材料，金属材料的外壳上制备绝缘密封电池，非金属外壳上制备引出电极。

整个结构方便采用机械手在屏蔽工作箱和屏蔽手套箱内进行制源、单元电池组装/封装、小电池模块组装/封装、用户电池组装/封装，以及在制作过程中进行性能测试等操作，也方便在最终封装前进行部件更换。

Claims (8)

1.一种模块化辐伏类同位素电池，其特征在于：所述的电池中的壳体(1)中设置多个模块电池(2)；单个模块电池(2)从外到内依次设置有高Z材料的屏蔽壳(01)、高分子弹性材料层(02)、金属密封外壳(03)、弹性抗震层(04)、单元电池(05)、单元电池引出电极(06)、模块电池过渡电极(07)、外电极连接弹簧片(08)、模块电池引出电极(09)、单元电池间的串并联连接线路板(010)、内电极连接弹簧片(011)；单元电池(05)由外到内依次设置有下电路外壳(001)、上盖板(003)、上电路板绝缘层(006)、下电路板绝缘层(0013)、压紧弹性片(005)、上电路板(004)、下电路板(008)、上发光陶瓷片(0011)、下发光陶瓷片(0012)、密封放射源(002)；单元电池(05)内部或者模块电池(2)内部填充干燥氮气或者干燥惰性气体(007)；单元电池引出电极(06)从内部用绝缘密封的方式经下电路壳体(001)引出，模块电池引出电极(09)从内部用绝缘密封的方式经金属密封外壳 (03)引出，整体电池的引出电极从内部用绝缘密封的方式经壳体(1)引出；多个单元电池间通过连接线路板(010)实现串并联，多个模块电池通过电路板(3)实现串并联；所述单元电池的上、下电路板上贴装有半导体结型器件。

2.根据权利要求1所述的一种模块化辐伏类同位素电池，其特征在于：所述的单元电池(05)中的密封放射源、发光材料和半导体结型器件为各自独立的功能件或者组合功能件，包括密封放射源与发光材料合为密封放射性放光材料，或者发光材料与半导体器件合为带发光材料层的半导体器件；密封放射源内的放射性同位素为Sr/Y-90、Cs-137、Sm-151、Eu-152、Eu-154单一放射性组份或者多种放射性组份的混合或组合同位素；发光材料为抗辐射的无机氧化物、硫化物、卤化物的晶体或陶瓷。

3.根据权利要求2所述的一种模块化辐伏类同位素电池，其特征在于：所述的单元电池(05)中的半导体器件为单晶硅PN结或NP结、PIN结或NIP结，GaAs及InPIII-V族二元化合物或三元化合物或四元化合物的PN结或NP结，CdTe及ZnSII-VI族二元化合物或三元化合物的PN或NP结，半导体结型器件为单结或者双结或三结器件，器件衬底为晶体硅、锗、GaAs、InP的刚性衬底，或者为金属薄膜、高分子薄膜的柔性衬底。

4.根据权利要求3所述的一种模块化辐伏类同位素电池，其特征在于：所述单元电池(05)的上下电路板绝缘层为PCB板或者陶瓷；下电路板与下电路外壳(001)结合为一个整体。

5.根据权利要求1所述的一种模块化辐伏类同位素电池，其特征在于：所述惰性气体为Ne、Ar、Kr、Xe单组份气体或者多组分的混合气体。

6.根据权利要求1所述的一种模块化辐伏类同位素电池，其特征在于：所述的单元电池(05)的下电路外壳(001)和上盖板(003)采用可伐合金、钛或者铝中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种模块化辐伏类同位素电池，其特征在于：所述屏蔽壳(01)采用内层铅、外层不锈钢的双层结构，或者W合金的单层结构，该屏蔽壳的上、下两底或者左、右两侧可拆分，多个模块电池的屏蔽壳可以相互对接形成整体的屏蔽壳，拆分或者结合部位的屏蔽壳为斜面或者子口接口结构。

8.根据权利要求1所述的一种模块化辐伏类同位素电池，其特征在于：所述的单元电池模块电池和整体电池的引出电极外周均镀金，连接线路板(010)和电路板(3)的串并联布线及连接弹簧片镀金。

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