CN112863727B - 一种核电池和一种提供电能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核电池，包括：放射源；液态电离介质区，套设在所述放射源外，配置为接收所述放射源产生的高能粒子的部分动能并使溶液产生带电自由基；换能器，套设在所述液态电离介质区外，配置为接收高能粒子和所述液态电离介质区产生的带电的自由基并转化为电能；屏蔽层，包裹在所述放射源和所述液态电离介质区外；两个电极板，设置在所述核电池上下两侧，所述电极板分别耦合至所述换能器的阳极和阴极；以及储能单元，所述储能单元套设在所述换能器外，所述储能单元的阳极和阴极耦合至所述换能器的阳极和阴极，所述储能单元配置为存储所述换能器产生的电能。本申请进一步包括一种提供电能的方法。

Description

一种核电池和一种提供电能的方法

技术领域

本发明涉及核能利用技术领域，特别地涉及一种核电池。

背景技术

放射性同位素电池(或称核电池)是利用放射性同位素在衰变时释放的能量而制备的电池。辐射能可以在工业、农业和医疗服务等许多不同的领域可以得到用,并且已经在诸如心脏起搏器、航天探测器等领域开始应用，核电池因其具有工作稳定、环境适应力强、使用寿命长、能量密度大、相对同类型电池体积小等优点，能够在复杂环境下不受干扰地提供相对于其他类型电池能量密度高、稳定可靠的电力支持，因此在微机电系统、深太空探索、极端地球环境研究方面有巨大的应用前景。

目前核电池的种类主要有温差核电池、光伏效应核电池、电容式核电池、β伏特效应核电池等，温差核电池是利用放射源热效应造成的温差进行发电，常用于空间探测器、宇宙飞船，温差核电池功率较大，但所需放射源活度很大，且转换效率较低。光伏效应核电池利用放射源发出放射性粒子打在荧光物质上发光，利用光子与物质的光伏效应产生电流，因为经过二次转换，故效率很低。普通电容式核电池是将放射源放出的带电粒子直接收集在极板上，形成可充放电的电容器，这种核电池可以将电压做到很高，但收集电荷较少，因而电流较小。β伏特效应核电池是利用β粒子能量在半导体PN结区形成电子空穴对，电子空穴对在内建电场下电子流向N区，空穴流向P区，形成电流，β伏特效应核电池产生电流较大，能量利用率较高，但作为换能器的半导体容易受辐射造成晶体损伤使得效率下降。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种核电池，包括：第一放射源；第一液态电离介质区，套设在所述第一放射源外，配置为接收所述第一放射源产生的高能粒子的部分动能并使溶液产生带电自由基自由基；第一换能器，套设在所述第一液态电离介质区外，配置为接收高能粒子和所述第一液态电离介质区产生的带电的自由基并转化为电能；屏蔽层，包裹在所述放射源和所述液态电离介质区外；两个电极板，设置在所述核电池上下两侧，所述电极板分别耦合至所述换能器的阳极和阴极；以及第一储能单元，所述第一储能单元套设在所述第一换能器外，所述第一储能单元的阳极和阴极耦合至所述第一换能器的阳极和阴极，所述第一储能单元配置为存储所述第一换能器产生的电能。

特别的，所述换能器包括：第一惰性金属层，套设在所述第一液态电离介质区外；宽带隙氧化物层，套设在所述惰性金属层外，配置为与所述第一惰性金属层形成肖特基结构；第二惰性金属层，套设在所述宽带隙氧化物层外，配置为与所述宽带隙氧化物层形成肖特基结构；绝缘层，设置在所述宽带隙氧化物层底部和所述惰性金属层顶部。

特别的，所述宽带隙氧化物层具有放射性。

特别的，所述第一储能单元包括：液态储能介质区，套设在所述换能器外部，配置为存储所述换能器释放的电能；第一储能电极和第二储能电极间隔套设在液态储能介质区内，分别配置为所述储能单元的阳极和阴极。

特别的，所述第一液态电离介质区或所述液态储能介质区内为电解质液体。

特别的，进一步包括第二放射源套设在所述第一换能器外、第二液态电离介质区套设在第二放射源外以及第二换能器套设在第二液态电离介质区外；其中，第一储能单元套设在第二换能器外。

特别的，进一步包括第二储能单元套设在第一储能单元外。

特别的，所述放射源和/或换能器可更换。

特别的，所述第一惰性金属层、第二惰性金属层或宽带隙氧化物层为纳米多孔结构。

特别的，一种提供电能的方法，包括：在第一液态电离介质区接收其中第一放射源产生的高能粒子的部分动能并使溶液产生带电自由基；在第一换能器接收所述高能粒子和所述第一液态电离介质区产生的带电的自由基并转化为电能；以及通过连接到所述第一换能器的两个电极板将所述第一换能器产生的电能存储在第一储能单元中。

本发明的目的在于提高核电池的利用效率与功率，并克服上述核电池的缺陷，一方面为了获得更大功率的核电池，使用α放射源，不可避免地会对换能器，电极造成永久损伤，减少电池使用寿命，本装置可以很好的避免辐射损伤，利用高能粒子能量。装置的设计能提高粒子能量使用效率，同时利用液态介质转换射线能量进一步提高输出功率。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例整体结构侧视图

图2是根据本发明的一个实施例整体结构俯视图；

图3是根据本发明的一个实施例整体结构立体图；以及

图4是根据本发明的一个实施例一种提供电能方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

图1是根据本发明的一个实施例整体结构侧视图，图2是根据本发明的一个实施例整体结构俯视图，图3是根据本发明的一个实施例整体结构立体图。下面结合图1-3阐述本申请的结构和工作原理。

本申请所涉及核电池包括：放射源1、液态电离介质区2，换能器3，液态储能介质区4，第一储能电极5，第二储能电极6，屏蔽层7，电极板(核电池电极)8，金属导线9，金属导线10，绝缘层11，宽带隙氧化物层(第二发电电极)12，第一惰性金属层(第一发电电极)13A和第二惰性金属层(第一发电电极)13B。

在一些实施例中，放射源1为柱形。放射源1嵌设在圆柱形电极板8的中心表面。在一些实施例中，放射源1的选取原则是放出射线类型尽量单一，放射性物质半衰期不能过短至少在数年以上。其中放射源1可以是α放射源或β放射源，α放射源为镅-241、钚-239、铀-238或锔-244等；β放射源为碳-14、锶-90、镍-63、铊-204或钷-147等。在一些实施例中，放射源1可自行更换。在一些实施例中，放射源1底部进一步包括活动屏蔽层(未示出)，所述活动屏蔽层与电极板8活动连接。取下活动屏蔽层后，可以取出放射源1，进行更换。更换放射源1后，放回活动屏蔽层可以进一步减少放射源对外辐射。

液态电离介质区2套设在放射源1外部，液态电离介质区2内为电解质液体。液态电离介质区2配置为接收放射源1产生的高能粒子并吸收部分动能使溶液产生带电自由基。用液态电解质，不仅大大减弱了放射源1对半导体辐射造成的损伤，更是利用了高能粒子动能进一步产生带电粒子，提高能量使用效率。在一些实施例中，液态电离介质区2的自由基主要由水分子提供，所以绝大多数水溶液或纯水，都可以作为液态电离介质区2内介质。优选的，液态电离介质区2内为KOH溶液。

换能器3套设在液态电离介质区2外部，换能器3为肖特基器件，为接收高能粒子和液态电离介质区2产生的带电的自由基并转化为电能。其中换能器3包括：绝缘层11，宽带隙氧化物层12，第一和第二惰性金属层13A和13B。如图1所示，换能器3包括设置在两侧的惰性金属层13A和13B、设置在两惰性金属层13A和13B中间的宽带隙氧化物层12。在惰性金属层13A和13B的顶部和宽带隙氧化物层12的底部设置有绝缘层11。惰性金属层13A和13B与宽带隙氧化物层12形成肖特基接触，其结构内部形成电场。同时，惰性金属层13A和13B和宽带隙氧化物层12还配置为换能器3的导电电极(即第一发电电极和第二发电电极)，分别连接至下部和上部的电极板8。在一些实施例中，惰性金属层13A、13B或宽带隙氧化物层12中的一个或多个为纳米多孔结构。在一些实施例中，宽带隙氧化物层12具有放射性。在一些实施例中，惰性金属层13A和13B配置为换能器3阳极，宽带隙氧化物层12配置为换能器3阴极。在一些实施例中，换能器3可更换。

在一些实施例中，换能器3肖特基结构电极材料具有多种，如宽带隙氧化物层12可以是Ni-63制成的NiO，宽带隙氧化物层12自身的放射性可以减少源的自吸收，这样宽带隙氧化物层12既是放射源又是电极，进一步提高电池功率。换能器3通过宽带隙氧化物层12和惰性金属层13A和13B与电极板8相连方便导出电流。

在一些实施例中，放射源1、液态电离介质区2和换能器3共同构成所述核电池的发电单元。

储能单元套设在换能器3外部，配置为存储换能器3释放的电能。储能单元包括：液态储能介质区4、第一储能电极5和第二储能电极6。第一储能电极5和第二储能电极6间隔设置在液态储能介质区4内，如图1或3所示，第一储能电极5和第二储能电极6将液态储能介质区4分割成为三个部分。其中，液态储能介质区4为电解质液体。在一些实施例中，液态储能介质区4内介质为TEA·BF4(四氟硼酸四乙基铵)。在一些实施例中，第一储能电极5配置为正极，第二储能电极6配置为负极。在一些实时例中，第一储能电极5和第二储能电极6的材质为铜或铝。优选的，第一储能电极5、第二储能电极6为一种纳米金属氧化物电极。

屏蔽层7套设在液态储能介质区4外部，并设置在放射源1、液态电离介质区2、液态储能介质区4的顶部和底部，以及第一储能电极5的顶部和第二储能电极6的底部。屏蔽层7为重金属或掺杂重金属的高分子塑料。屏蔽层7即是屏蔽层又是电池外壳，其作用是作为屏蔽层屏蔽电池内部产生的次级X射线和γ射线，材质为重金属、高分子塑料或可掺杂重金属增加γ射线屏蔽能力。屏蔽层7将电池内部包裹起来减少放射线出射，并支撑固定电极板8和前述四个电极。

电极板8设置在所述电池上下两侧，上/下电极板8分别耦合至换能器3和/或储能单元的阴极/阳极，分别配置为所述核电池的阴极和阳极。所述电极板8为铝板或铜板。在一些实施例中，上/下电极板8分别连接金属导线9和金属导线10，金属导线9和金属导线10配置为所述电池与外部连接的阴极和阳极。在一些实施例中，金属导线9和金属导线10为铝线或铜线。

本申请所述核电池，放射源1、液态电离介质区2和换能器3构成电池发电单元，液态储能介质区4，第一储能电极5和第二储能电极6构成电池储能单元。在一些实施例中，可根据实际需求增减单元数量，以达到不同应用场景下的要求。以图2所示为例，图2结构中，从内到外分别为：放射源1、液态电离介质区2，换能器3，液态储能介质区4，第一储能电极5和第二储能电极6，即发电单元外套设储能单元。

在一些实施例中，发电单元外可以进一步包括第二发电单元套设在外，在第二发电单元外，进一步包括储能单元。在一些实施例中，核电池内中心为储能单元，其外套设发电单元，发电单元外套设第二储能单元。在一些实施例中，第一储能单元外进一步包括第二储能单元。类似结构都包括在本申请内，在此不再赘述。

需要注意的是，当例如第二发电单元套设在第一发电单元外时，第二发电单元的第二放射源可能会与第一发电单元的第一换能器直接接触，对第一换能器造成损伤。这种情况下，可以进一步包括第三液态电离介质区设置在第二放射源和第一换能器之间，同样可以获得本申请的有益效果。

核电池工作原理为：放射源1发射出α或β等粒子入射液态电离介质区2，高能粒子与溶液中水分子撞击，其高能粒子的动能被吸收一部分，产生大量自由基，之后高能粒子撞击换能器3(粒子动能大于半导体电子和空穴电离能)又电离出自由电子和空穴，宽带隙氧化物层12和惰性金属层13A和13B形成势垒产生电场，使产生的电子和空穴在其中定向移动，产生电流。这些带电粒子再通过正电极10和负电极9将电荷导出，外接负载即可形成稳定的直流电流。

在一些实施例中，宽带隙氧化物层12可以与惰性金属层13A和13B形成肖特基，空穴和电子在内建电场作用下定向移动，电子向宽带隙氧化物层12移动，空穴向惰性金属层13A和13B移动。在这个过程中，在惰性金属层13A积累的空穴会将负电自由基进一步从溶液中剥离，获得了更多带电粒子。水中产生的带电自由基不但保护了换能器3还参与了导电，进一步提高了核电池的效率。

在一些实施例中，由于惰性金属层13A、13B和宽带隙氧化物层12中的一个或多个的表面为纳米多孔结构，所述纳米孔内会形成等离子体电场。在一些实施例中，等离子体电场与前述内建电场方向相同，增加了电能转化过程中的反应位点(即纳米孔内电场)，将导电效率进一步提高。在一些实施例中，等离子体电场与前述内建电场方向相反，电子和空穴的移动方向取决于电场强度更高的电场。在一些实施例中，惰性金属层13A、13B的厚度较小，减小了负电自由基和空穴的复合，进一步提高了载流子浓度。

在一些实施例中，宽带隙氧化物层12可以既是放射源又是换能器，减少源自吸收，同时放射的高能粒子撞击惰性金属层13A和13B，进一步产生电子和空穴，提高了核电池的发电效率。

前述发电单元产生的电能，通过电极板导出的同时，还能通过第一储能电极5和第二储能电极6给电池储能单元进行充电。液态储能介质区4为电解质溶液，第一储能电极5为纳米金属氧化物正电极板，第二储能电极6为金属氧化物负电极板，储能单元形成类似电容器结构，达到储能的目的。

在一些实施例中，根据实际应用时的输出电压电流需求，可调整放射源剂量大小、电荷收集单元数量、以满足具体参数要求。

本发明的理论能量利用率高于普通辐射伏特效应核电池，大大提高了功率和辐射粒子动能利用率，提前储存电能，有助于电能的直接使用和功率显著提高，同时用液态电解质，不仅避免了因半导体辐射损伤造成效率下降，更是利用了放射线能量，提高能量使用效率，同时宽带隙氧化物层12可以是Ni-63制成的氧化镍电极，既是放射源又是电极进一步提高电池功率。并且可以根据设计需求灵活增减发电单元，储能单元数目。有利于核电池小型化的同时提高电池功率以及容量，同时可以更换换能器或者放射源，有利于后期的维护，节省成本是一种新的放射源能量利用思路，具有较好的研究和应用前景，同时电池结构设计避免了电池的极耳结构有助于减少内电阻，提高容量和充电速度。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

在一些实施例中，放射源1选用Y-90，，出射β粒子最大能量为2.2839Mev，平均β粒子能量为935kev，比活度为543753.50Ci/g，比功率为601w/g。β粒子通过液态电离介质区2可以电离水分子，形成许多稳定的自由基。当高能粒子通过惰性金属层13A(Pt)和表面纳米孔结构宽带隙氧化物层12(n型NiO)时，在纳米孔NiO内部产生电子空穴对。NiO中产生的空穴向Pt/液体界面移动，使两边惰性金属层13A和13B的Pt成为正极。而电子通过纳米孔NiO传输到电极板8，NiO成为负极。同时惰性金属层Pt可以在高pH值的电解质下保护NiO。

之所以会产生上述现象，原理是Pt/NiO结构中形成内建电场，n型NiO层的电子由于费米能级高度从NiO扩散到Pt，而空穴移动方向与之相反，电场方向从NiO指向Pt。而辐射会在Pt/NiO表面产生离子体，离子体振荡产生电场方向与内建电场相反，且更强，在复合电场(等离子体电场与内建电场)的作用下使空穴流向Pt而电子流向NiO，从而载流子可以实现分离。在一些实施例中，移动积累在Pt的空穴可以进一步吸引水中的负电自由基，使负电自由基吸引到Pt电极表面并在复合电场作用下流向NiO。

通过调整合适厚度可得表面粒子输出功率约为246.5mw/cm²，通过MC模拟可以推算电解溶液区吸收粒子动能的百分比，以至于粒子到达换能器件动能不至于引起辐射损伤(低于NiO的位移能)，最后得到输出电压为24.2v，输出功率密度为106.7mw/cm²，极限效率为43.3％。这样的功率和极限转换效率优于普通的辐射伏特效应核电池。

在一些实施例中，NiO可以替换为放射源Ni63，进一步利用换能器3的肖特基结构，产生更多的电子空穴，在电场作用下分离收集更多的电荷，同时入射的α或β辐射可以被我们的纳米孔结构散射和反射，充分利用射线能量，这意味着Pt/纳米孔NiO和电解质构成的电池结构将获得更多的能量。

通过导出电荷对储能单元进行充电，会在第一储能电极5和第二储能电极6表面和液态储能介质区4接触位置出现符号相反的过剩电荷，在两个电极之间施加溶液分解电压(即充电)电解质的正负离子会在电场作用下向不同两极移动，在两极表面形成两个电荷层，这样可以有效的将多余电量存储起来。这样的电容效应在于紧密电荷层间距更小，有更好的容量，同时有很高的击穿电压，电池充放电不伴随化学变化，电能直接利用，有充电时间快，使用寿命有保障，节省能源，绿色环保的特色。

本申请所涉及一种核电池。其在放射源和换能器之间设置了液态电离介质区，一方面保护了换能器，另一方面提供了更多导电粒子。由于换能器所受损伤更小，可以使用能量更大的α源作为放射源，以获得更大能量。同时，导电粒子的增加还能提高核电池效率。宽禁带氧化物采用纳米孔结构，可以增加更多的反应位点，进一步提高效率。宽禁带氧化物还可以替换为放射性金属氧化物，进一步提高电池功率的同时，减少了源自吸收。本申请方案还提出了储能单元结构，可以将过剩的电量储存，大大提高了核电池的利用率。

在一些实施例中，宽带隙氧化物层12可以是p型半导体(例如掺杂B的NiO)。这种情况下，等离子体电场与内建电场方向相同，叠加后的复合电场可以更好的分离电子和空穴，提升载流子迁移率。

图4是根据本发明的一个实施例一种提供电能方法的流程图。

所述方法包括：

步骤401：在第一液态电离介质区接收其中第一放射源产生的高能粒子的部分动能并使溶液产生带电自由基。

步骤402：在第一换能器接收所述高能粒子和所述第一液态电离介质区产生的带电的自由基并转化为电能。

步骤403：通过连接到所述第一换能器的两个电极板将所述第一换能器产生的电能存储在第一储能单元中。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (9)

1.一种核电池，包括：

第一放射源；

第一液态电离介质区，套设在所述第一放射源外，配置为接收所述第一放射源产生的高能粒子的部分动能并使溶液产生带电自由基；

第一换能器，所述第一换能器包括：第一惰性金属层，套设在所述第一液态电离介质区外；宽带隙氧化物层，套设在所述惰性金属层外，配置为与所述第一惰性金属层形成肖特基结构；第二惰性金属层，套设在所述宽带隙氧化物层外，配置为与所述宽带隙氧化物层形成肖特基结构；绝缘层，设置在所述宽带隙氧化物层底部和所述惰性金属层顶部；以及设置在两侧的第一发电电极和设置在两第一发电电极中间的第二发电电极，所述第一换能器套设在所述第一液态电离介质区外，配置为接收高能粒子和所述第一液态电离介质区产生的带电的自由基并转化为电能；

屏蔽层，包裹在所述放射源、所述第一液态电离介质区和所述第一换能器外；

两个电极板，设置在所述核电池上下两侧，下电极板耦合至所述第一换能器的第一发电电极，上电极板耦合至所述第一换能器的第二发电电极；以及

第一储能单元，所述第一储能单元套设在所述第一换能器外，所述第一储能单元的阳极和阴极耦合至所述第一换能器的第一发电电极和第二发电电极，所述第一储能单元配置为存储所述第一换能器产生的电能。

2.根据权利要求1所述的核电池，所述宽带隙氧化物层具有放射性。

3.根据权利要求1所述的核电池，所述第一储能单元包括：

液态储能介质区，套设在所述第一换能器外部，配置为存储所述第一换能器释放的电能；

第一储能电极和第二储能电极间隔套设在液态储能介质区内，分别配置为所述储能单元的阳极和阴极。

4.根据权利要求3所述的核电池，所述第一液态电离介质区或所述液态储能介质区内为电解质液体。

5.根据权利要求1所述的核电池，进一步包括第二放射源套设在所述第一换能器外、第二液态电离介质区套设在第二放射源外以及第二换能器套设在第二液态电离介质区外；其中，第一储能单元套设在第二换能器外。

6.根据权利要求1所述的核电池，进一步包括第二储能单元套设在第一储能单元外。

7.根据权利要求1所述的核电池，所述放射源和/或第一换能器可更换。

8.根据权利要求2所述的核电池，所述第一惰性金属层、第二惰性金属层或宽带隙氧化物层为纳米多孔结构。

9.一种提供电能的方法，其用于如权利要求1-8任一所述的核电池，方法包括：

在第一液态电离介质区接收其中第一放射源产生的高能粒子的部分动能并使溶液产生带电自由基，其中第一液态电离介质区套设在所述第一放射源外；

在第一换能器接收所述高能粒子和所述第一液态电离介质区产生的带电的自由基并转化为电能，所述第一换能器套设在所述第一液态电离介质区外；以及

通过连接到所述第一换能器的两个电极板将所述第一换能器产生的电能存储在第一储能单元中，其中所述第一储能单元套设在所述第一换能器外。

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