TWI814126B - 核電池 - Google Patents
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Abstract
提供一種核電池。該核電池包含一輻射源層、一第一電絕緣體層、一殼體層、一第一電極及一第二電極。該輻射源層包含可組構以發射β輻射的組成物。該第一電絕緣體層設置於該輻射源層上方。該殼體層設置於該第一電絕緣體層上方。該殼體層包含經組構以抑制β輻射之橫穿的組成物。該第一電極與該輻射源層電連通。該第二電極與該殼體層電連通。當該輻射源層發射β輻射時，一電壓電位存在於該第一電極與該第二電極之間。
Description
本發明為有關一種核電池。
放射性同位素熱產生器(RTGs)產生熱量且利用熱電偶將熱量轉化成電力。鈽-238通常已用於RTGs中，此係因為其具有87.7年之所需半衰期，且鈽-238發射α輻射，其在鈽-238周圍之材料中迅速減速以產生熱量。另外，鈽-238基本上不產生γ輻射且α輻射之減速基本上不產生γ輻射，其最小化允許鈽-238供電之RTGs緊密接近人及/或輻射敏感電子產品使用之所需的輻射屏蔽。然而，在RTGs中使用鈽-238存在挑戰。
本發明提供一種核電池。該核電池包含一輻射源層、一第一電絕緣體層、一殼體層、一第一電極及一第二電極。該輻射源層包含可組構以發射β輻射的組成物。該第一電絕緣體層設置於該輻射源層上方。該殼體層設置於該第一電絕緣體層上方。該殼體層包含經組構以抑制β輻射之橫穿的組成物。該第一電極與該輻射源層電連通。該第二電極與該殼體層電連通。當該輻射源層發射β輻射時，一電壓電位存在於該第一電極與該第二電極之間。
應理解，本說明書中所描述之本發明不限於在此發明內容中概述之實施例。在本文中描述及例示各種其他態樣。
本申請案主張2020年11月4日所申請之名稱為「核電池(NUCLEAR BATTERY)」之美國非臨時申請案第17/089,249號的權益，該申請案之內容特此以全文引用之方式併入本文中。
現將描述本發明之某些例示性態樣以提供對本文中所揭示的組成物及方法之組成、功能、製造及使用之原理的總體理解。在隨附圖式中說明此等態樣之一或多個實施例。一般熟悉本技藝者將理解，尤其本文中所描述及隨附圖式中所說明之組成物、物件及方法為非限制性例示性態樣，且本發明之各種實施例之範疇僅由申請專利範圍定義。結合一個例示性態樣所說明或描述之特徵可與其他態樣之特徵組合。此類修改及變化意欲包括於本發明之範疇內。
整個說明書中提及「各種實施例」、「一些實例」、「一個實例」、「一實例」或類似者，意指結合實例所描述之特定特徵、結構、或特性包括在一實例中。因此，在整個說明書各處中出現的片語「在各種實施例中」、「在一些實例中」、「在一個實例中」、「在一實例中」或類似者未必皆指同一實例。此外，在一或多個實例中，可採用任何適當方式來組合特定特徵、結構、或特性。因此，結合一個實例所說明或描述的特定特徵、結構、或特性可整體或部分地與另一實例或其他實例的特徵、結構、或特性組合而無限制。此類修改及變化意欲包括於本發明實施例之範疇內。
典型地，RTGs僅自藉由來自鈽-238之α輻射之減速產生的熱能產生電能。然而，鈽-238可為非所要燃料。另外，β發射組成物先前未使用，因為β輻射可產生可為非所要的且需要非所要大型輻射屏蔽層之制動輻射發射(例如，γ輻射)。此外，難以增加RTGs之功率密度。因此，本創作人已提供一種核電池，其可直接自β輻射發射產生電能而無需首先自β輻射產生熱能、增加RTGs之功率密度及/或減少電屏蔽要求。在各種實施例中，核電池可直接自β輻射及自熱能兩者產生電能。
參考圖式，提供核電池100。核電池100包含輻射源層102、第一電絕緣體層104、殼體層106、第一電極108及第二電極110。在一些實施例中，核電池100可選地包含第二電絕緣體層112、輻射屏蔽層114、熱能收集構件116及熱絕緣層118。
核電池100可經組構為電池板、棒或其他形狀。在各種實施例中，核電池102可包含如圖式中所示之單個電池板或多個電池板(未展示)。在核電池100之棒狀組構中，層102、104、106、112、114及118中之每一者可具有如圖式中所示之豎直橫截面。棒之長度可經控制以產生所要電力量。棒狀可為螺旋棒狀以使達成所要電力輸出所需之空間最小化。
輻射源層102包含可組構以發射β輻射之組成物。舉例而言，輻射源層102可包含銩、銩同位素、鍶、鍶同位素或其組合。在某些實施例中，輻射源層102包含發射β輻射之放射性同位素。輻射源層102可為板狀或棒狀。可基於待發射之β輻射的所要量而產生具有厚度的輻射源層102。舉例而言，輻射源層102之厚度可為1 mm。輻射源層102之尺寸可經設定大小以產生所需電力量。
第一電絕緣體層104設置於輻射源層102上方。舉例而言，第一電絕緣體層104可直接接觸且包圍輻射源層102。第一電絕緣體層104可包含適合於在輻射源層102與殼體層106之間提供所要電阻的組成物及厚度。舉例而言，第一電絕緣體層可包含金屬氧化物。在各種實施例中，第一電絕緣體層可包含氧化鎂、氧化鋁、金剛石或其組合。
殼體層106設置於第一電絕緣體層104上方。舉例而言，殼體層106可與第一電絕緣體層104直接接觸且包圍第一電絕緣體層104。殼體層106包含經組構以抑制β輻射橫穿通過殼體層106 (例如，減緩β輻射)的組成物及厚度。舉例而言，殼體層106可包含金屬或金屬合金，諸如(例如)具有原子數為13或小於13的金屬，或具有原子數為13或小於13的主要金屬之金屬合金。在各種實施例中，殼體層可包含鋁、鋁合金、鎂或鎂合金。在殼體層106包含具有包含原子數為13或小於13之金屬的組成物之實施例中，可存在歸因於抑制β輻射橫穿通過殼體層106而產生之極少的制動輻射(若存在)。因此，可減小輻射屏蔽層114之大小。
第一電極108與輻射源層102電連通。第一電極108可與殼體層106、輻射屏蔽層114及核電池110中除輻射源層102之外的任何其他導電層電絕緣。在各種實施例中，第一電極108具有正極性。
第二電極110與殼體層106電連通。第二電極110與輻射屏蔽層114及輻射源層102電絕緣。在各種實施例中，第二電極110具有負極性。
由輻射源層102發射之β輻射可直接用於產生電能而無需首先產生熱能。舉例而言，由輻射源材料102發射之β輻射可橫穿通過第一電絕緣體層104達至殼體層106。β輻射之橫穿可在輻射源層102與殼體層106之間產生電壓電位。舉例而言，β輻射可包含可轉移至殼體層106之電子。
第一電絕緣體層104可組構而具有一厚度以在輻射源材料102與殼體層106之間產生所要電阻，同時使得β輻射能夠橫穿通過第一電絕緣體層104，從而可產生電壓電位。因此，歸因於第一電極108與輻射源層102之間的電連通及第二電極110與殼體層106之間的電連通，當輻射源層102發射β輻射時，電壓電位存在於第一電極108與第二電極110之間。用於典型RTGs中之α輻射發射器將不能夠實現所要電壓電位，此係因為α輻射僅在固體材料中行進極短距離。
第二電絕緣體層112設置於殼體層106上方。舉例而言，第二電絕緣體層112可與殼體層106直接接觸且包圍殼體層106。第二電絕緣體層112可包含適合於在殼體層106與輻射屏蔽層114之間提供所要電阻的組成物及厚度，從而抑制輻射屏蔽層114干擾在殼體層106與輻射源層102之間產生的電位。舉例而言，第二電絕緣體層112可包含金屬氧化物。在各種實施例中，第二電絕緣體層112可包含氧化鎂、氧化鋁、金剛石或其組合。第二電絕緣體層112可為導熱的。因此，藉由抑制β輻射之橫穿而在殼體層106中產生之熱量傳導至輻射屏蔽層114。
輻射屏蔽層114設置於第二電絕緣體層112上方。舉例而言，輻射屏蔽層114可直接接觸且包圍第二電絕緣體層112。輻射屏蔽層114可包含適合於抑制γ輻射橫穿通過輻射屏蔽層114之組成物及厚度。舉例而言，輻射屏蔽層114可包含金屬或金屬合金。在各種實施例中，輻射屏蔽層114可包含鎢、鎢合金、鐵、鐵合金、鈾、鈾合金或鈾化合物。輻射屏蔽層114可與殼體層106熱連通。輻射屏蔽層114可藉由抑制來自殼體層106之額外β輻射及/或制動輻射橫穿通過輻射屏蔽層114而產生熱能。
熱能收集構件116與輻射屏蔽層114實體接觸且經組構以自輻射屏蔽層114接收熱能且將熱能轉化成電能。舉例而言，熱能收集構件116可包含熱電偶。在各種實施例中，來自輻射屏蔽層114之熱能可以由典型RTGs使用之方式收集。
由於輻射屏蔽層116可由熱能加熱，故熱絕緣層118可設置於輻射屏蔽層114上方，從而減少來自核電池100的熱能之對流損耗，藉此增加核電池100之效率。舉例而言，熱絕緣層118可直接接觸且包圍輻射屏蔽層116。熱絕緣層118可包含玻璃纖維、二氧化矽、碳、其他隔熱材料及其組合。
如本文中所描述，核電池100可利用熱能收穫構件116將熱能轉化成電能及藉由自輻射源層102直接發射β輻射來產生電能。核電池100可經組構以自第一電極108及第二電極110輸出每立方公分體積之核電池至少0.1瓦(watt/cm
3)，諸如(例如)，至少0.5 watt/cm
3 、至少1 watt/cm
3、至少2 watt/cm
3 、至少10 watts/cm
3 、或至少50 watt/cm
3。
核電池100可用於需要實質上恆定電源之各種應用中。核電池100可用於為軍事設備之電腦或通信構件供電；或其可用於為無人駕駛車輛供電，諸如飛機或潛艇；或其可藉由為諸如內部加熱或冷卻之輔助功能供電以提供較長行駛距離而用於諸如電汽車等民用應用。
為無人駕駛車輛供電亦可允許此等車輛在正常情況不可達成之條件下進行操作。因與當前使用之內燃機相反，核電池100不需要空氣(例如，氧氣)來供電，故車輛可在較高高度及/或較冷溫度下行進。
根據本揭示之本發明各種態樣包括但不限於以下編號條項中所列出的態樣。
1. 一種核電池，其包含：
一輻射源層，其中該輻射源層包含可組構以發射β輻射的組成物；
一第一電絕緣體層，其設置於該輻射源層上方；
一殼體層，其設置於第一電絕緣體層上方，其中殼體層包含經組構以抑制β輻射之橫穿的組成物；
一第一電極，其與輻射源層電連通；及
一第二電極，其與殼體層電連通，其中當輻射源層發射β輻射時，電壓電位存在於第一電極與第二電極之間。
2. 如條項1之核電池，其中輻射源層包含銩、銩同位素、鍶、鍶同位素或其組合。
3. 如條項1至2中任一項之核電池，其中第一電絕緣體層包含金屬氧化物。
4. 如條項1至3中任一項之核電池，其中第一電絕緣體層包含氧化鎂、氧化鋁、金剛石或其組合。
5. 如條項1至4中任一項之核電池，其中殼體層包含金屬或金屬合金。
6. 如條項1至5中任一項之核電池，其中殼體層包含鋁、鋁合金、鎂或鎂合金。
7. 如條項1至6中任一項之核電池，其進一步包含：
一第二電絕緣體層，其設置於該殼體層上方；
一輻射屏蔽層，其設置於該第二電絕緣體層上方；及
一熱能收集構件，其與輻射屏蔽層實體接觸，該熱能收集構件經組構以將熱能轉化成電能。
8. 如條項7之核電池，其進一步包含設置於輻射屏蔽層上方之熱絕緣層。
9. 如條項7至8中任一項之核電池，其中熱能收集構件包含熱電偶。
10. 如條項7至9中任一項之核電池，其中輻射屏蔽層包含金屬或金屬合金。
11. 如條項7至10中任一項之核電池，其中輻射屏蔽層包含鎢、鎢合金、鐵、鐵合金、鈾或鈾合金。
12. 如條項7至11中任一項之核電池，其中第一電極與殼體層及輻射屏蔽層電絕緣。
13. 如條項7至12中任一項之核電池，其中第二電極與輻射屏蔽層電絕緣。
14. 如條項1至13中任一項之核電池，其中核電池經組構以每立方公分體積之核電池輸出至少0.1瓦。
15. 如條項1至14中任一項之核電池，其中輻射源層為板狀或棒狀。
在本說明書中描述各種特徵及特性以提供對本發明之組成物、結構、生產、功能及/或操作之理解，本發明之組成物、結構、生產、功能及/或操作包括所揭示之方法及系統。應理解，本說明書中所描述之本發明的各種特徵及特性可以任何適合方式組合，而無關於此類特徵及特性是否明確地在本說明書中組合地描述。本發明人及申請人明確地希望特徵及特性之此類組合包括於本說明書中所描述之本發明的範疇內。由此，可修正申請專利範圍以便以任何組合陳述本說明書中明確地或固有地描述或以其他方式明確地或固有地由本說明書支援之任何特徵或特性。此外，申請人保留修正申請專利範圍以肯定地排除先前技術中可能存在的特徵及特性的權利，即使彼等特徵及特性並未在本說明書中明確地描述。因此，任何此類修正不會為說明書或申請專利範圍添加新事項，且將符合書面描述、描述之充分性及添加事項要求。
相對於隨附申請專利範圍，熟習本技藝者將瞭解，其中所陳述的操作通常可以任何次序執行。此外，儘管各種可操作流程以一定順序呈現，但應理解各種操作可以不同於所說明之次序進行，或可同時進行。除非上下文另外規定，否則此類替代定序之實施例可包括重疊、交錯、中斷、重新排序、遞增、預備、補充、同步、逆轉或其他變型定序。此外，除非上下文另外規定，否則如「回應於」、「與…相關」之術語或其他過去時態形容詞通常並不意欲排除此類變型。
本說明書中所描述之本發明可包含本說明書中所描述之各種特徵及特性、由該等特徵及特性組成或基本上由其組成。術語「包含(comprise)」(及包含之任何形式，諸如「包含(comprises)」及「包含(comprising)」)、「具有(have)」(及具有之任何形式，諸如「具有(has)」及「具有(having)」)、「包括(include)」(及包括之任何形式，諸如「包括(includes)」及「包括(including)」)、及「含有(contain)」(及含有之任何形式，諸如「含有(contains)」及「含有(containing)」)都是開放式連結動詞。因此，一種「包含」、「具有」、「包括」、或「含有」一或多個特徵及/或特性的方法或系統具有該特徵或彼等特徵及/或特性，但不限於僅具有該特徵或彼等特徵及/或特性。同樣，「包含」、「具有」、「包括」、或「含有」一或多個特徵及/或特性的組成物、塗佈或製程的元件具有該特徵或彼等特徵及/或特性，但不限於僅具有該特徵或彼等特徵及/或特性，並可具有額外的特徵及/或特性。
除非特別說明，否則在包括申請專利範圍的本說明書使用的語法冠詞「一(a/an)」、及「該(the)」意欲包括「至少一個(at least one)」或「一或多個(one or more)」。因此，本說明書所使用之冠詞係指一個或多於一個(亦即，「至少一個」)該冠詞之語法賓語。藉助於實施例，「一個組件」意謂一或多個組件，因此，可考慮多於一個的組件，並可採用或用於實施所描述的組成物、塗佈及製程。然而，要瞭解，在某些情況下(而非其他情況)，使用術語「至少一個」或「一或多個」將不會導致其中此等術語不會用來將語法冠詞「一(a/an)」及「該」之對象限製成僅有一個的任何解釋。此外，除非使用的上下文特別說明，否則單數名詞的使用包括複數個，且複數個名詞的使用包括單數。
在本說明書中，除非另外指示，否則所有數值參數應理解為在所有情況下均藉由術語「約」作為前言且修飾，其中該等數值參數具有用於測定參數之數值之根本量測技術的固有可變性特性。至少，且不試圖將均等論之應用限於申請專利範圍之範疇，本文中所描述的各數值參數至少應根據所報導之有效數位的數目且藉由應用一般捨入技術來解釋。
本文中所列舉之任何數值範圍包括包含於所列舉的範圍內之所有子範圍。舉例而言，「1至10」之範圍包括所列舉的最小值1與所列舉的最大值10 (且包括最小值1及最大值10)之間的所有子範圍，即最小值等於或大於1且最大值等於或小於10。此外，本文所列舉之所有範圍包括所列舉範圍之端點。舉例而言，範圍「1至10」包含端點1及10。本說明書所列舉之任何最大數值限制意欲包括其中所包含之所有較低數值限制，且本說明書所列舉之任何最小數值限制意欲包括其中所包含之所有較高數值限制。因此，申請人保留修正本說明書(包括申請專利範圍)之權力，以明確地列舉所明確列舉的範圍內所包含的任何子範圍。所有此類範圍均固有地描述於本說明書中。
如在本說明書中所使用，特別有關層，術語「在...上」、「至...上」、「在...上方」及其變體(例如，「施加於...上方」、「形成於...上方」、「沈積於...上方」、「提供於...上方」、「位於...上方」及類似者)意謂施加、形成、沈積、提供、或者以其他方式位於基板之表面上，但不必然接觸該基板之表面。舉例而言，「施加於上方」基板之層不排除存在位於所施加的層與基板之間的相同或不同組成的另一層或其他層。同樣地，「施加於上方」第一層的第二層並未排除存在位於所施加的第二層與所施加的第一層之間的相同或不同組成的另一層或其他層。
儘管上文已出於說明之目的描述本發明之特定實施例，但對熟習本技藝者將顯而易見，在不脫離隨附申請專利範圍中所定義之本發明的情況下，可對本發明細節進行大量變化。
100:核電池
102:輻射源層
104:第一電絕緣體層
106:殼體層
108:第一電極
110:第二電極
112:第二電絕緣體層
114:輻射屏蔽層
116:熱能收集構件
118:熱絕緣層
參考結合隨附圖式進行的實施例之以下描述，實施例之特徵及優點以及其實現方式將變得更顯而易見，且將更好地理解實施例，其中：
圖1為根據本發明之核電池的部分截面。
本文中所陳述之例證說明呈一種形式的某些實施例，且此類例證並解釋為以任何方式限制實施例之範疇。
100:核電池
102:輻射源層
104:第一電絕緣體層
106:殼體層
108:第一電極
110:第二電極
112:第二電絕緣體層
114:輻射屏蔽層
116:熱能收集構件
118:熱絕緣層
Claims (15)
- 一種核電池，其包含：一輻射源層，其中該輻射源層包含可組構以發射β輻射的組成物；一第一電絕緣體層，其設置於該輻射源層上；一殼體層，其設置於該第一電絕緣體層上，其中該殼體層包含具有原子數為13或小於13的一金屬，或包含一金屬合金，其主要金屬之原子數為13或小於13；一第一電極，其與該輻射源層電連通；及一第二電極，其與該殼體層電連通，其中該第一電極與該輻射源層之間的該電連通及該第二電極與該殼體層之間的該電連通係經組構以直接自該輻射源層之β輻射之發射產生位於該第一電極與該第二電極之間之一電壓電位。
- 如請求項1之核電池，其中該輻射源層包含銩、銩同位素、鍶、鍶同位素或其組合。
- 如請求項1之核電池，其中該第一電絕緣體層包含金屬氧化物。
- 如請求項1之核電池，其中該第一電絕緣體層包含氧化鎂、氧化鋁、金剛石或其組合。
- 如請求項1之核電池，其中該殼體層包含金屬或金屬合金。
- 如請求項1之核電池，其中該殼體層包含鋁、鋁合金、鎂或鎂合金。
- 如請求項1之核電池，其進一步包含：一第二電絕緣體層，其設置於該殼體層上； 一輻射屏蔽層，其設置於該第二電絕緣體層上；及一熱能收集構件，其與該輻射屏蔽層實體接觸，該熱能收集構件經組構以將熱能轉化成電能。
- 如請求項7之核電池，其進一步包含設置於該輻射屏蔽層上之一熱絕緣層。
- 如請求項7之核電池，其中該熱能收集構件包含一熱電偶。
- 如請求項7之核電池，其中該輻射屏蔽層包含金屬或金屬合金。
- 如請求項7之核電池，其中該輻射屏蔽層包含鎢、鎢合金、鐵、鐵合金、鈾或鈾合金。
- 如請求項7之核電池，其中該第一電極與該殼體層及該輻射屏蔽層電絕緣。
- 如請求項7之核電池，其中該第二電極與該輻射屏蔽層電絕緣。
- 如請求項1之核電池，其中該核電池經組構以每立方公分體積之該核電池輸出至少0.1瓦。
- 如請求項1之核電池，其中該輻射源層為板狀或棒狀。
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