[发明专利]一种直接收集-光电-热电复合式同位素电池及制备方法

说明书

一种直接收集‑光电‑热电复合式同位素电池，包括放射源和换能结构，同位素电池为柱状结构，换能结构两端分别装配电池正极与电池负极；换能结构包括金属衬底、真空腔体、透明电荷收集板、光电组件与热电组件；放射源设于柱状金属衬底侧面，透明电荷收集板设在放射源侧面外围且两者之间设置真空腔体，透明电荷收集板外侧面依次装配第一透明绝缘衬底、光电组件、第二透明绝缘衬底与热电组件；光电组件、热电组件两端分别设第一、第二电学输出电极；换能结构表面及其电池正极、负极包覆缓冲垫，缓冲垫外表面依次设置内封装、外封装散热层。该电池具有能量转换效率高、输出功率大、环境适用性强、工作稳定性好、使用寿命长的特点。

技术领域

本发明属于同位素电池技术领域，具体涉及一种直接收集-光电-热电复合式同位素电池；本发明还涉及一种直接收集-光电-热电复合式同位素电池的制备方法。

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、航天航海、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 Mosley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，兰州大学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（Zhou Y, Zhang S X, LiG P. A review of radioisotope batteries. Chin Sci Bull, 2017, doi: 10.1360/N972016-00793）：①静态型热电式（直接收集、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动态换能方式（布雷顿循环、斯特林循环、朗肯循环、磁流体发电、外中子源驱动式）同位素电池；④特殊换能机理（辐射发光、衰变LC电路耦合谐振、宇宙射线/电磁波收集、压电悬臂梁、磁约束下β粒子电磁辐射、磁分离式、辐射电离、射流驱动压电式）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）的换能效率也不足10%（http://www.jpl.nasa.gov/news/news.phpfeature=6646），因而其使用范围十分有限、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，扩大了同位素电池的应用范围，且随着材料科学的飞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的问题，降低了辐射伏特效应同位素电池的使用寿命。

通过对比静态型热电式同位素电池和其他类型同位素电池的换能方式可知，采用技术成熟的直接收集、光电、热电技术并进行多层耦合实现梯级换能，有望大幅提高静态型热电式同位素电池的能量转换效率与功率密度。

发明内容

本发明要解决的第一技术问题在于提供一种直接收集-光电-热电复合式同位素电池，该同位素电池能够突破传统静态型同位素电池存在单一换能、能损较大的技术瓶颈，具有能量转换效率高、输出功率大、工作稳定性好等特点。本发明要解决的第二个技术问题在于提供一种直接收集-光电-热电复合式同位素电池的制备方法。