[发明专利]基于二维薄膜的碱金属热电转换器和同位素电池

说明书

本申请提供了碱金属热电转换器和同位素电池。该碱金属热电转换器包括：环形管道，环形管道内部限定出封闭的环形腔体；碱金属工质，碱金属工质填充在所述环形管道中；电磁泵，电磁泵设置在环形管道中，用于驱动碱金属工质在环形腔体中循环流动；热电转换结构，热电转换结构设置在环形管道中，与电磁泵间隔设置，且热电转换结构包括沿环形管道轴向依次层叠设置的第一电学输出电极、第一电荷收集电极、非氧化铝二维导电薄膜、第二电荷收集电极和第二电学输出电极。由此，该碱金属热电转换器可突破传统碱金属热电转换器存在的工作温度低、输出功率小、热损耗较大等技术瓶颈，且具有环境适应性强、工作稳定性好、使用寿命长或者易于实施的优点。

技术领域

本发明属于压电器件、碱金属热电发电器与同位素电池领域，具体涉及基于二维薄膜的碱金属热电转换器和同位素电池。

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、深空深海、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 Moseley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。2017年，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：①静态型热电式(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动态型热电式(布雷顿循环、斯特林循环、朗肯循环、磁流体发电、射流驱动压电式)同位素电池；④特殊换能机理(直接收集、辐射发光、衰变LC电路耦合谐振、压电悬臂梁、外中子源驱动式、宇宙射线/电磁波收集、磁约束下β粒子电磁辐射、磁分离式、辐射电离)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)的换能效率仍不足8％，因而其使用范围有限、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，提高了其在MEMS/NEMS与低功率/超低功率电子器件方面的应用，且随着宽禁带半导体与多维有序结构材料的快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问题，降低了辐射伏特效应同位素电池的使用寿命。

碱金属热电转换器作为一种无运动部件、无需维护、无噪声的离子热机已被用于高效同位素电池的设计与制造方面。目前，尽管碱金属热电转换器的热电转换效率在理论层面高达30％，但局限于传统β-Al₂O₃固体电解质作为离子导电陶瓷，同位素碱金属热电转换器的最高工作温度普遍低于1350K，单一转换器输出功率不足2W，未能满足实际应用。综上所述，关于碱金属热电转换器和同位素电池的研究有待深入。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种碱金属热电转换器和使用该碱金属热电转换器的同位素电池，其中，该碱金属热电转换器可突破传统碱金属热电转换器存在的工作温度低、输出功率小、热损耗较大等技术瓶颈，同时较大程度地提高了使用该碱金属热电转换器的同位素电池的能量转换效率与功率密度，而且该同位素电池具有环境适应性强、工作稳定性好、使用寿命长或者易于实施的优点。