[发明专利]直接收集-热离子发射-热电同位素电池及其制备方法

说明书

本发明公开了直接收集‑热离子发射‑热电同位素电池及其制备方法，该同位素电池包括：换能结构、正极、负极、缓冲垫、内封装层、外封装散热层和绝缘环。其中，换能结构包括：金属衬底、放射源镀层、耐高温绝热密封垫、第一电荷收集板、第一绝缘衬底、发射极板、第二电荷收集板、填充介质、第二绝缘衬底、热电组件和电学输出电极。耐高温绝热密封垫包括第一密封垫、第二密封垫、第三密封垫和第四密封垫。该直接收集‑热离子发射‑热电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。

技术领域

本发明属于热电器件与同位素电池领域，具体涉及一种直接收集-热离子发射-热电同位素电池及其制备方法。

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，其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，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可分为四类：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动态型热电式(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.php？feature＝6646)，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与低功率器件方面的应用，且随着宽禁带半导体与多维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。

因此，现有同位素电池的换能结构仍有待进一步改进，以提高电池的换能效率与工作稳定性，扩大应用环境。

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直接收集-热离子发射-热电同位素电池及其制备方法。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。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种直接收集-热离子发射-热电同位素电池。根据本发明的实施例，该同位素电池包括：

换能结构，所述换能结构包括：

金属衬底，所述金属衬底呈柱状，所述金属衬底的两端分别为正极端和负极端；

放射源镀层，所述放射源镀层形成在所述金属衬底的外周面上，所述金属衬底的负极端与所述放射源镀层的一端平齐，所述金属衬底的正极端突出所述放射源镀层的另一端；