辐伏-锂电一体化电池

本发明涉及同位素电池领域，尤其涉及一种辐伏同位素电池和锂电池一体化集成技术。

背景技术：

1、随着无线传感网络的快速发展，在恶劣环境下(如深海、深地、深空、极地和沙漠地区)对微型电源的需求显著增加。与传统电池(如化学电池、燃料电池、太阳能电池等)相比，同位素电池具有较长的寿命、较强的环境适应性和较高的能量密度，具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

2、同位素电池的能量转换方式主要有4种：热电转换、直接能量转换、直接充电式和间接能量转换。其中，直接转换同位素电池基于辐射伏特效应，是将同位素辐射能直接转换为电能的装置。这类同位素电池通过收集辐射粒子在特定环境中电离出的带电离子，或者在半导体换能材料中激发出的电子空穴对，实现电流倍增和能量转换。直接转换同位素电池的换能结构主要有p-n结和肖特基结等结构。与热电转换式核电池相比，直接能量转换同位素电池具有极高的安全性和可操控性；与直接充电式、间接能量转换式同位素电池相比，其能量转换效率和输出性能具有更大优势。

3、贝塔伏特电池是一种直接转换同位素电池，但是目前贝塔伏特电池能量的收集和利用是一个挑战。在实际应用中，贝塔伏特电池通常与可充电的储能器件(蓄电池、锂电池、超级电容器等)连接在一起。由于贝塔伏特电池的开路电压较低，无法满足蓄电池或者锂电池的充电电压要求或者是电容器高电量的充电要求，往往需要将多个贝塔伏特电池串并联以及使用额外的能量管理电路来保证同位素电池的输出电压与储能单元的输入电压要求相匹配。多种器件单元之间通过线路连接也会引入欧姆传输损耗，由此导致这种集成方式的成本增加和能量利用率降低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种将同位素辐射贝塔粒子能量转换电能并利用锂离子氧化还原反应实现存储的一种集发电和储能一体化的电池，即辐伏-锂电一体化电池。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、辐伏-锂电一体化电池，包括从上到下依次设置的集流体、负极和隔膜以及填充于电池内的锂电电解液；还包括导电材料、半导体纳米棒阵列薄膜、活性材料层、同位素辐射源以及底部电极；所述半导体纳米棒阵列薄膜垂直设于底部电极上；所述活性材料层附着在半导体纳米棒阵列薄膜的表面或者填充在半导体纳米棒阵列薄膜的间隙或者上方、或者与导电材料混合后填充于半导体纳米棒阵列薄膜的间隙或者上方；所述同位素辐射源设于半导体纳米棒阵列薄膜的间隙中。

4、所述集流体为铜箔、铝箔、复合铜箔或复合铝箔；所述负极为锂箔或者锂合金箔；所述隔膜为聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃微孔膜或玻璃纤维隔膜；所述锂电电解液为liclo4、lipf6、libf6或liasf6等导电盐溶解在有机物中形成的电解液；所述有机物为碳酸乙烯酯(ec)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸二甲酯(dmc)或碳酸甲乙酯(emc)中的至少一种。

5、所述导电材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纤维、导电石墨颗粒等大比表面碳基材料，改善界面电荷输运性能并增大电化学反应位点。所述的碳基材料优选使用碳-14制备的碳基材料，在满足导电性能的同时，作为辐射源使用。

6、所述半导体纳米棒阵列薄膜为禁带宽度大于2.3ev的晶态宽禁带半导体薄膜，其由多个相互平行的纳米棒并排排列而成；所述半导体纳米棒阵列薄膜的棒直径为10～1000nm，棒长为200nm～100μm。

7、所述半导体纳米棒阵列薄膜的半导体材料可以是半导体金属氧化物、半导体化合物和半导体单质中的至少一种，包含二氧化钛、氧化锌、二氧化锆、氧化镉、五氧化二铌、氧化铈、三氧化二镓、二氧化锡、三氧化钨、碳化硅、氮化镓、铟镓氮、磷化镓、氮化铟、氮化铝、磷化铝、砷化铝等、二硫化钼、硫化镉、硫化锌、硫化镁、硒化锌、硒化镁、金刚石等。

8、所述活性材料层为层状结构化合物，禁带宽度从1～5ev。

9、所述活性材料层选自五氧化二钒、二硫化钼、氧化钼、硫化镉中的至少一种，通过脱嵌锂离子达到充放电的性能，同时作为空穴传输层材料与半导体纳米棒阵列薄膜形成异质结，增强载流子的输运和分离，降低载流子复合几率，提高贝塔伏特电池的能量转换效率。所述活性材料的制备方法包括水热合成法(hydrothermal synthesis method)、化学浴沉淀法(chemical bath deposition，cbd)和连续离子层吸附与反应法(successive ioniclayer absorption and reaction，silar)。

10、所述同位素辐射源为在衰变时能够辐射贝塔粒子的辐射源，其半衰期不低于10年。为防止半导体材料的辐射损伤，贝塔粒子的平均能量不高于250kev。所述同位素辐射源的材料可以是单质材料，也可是化合物材料。优选地，所述同位素辐射源可以使用氚、碳-14、镍-63、钷-147等同位素。具体地，氚以氚化钛形式存在；碳-14以碳布、石墨、石墨烯、碳纳米管形式存在；镍-63和钷-147以单质金属形式存在。

11、所述底部电极为金属、半导体、石墨、石墨烯、碳布等，优选采用具有导电性能的放射性同位素材料制备，包括镍-63、钷-147、碳-14中的至少一种。

12、相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

13、本发明辐伏-锂电一体化电池将发电单元和储能单元集成在一个器件中，省去线路连接且不需要额外的能量管理电路。电池本身集成的辐射同位素材料在辐射高能β粒子时，可以通过电池中的能量转换结构将同位素辐射能持续转换成化学能并直接存储在自身电池当中。根据外部负载的需求，电池可随时控制和释放能量，实现涓流发电和储能，大功率长时放电的功能。这些都大大提高了贝塔伏特电池的能量利用率，降低了欧姆传输损耗和成本。

技术特征：

1.辐伏-锂电一体化电池，包括从上到下依次设置的集流体、负极和隔膜以及填充于电池内的锂电电解液；其特征在于：还包括导电材料、半导体纳米棒阵列薄膜、活性材料层、同位素辐射源以及底部电极；所述半导体纳米棒阵列薄膜垂直设于底部电极上；所述活性材料层附着在半导体纳米棒阵列薄膜的表面或者填充在半导体纳米棒阵列薄膜的间隙或者上方、或者与导电材料混合后填充于半导体纳米棒阵列薄膜的间隙或者上方；所述同位素辐射源设于半导体纳米棒阵列薄膜的间隙中。

2.如权利要求1所述的辐伏-锂电一体化电池，其特征在于：所述集流体为铜箔、铝箔、复合铜箔或复合铝箔；所述负极为锂箔或者锂合金箔；所述隔膜为聚烯烃微孔膜或玻璃纤维隔膜；所述锂电电解液为liclo4、lipf6、libf6或liasf6的导电盐溶解在有机物中形成的电解液；所述有机物为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯或碳酸甲乙酯中的至少一种。

3.如权利要求1所述的辐伏-锂电一体化电池，其特征在于：所述导电材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纤维、导电石墨颗粒中的至少一种；优选地，所述导电材料包括碳-14制备的碳基材料。

4.如权利要求1所述的辐伏-锂电一体化电池，其特征在于：所述半导体纳米棒阵列薄膜为禁带宽度大于2.3ev的晶态宽禁带半导体薄膜，其由多个相互平行的纳米棒并排排列而成；所述半导体纳米棒阵列薄膜的棒直径为10～1000nm，棒长为200nm～100μm。

5.如权利要求4所述的辐伏-锂电一体化电池，其特征在于：所述半导体纳米棒阵列薄膜的半导体材料包含二氧化钛、氧化锌、二氧化锆、氧化镉、五氧化二铌、氧化铈、三氧化二镓、二氧化锡、三氧化钨、碳化硅、氮化镓、铟镓氮、磷化镓、氮化铟、氮化铝、磷化铝、砷化铝等、二硫化钼、硫化镉、硫化锌、硫化镁、硒化锌、硒化镁、金刚石中的至少一种。

6.如权利要求1所述的辐伏-锂电一体化电池，其特征在于：所述活性材料层为层状结构化合物，禁带宽度从1～5ev。

7.如权利要求6所述的辐伏-锂电一体化电池，其特征在于：所述活性材料层选自五氧化二钒、二硫化钼、氧化钼、硫化镉中的至少一种。

8.如权利要求1所述的辐伏-锂电一体化电池，其特征在于：所述同位素辐射源为在衰变时能够辐射贝塔粒子的辐射源，其半衰期不低于10年。

9.如权利要求8所述的辐伏-锂电一体化电池，其特征在于：所述同位素辐射源使用氚、碳-14、镍-63、钷-147同位素中的至少一种。

10.如权利要求1所述的辐伏-锂电一体化电池，其特征在于：所述底部电极采用具有导电性能的放射性同位素材料制备，包括镍-63、钷-147、碳-14中的至少一种。

技术总结
辐伏‑锂电一体化电池，包括从上到下依次设置的集流体、负极和隔膜以及填充于电池内的锂电电解液；还包括导电材料、半导体纳米棒阵列薄膜、活性材料层、同位素辐射源以及底部电极；所述半导体纳米棒阵列薄膜垂直设于底部电极上；所述活性材料层附着在半导体纳米棒阵列薄膜的表面或者填充在半导体纳米棒阵列薄膜的间隙或者上方、或者与导电材料混合后填充于半导体纳米棒阵列薄膜的间隙或者上方；所述同位素辐射源设于半导体纳米棒阵列薄膜的间隙中。本发明集辐伏发电和锂电池储能结构一体化，具有将同位素的辐射能转换为电能并利用锂电结构储能的功能，该电池提高了同位素电池的能量利用效率和输出功率。

技术研发人员：伞海生,丁錾,刘尚宇
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13