一种压电热电一体化的同位素电池的制作方法

本发明涉及同位素电池，具体涉及一种压电热电一体化的同位素电池。

背景技术：

1、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。

2、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。根据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、外中子源驱动式、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)同位素电池。

3、研究结果表明，目前同位素电池的主要问题是能量转换效率低。温差式同位素电池基于热电材料换能，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的换能效率也不足8%，因而其使用范围有限、民用化过程较为困难。其中，辐射伏特效应同位素电池以半导体材料为换能单元，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。

4、传统动态型同位素电池是基于涡轮机或热机发电，存在高速运转部件润滑困难、高速转动产生的惯性矢量影响系统稳定性等技术瓶颈，未能实现实际应用。因此，传统动态型同位素电池存在单一换能、可靠性差和能损较大等的技术瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种压电热电一体化的同位素电池，以解决传统同位素电池存在单一换能、可靠性差和能损较大的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种压电热电一体化的同位素电池，包括具有封闭腔体的外壳，所述封闭腔体内设有放射源、热电换能组件和压电换能组件，所述封闭腔体内填充有惰性气体，使得放射源产生的热量通过热电换能组件实现换能的同时，通过惰性气体吸收热量发生体积膨胀而挤压压电换能组件实现换能。

4、根据上述技术手段，通过同时在外壳的封闭腔体内设置放射源、热电换能组件、压电换能组件和填充惰性气体，使得放射源衰变产生的热量通过热电换能组件转化成电能，同时惰性气体吸收放射源衰变产生的热能发生体积膨胀而挤压压电换能组件，并转化成电能，有效实现了热电和压电的集成一体化，达到了多级换能的目的，提高了同位素电池的能量转换效率和工作稳定性，解决了传统同位素电池存在单一换能和可靠性差的问题；热电和压电的集成一体化设计，无需引入外来动力，大大降低了能量损耗。

5、优选的，所述同位素电池的截面类似壳核构造，且包括核和包裹核的多层壳，其中，核为所述放射源，包裹核的壳由内向外依次为所述热电换能组件、所述压电换能组件和所述外壳。

6、优选的，所述热电换能组件为闭环构造或者开环构造。

7、优选的，所述压电换能组件为闭环构造或者开环构造。

8、其中，从同位素电池的截面上看，热电换能组件可以是将放射源全包围的闭环构件，也可以是将放射源部分包围的开环构件，当热电换能组件为开环构件时，设定热电换能组件的截面的两端的延长线形成的夹角为r1，则0°<r1<360°，即r1可为0°~360°之间的任意角度，压电换能组件可以是将热电换能组件全包围的闭环构件，也可以是将热电换能组件部分包围的开环构件，当压电换能组件为开环构件时，设定压电换能组件的截面的两端的延长线形成的夹角为r2，则0°<r2<360°，即r2可为0°~360°之间的任意角度。当热电换能组件和压电换能组件均设成闭环构造时，热电和压电的换能效率最高。

9、优选的，所述热电换能组件为多孔结构。

10、通过将同位素电池的截面设计成类似壳核构造，使得放射源位于核中心，外围包裹热电换能组件，同时在热电换能组件的外围包裹压电换能组件，有效实现了热能转换效率的最大化；通过将热电换能组件设成多孔结构，有效保证了惰性气体的流通。

11、优选的，所述热电换能组件包括多个热电模块，每个热电模块由一个p型热电腿和一个n型热电腿组成，多个热电模块围着所述放射源周向依次分布，多个热电模块构成多个p型热电腿和多个n型热电腿，多个所述p型热电腿和多个所述n型热电腿交替设置且依次电连接。

12、优选的，所述热电模块采用多孔热电材料制成。

13、优选的，所述多孔热电材料选自碲化铋（bi2te3）、硒化铋（bi2se3）、硫化铁（fes2）、钙钛矿氧化物和尖晶石氧化物中的至少一种。

14、优选的，所述热电模块的孔隙率≥50%。

15、优选的，所述热电模块的孔的形状为圆形、方形和多边形中的至少一种。

16、通过将热电模块的孔隙率设成大于等于50%，既能使得放射源产生的热量充分被热电换能组件转换成电能，保证热电换能组件的换能效率，又能保证惰性气体产生的气压充分作用于压电换能组件，从而保证压电换能组件的换能效率，达到了热电换能组件和压电换能组件相互协同增效的作用。

17、优选的，所述热电模块采用3d打印耦合自组装方法制成。

18、优选的，所述多孔热电材料选自多孔硫化铁（fes2）热电材料；

19、所述热电模块的制备方法包括以下步骤：

20、1）将聚合硫酸铁与由聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)和聚丙烯酸正丁酯(pnba)组成的共聚物(bcp)混合制成预陶瓷聚合物；

21、2）将预陶瓷聚合物与1-丁醇混合加热至50~120℃，搅拌溶解，形成预制打印原料；

22、3）向搅拌好的预制打印原料中加入巯基交联剂和光引发剂，加热至50~120℃，搅拌10~60min，使其充分溶解混合形成打印原料；

23、4）开始打印前，将丙酮加入打印原料中，得混合液，并将混合液加入到3d打印机的原料仓中，3d打印机按照设计好的结构进行打印成型，获得热电模块初品；

24、5）在无氧环境下，对热电模块件初品进行光聚合和热分解处理，使得预陶瓷聚合物转变成具有“纳米珊瑚状”形貌的多孔fes2热电陶瓷构型，即为热电模块成品。

25、优选的，所述共聚物(bcp)中聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)的含量为25 ~50wt%；共聚物(bcp) 与聚合硫酸铁的质量比为1~1.8。

26、优选的，所述预陶瓷聚合物与1-丁醇的质量比为0.5~1.5。

27、优选的，所述巯基交联剂选自季戊四醇四(3-巯基丙酸)酯，所述光引发剂选自苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧化膦；苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧化膦与1-丁醇的质量比为0.01~0.05，季戊四醇四(3-巯基丙酸)酯与1-丁醇的质量比为0.03~0.15。

28、优选的，丙酮与打印原料的质量比为0.2~0.5。将丙酮加入打印原料后，在轨道行星混合器中以1000~3000rpm混合5~30min。

29、优选的，光聚合的条件为光波波长400nm以下的紫外光，照射时间为10~60mim，热分解的温度为120~360℃，保温时间为15~80min。

30、通过控制光聚合的波长和热分解的温度，有效保证了热电模块的孔隙率。

31、优选的，所述外壳的外周壁上还间隔设有散热部件。其中，散热部件为散热片、散热翅片和环形散热器中的至少一种。

32、通过在外壳的外周壁上间隔设置散热片，能最大程度的增大气态工质与环境之间的温差，从而进一步提高热电换能组件的换能效率。

33、优选的，所述外壳上还设有泄压阀。其中，泄压阀装配在外壳的顶部，泄压阀选自弹簧式或杠杆式泄压阀。

34、通过在外壳上设置泄压阀，当封闭腔体内的压力达到极限值时，可开启泄压阀排出多余的气体，从而有效保证了电池的安全性能。

35、优选的，所述放射源选自α放射源和/或β放射源。

36、优选的，所述α放射源选自210po、228th、228tho2、235u、238pu、241am、242cm、含210po的化合物、含228th的化合物、含228tho2的化合物、含235u的化合物、含238pu的化合物、含241am的化合物和含242cm的化合物中的至少一种。

37、优选的，所述β放射源选自3h、14c、35s、63ni、90sr、90sr/90y、106ru、137cs、147pm、151sm、含3h的化合物、含14c的化合物、含35s的化合物、含63ni的化合物、含90sr的化合物、含90sr/90y的化合物、含106ru的化合物、含137cs的化合物、含147pm的化合物和含151sm的化合物中的至少一种。

38、优选的，所述压电换能组件上设有第一压电输出电极和第二压电输出电极，所述第一压电输出电极和第二压电输出电极的材料分别选自au（金）、pd（钯）、pt（铂）、al（铝）、cu（铜）、ni（镍）和ti（钛）中的至少一种。

39、优选的，所述惰性气体选自ar（氩）、ne（氖）和he（氦）中的至少一种。

40、本发明的有益效果：

41、本发明的一种压电热电一体化的同位素电池，通过同时在外壳的封闭腔体内设置放射源、热电换能组件、压电换能组件和填充惰性气体，使得放射源衰变产生的热量通过热电换能组件转化成电能，同时惰性气体吸收放射源衰变产生的热能发生体积膨胀而挤压压电换能组件，并转化成电能，有效实现了热电和压电的集成一体化，达到了多级换能的目的，提高了同位素电池的能量转换效率和工作稳定性，解决了传统同位素电池存在单一换能和可靠性差的问题；热电和压电的集成一体化设计，无需引入外来动力，大大降低了能量损耗，且热电换能组件、压电换能组件和惰性气体的相互协同作用，具有高效集成、经济适用、电流输出稳定性高、结构简单和生产成本低的优点，在同位素电池技术领域，具有推广应用价值。