CN108648847B - 基于液态金属的动态型同位素电池 - Google Patents

基于液态金属的动态型同位素电池 Download PDF

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Abstract

本申请提出了基于液态金属的动态型同位素电池。所述动态型同位素电池包括：金属管道；热源腔体包壳，热源腔体包壳相对的两端分别与所述金属管道的两端相连通，以构成封闭的循环管路，且热源腔体包壳上设有单向充气阀；燃料盒，燃料盒固定设置在热源腔体包壳内部；放射源，放射源设在所述燃料盒中；液态金属，液态金属存在于循环管路中；压电换能组件，压电换能组件设在所述金属管道的内表面上；散热结构，散热结构设在所述金属管道的外表面上，且与压电换能组件间隔设置；电磁泵，电磁泵设在所述金属管道上，用于驱动所述液态金属循环流动。由此，该动态型同位素电池可靠性好、能量转换效率高、工作稳定性好、输出功率可调，且使用寿命较长。

Description

基于液态金属的动态型同位素电池
技术领域
本申请涉及动态型同位素电池领域，具体涉及基于液态金属的动态型同位素电池。
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。放射性动态型同位素电池，简称动态型同位素电池，它是利用换能组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，而有关动态型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)的换能效率也不足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。与静态型热电式同位素电池和辐射伏特效应同位素电池相比，动态型热电式同位素电池具有较高的能量转换效率并已成为目前同位素电池的重要研究方向。然而，传统动态型同位素电池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***稳定性等技术瓶颈，未能实现实际应用。综上所述，关于动态型同位素电池的研究仍有待深入。
发明内容
本申请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，本申请的一个目的在于提出一种能够突破传统动态型同位素电池存在单一换能、可靠性差、能损较大的技术瓶颈，具有能量转换效率高、工作稳定性好或输出功率可调等特点的动态型同位素电池。
在本申请的一方面，本申请提出了一种动态型同位素电池。根据本申请的实施例，所述动态型同位素电池包括：金属管道；热源腔体包壳，所述热源腔体包壳限定出热源腔体，相对的两端分别与所述金属管道的两端相连通，以构成封闭的循环管路，且所述热源腔体包壳上设有单向充气阀；燃料盒，所述燃料盒固定设置在所述热源腔体包壳内部；放射源，所述放射源设在所述燃料盒中；液态金属，所述液态金属存在于所述循环管路中；压电换能组件，所述压电换能组件设在所述金属管道的内表面上；散热结构，所述散热结构设在所述金属管道的外表面上，且在所述金属管道的轴向上与所述压电换能组件间隔设置；电磁泵，所述电磁泵设在所述金属管道上，用于驱动所述液态金属循环流动。由此，该动态型同位素电池能够突破传统动态型同位素电池存在单一换能、可靠性差、能量损失较大的技术瓶颈，具有能量转换效率高、工作稳定性好、输出功率可调等特点，且环境实用性强，使用寿命较长。
根据本申请的实施例，所述燃料盒的上表面设在所述热源腔体包壳的内表面上，且所述燃料盒的上表面上具有第一开口，所述热源腔体包壳的内表面上具有第二开口，所述第一开口和所述第二开口对应设置，且所述第一开口和所述第二开口中设有密封垫以将所述第一开口和所述第二开口密封，所述放射源的一端设置在所述密封垫上，所述放射源的另一端伸入所述燃料盒中。
根据本申请的实施例，所述密封垫上设置有固定件，所述放射源设置在所述固定件上。
根据本申请的实施例，形成所述燃料盒、所述密封垫和所述固定件的材料分别选自钽合金、锆合金和铱合金中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述动态型同位素电池还包括夹持所述燃料盒的第一固定支架与第二固定支架，其中，所述第一固定支架设在所述燃料盒的下表面和所述热源腔体包壳的内表面之间；所述第二固定支架设在所述燃料盒上表面和所述热源腔体包壳的内表面之间，且具有第三开口，所述第三开口与所述第一开口和所述第二开口对应设置，并被所述密封垫密封。
根据本申请的实施例，形成所述热源腔体包壳、所述金属管道、所述第一固定支架和所述第二固定支架的材料分别选自316不锈钢、304不锈钢和310不锈钢中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述动态型同位素电池还包括纳米铅有机玻璃复合涂层，所述纳米铅有机玻璃复合涂层设在所述热源腔体包壳的内表面上。
根据本申请的实施例，所述放射源选自α放射源、β放射源、泛燃料固化物、小型模块化核热源和小型模块化反应堆中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述α放射源选自210Po、Gd210Po、Y210Po、La210Po、Ce210Po、Pr210Po、Nd210Po、Sm210Po、Eu210Po、Tb210Po、Dy210Po、Ho210Po、Er210Po、Tm210Po、Yb210Po、Lu210Po、Pm210Po、Sc210Po、Gd3 210Po、Y3 210Po、La3 210Po、Ce3 210Po、Pr3 210Po、Nd3 210Po、Sm3 210Po、Eu3 210Po、Tb3 210Po、Dy3 210Po、Ho3 210Po、Er3 210Po、Tm3 210Po、Yb3 210Po、Lu3 210Po、228Th、228ThO2、235U、238Pu、238PuO2微球、238PuO2-Mo陶瓷、238PuO2燃料球、238PuO2陶瓷、238Pu-Zr合金、238Pu-Ga合金、238Pu-Pt合金、238Pu-Sc合金、238PuN、238PuC、241Am、242Cm、242Cm2O3、244Cm和244Cm2O3中的至少一种；所述β放射源选自(C4H3 3H5-)n、Sc3H2、14C、35S、63Ni、90Sr、90Sr/90Y、90SrTiO3、99Tc、106Ru、137Cs、137CsCl、144Ce、144CeO2、147Pm、147Pm2O3、151Sm和226Ra中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述液态金属选自液态金属Ga、GaSn液态合金、GaIn液态合金、GaZn液态合金、GaInSn液态合金、GaInZn液态合金、GaInSnZn液态合金、BiInSn液态合金和BiInSnGa液态合金中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述压电换能组件为单边固定压电换能组件或双边固定压电换能组件，形成所述压电换能组件的材料选自钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅、铌锌酸铅、钽钪酸铅、钛酸钡、钛酸铋钠、聚偏氟乙烯和钙钛矿压电材料中的至少一种。
根据本申请的实施例，形成所述散热结构的材料选自石墨、铜和铝合金中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述动态型同位素电池进一步包括热电换能组件，所述热电换能组件设在所述金属管道的外表面和所述散热结构之间。
根据本申请的实施例，所述热电换能组件包括：相对设置的第一绝缘导热基底和第二绝缘导热基底，所述第二绝缘导热基底设在所述金属管道的外表面上；多个热电组，所述多个热电组沿着所述金属管道的周向间隔分布，每个所述热电组沿着所述金属管道的轴向延伸，且每个所述热电组包括多个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，相邻两个所述热电组中的一个的多个所述p型热电腿和相邻两个所述热电组中的另一个中的多个p型热电腿交错设置，且相邻两个所述热电组首尾电连接。
根据本申请的实施例，所述热电换能组件还包括多个第一电极和多个第二电极，多个所述第一电极设置在所述热电组和所述第一绝缘导热基底之间，多个所述第二电极设在所述热电组和所述第二绝缘导热基底之间，相邻且电连接的一个所述p型热电腿和一个所述n型热电腿构成一个热电对，每个所述热电对中的所述p型热电腿和所述n型热电腿通过所述第一电极电连接，相邻两个热电对中的一个中的所述p型热电腿和相邻两个热电对中的另一个中的所述n型热电腿通过所述第二电极电连接。
根据本申请的实施例，形成所述p型热电腿的材料选自p型Bi2Te3基材料、p型Sb2Se3基材料、p型Sb2Te3基材料、p型PbTe基材料、p型CoSb3基材料、p型Half-Heusler(半哈斯勒)材料、p型Cu1.8S基材料和p型AgSbTe2基材料中的至少一种，形成所述n型热电腿的材料选自n型Bi2Te3基材料、n型BiSb基材料、n型Zn4Sb3基材料、n型Mg3Sb2基材料、n型Bi2Se3基材料、n型Sb2Se3基材料、n型PbTe基材料、n型PbS基材料、n型CoSb3基材料、n型Mg2Si基材料、n型Zn4Sb3基材料、n型InSb基材料、n型Half-Heusler(半哈斯勒)材料、n型氧化物材料和n型AgSbTe2基材料中的至少一种。
根据本申请的实施例，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，所述热电换能组件上设有第一热电输出电极和第二热电输出电极，形成所述第一压电输出电极、所述第二压电输出电极、所述第一热电输出电极和所述第二热电输出电极的材料分别选自Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni和Ti中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述电磁泵为圆柱泵。
本申请提供的动态型同位素电池通过采用液态金属和压电换能组件为换能组件(换能组件还可进一步包括热电换能组件)，依靠电磁泵实现液态金属稳定循环，有效突破了传统动态型同位素电池存在的高速运转部件润滑困难、高速运转部件转动产生的惯性矢量影响***稳定性、单向气动阀压缩惰性气体工质回流可靠性差等技术瓶颈，同时较大程度地提升了动态型同位素电池的能量转换效率，具有能量转换效率高、输出功率连续可调、环境适用性强、工作稳定性好、使用寿命长、易于实施等特点，可长时间稳定工作于军事国防、深空深海、极地探测、生物医疗、电子工业等重要领域，进一步满足了能源需求的环保、高效、便携、普适。与相关技术相比，至少具有以下有益效果：
1、本申请采用比如液态金属驱动的压电换能组件、热电换能组件实现级联梯级换能，并依靠电磁泵实现液态金属的稳定回流，有效突破了传统了动态型同位素电池局限于涡轮机或热机发电模式、单向气动阀压缩惰性气体回流所产出的技术瓶颈，较大程度地提高了电池的循环稳定性与能量转化效率，满足能源低碳环保、集成高效、经济普适的要求。
2、本申请所采用的热源结构可加载放射源、通用小型核热源、核废料或小型模块化反应堆，并通过燃料盒与固定支架，辅之曲面包壳纳米铅复合涂层，进一步提高了电池的工作安全性与环境适应性。
3、本申请通过电磁泵实现液态金属在管道内的往复闭式循环，有助于调节液态金属同热源结构、换能组件与管道等电池内部结构之间存在的机械挤压与热应力，在提高了电池工作可靠性的同时，扩大了电池的输出功率范围，进一步满足不同领域需求。
附图说明
图1是本申请一个实施例中动态型同位素电池的结构示意图。
图2是本申请另一个实施例中动态型同位素电池中热源结构的俯视图。
图3是本申请又一个实施例中动态型同位素电池中热源结构的正视图。
图4是本申请又一个实施例中动态型同位素电池中压电换能组件的俯视图。
图5是本申请又一个实施例中动态型同位素电池的结构示意图。
图6是本申请又一个实施例中动态型同位素电池中热电换能组件的剖视图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本申请的一方面，本申请提出了一种动态型同位素电池。根据本申请的实施例，参照图1，所述动态型同位素电池1包括：金属管道109；热源腔体包壳106，所述热源腔体包壳106限定出热源腔体107，热源腔体包壳106相对的两端分别与金属管道109的两端相连通，以构成封闭的循环管路，且热源腔体包壳106上设有单向充气阀108；燃料盒102，燃料盒102固定设置在热源腔体包壳106内部；放射源101，放射源101设在燃料盒102中；液态金属110，所述液态金属110(图中箭头表示液态金属的流向)存在于循环管路中；压电换能组件201，压电换能组件201设在金属管道109的内表面上；散热结构204b，散热结构204b设在金属管道109的外表面上，且在金属管道109的轴向上与压电换能组件201间隔设置；电磁泵207，电磁泵207设在金属管道109上，用于驱动所述液态金属110循环流动。由此，该动态型同位素电池能够突破传统动态型同位素电池存在单一换能、可靠性差、能量损失较大的技术瓶颈，具有能量转换效率高、工作稳定性好、输出功率可调等特点，且环境实用性强，使用寿命较长。
本申请的动态型同位素电池的工作原理是：同位素热源(即放射源)衰变产生的热能通过燃料盒加热液态金属，液态金属受热膨胀形成稳恒流体驱动压电换能组件形变输出电能，散热结构将液态金属降温，最后通过电磁泵驱动液态金属回流到热源腔体，再次加热形成闭式循环。
其中，需要说明的是，本申请的附图中采用的标号“■”表示垂直纸面向外，“×”表示垂直纸面向里。
根据本申请的实施例，为了便于放射源的设置和更换，参照图1-图3，可使燃料盒102的上表面设在热源腔体107内部，且燃料盒102的上表面上具有第一开口，热源腔体包壳106的内表面上具有第二开口，第一开口和第二开口对应设置(即燃料盒内部通过第一开口和第二开口可以和热源腔体包壳外部相连通)，且第一开口和第二开口中设有密封垫105以将第一开口和第二开口密封，放射源101的一端设置在密封垫105上，放射源101的另一端伸入燃料盒102中。由此，可以通过可拆卸的密封垫105来更换放射源101，进而延长动态型同位素电池的使用寿命，降低同位素电池的设计成本，且放射源的数目可以根据实际应用情况灵活调整。
为了进一步固定放射源，根据本申请的实施例，密封垫105上设置有固定件102a，放射源101设置在所述固定件102a上。根据本申请的实施例，固定件的具体种类没有特别限制，在本申请的一些实施例中，固定件102a为固定栅格，放射源101配合设置在所述固定栅格中。由此，固定件102a结构简单，便于制作，且放射源101的安装和拆卸操作方便，易于操作。
根据本申请的实施例，为了防止电池在工作时燃料盒102晃动，影响电池的正常使用，故而可对燃料盒102进行固定，参照图1-图3，其中图2是图1中沿截面AB线的俯视图，具体的：动态型同位素电池1还包括夹持燃料盒102的第一固定支架103与第二固定支架104，其中，第一固定支架103设在燃料盒102的下表面和热源腔体包壳106的内表面之间；第二固定支架104设在燃料盒102上表面和热源腔体包壳106的内表面之间，且具有第三开口(图中未示出)，第三开口与第一开口和第二开口对应设置，并被密封垫105密封。由此，可以提高动态型同位素电池的工作稳定性和使用寿命。
需要说明的是，图1和图5中的热源结构10主要包括热源腔体107、热源腔体包壳106、燃料盒102、设置在燃料盒中放射源101，还可以进一步包括密封垫105、第一固定支架103以及第二固定支架104等结构；换能结构20主要包括压电换能组件201，还可以进一步包括热电换能组件204a。
根据本申请的实施例，形成燃料盒、密封垫和固定件的材料可以相同，也可不同，为了提高动态型同位素电池的安全性和稳定性，形成燃料盒、密封垫和固定件的材料分别选自钽合金、锆合金和铱合金中的至少一种。由此，可保证放射源处于一个安全稳定的工作环境，进而保证动态型同位素电池的稳定性和安全可靠性。此外，本领域技术人员可根据实际应用时输出电压电流的需求，可调整固定件的几何形状、物理尺寸与数量。
根据本申请的实施例，形成热源腔体包壳、金属管道第一固定支架和第二固定支架的材料分别选自316不锈钢、304不锈钢和310不锈钢中的至少一种。其中，热源腔体包壳的形状没有限制要求，本领域技术人员可以根据实际需求灵活设计。在本申请的实施例中，热源腔体包壳的最大宽度大于金属管道的宽度，由此，热源腔体包壳的两端分别收窄，并分别与金属管道的两端连通，具体形状可以为中间粗、两端细的圆柱状、倒角方柱体等等，金属管道的具体形状与热源腔体包壳两端的开口匹配。此外，本领域技术人员可根据实际工作环境的要求，来确定第一固定支架和第二固定支架的数量和尺寸，调节燃料盒的几何形状、物理尺寸。
根据本申请的实施例，为了提高射线屏蔽作用，提高电池的安全性，热源腔体包壳的内表面上可以设置有纳米铅有机玻璃复合涂层，其中，纳米铅有机玻璃复合涂层的厚度可以根据实际工作环境的要求灵活调整。由此，电池的射线屏蔽性和安全性较好。
根据本申请的实施例，本申请的动态型同位素电池扩大了放射源的选择范围，放射源选自α放射源、β放射源、泛燃料固化物、小型模块化核热源和小型模块化反应堆中的至少一种。在本申请的一些具体实施例中，所述α放射源选自210Po、Gd210Po、Y210Po、La210Po、Ce210Po、Pr210Po、Nd210Po、Sm210Po、Eu210Po、Tb210Po、Dy210Po、Ho210Po、Er210Po、Tm210Po、Yb210Po、Lu210Po、Pm210Po、Sc210Po、Gd3 210Po、Y3 210Po、La3 210Po、Ce3 210Po、Pr3 210Po、Nd3 210Po、Sm3 210Po、Eu3 210Po、Tb3 210Po、Dy3 210Po、Ho3 210Po、Er3 210Po、Tm3 210Po、Yb3 210Po、Lu3 210Po、228Th、228ThO2、235U、238Pu、238PuO2微球、238PuO2-Mo陶瓷、238PuO2燃料球、238PuO2陶瓷、238Pu-Zr合金、238Pu-Ga合金、238Pu-Pt合金、238Pu-Sc合金、238PuN、238PuC、241Am、242Cm、242Cm2O3、244Cm和244Cm2O3中的至少一种；在本申请的另一些具体实施例中，所述β放射源选自(C4H3 3H5-)n、Sc3H2、14C、35S、63Ni、90Sr、90Sr/90Y、90SrTiO3、99Tc、106Ru、137Cs、137CsCl、144Ce、144CeO2、147Pm、147Pm2O3、151Sm和226Ra中的至少一种。
需要说明的是，本文中所采用的描述方式“泛燃料固化物”是指核燃料沥青固化物、核燃料水泥固化物、核燃料玻璃固化物或核燃料陶瓷固化物中的至少一种；“小型模块化核热源”是指通用核热源(General Purpose Heater Source)或轻量核热源(LightedWeighted Radioisotope Heater Unit)中的至少一种；“小型模块化反应堆”是指结合了小规模发电和模块化生产这两大特点、以第三代核反应堆技术为主的反应堆中的至少一种；另外，当放射源为(C4H3 3H5-)n时，表示氚化聚1-乙基乙烯，其中，n代表聚合度，具体值的选择没有限制要求，本领域技术人员可以根据电池的应用领域或具体参数要求灵活选择上述放射源的聚合度。
根据本申请的实施例，在实际使用中，可根据实际应用时输出电压电流的要求，调整放射源的活度大小、加载数量和物理尺寸等。
根据本申请的实施例中，所述液态金属选自液态金属Ga、GaSn液态合金、GaIn液态合金、GaZn液态合金、GaInSn液态合金、GaInZn液态合金、GaInSnZn液态合金、BiInSn液态合金和BiInSnGa液态合金中的至少一种。由此，上述液态金属在受热膨胀后可形成稳恒电流驱动压电换能组件形成输出电能，保证动态型同位素电池的电流稳定性。
根据本申请的实施例，本领域技术人员可以根据动态型同位素电池的具体参数要求，所述压电换能组件201可选择为单边固定压电换能组件201a或双边固定压电换能组件201b(参照图4)，其中，形成压电换能组件的材料选自钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅、铌锌酸铅、钽钪酸铅、钛酸钡、钛酸铋钠、聚偏氟乙烯和钙钛矿压电材料中的至少一种。由此，可以满足压电换能组件的使用需求，提高动态型同位素电池的能量转换效率、可靠性、稳定性，且保证电池的输出功率的可调性。
根据具体参数要求，可灵活选择装配单晶或双晶压电换能组件，也可灵活选择压电择换能组件的数量，及其串联、并联或串并联等不同的结合方式来集成换能组件。
根据本申请的实施例，散热结构可以为散热片、散热翅片和环形散热器中的至少一种。形成散热结构的材料选自石墨、铜和铝合金中的至少一种。当散热结构设置在热电换能组件远离金属管道的一侧时，可以降低液态金属的温度，进而增加热电换能组件两端的温差，提高热电换能组件的能量转化效率，同时提供放射源的能量利用率。
根据本申请的实施例，为了使得电磁泵可以稳定的固定在金属管道上，可选择电磁泵为圆柱泵。由此，可以进一步提高动态型同位素电池的工作稳定性。
根据本申请的实施例，为了进一步更好的解决动态型同位素电池换能单一的问题，参照图5，本申请的动态型同位素电池可进一步包括热电换能组件204a，热电换能组件204a设在金属管道109的外表面和散热结构204b之间。由此，通过采用热电换能组件，可以实现液态金属与环境之间的温差进行发电，提高动态型同位素电池换能效率，解决传统动态型同位素电池换能单一的技术问题。
根据具体参数要求，本领域技术人员可灵活选择热电换能组件的数量，也可灵活选择串联、并联或串并联等不同的结合方式来集成换能组件。
根据本申请的实施例，参照图6(图6中为环形结构中两个不相邻的热电组)，其中，热电换能组件204a包括：相对设置的第一绝缘导热基底208和第二绝缘导热基底213，第二绝缘导热基底213设在金属管道109的外表面上；多个热电组，多个热电组沿着金属管道109的周向间隔分布，每个热电组沿着金属管道的轴向延伸，且每个热电组包括多个p型热电腿210和多个n型热电腿211，多个p型热电腿210和多个n型热电腿211交替设置且依次电连接，相邻两个热电组中的一个中的多个p型热电腿210和相邻两个热电组中的另一个中的多个p型热电腿210交错设置，且相邻两个热电组首尾电连接(相邻两个热电组的情况图中未示出)。由此，通过多个热电组实现将液态金属与环境之间的温差转换为电能，实现热电换能组件的换能效果。
根据本申请的实施例，参照图6，热电换能组件204a还包括多个第一电极209和多个第二电极212，多个第一电极209设置在热电组和第一绝缘导热基底208之间，多个第二电极212设在热电组和第二绝缘导热基底213之间，相邻且电连接的一个p型热电腿210和一个n型热电腿211构成一个热电对，每个热电对中的p型热电腿和n型热电腿通过第一电极209电连接，相邻两个热电对中的一个中的p型热电腿210和相邻两个热电对中的另一个中的n型热电腿211通过第二电极212电连接。由此，通过多个热电组实现将液态金属与环境之间的温差转换为电能，实现热电换能组件的换能效果。
根据本申请的实施例，形成所述p型热电腿的材料选自p型Bi2Te3基材料、p型Sb2Se3基材料、p型Sb2Te3基材料、p型PbTe基材料、p型CoSb3基材料、p型Half-Heusler(半哈斯勒)材料、p型Cu1.8S基材料和p型AgSbTe2基材料中的至少一种，形成所述n型热电腿的材料选自n型Bi2Te3基材料、n型BiSb基材料、n型Zn4Sb3基材料、n型Mg3Sb2基材料、n型Bi2Se3基材料、n型Sb2Se3基材料、n型PbTe基材料、n型PbS基材料、n型CoSb3基材料、n型Mg2Si基材料、n型Zn4Sb3基材料、n型InSb基材料、n型Half-Heusler(半哈斯勒)材料、n型氧化物材料和n型AgSbTe2基材料中的至少一种。由此，热电换能组件的换能效率高，工作时稳定性好，使用寿命长。
根据本申请的实施例，形成第一电极和第二电极的材料分别选自Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni和Ti中的至少一种。由此，导电性好，与p型热电腿和n型热电腿的相容性好。
根据本申请的实施例，为了增大液态金属与环境之间的温差，提高热电换能组件的换能效率，动态型同位素电池还包括散热结构，散热结构设置在热电换能组件204a的外表面上。其中，散热结构的具体结构没有限制要求，本领域技术人员可以根据实际需求灵活设计，例如可以选自散热片、散热翅片和环形散热器中的至少一种。在本申请的一些实施例中，参照图6，散热结构可包括环形散热器214和多个散热翅片215，环形散热器214设置在热电换能组件204a的外表面上，多个散热翅片215间隔设置在环形散热器214远离热电换能组件204a的一侧。由此，散热效果更佳，可以最大程度的增大液态金属与环境之间的温差，更进一步的提高热电换能组件的换能效率。
根据本申请的实施例，形成散热结构的具体材料没有限制要求，只要可以增大液态金属与环境之间的温差即可。在本申请的实施例中，形成散热结构的材料选自石墨、铜和铝合金中的至少一种。
根据本申请的实施例，为了实现动态型同位素电池的电能输出，参照图1、图5和图6，压电换能组件201上设有第一压电输出电极202和第二压电输出电极203，热电换能组件204a上设有第一热电输出电极205和第二热电输出电极206，其中，形成第一压电输出电极、第二压电输出电极、第一热电输出电极和第二热电输出电极的材料分别选自Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni和Ti中的至少一种。由此，导电性能佳，有利于电池的电能输出。
下面结合本申请的两个具体实施例详细介绍一下本申请的动态型同位素电池：
根据本申请的一个具体实施例，参照图1，动态型同位素电池结构为：热源腔体包壳106(热源腔体包壳106形成的腔体为热源腔体107)相对的两端分别与金属管道109的两端相连通，以构成封闭的循环管路，且热源腔体包壳106上方设有单向充气阀108，通过单向充气阀108向金属管道中加入液态金属110，使其填充在循环管路中，热源腔体包壳106内表面设置有纳米铅有机玻璃复合涂层；热源腔体包壳106内表面上设有第一固定支架103和第二固定支架104，燃料盒102被夹持第一固定支架103与第二固定支架104之间(或者说，第一固定支架103设在燃料盒102的下表面和热源腔体包壳106的内表面之间；第二固定支架104设在燃料盒102上表面和热源腔体包壳106的内表面之间)，同位素热源101(放射源)通过固定件102a设置于燃料盒102内，密封垫105将第二固定支架104与燃料盒102密封(或者说，密封垫105上设置有固定件102a，放射源101设置在固定件上)；换能结构20主要包括压电换能组件201，压电换能组件201设在金属管道109的内表面上，且其底部装配有用于电能的输出的第一压电输出电极202与第二压电输出电极203，散热结构204b设在金属管道109的外表面上，且在金属管道的轴向上，散热结构204b与压电换能组件201间隔设置；该电池还包括电磁泵207，电磁泵207设在金属管道109上，用于驱动液态金属循环流动。
在上述具体实施例中，同位素热源101是238PuO2陶瓷；液态金属110为GaInSnZn液态合金；电磁泵207为圆柱泵；燃料盒102、固定件102a和密封垫105的材质相同，是钽合金；压电换能组件201为单边固定压电组件201a，材质是铌镁酸铅(PMN)；第一固定支架103、第二固定支架104、热源腔体包壳106和金属管道109的材质相同，是316不锈钢；第一压电输出电极202、第二压电输出电极203的材质相同，为金属Cu；散热片204b为石墨散热片。当然，上述各个结构的具体材料还可以采用前面所述的其他材料，比如燃料盒102、固定件102a和燃料盒密封垫105的材质还可以是铱合金或锆合金等材料，其他结构一样，在此不再一一赘述。
上述实施例中动态型同位素电池的工作原理是：同位素热源衰变产生的热能通过燃料盒加热液态金属，液态金属受热膨胀形成稳恒流体驱动压电换能组件形变输出电能，最后通过电磁泵驱动液态金属回流到热源腔体，再次加热形成闭式循环。
根据本申请的另一个具体实施例，参照图5，动态型同位素电池结构为：热源腔体包壳106(热源腔体包壳106形成的腔体为热源腔体107)相对的两端分别与金属管道109的两端相连通，以构成封闭的循环管路，且热源腔体包壳106上方设有单向充气阀108，通过单向充气阀108向金属管道中加入液态金属110，使其填充在循环管路中，热源腔体包壳106内表面设置有纳米铅有机玻璃复合涂层；热源腔体包壳106内表面上设有第一固定支架103和第二固定支架104，燃料盒102被夹持第一固定支架103与第二固定支架104之间(或者说，第一固定支架103设在燃料盒102的下表面和热源腔体包壳106的内表面之间；第二固定支架104设在燃料盒102上表面和热源腔体包壳106的内表面之间)，同位素热源101(放射源)通过固定件102a设置于燃料盒102内，密封垫105将第二固定支架104与燃料盒102密封(或者说，密封垫105上设置有固定件102a，放射源101设置在固定件上)；换能结构20主要包括压电换能组件201和热电换能组件204a，压电换能组件201设在金属管道109的内表面上，且其底部装配有用于电能的输出的第一压电输出电极202与第二压电输出电极203，热电换能组件204a(其具体结构参照图6，在此便不再详细描述)设在金属管道109的外表面上，且在金属管道109的轴向上与压电换能组件201间隔设置，热电换能组件204a两端分别装配有用于输出电能的第一热电输出电极205与第二热电输出电极206；散热结构204b设在热电换能组件204a的外表面上，该电池还包括电磁泵207，电磁泵207设在金属管道109上，用于驱动液态金属110循环流动。
在上述具体实施例中，同位素热源101是小型模块化反应堆；液态金属110为GaInSn液态合金；电磁泵207为圆柱泵；p型热电腿210为p型Bi2Te3基材料，n型热电腿211为n型Bi2Te3基材料；燃料盒102、固定件102a和密封垫105的材质相同，是锆合金；压电换能组件201为单边固定压电组件201a，材质是铌镁酸铅(PMN)；第一固定支架103、第二固定支架104、热源腔体包壳106和金属管道109的材质相同，是316不锈钢；第一压电输出电极202、第二压电输出电极203、第一热电输出电极205、第二热电输出电极206、第一电极层209和第二电极层212的材质相同，为金属Au；第一绝缘导热基底208和第二绝缘导热基底213材质相同，为氧化铝陶瓷；散热结构204b(包括环形散热器214和散热翅片215)的材质为石墨。当然，上述各个结构的具体材料还可以采用前面所述的其他材料，比如燃料盒102、固定件102a和燃料盒密封垫105的材质还可以是铱合金或钽合金等材料，其他结构一样，在此不再一一赘述。
上述实施例中动态型同位素电池的工作原理是：同位素热源衰变产生的热能通过燃料盒加热液态金属，液态金属受热膨胀形成稳恒流体驱动压电换能组件形变输出电能，同时采用热电换能组件实现液态金属与环境之间的温差发电，最后通过电磁泵驱动液态金属回流到热源腔体，再次加热形成闭式循环。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (17)

1.一种动态型同位素电池，其特征在于，包括：
金属管道；
热源腔体包壳，所述热源腔体包壳限定出热源腔体，相对的两端分别与所述金属管道的两端相连通，以构成封闭的循环管路，且所述热源腔体包壳上设有单向充气阀；
燃料盒，所述燃料盒固定设置在所述热源腔体包壳内部；
放射源，所述放射源设在所述燃料盒中；
液态金属，所述液态金属存在于所述循环管路中；
压电换能组件，所述压电换能组件设在所述金属管道的内表面上；
散热结构，所述散热结构设在所述金属管道的外表面上，且在所述金属管道的轴向上与所述压电换能组件间隔设置；
电磁泵，所述电磁泵设在所述金属管道上，用于驱动所述液态金属循环流动，
其中，所述燃料盒的上表面设在所述热源腔体包壳的内表面上，且所述燃料盒的上表面上具有第一开口，所述热源腔体包壳的内表面上具有第二开口，所述第一开口和所述第二开口对应设置，且所述第一开口和所述第二开口中设有密封垫以将所述第一开口和所述第二开口密封，所述放射源的一端设置在所述密封垫上，所述放射源的另一端伸入所述燃料盒中。
2.根据权利要求1所述的动态型同位素电池，其特征在于，所述密封垫上设置有固定件，所述放射源设置在所述固定件上。
3.根据权利要求2所述的动态型同位素电池，其特征在于，形成所述燃料盒、所述密封垫和所述固定件的材料分别选自钽合金、锆合金和铱合金中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的动态型同位素电池，其特征在于，还包括夹持所述燃料盒的第一固定支架与第二固定支架，其中，
所述第一固定支架设在所述燃料盒的下表面和所述热源腔体包壳的内表面之间；
所述第二固定支架设在所述燃料盒上表面和所述热源腔体包壳的内表面之间，且具有第三开口，所述第三开口与所述第一开口和所述第二开口对应设置，并被所述密封垫密封。
5.根据权利要求4所述的动态型同位素电池，其特征在于，形成所述热源腔体包壳、所述金属管道、所述第一固定支架和所述第二固定支架的材料分别选自316不锈钢、304不锈钢和310不锈钢中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的动态型同位素电池，其特征在于，还包括纳米铅有机玻璃复合涂层，所述纳米铅有机玻璃复合涂层设在所述热源腔体包壳的内表面上。
7.根据权利要求1所述的动态型同位素电池，其特征在于，所述放射源选自α放射源、β放射源、泛燃料固化物、小型模块化核热源和小型模块化反应堆中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的动态型同位素电池，其特征在于，所述α放射源选自210Po、Gd210Po、Y210Po、La210Po、Ce210Po、Pr210Po、Nd210Po、Sm210Po、Eu210Po、Tb210Po、Dy210Po、Ho210Po、Er210Po、Tm210Po、Yb210Po、Lu210Po、Pm210Po、Sc210Po、Gd3 210Po、Y3 210Po、La3 210Po、Ce3 210Po、Pr3 210Po、Nd3 210Po、Sm3 210Po、Eu3 210Po、Tb3 210Po、Dy3 210Po、Ho3 210Po、Er3 210Po、Tm3 210Po、Yb3 210Po、Lu3 210Po、228Th、228ThO2、235U、238Pu、238PuO2微球、238PuO2-Mo陶瓷、238PuO2燃料球、238PuO2陶瓷、238Pu-Zr合金、238Pu-Ga合金、238Pu-Pt合金、238Pu-Sc合金、238PuN、238PuC、241Am、242Cm、242Cm2O3、244Cm和244Cm2O3中的至少一种；所述β放射源选自(C4H3 3H5-)n、Sc3H2、14C、35S、63Ni、90Sr、90Sr/90Y、90SrTiO3、99Tc、106Ru、137Cs、137CsCl、144Ce、144CeO2、147Pm、147Pm2O3、151Sm和226Ra中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的动态型同位素电池，其特征在于，所述液态金属选自液态金属Ga、GaSn液态合金、GaIn液态合金、GaZn液态合金、GaInSn液态合金、GaInZn液态合金、GaInSnZn液态合金、BiInSn液态合金和BiInSnGa液态合金中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的动态型同位素电池，其特征在于，所述压电换能组件为单边固定压电换能组件或双边固定压电换能组件，形成所述压电换能组件的材料选自钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅、铌锌酸铅、钽钪酸铅、钛酸钡、钛酸铋钠、聚偏氟乙烯和钙钛矿压电材料中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的动态型同位素电池，其特征在于，形成所述散热结构的材料分别选自石墨、铜和铝合金中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的动态型同位素电池，其特征在于，进一步包括热电换能组件，所述热电换能组件设在所述金属管道的外表面和所述散热结构之间。
13.根据权利要求12所述的动态型同位素电池，其特征在于，所述热电换能组件包括：
相对设置的第一绝缘导热基底和第二绝缘导热基底，所述第二绝缘导热基底设在所述金属管道的外表面上；
多个热电组，所述多个热电组沿着所述金属管道的轴向间隔分布，每个所述热电组沿着所述金属管道的轴向延伸，且每个所述热电组包括多个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，
相邻两个所述热电组中的一个的多个所述p型热电腿和相邻两个所述热电组中的另一个中的多个p型热电腿交错设置，且相邻两个所述热电组首尾电连接。
14.根据权利要求13所述的动态型同位素电池，其特征在于，所述热电换能组件还包括多个第一电极和多个第二电极，多个所述第一电极设置在所述热电组和所述第一绝缘导热基底之间，多个所述第二电极设在所述热电组和所述第二绝缘导热基底之间，相邻且电连接的一个所述p型热电腿和一个所述n型热电腿构成一个热电对，每个所述热电对中的所述p型热电腿和所述n型热电腿通过所述第一电极电连接，相邻两个热电对中的一个中的所述p型热电腿和相邻两个热电对中的另一个中的所述n型热电腿通过所述第二电极电连接。
15.根据权利要求13或14所述的动态型同位素电池，其特征在于，形成所述p型热电腿的材料选自p型Bi2Te3基材料、p型Sb2Se3基材料、p型Sb2Te3基材料、p型PbTe基材料、p型CoSb3基材料、p型半哈斯勒材料、p型Cu1.8S基材料和p型AgSbTe2基材料中的至少一种，
形成所述n型热电腿的材料选自n型Bi2Te3基材料、n型BiSb基材料、n型Zn4Sb3基材料、n型Mg3Sb2基材料、n型Bi2Se3基材料、n型Sb2Se3基材料、n型PbTe基材料、n型PbS基材料、n型CoSb3基材料、n型Mg2Si基材料、n型Zn4Sb3基材料、n型InSb基材料、n型半哈斯勒材料、n型氧化物材料和n型AgSbTe2基材料中的至少一种。
16.根据权利要求12所述的动态型同位素电池，其特征在于，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，所述热电换能组件上设有第一热电输出电极和第二热电输出电极，形成所述第一压电输出电极、所述第二压电输出电极、所述第一热电输出电极和所述第二热电输出电极的材料分别选自Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni和Ti中的至少一种。
17.根据权利要求1所述的动态型同位素电池，其特征在于，所述电磁泵为圆柱泵。
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