一种压电热电一体化的同位素电池的制作方法

1.本发明涉及同位素电池技术领域，具体涉及一种压电热电一体化的同位素电池。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.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。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：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。
8.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。
9.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。
10.优选的，所述热电换能组件为闭环构造或者开环构造。
11.优选的，所述压电换能组件为闭环构造或者开环构造。
12.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。
13.优选的，所述热电换能组件为多孔结构。
14.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。
15.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。
16.优选的，所述热电模块采用多孔热电材料制成。
17.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。
18.优选的，所述热电模块的孔隙率≥50%。
19.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。
20.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。
21.优选的，所述热电模块采用3d打印耦合自组装方法制成。
22.优选的，所述多孔热电材料选自多孔硫化铁（fes2）热电材料；所述热电模块的制备方法包括以下步骤：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；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；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；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；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。
23.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。
24.优选的，所述预陶瓷聚合物与1-丁醇的质量比为0.5~1.5。
25.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。
26.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。
27.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。
28.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。
29.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。
30.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。
31.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。
32.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。
33.优选的，所述放射源选自α放射源和/或β放射源。
34.优选的，所述α放射源选自
210
po、
228
th、
228
tho2、
235
u、
238
pu、
241
am、
242
cm、含
210
po的化合物、含
228
th的化合物、含
228
tho2的化合物、含
235
u的化合物、含
238
pu的化合物、含
241
am的化合物和含
242
cm的化合物中的至少一种。
35.优选的，所述β放射源选自3h、
14
c、
35
s、
63
ni、
90
sr、
90
sr/
90
y、
106
ru、
137
cs、
147
pm、
151
sm、含3h的化合物、含
14
c的化合物、含
35
s的化合物、含
63
ni的化合物、含
90
sr的化合物、含
90
sr/
90
y的化合物、含
106
ru的化合物、含
137
cs的化合物、含
147
pm的化合物和含
151
sm的化合物中的至少一种。
36.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。
37.优选的，所述惰性气体选自ar（氩）、ne（氖）和he（氦）中的至少一种。
38.本发明的有益效果：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。
附图说明
39.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的截面示意图；其中，1-外壳，2-放射源，3-热电换能组件，31-第一热电输出电极，32-第二热电输出电极，4-压电换能组件，5-散热部件，6-泄压阀，7-第一输出电极，8-第二输出电极。
具体实施方式
40.以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
41.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
42.在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本技术实施例的更透彻的解释，然而，对于本领域技术人员来讲，可以在没有这些具体细节的情况下实施例本技术的实施例是显而易见的。
43.实施例1如图1和图2所示，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1，所述封闭腔体内同时设有放射源2、热电换能组件3和压电换能组件4，封闭腔体内填充有惰性气体，使得放射源2产生的热量通过热电换能组件3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4实现换能。
44.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，且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。
45.经过多次对封闭腔体内热电换能组件和压电换能组件的布置方式进行试验得知，将热电换能组件3设置在靠近放射源2的位置，并包裹放射源2，同时将压电换能组件包裹在
热电换能组件的外周，并将热电换能组件设成多孔结构，能进一步利用惰性气体吸热膨胀挤压压电换能组件实现换能，能有效实现热能转换的最大化。在试验设计过程中，有设计将热电换能组件3和压电换能组件4并列布置在放射源2外周的，如此布置，位于压电换能组件4的热能无法得到有效利用；有将压电换能组件4布置在放射源2外周，将热电换能组件3布置在压电换能组件4的外周，如此布置，无法实现热能的充分利用。因此，为了实现热能转换效率的最大化，将同位素电池整体外形设呈圆柱体构造，外壳1的封闭腔体内沿轴线方向布置放射源2，放射源2的外周沿轴线方向布置热电换能组件3，热电换能组件3的外周沿轴线方向布置压电换能组件4，使得同位素电池沿径向方向的截面类似壳核构造，且包括核和包裹核的多层壳，其中，核为放射源2，包裹核的壳由内向外依次为热电换能组件3、压电换能组件4和外壳1，并将热电换能组件3设成多孔结构。
46.其中，沿同位素电池径向的截面上看，热电换能组件3可以是将放射源2全包围的闭环构件，也可以是将放射源2部分包围的开环构件，当热电换能组件3为开环构件时，设定热电换能组件3的截面的两端的延长线形成的夹角为r1，则r1可为0
°
~360
°
之间的任意角度，压电换能组件4可以是将热电换能组件3全包围的闭环构件，也可以是将热电换能组件3部分包围的开环构件，当压电换能组件4为开环构件时，设定压电换能组件4的截面的两端的延长线形成的夹角为r2，则r2可为0
°
~360
°
之间的任意角度。当热电换能组件3和压电换能组件4均设成闭环构造时，热电和压电的换能效率最高。
47.热电换能组件3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，多个热电模块围着放射源2周向依次分布，多个热电模块由多个p型热电腿和多个n型热电腿构成，多个p型热电腿和多个n型热电腿交替设置且依次电连接。
48.热电模块采用多孔热电材料制成，多孔热电材料选自碲化铋、硒化铋、硫化铁、钙钛矿氧化物和尖晶石氧化物中的至少一种。
49.为了既保证热电换能组件3的换能效率，同时保证压电换能组件4的换能效率，将热电模块的孔隙率设成≥50%，将热电模块的孔的形状为圆形、方形和多边形中的至少一种。
50.为了最大程度上利用电池内部与环境的温差来提高热电换能组件3的换能效率，在外壳1的外周壁上间隔设置多个散热部件5。
51.为了提高电池的安全性能，在外壳1上设置泄压阀6，泄压阀6的一端连通外壳1的封闭腔体，另一端连通大气，当封闭腔体内的压力达到设定极限值时，可通过开启泄压阀6将多余的气体排出，使得封闭腔体内的气压保持在一定的平衡范围内。
52.放射源2选自α放射源和/或β放射源。
53.α放射源选自
210
po、
228
th、
228
tho2、
235
u、
238
pu、
241
am、
242
cm、含
210
po的化合物、含
228
th的化合物、含
228
tho2的化合物、含
235
u的化合物、含
238
pu的化合物、含
241
am的化合物和含
242
cm的化合物中的至少一种；β放射源选自3h、
14
c、
35
s、
63
ni、
90
sr、
90
sr/
90
y、
106
ru、
137
cs、
147
pm、
151
sm、含3h的化合物、含
14
c的化合物、含
35
s的化合物、含
63
ni的化合物、含
90
sr的化合物、含
90
sr/
90
y的化合物、含
106
ru的化合物、含
137
cs的化合物、含
147
pm的化合物和含
151
sm的化合物中的至少一种。
54.压电换能组件4上设有第一压电输出电极7和第二压电输出电极8，第一压电输出电极7和第二压电输出电极8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。
55.惰性气体选自ar（氩）、ne（氖）和he（氦）中的至少一种。
56.本实施例中的压电热电一体化的同位素电池的工作原理为：放射源2热源向外发出热量被热电换能组件3吸收，从而产生电能，并且多余的热能会加热电池腔体内充斥的惰性气体，使得惰性气体吸热膨胀，从而挤压压电换能组件4的内侧面产生电能，实现多级发电，提高电池效率。
57.实施例2如图1和图2所示，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1，所述封闭腔体内同时设有放射源2、热电换能组件3和压电换能组件4，封闭腔体内填充有惰性气体，使得放射源2产生的热量通过热电换能组件3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4实现换能。
58.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，且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。
59.经过多次对封闭腔体内热电换能组件和压电换能组件的布置方式进行试验得知，将热电换能组件3设置在靠近放射源2的位置，并包裹放射源2，同时将压电换能组件包裹在热电换能组件的外周，并将热电换能组件设成多孔结构，能进一步利用惰性气体吸热膨胀挤压压电换能组件实现换能，能有效实现热能转换的最大化。在试验设计过程中，有设计将热电换能组件3和压电换能组件4并列布置在放射源2外周的，如此布置，位于压电换能组件4的热能无法得到有效利用；有将压电换能组件4布置在放射源2外周，将热电换能组件3布置在压电换能组件4的外周，如此布置，无法实现热能的充分利用。因此，为了实现热能转换效率的最大化，将同位素电池整体外形设呈圆柱体构造，外壳1的封闭腔体内沿轴线方向布置放射源2，放射源2的外周沿轴线方向布置热电换能组件3，热电换能组件3的外周沿轴线方向布置压电换能组件4，使得同位素电池沿径向方向的截面类似壳核构造，且包括核和包裹核的多层壳，其中，核为放射源2，包裹核的壳由内向外依次为热电换能组件3、压电换能组件4和外壳1，并将热电换能组件3设成多孔结构。
60.其中，沿同位素电池径向的截面上看，热电换能组件3可以是将放射源2全包围的闭环构件，也可以是将放射源2部分包围的开环构件，当热电换能组件3为开环构件时，设定热电换能组件3的截面的两端的延长线形成的夹角为r1，则r1可为0
°
~360
°
之间的任意角度，压电换能组件4可以是将热电换能组件3全包围的闭环构件，也可以是将热电换能组件3部分包围的开环构件，当压电换能组件4为开环构件时，设定压电换能组件4的截面的两端的延长线形成的夹角为r2，则r2可为0
°
~360
°
之间的任意角度。当热电换能组件3和压电换能组件4均设成闭环构造时，热电和压电的换能效率最高。
61.热电换能组件3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，多个热电模块围着放射源2周向依次分布，多个热电模块由多个p型热电腿和多个n型热电腿构成，多个p型热电腿和多个n型热电腿交替设置且依次电连接。
62.热电模块采用多孔热电材料制成，多孔热电材料选自碲化铋、硒化铋、硫化铁、钙
钛矿氧化物和尖晶石氧化物中的至少一种。
63.为了既保证热电换能组件3的换能效率，同时保证压电换能组件4的换能效率，将热电模块的孔隙率设成≥50%，将热电模块的孔的形状为圆形、方形和多边形中的至少一种。
64.为了最大程度上利用电池内部与环境的温差来提高热电换能组件3的换能效率，在外壳1的外周壁上间隔设置多个散热部件5。本实施例中，散热部件5为散热翅片。
65.为了提高电池的安全性能，在外壳1上设置泄压阀6，泄压阀6的一端连通外壳1的封闭腔体，另一端连通大气，当封闭腔体内的压力达到设定极限值时，可通过开启泄压阀6将多余的气体排出，使得封闭腔体内的气压保持在一定的平衡范围内。
66.放射源2选自α放射源和/或β放射源。
67.本实施例中，放射源2选自
210
po。
68.β放射源选自3h、
14
c、
35
s、
63
ni、
90
sr、
90
sr/
90
y、
106
ru、
137
cs、
147
pm、
151
sm、含3h的化合物、含
14
c的化合物、含
35
s的化合物、含
63
ni的化合物、含
90
sr的化合物、含
90
sr/
90
y的化合物、含
106
ru的化合物、含
137
cs的化合物、含
147
pm的化合物和含
151
sm的化合物中的至少一种。
69.压电换能组件4上设有第一压电输出电极7和第二压电输出电极8。
70.本实施例中，第一压电输出电极7和第二压电输出电极8的材料选自cu（铜）。
71.本实施例中，热电换能组件3上设有第一热电输出电极31和第二热电输出电极32。
72.本实施例中，惰性气体选自he（氦）。
73.本实施例中的压电热电一体化的同位素电池的工作原理为：放射源2热源向外发出热量被热电换能组件3吸收，从而产生电能，并且多余的热能会加热电池腔体内充斥的惰性气体，使得惰性气体吸热膨胀，从而挤压压电换能组件4的内侧面产生电能，实现多级发电，提高电池效率。
74.实施例3实施例1或者实施例2中的压电热电一体化的同位素电池的热电换能组件的热电模块的制备方法，包括以下步骤：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；其中，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；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；其中，预陶瓷聚合物与1-丁醇的质量比为0.5~1.5；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；其中，巯基交联剂选自季戊四醇四(3-巯基丙酸)酯，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)与1-丁醇的质量比为0.03~0.15；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；其中，丙酮与打印原料的质量比为0.2~0.5；5）在无氧环境下，对热电模块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；其中，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。
75.综上所述，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，突破了传统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、输出功率可调等优点，且环境实用性强，使用寿命较长；同时，通过将热电和压电集成为一体化设计，且无需引入外来动力，大大降低了能量损耗，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，有效提高了同位素电池的发电效率，在同位素电池技术领域，具有推广应用价值。
76.以上实施例仅是示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本技术所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本技术的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种压电热电一体化的同位素电池，其特征在于，包括具有封闭腔体的外壳（1），所述封闭腔体内设有放射源（2）、热电换能组件（3）和压电换能组件（4），所述封闭腔体内填充有惰性气体，使得放射源（2）产生的热量通过热电换能组件（3）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（4）实现换能。2.根据权利要求1所述的压电热电一体化的同位素电池，其特征在于，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（2），包裹核的壳由内向外依次为所述热电换能组件（3）、所述压电换能组件（4）和所述外壳（1），所述热电换能组件（3）和/或所述压电换能组件（4）为闭环构造或者开环构造。3.根据权利要求2所述的压电热电一体化的同位素电池，其特征在于，所述热电换能组件（3）为多孔结构；和/或所述热电换能组件（3）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（2）周向依次分布，多个热电模块由多个p型热电腿和多个n型热电腿构成，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。4.根据权利要求3所述的压电热电一体化的同位素电池，其特征在于，所述热电模块采用多孔热电材料制成，所述多孔热电材料选自碲化铋、硒化铋、硫化铁、钙钛矿氧化物和尖晶石氧化物中的至少一种。5.根据权利要求4所述的压电热电一体化的同位素电池，其特征在于，所述热电模块的孔隙率≥50%；和/或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。6.根据权利要求5所述的压电热电一体化的同位素电池，其特征在于，所述多孔热电材料选自多孔硫化铁热电材料；所述热电模块的制备方法包括以下步骤：将聚合硫酸铁与由聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯酸正丁酯组成的共聚物混合制成预陶瓷聚合物；2）将预陶瓷聚合物与1-丁醇混合加热，搅拌溶解，形成预制打印原料；3）向预制打印原料中加入巯基交联剂和光引发剂，加热，搅拌溶解形成打印原料；4）将丙酮加入打印原料中，得混合液，并进行打印成型，得到热电模块初品；5）在无氧环境下，对热电模块初品进行光聚合和热分解处理，获得热电模块成品。7.根据权利要求1至权利要求6任一项所述的压电热电一体化的同位素电池，其特征在于，所述外壳（1）的外周壁上还间隔设有散热部件（5）；和/或所述外壳（1）上还设有泄压阀（6）。8.根据权利要求1至权利要求6任一项所述的压电热电一体化的同位素电池，其特征在于，所述放射源（2）选自α放射源和/或β放射源。9.根据权利要求8所述的压电热电一体化的同位素电池，其特征在于，所述α放射源选自
210
po、
228
th、
228
tho2、
235
u、
238
pu、
241
am、
242
cm、含
210
po的化合物、含
228
th的化合物、含
228
tho2的化合物、含
235
u的化合物、含
238
pu的化合物、含
241
am的化合物和含
242
cm的化合物中的至少一种；和/或所述β放射源选自3h、
14
c、
35
s、
63
ni、
90
sr、
90
sr/
90
y、
106
ru、
137
cs、
147
pm、
151
sm、含3h的化合物、
含
14
c的化合物、含
35
s的化合物、含
63
ni的化合物、含
90
sr的化合物、含
90
sr/
90
y的化合物、含
106
ru的化合物、含
137
cs的化合物、含
147
pm的化合物和含
151
sm的化合物中的至少一种。10.根据权利要求1至权利要求6任一项所述的压电热电一体化的同位素电池，其特征在于，所述压电换能组件（4）上设有第一压电输出电极（7）和第二压电输出电极（8），所述第一压电输出电极（7）和第二压电输出电极（8）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；和/或所述惰性气体选自ar（氩）、ne（氖）和he（氦）中的至少一种。

技术总结
本发明涉及一种压电热电一体化的同位素电池。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。本发明解决了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。靠性差和能损较大的问题。靠性差和能损较大的问题。


技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：中子高新技术产业发展（重庆）有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/20