專利名稱:復(fù)合式儲能同位素電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于能源范疇，更具體涉及一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置。是利用 能發(fā)射a或|3的放射性元素，通過轉(zhuǎn)換效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能，這種電池可以實現(xiàn)瞬時或一段 時間的大電流放電，可廣泛用于民用、軍用等各行各業(yè)，如便攜式電器(如手機(jī)、手提電腦 等)、電動車電池等。
背景技術(shù)：
面對當(dāng)前波及全世界的金融危機(jī)，各國經(jīng)濟(jì)學(xué)家、金融企業(yè)家和學(xué)者，都認(rèn)識到要 發(fā)展新能源和加強(qiáng)國際合作和交流。21世紀(jì)是能源和環(huán)保的時代，也是石油和天然氣即將 枯竭的世紀(jì)！核能將成為主要能源。因此，21世紀(jì)將是核能篷勃發(fā)展的時代，據(jù)統(tǒng)計，我國 現(xiàn)有11臺核電機(jī)組一直保持安全運行，未來10年中美兩國新建核電站數(shù)量將占世界一半。 截止2001年年底，全世界正在運行的核電站共有438座，總發(fā)電量為353千兆瓦。但專家 們同時還指出，全世界核燃料在反應(yīng)堆里只消耗了 3%的鈾之后就被當(dāng)做"廢物"處理！每 年要產(chǎn)生成千上萬噸這樣的"廢物"，因為這些廢物"不廢，所以人們稱其為乏燃料。這些乏 燃料一直是被深深的埋藏在偏僻的地方，等待它們的是萬年的漫長衰變期。這是很大的浪 費。如果找到了合理的解決辦法，將乏燃料這座寶庫充分利用起來，應(yīng)該是人們的訴求。在 能源短缺的當(dāng)代，人們想了許多辦法、花了許多財力和物力來開發(fā)新能源，可是開發(fā)利用乏 燃料這個金礦的力度卻很不夠。
如果將乏燃料中的有用元素應(yīng)用于同位素電池的開發(fā)、生產(chǎn)，那么同位素電池的 原料不盡來源豐富，而且價格便宜。因此，這是很有意義的事，人們一定會樂見其成。這也 是變廢為寶、造福人類的一條途經(jīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是在于提供了一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置，結(jié)構(gòu)簡單，使 用方便。本裝置稱為復(fù)合式的含義，從大的方面來講，是將同位素和可充電儲能裝置聯(lián)合起 來應(yīng)用，充分吸收能量，盡可能多的產(chǎn)生電能，可滿足變工況的使用要求，提高了核能的有 效利用率，擴(kuò)展了核電池的應(yīng)用領(lǐng)域；小的方面來說，一些主要部件如電能發(fā)生部件、可 充電儲能部件等也是復(fù)合件。
為了達(dá)到上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)措施
本裝置是利用同位素作為原動力的一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置
本裝置共有13部分組成包括同位素?zé)嵩?、熱源包殼、電能發(fā)生部件、可充電儲能
部件、導(dǎo)熱件、和導(dǎo)熱散熱翅、陰極、陽極、外殼、絕熱層、絕緣膜、頂蓋、絕熱層。該裝置為圓
柱或扁圓形或方形或長方形，由同位素?zé)嵩春蜔嵩窗鼩?gòu)成的同位素?zé)嵩唇M件、電能發(fā)生
部件、可充電儲能部件與由導(dǎo)熱管和導(dǎo)熱散熱翅組成的導(dǎo)熱散熱組件成垂直放置；同位素
熱源通過焊接密封在與不銹鋼熱源包殼中并固定于凹形真空絕熱件中；
凹形真空絕熱件的熱面對中緊貼于電能發(fā)生部件上面，凹形真空絕熱件四周和上面放上彈性納米隔熱材料構(gòu)成絕熱層；可充電儲能部件通過壓貼在凹形真空絕熱件的上 方，絕熱層覆蓋于凹形真空絕熱件四周和上面；
陽極插在可充電儲能部件上方；導(dǎo)熱件和導(dǎo)熱散熱翅緊貼在電能發(fā)生部件下方； 陰極處于電能發(fā)生部件下方，導(dǎo)熱管和導(dǎo)熱散熱翅通過焊接插入陰極孔連接。連接成整體 的同位素?zé)嵩唇M件、電能發(fā)生部件、可充電儲能部件和導(dǎo)熱散熱組件通過絕緣膜緊密包裹 后從下裝入鋁合金外殼中，頂蓋與外殼壓緊牢固連接，頂蓋中間開有陽極露頭的孔，陽極和 頂蓋之間以環(huán)氧樹脂絕緣粘接。
所述的同位素?zé)嵩春桶夹握婵战^熱件的熱面一側(cè)處于同一個水平面上。 所述的凹形真空絕熱件是由雙層拋光不銹鋼抽真空制成。
所述的可充電儲能部件是一種超級電容器組合件。
所述的陰極有通氣孔或制成網(wǎng)格狀帶散熱棱的結(jié)構(gòu)，陰極開有供導(dǎo)熱散熱組件插 腳的孔。
所述的陽極采用紫銅柱制成。
所述的外殼是用鋁合金制成的有托底圈的圓筒，周壁帶有通氣孔，或制成網(wǎng)籠。 同位素?zé)嵩春蜔嵩窗鼩?gòu)成的同位素?zé)嵩唇M件、電能發(fā)生部件、可充電儲能部件 與由導(dǎo)熱管和導(dǎo)熱散熱翅組成的導(dǎo)熱散熱組件成垂直放置。
同位素?zé)嵩词欠派湫圆牧?，熱源包殼是不銹鋼材料，同位素?zé)嵩词且话惴勰畹模?通過高壓將其壓進(jìn)包殼內(nèi)的，然后在用專用電子束焊機(jī)焊接密封，經(jīng)檢測無任何泄漏后，放 置于凹形真空絕熱件中。凹形真空絕熱件是由雙層拋光不銹鋼抽真空制成。這種真空件可 以保持長久真空，以和放射性熱源的長壽命相匹配，拋光面對熱還有反射作用，增強(qiáng)絕熱作 用，對a和13射線等也起屏蔽作用。
同位素?zé)嵩纯筛鶕?jù)不同需要，采用半衰期在100年內(nèi)的a源或|3源，選用原則是 源的半衰期要和可充電儲能部件的壽命相匹配。
采用放射性同位素發(fā)出的a或|3射線的同位素源產(chǎn)生熱能，作為動力源。(本文 所述的同位素如未加說明均指放射性同位素)，本裝置所采用的同位素一般是放射a或|3 射線，只有在無人值守的場合，才采用某些伴隨較強(qiáng)輻射的同位素。根據(jù)不同用途，可以選 用短半衰期或長半衰期的同位素。如，Po，盡管半衰期短，只有138.4天，但它發(fā)出的比功 率大，達(dá)141. 43瓦/克，所以很有利用價值，從這點來說，即使半衰期再短的核素，只要和儲 能裝置結(jié)合起來應(yīng)用，就可以充分吸收它的能量，將釋放的能量存儲起來留待使用，或可以 延長它的使用壽命，而不至于浪費。這就為如何利用短半衰期元素的能量提出的一條新思 路。但目前， 一些核素，往往因半衰期短而不被核電池所選用。再如一些能量比較弱的核素， 如147Pm，它的比功率只有0. 333瓦/克，但它的半衰期適中，達(dá)2. 63年，很適合做核電池，如 果和儲能裝置結(jié)合，就可以用在手機(jī)等使用工況變化大，功率差別比較大的電器上，而且使 用壽命至少可以延長一倍等等。所以本裝置采用復(fù)合式儲能裝置是很有實用價值的，有許 多原本不能選用的核素，都可以入選做同位素電池。
電能發(fā)生部件是一種溫差電轉(zhuǎn)換材料，是由多個溫差電單體根據(jù)電壓、電流需要， 通過串并聯(lián)集成的組件，可以根據(jù)熱面的溫度需要采用轉(zhuǎn)換效率好的低溫或中溫溫差電材 料，或聯(lián)合應(yīng)用。電能發(fā)生部件是根據(jù)熱源的表面溫度，采用低溫、中溫或高溫溫差電材料 組成。低溫區(qū)(熱端溫度在30(TC以下至室溫附近)采用Bi2Te3基合金，中溫區(qū)(熱端溫度在600°C以下至300°C )采用PbTe基合金，高溫區(qū)(熱端溫度在60(TC至IIO(TC )采用 SiGe基合金。按照溫度梯度設(shè)置溫差電材料可以提高轉(zhuǎn)換效率。由于溫差電材料所提供的 電壓和冷熱端溫差有關(guān)，如溫差rC時單體材料提供lmv電壓，IO個單體串聯(lián)成一片，在溫 差l(TC時，可得到0. lv電壓，10片串聯(lián)就得到lv電壓。如要增加電流就采取并聯(lián)方式，如 此達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。
可充電儲能部件采用雙電層碳納米管超級電容器和鋰離子可充電池組合而成。超 級電容器可以通過十分鐘以下的短時大電流工況，如果大電流工況超過10分鐘，需要加配 鋰離子可充電池。電路首先給超級電容器充電，待充滿后再給鋰離子可充電池充電。設(shè)計 上要滿足短時高峰所需的功率和時間的要求(有些場合可與電池并聯(lián)使用，以加大能量密 度，如用在電動車上)；同位素電源充電是一種涓流充電，很適合對超級電容器充電。絕熱 層采用效果比較好的彈性納米絕熱材料。
導(dǎo)熱散熱組件由導(dǎo)熱管和導(dǎo)熱散熱翅組成，是一種翅形散熱器。導(dǎo)熱管采用薄壁 紫銅管，散熱翅采用紫銅薄片，焊在導(dǎo)熱管上。電能發(fā)生部件下方冷面?zhèn)鱽淼臒幔饕峭?過它傳遞到環(huán)境中去的。陰極是電池的底，同時也起散熱作用。導(dǎo)熱件和導(dǎo)熱散熱翅插入 陰極孔中焊好。
包裹在整體外面、緊貼外殼內(nèi)壁的絕緣層，可以采用PVC塑料膜或環(huán)氧樹脂或噴 涂氧化鋁，導(dǎo)線在絕緣層內(nèi)壁穿越。陽極、可充電儲能部件、同位素?zé)嵩唇M件、電能發(fā)生部 件、導(dǎo)熱散熱組件、陰極層層疊放，形成整體。 一起放置在絕緣的塑料外殼和頂蓋中，頂蓋中 間開有陽極露頭的孔。
本裝置的技術(shù)原理是放射性同位素源是核心部分，它不斷衰變發(fā)出熱能；緊貼 同位素?zé)崦娴氖菧夭铍姴牧?，在這里將衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成電能；溫差發(fā)電的基本條件 是要有溫差，所以在溫差電材料的冷面有散熱器，通過它拉大溫差電材料冷熱面的溫差；放 射性同位素源四周被包殼、絕熱材料、絕緣材料、外殼、溫差電材料、可充電儲能部件、陰極、 陽極等材料層層密封包裹，這些結(jié)構(gòu)可以有效屏蔽隔離a和|3射線，防止射線泄漏到殼體 外。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和效果
本裝置除了具有一般核電池高效、長壽、比能量高、安全、經(jīng)濟(jì)、用途廣泛等優(yōu)點 外，本實用新型還可以將低耗電工況下多余的核電能收集起來，再用于時間較短的高耗電、 大電流工況，這樣就可以充分利用同位素不間斷發(fā)出的衰變能量，節(jié)省了貴重的同位素材 料使用量，還能在不增加裝置體積和重量的情況下，把同位素原本發(fā)出的弱電，用于短時需 要強(qiáng)電的場合，大大擴(kuò)展了同位素電池的用途，提高了同位素源的有效利用率和裝置的總 效率。使同位素產(chǎn)生的能量盡可能多變成有效電能。這種同位素和可充電儲能相結(jié)合的裝 置，如果設(shè)計得好，甚至可以充分吸干同位素源發(fā)出的能量變成電能，為人類所用。


圖1為一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的俯視圖。
圖3為一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置工作原理示意圖
其中[0031]
l-陽極、2-頂蓋、3-外殼、4-可充電儲能部件、5-絕熱層(上海比赫公司生產(chǎn)的彈 性納米絕熱材料)、6-絕緣膜(PVC塑料膜)、7-導(dǎo)熱管(非標(biāo)準(zhǔn)件)、8-陰極、9_真空絕熱 件(非標(biāo)準(zhǔn)件)、10-同位素?zé)嵩?非標(biāo)準(zhǔn)件)、11-熱源包殼、12-電能發(fā)生部件、13-導(dǎo)熱 散熱翅(非標(biāo)準(zhǔn)件)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步描述
本裝置共有13部分組成包括同位素?zé)嵩?0、熱源包殼11、電能發(fā)生部件12、可 充電儲能部件4、導(dǎo)熱件7、和導(dǎo)熱散熱翅13、陰極8、陽極1、外殼3、絕熱層5、絕緣膜6、頂 蓋2、絕熱層5。
本裝置由同位素?zé)嵩?0和熱源包殼11構(gòu)成的同位素?zé)嵩唇M件、電能發(fā)生部件12、 可充電儲能部件4與由導(dǎo)熱件7和導(dǎo)熱散熱翅13導(dǎo)熱散熱組件構(gòu)成并垂直放置。 工作原理見圖3。以應(yīng)用于手機(jī)電池系統(tǒng)的場合為例，其工作原理描述如下平 時，手機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)時，電能發(fā)生部件12產(chǎn)生的電能除維持手機(jī)待機(jī)狀態(tài)外，同時將多 余的電能存儲在可充電儲能部件4中；當(dāng)手機(jī)處于通話、發(fā)信息等狀態(tài)時，需要提供較大 的電流，這時根據(jù)按鍵的指令，通過手機(jī)控制器，由可充電儲能部件4提供所需的電能。這 樣，就可以合理利用同位素資源。如根據(jù)手機(jī)輻射對人體危害的分析，每天通話時間不宜超 過1小時，本裝置同位素用量如按2小時計算，設(shè)置可充電儲能部件后，同位素用量可減少 11/12。
根據(jù)圖1、圖2可知，一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置，該裝置包括同位素?zé)嵩?0、 電能發(fā)生部件12、可充電儲能部件4、陰極8、陽極1、其特征在于該裝置為圓柱形或扁圓 形或方形或長方形，由同位素?zé)嵩碔O和熱源包殼11構(gòu)成的同位素?zé)嵩唇M件，電能發(fā)生部件 12、可充電儲能部件4與由導(dǎo)熱管7和導(dǎo)熱散熱翅13組成的導(dǎo)熱散熱組件成垂直放置，儲 能部件4與導(dǎo)熱散熱組件之間有導(dǎo)熱硅脂粘合。
同位素?zé)嵩碔O通過焊接密封在與不銹鋼熱源包殼11中并固定于凹形真空絕熱件 9中；
凹形真空絕熱件9的熱面對中緊貼于電能發(fā)生部件12上面，凹形真空絕熱件9四 周和上面放上彈性納米隔熱材料構(gòu)成絕熱層5 ;
可充電儲能部件4通過壓貼在凹形真空絕熱件9的上方，絕熱層5覆蓋于凹形真 空絕熱件9四周；
陽極1插在可充電儲能部件12上方；
導(dǎo)熱件7和導(dǎo)熱散熱翅13緊貼在電能發(fā)生部件12下方；
陰極8處于電能發(fā)生部件12下方，導(dǎo)熱件7和導(dǎo)熱散熱翅13通過焊接插入陰極 8孔連接；
連接成整體的同位素?zé)嵩唇M件、電能發(fā)生部件12、可充電儲能部件4和導(dǎo)熱散熱
組件通過絕緣膜6緊密包裹后從下裝入鋁合金外殼3中，頂蓋2與外殼3連接，頂蓋2中間
開有陽極1露頭的孔，陽極1和頂蓋2之間以環(huán)氧樹脂絕緣粘接。
同位素?zé)嵩?0和凹形真空絕熱件9的熱面一側(cè)處于同一個水平面上。
凹形真空絕熱件9是由雙層拋光不銹鋼抽真空制成。
可充電儲能部件4是一種超級電容器組合件。[0048] 陰極8有通氣孔或制成網(wǎng)格狀帶散熱棱的結(jié)構(gòu)，陰極8開有供導(dǎo)熱散熱組件插腳 的孔。
陽極l采用紫銅柱制成。
外殼3是用鋁合金制成的有托底圈的圓筒，周壁帶有通氣孔，或制成網(wǎng)籠。
本裝置的組裝順序是首先把導(dǎo)熱管7和導(dǎo)熱散熱翅13插入陰極8孔中焊好；然
后把電能發(fā)生部件12放在上面貼緊對中；同位素?zé)嵩?0放置在凹形真空絕熱件9中并固
定牢，然后在其熱面上緊貼電能發(fā)生部件12并對中；在電能發(fā)生部件12上下兩平面上要均
勻涂一薄層導(dǎo)熱硅脂，以便達(dá)到粘接貼緊的目的。將凹形真空絕熱件9四周和上面放上彈
性隔熱材料構(gòu)成絕熱層5，將可充電儲能部件4壓上，測量壓實后的高度，要符合規(guī)定安裝
尺寸。陽極1插入可充電儲能部件12預(yù)留的孔中，連接好導(dǎo)線，仔細(xì)檢查電池是否能正常工
作，無疑問后再用環(huán)氧樹脂等絕緣粘接劑從上到下把各部件粘成一個整體，然后用絕緣膜6
緊密包裹牢。包裹好的整體經(jīng)檢測合格后，從下裝入鋁合金外殼3中，然后蓋上頂蓋2，壓緊
后將頂蓋2和外殼3連接牢，注意陽極1和頂蓋2之間要用環(huán)氧樹脂粘接絕緣。至此，組裝
工作完成。
7
權(quán)利要求
一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置，包括同位素?zé)嵩?10)、電能發(fā)生部件(12)、可充電儲能部件(4)、陰極(8)、陽極(1)、其特征在于該裝置為圓柱、扁圓、方形或長方形，由同位素?zé)嵩?10)和熱源包殼(11)構(gòu)成的同位素?zé)嵩唇M件，電能發(fā)生部件(12)、可充電儲能部件(4)與由導(dǎo)熱管(7)和導(dǎo)熱散熱翅(13)構(gòu)成的導(dǎo)熱散熱組件成垂直放置；所述的同位素?zé)嵩?10)通過電子束焊機(jī)焊接密封在與不銹鋼熱源包殼(11)中并固定于凹形真空絕熱件(9)中；所述的凹形真空絕熱件(9)的熱面對中緊貼于電能發(fā)生部件(12)上面，凹形真空絕熱件(9)四周和上面放上彈性納米隔熱材料構(gòu)成絕熱層(5)；所述的電能發(fā)生部件(12)采用低溫或中溫或高溫溫差電材料，熱端溫度在300℃以下至室溫低溫區(qū)采用Bi2Te3基合金，熱端溫度在600℃以下至300℃中溫區(qū)采用PbTe基合金，熱端溫度在600℃至1100℃高溫區(qū)采用SiGe基合金；所述的可充電儲能部件(4)采用雙電層碳納米管超級電容器，可充電儲能部件(4)壓貼在凹形真空絕熱件(9)的上方，絕熱層(5)覆蓋于凹形真空絕熱件(9)的四周；所述的陽極(1)插在可充電儲能部件(12)上方，陰極(8)處于電能發(fā)生部件(12)下方；所述的導(dǎo)熱件(7)和導(dǎo)熱散熱翅(13)通過焊接插入陰極(8)孔連接，緊貼在電能發(fā)生部件(12)下方；所述的的同位素?zé)嵩唇M件、電能發(fā)生部件(12)、可充電儲能部件(4)和導(dǎo)熱散熱組件通過絕緣膜(6)包裹裝入鋁合金外殼(3)中，頂蓋(2)中間開有陽極(1)露頭的孔，陽極(1)通過環(huán)氧樹脂絕緣粘接與頂蓋(2)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置，其特征在于所述的陰極 (8)有通氣孔或制成網(wǎng)格狀帶散熱棱的結(jié)構(gòu)，陰極(8)開有供導(dǎo)熱散熱組件插腳的孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置，其特征在于散熱翅(13) 采用紫銅薄片，焊在導(dǎo)熱管(7)上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置，其特征在于所述的陽極 (1)采用紫銅柱制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置，其特征在于外殼(3)是用鋁合金制成的有托底圈的圓筒，周壁帶有通氣孔，或制成網(wǎng)籠。
專利摘要
本實用新型公開了一種復(fù)合式儲能同位素電池裝置，該裝置又可稱復(fù)合式儲能核電池裝置，其組成包括同位素?zé)嵩?、電能發(fā)生部件、可充電儲能部件、導(dǎo)熱管、和導(dǎo)熱散熱翅、陰極、陽極、外殼、絕熱層、絕緣膜等。由放射性同位素源不斷衰變發(fā)出熱能，通過散熱器拉大溫差電材料冷熱面的溫差，使溫差電材料將衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成電能。本實用新型可以將低耗電工況下多余的電能收集起來，用于時間較短的高耗電、大電流工況，還能在不增加裝置體積和重量的情況下，把同位素原本發(fā)出的弱電，用于短時需要強(qiáng)電的場合，大大擴(kuò)展了同位素電池的用途，提高了同位素源的有效利用率和裝置的總效率。
文檔編號G21H1/00GKCN201536015SQ200920228635
公開日2010年7月28日 申請日期2009年9月29日
發(fā)明者楊京明, 楊培德 申請人:楊京明導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan