CN108053911B

CN108053911B - 辐射电离-离子渗透复合式同位素电池及其制备方法

Info

Publication number: CN108053911B
Application number: CN201711066332.XA
Authority: CN
Inventors: 何佳清; 周毅; 李公平; 张世旭; 冯丹; 鄂得俊; 孙鑫
Original assignee: Southern University of Science and Technology
Current assignee: Shenzhen Thermoelectricity New Energy Technology Co ltd
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2037-11-02
Also published as: CN108053911A

Abstract

本发明公开了辐射电离‑离子渗透复合式同位素电池及其制备方法，该同位素电池包括：壳体，其内限定有密闭腔室；渗透膜，其设置在密闭腔室内，且将密闭腔室在水平方向上分隔成正极腔室和负极腔室，正极腔室和负极腔室内填充有电解质溶液；放射源，其设置在所述负极腔室内；正极和负极；缓冲垫，其包裹在壳体的外表面上；内封装层，其包裹在所述缓冲垫的外表面上；外封装层，其包裹在内封装层的外表面上，外封装层与正极和负极之间设置有绝缘环。该同位素电池能够突破传统静态型同位素电池存在单一换能、能损较大的技术瓶颈，具有能量转换效率高、输出功率大、工作稳定性好等特点。

Description

辐射电离-离子渗透复合式同位素电池及其制备方法

技术领域

本发明属于渗透能发电、化学电池与同位素电池领域，具体涉及辐射电离-离子渗透高性能复合式同位素电池及其制备方法。

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。放射性同位素电池，简称同位素电池，其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。

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，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可分为四类：①静态型热电式(直接收集、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、外中子源驱动式)同位素电池；④特殊换能机理(辐射发光、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、射流驱动压电式)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10％(http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php？feature＝6646)，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与低功率电子器件方面的应用，且随着宽禁带半导体与多维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。

因此，现有同位素电池的换能结构仍有待进一步改进，以提高电池的换能效率与工作稳定性，扩大应用环境。

发明内容

本发明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，本发明的一个目的在于提出辐射电离-离子渗透复合式同位素电池及其制备方法。该同位素电池能够突破传统静态型同位素电池存在单一换能、能损较大的技术瓶颈，具有能量转换效率高、输出功率大、工作稳定性好等特点。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种辐射电离-离子渗透复合式同位素电池。根据本发明的实施例，该同位素电池包括：壳体，所述壳体具有顶盖，所述壳体内限定有密闭腔室；渗透膜，所述渗透膜设置在所述密闭腔室内，且将所述密闭腔室在水平方向上分隔成正极腔室和负极腔室，所述正极腔室和所述负极腔室内填充有电解质溶液；放射源，所述放射源设置在所述负极腔室内；顶盖，所述顶盖设置于所述正极腔室上表面和所述负极腔室上表面；正极，所述正极设置在所述正极腔室内，且所述正极的一端伸出所述顶盖；负极，所述负极设置在所述负极腔室内，且所述负极的一端伸出所述顶盖；缓冲垫，所述缓冲垫包裹在所述壳体和所述顶盖的外表面上；内封装层，所述内封装层包裹在所述缓冲垫的外表面上；以及外封装层，所述外封装层包裹在所述内封装层的外表面上，所述外封装层与所述正极和所述负极之间设置有绝缘环。

根据本发明实施例的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池能够突破传统静态型同位素电池存在单一换能、能损较大的技术瓶颈，具有能量转换效率高、输出功率大、工作稳定性好等特点。

另外，根据本发明上述实施例的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述壳体呈正棱柱状、棱柱状、圆柱状或椭圆柱状。

在本发明的一些实施例中，所述放射源为放射性同位素镀层。

在本发明的一些实施例中，所述放射性同位素镀层形成在所述负极腔室的内壁上，优选地，形成在与所述渗透膜相对的侧壁上。

在本发明的一些实施例中，所述放射源为α放射源，所述α放射源为选自²¹⁰Po、Gd²¹⁰Po、²¹⁰Po(RE)、²¹⁰Po(RE)₃、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。

在本发明的一些实施例中，所述放射源为β放射源，所述β放射源为选自Sc³H₂、(C₄H₃ ³H₅-)_n、¹⁴C、³⁵S、⁶³Ni、⁹⁰Sr、⁹⁰Sr/⁹⁰Y、⁹⁰SrTiO₃、¹⁰⁶Ru、¹³⁷Cs、¹³⁷CsCl、¹⁴⁴Ce、¹⁴⁴CeO₂、¹⁴⁷Pm、¹⁴⁷Pm₂O₃和¹⁵¹Sm中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，所述壳体为聚乙烯壳体，所述渗透膜为MoS₂选择性透过膜，所述电解质溶液为KOH溶液或NaOH溶液，所述正极和所述负极由Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti形成。

在本发明的一些实施例中，所述缓冲垫由碳纤维形成，所述内封装层由石墨-环氧树脂导热复合材料形成，所述外封装层由FeNi可伐合金形成。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备上述实施例的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)提供壳体；(2)在所述壳体内设置渗透膜，以便将所述壳体内在水平方向上分隔成正极腔室和负极腔室；(3)在所述负极腔室内设置放射源，并分别向所述正极腔室和所述负极腔室内注入电解质溶液，在所述正极腔室上表面和所述负极腔室上表面设置顶盖；(4)在所述正极腔室内设置正极，并使所述正极的一端伸出所述顶盖，在所述负极腔室内设置负极，并使所述负极的一端伸出所述顶盖；(5)在所述壳体和所述顶盖的外表面上包裹缓冲垫；(6)在所述缓冲垫的外表面上设置内封装层；以及(7)在所述内封装层的外表面上包裹外封装层，并在所述外封装层与所述正极和所述负极之间设置绝缘环，以便获得所述辐射电离-离子渗透复合式同位素电池。

由此，根据本发明实施例的制备辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法制备得到的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池能够突破传统静态型同位素电池存在单一换能、能损较大的技术瓶颈，具有能量转换效率高、输出功率大、工作稳定性好等特点。

另外，根据本发明上述实施例的制备辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述放射源通过电镀方式形成在所述负极腔室的内壁上。

在本发明的一些实施例中，所述内封装层通过将包裹所述缓冲垫的壳体放置在模具内，并灌注内封装材料，待固化成型后形成。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的结构俯视图；

图3是根据本发明一个实施例的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的渗透膜固定结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的制备辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法流程示意图；

图5是根据本发明一个实施例的制备辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法流程示意图；

图6是根据本发明一个实施例的制备辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法流程示意图；

图7是根据本发明一个实施例的制备辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法流程示意图；

图8是根据本发明一个实施例的制备辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法流程示意图；

图9是根据本发明一个实施例的制备辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法流程示意图；

图10是根据本发明一个实施例的制备辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法流程示意图。

附图标记说明：

1-放射源；2-电解质溶液；3-渗透膜；4-壳体；5-缓冲垫；6-内封装层；7-顶盖；8-正极；9-外封装层；10-绝缘环；11-负极；12-六角螺钉。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“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，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。

在本发明中，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。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种辐射电离-离子渗透复合式同位素电池。根据本发明的实施例，参考图1～图3，该同位素电池包括：壳体4、渗透膜3、放射源1、正极8、负极11、缓冲垫5、内封装层6、外封装层9和绝缘环10。其中，壳体4上采用六角螺钉12固定有顶盖7，壳体4内限定有密闭腔室；渗透膜3设置在密闭腔室内，且将密闭腔室在水平方向上分隔成正极腔室和负极腔室，正极腔室和负极腔室内填充有电解质溶液2；放射源1设置在负极腔室内；正极8设置在正极腔室内，且正极8的一端伸出顶盖7；负极11设置在负极腔室内，且负极11的一端伸出顶盖7；缓冲垫5包裹在壳体4的外表面上；内封装层6包裹在缓冲垫5的外表面上；外封装层9包裹在内封装层6的外表面上，外封装层9与正极8和负极11之间设置有绝缘环10。

根据本发明的实施例，放射性同位素发生衰变所释放出的射线入射到换能组件中，射线的能量转化为离子与自由基的能量，通过外加电极对不同极性离子与自由基的能量进行收集实现放射源衰变能向电能的转化。同理，本发明的辐射电离-离子渗透高性能复合式同位素电池实现电学输出的过程可以依次描述为：放射源1的放射性同位素衰变时释放出的粒子将电解质溶液2电离产生离子与自由基，渗透膜3选择性地透过一定极性的离子与自由基，通过外加正极8和负极11对电解质溶液2中离子与自由基进行选择性收集实现电能输出。

本发明提供的同位素电池通过采用电解质溶液2、渗透膜3为换能材料，有效突破了传统静态型同位素电池存在单一换能、能损较大的技术瓶颈，同时较大程度地提升了静态型同位素电池的能量转换效率，具有能量转换效率高、输出功率大、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。

根据本发明的具体实施例，壳体4可以呈正棱柱状、棱柱状、圆柱状或椭圆柱状。由此，可以进一步提高同位素电池的适用范围。

根据本发明的具体实施例，放射源1可以为放射性同位素镀层。

根据本发明的具体实施例，放射性同位素镀层形成在所述负极腔室的内壁上，优选地，放射性同位素镀层形成在与渗透膜3相对的侧壁上。由此，可以进一步增大电解质溶液2中不同极性离子与自由基的浓度差异，方便正极8与负极11进行离子与自由基收集，从而提高同位素电池的能量转换效率。

根据本发明的具体实施例，放射源1可以为α放射源，且α放射源可以为选自²¹⁰Po、Gd²¹⁰Po、²¹⁰Po(RE)、²¹⁰Po(RE)₃、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。

根据本发明的具体实施例，放射源1可以为β放射源，且β放射源为选自Sc³H₂、(C₄H₃ ³H₅-)_n、¹⁴C、³⁵S、⁶³Ni、⁹⁰Sr、⁹⁰Sr/⁹⁰Y、⁹⁰SrTiO₃、¹⁰⁶Ru、¹³⁷Cs、¹³⁷CsCl、¹⁴⁴Ce、¹⁴⁴CeO₂、¹⁴⁷Pm、¹⁴⁷Pm₂O₃和¹⁵¹Sm中的至少一种。

根据本发明的具体实施例，壳体4与顶盖7的材料可以相同，为聚乙烯材料；渗透膜3可以为MoS₂选择性透过膜，电解质溶液2可以为KOH溶液或NaOH溶液，正极8和负极11可以由Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti形成。MoS₂选择性透过膜可以进行溶液中不同极性离子与自由基的高效萃取分离，方便正极8和负极11进行离子收集；KOH溶液或NaOH溶液在放射源1电离环境下容易形成不同极性的自由基与离子，增大了电解质溶液2中的电荷密度，提高了电池能量密度，减小了电池换能材料的辐照损伤。

根据本发明的具体实施例，缓冲垫5可以由碳纤维形成，内封装层6可以由石墨-环氧树脂导热复合材料形成，外封装层9可以由FeNi可伐合金形成。碳纤维材质的缓冲垫5具有良好的导热性与电磁屏蔽，并可以缓冲电池结构内部的热膨胀应力与机械挤压；石墨-环氧树脂导热复合材料材质的内封装层6与FeNi可伐合金材质的外封装层9进一步保护电池内部结构，增大电池外部抗撞击能力，使得电池可以用于多种恶劣环境。

根据本发明的具体实施例，绝缘环10可以由SiO₂、硅胶或环氧树脂形成。

如上所述，根据本发明实施例的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池可以具有选自下列的优点至少之一：

1、本发明采用电解质溶液、渗透膜等方式实现级联梯级换能，增大了电池的电流密度，较大程度地提高了电池能量转化效率，满足能源低碳环保、集成高效、经济普适的要求。

2、本发明采用的电解质溶液为换能介质，避免了换能材料的辐照损伤，并对射线起到屏蔽作用，进一步提高了电池的安全性。

3、本发明采用缓冲垫对电池内部换能组件与电池电极连接处、电池换能结构外表面进行绝热粘结，有助于缓冲放射源与换能组件等电池内部结构存在的机械挤压与热应力，提高电池稳定性，并且更好的工作于各种恶劣环境。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备上述实施例的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)提供壳体；(2)在壳体内设置渗透膜，以便将壳体内在水平方向上分隔成正极腔室和负极腔室；(3)在负极腔室内设置放射源，并分别向正极腔室和负极腔室内注入电解质溶液，在正极腔室上表面和负极腔室上表面设置顶盖；(4)在正极腔室内设置正极，并使正极的一端伸出顶盖，在负极腔室内设置负极，并使负极的一端伸出顶盖；(5)在壳体和顶盖的外表面上包裹缓冲垫；(6)在缓冲垫的外表面上设置内封装层；以及(7)在内封装层的外表面上包裹外封装层，并在外封装层与正极和负极之间设置绝缘环，以便获得辐射电离-离子渗透复合式同位素电池。

根据本发明的具体实施例，放射源可以通过电镀方式形成在所述负极腔室的内壁上。

根据本发明的具体实施例，内封装层可以采用模具灌装法形成。具体地，内封装层可以通过将包裹有缓冲垫的壳体放置在模具内，并灌注内封装材料，待固化成型后形成。

根据本发明的具体实施例，本发明实施例的制备辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法可以包括制备换能结构、灌装内封装材料与制备外封装层；具体步骤如下：

(1)制备换能结构

a、选用确定形状的壳体，移去顶盖，在壳体沿长边方向的一端侧壁电镀放射性同位素薄膜作为放射源；

b、在壳体沿长边方向的中央位置保持同放射源平行方向固定渗透膜，并在壳体中注入电解质溶液；

c、采用六角螺钉将顶盖同壳体密封，将正极与负极分别固定于壳体的渗透膜两侧，接缝处采用高温密封胶密封，在壳体外表面包裹缓冲垫，完成电池坯体制造。

(2)灌装内封装材料与制备外封装层

a、采用模具灌装法用内封装材料将组配完成的电池坯体灌装封闭，室温下放置十二小时以上固化成型，制备完成内封装层；

b、在内封装层表面固定包覆外封装层材料，接口处用密封胶固定，制备外封装层。

c、在内封装层与外封装层同正极、负极交界处装配绝缘环，完成电池整体组装。

需要说明的是，上述针对辐射电离-离子渗透复合式同位素电池所描述的特征和优点同样适用于该制备辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法，此处不再赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的结构如图1～3所示。

如图1与图2所示：同位素电池包括放射源1和换能结构；同位素电池整体为棱柱状结构，换能结构包括壳体4和电解质溶液2，壳体4中央位置固定有渗透膜3，六角螺钉12将顶盖7和壳体4密封固定，正极8和负极11分别通过顶盖7固定于渗透膜3两侧；换能结构侧表面及其两端的正极8、负极11包覆有缓冲垫5，缓冲垫5外表面设置内封装层6，内封装层6外表面设置外封装层9，外封装层9与正极8、负极11之间装配有绝缘环10。

参见图2，电池顶盖封装结构俯视图，顶盖7通过八个六角螺钉12密封固定于壳体4顶部，正极8和负极11分别同顶盖7镶嵌垂直固定，缓冲垫5、内封装层6和外封装层9依次包覆于壳体4外侧表面。

参见图3，渗透膜固定结构示意图，渗透膜3紧贴壳体4内侧侧面固定，顶盖7通过六角螺钉12同壳体4封装，缓冲垫5、内封装层6、外封装层9自内而外依次包覆于壳体4外侧表面。

本实施例的放射源1是β放射源¹⁴⁷Pm；水溶液2是KOH水溶液；渗透膜3为MoS₂选择性透过膜；壳体4和顶盖7的材质相同，为聚乙烯；正极8和负极11的材料相同，为金属Cu；缓冲垫5的材质为碳纤维；内封装层6的材质为石墨-环氧树脂导热复合材料；外封装层9的材质为FeNi可伐合金；绝缘环10的材质为SiO₂；六角螺钉12的材质为304不锈钢。

放射源1还可以是α放射源，诸如：²¹⁰Po或Gd²¹⁰Po或²¹⁰Po(RE)或²¹⁰Po(RE)₃或²³⁵U或²³⁸Pu或²³⁸PuO₂微球或²³⁸PuO₂燃料球或²³⁸PuO₂陶瓷或²³⁸Pu-Zr合金或²³⁸Pu-Ga合金或²³⁸Pu-Pt合金或²³⁸Pu-Sc合金或²³⁸PuN或²³⁸PuC或²⁴¹Am或²⁴²Cm或²⁴²Cm₂O₃或²⁴⁴Cm或²⁴⁴Cm₂O₃；放射源1也可以是β放射源，诸如：Sc³H₂或(C₄H₃ ³H₅-)_n或¹⁴C或³⁵S或⁶³Ni或⁹⁰Sr或⁹⁰Sr/⁹⁰Y或⁹⁰SrTiO₃或¹⁰⁶Ru或¹³⁷Cs或¹³⁷CsCl或¹⁴⁴Ce或¹⁴⁴CeO₂或¹⁴⁷Pm₂O₃或¹⁵¹Sm。

电解质溶液2还可以是NaOH溶液。正极8和负极11的材质相同，还可以是金属Au、Pd、Pt、Al、Ni或Ti。绝缘环10的材质还可以是硅胶或环氧树脂。

同位素电池整体还可以是正棱柱状或圆柱状或椭圆柱状结构。

实施例2

本发明实施例的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的制备方法，具体步骤如下：

(1)制备换能结构

a、参见图4，选用确定形状的聚乙烯材质空腔长方体作为壳体4，移去顶盖7，在壳体4沿长边方向的一端侧壁电镀¹⁴⁷Pm放射性同位素薄膜作为放射源1；

b、参见图5，在壳体4沿长边方向的中央位置保持同放射源1平行方向固定MoS₂选择性透过膜作为渗透膜3，并在壳体4中注入KOH溶液作为电解质溶液2；

c、参见图6，采用304不锈钢材质的六角螺钉12将顶盖7同壳体4密封，将金属Cu材质的正极8与负极11分别固定于壳体4的渗透膜3两侧，接缝处采用高温密封胶密封，在壳体4外表面包括缓冲垫5，完成电池坯体制造如图7。

(2)灌装内封装材料与制备外封装层

a、参见图8，用石墨-环氧树脂导热复合材料作为内封装材料，采用模具灌装法将组配完成的电池坯体灌装封闭，室温下放置十二小时以上固化成型，制备完成内封装层6；

b、参考图9，在内封装层6表面固定包覆FeNi可伐合金作为外封装层材料，接口处用密封胶固定，制备外封装层9。

c、参考图10，在内封装层6与外封装层9同正极8、负极11交界处装配SiO₂材质作为绝缘环10，完成电池整体组装。

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发明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发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种辐射电离-离子渗透复合式同位素电池，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体具有顶盖，所述壳体内限定有密闭腔室；

渗透膜，所述渗透膜设置在所述密闭腔室内，且将所述密闭腔室在水平方向上分隔成正极腔室和负极腔室，所述正极腔室和所述负极腔室内填充有电解质溶液；所述电解质溶液为KOH溶液或NaOH溶液；所述渗透膜为MoS₂选择性透过膜；

放射性同位素镀层，所述放射性同位素镀层形成在所述负极腔室中与所述渗透膜相对的侧壁上；

正极，所述正极设置在所述正极腔室内，且所述正极的一端伸出所述顶盖；

负极，所述负极设置在所述负极腔室内，且所述负极的一端伸出所述顶盖；

缓冲垫，所述缓冲垫包裹在所述壳体的外表面上；

内封装层，所述内封装层包裹在所述缓冲垫的外表面上；以及

外封装层，所述外封装层包裹在所述内封装层的外表面上，所述外封装层与所述正极和所述负极之间设置有绝缘环。

2.根据权利要求1所述的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池，其特征在于，所述壳体呈正棱柱状、棱柱状、圆柱状或椭圆柱状。

3.根据权利要求1所述的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池，其特征在于，所述放射性同位素镀层为β放射源，所述β放射源为选自Sc³H₂、(C₄H₃ ³H₅-)_n、¹⁴C、³⁵S、⁶³Ni、⁹⁰Sr、⁹⁰Sr/⁹⁰Y、⁹⁰SrTiO₃、¹⁰⁶Ru、¹³⁷Cs、¹³⁷CsCl、¹⁴⁴Ce、¹⁴⁴CeO₂、¹⁴⁷Pm、¹⁴⁷Pm₂O₃和¹⁵¹Sm中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池，其特征在于，所述壳体为聚乙烯壳体，所述正极和所述负极由Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti形成。

5.根据权利要求1所述的辐射电离-离子渗透复合式同位素电池，其特征在于，所述缓冲垫由碳纤维形成，所述内封装层由石墨-环氧树脂导热复合材料形成，所述外封装层由FeNi可伐合金形成。

6.一种制备权利要求1~5任一项所述辐射电离-离子渗透复合式同位素电池的方法，其特征在于，包括：

（1）提供壳体；

（2）在所述壳体内设置渗透膜，以便将所述壳体内在水平方向上分隔成正极腔室和负极腔室；

（3）在所述负极腔室内设置放射源，并分别向所述正极腔室和所述负极腔室内注入电解质溶液，所述正极腔室上表面和所述负极腔室上表面设置有顶盖；

（4）在所述正极腔室内设置正极，并使所述正极的一端伸出所述顶盖，在所述负极腔室内设置负极，并使所述负极的一端伸出所述顶盖；

（5）在所述壳体和所述顶盖的外表面上包裹缓冲垫；

（6）在所述缓冲垫的外表面上设置内封装层；以及

（7）在所述内封装层的外表面上包裹外封装层，并在所述外封装层与所述正极和所述负极之间设置绝缘环，以便获得所述辐射电离-离子渗透复合式同位素电池。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述放射源通过电镀方式形成在所述负极腔室的内壁上。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述内封装层通过将包裹所述缓冲垫的壳体放置在模具内，并灌注内封装材料，待固化成型后形成。