基于气态放射源的放射性同位素电池

摘要

本发明公开了一种基于气态放射源的放射性同位素电池，包括填充气态放射源的玻璃容器，沉积在该玻璃容器内壁上的发光层，以及设置在玻璃容器外壁上的光电转换单元；所述玻璃容器内填充有可以自发衰变放出放射性粒子的气态放射性同位素，所述发光层用于吸收放射性粒子，并将放射性粒子的能量转变为光能；所述光电转换单元用于将发光层发出的光转变成电能。本发明设计合理、使用寿命长、能量密度高、维护成本低廉、抗干扰能力强，为商用放射性同位素电池的生产提供了基础。

说明书

技术领域

本发明涉及一种放射性同位素电池，具体涉及的是一种基于气态放射源的放射性同位素电池。

背景技术

目前，国内尚不具备商用的放射性同位素电池生产能力。而国际上商用的放射性同位素电池主要有同位素热电电池和辐伏电池两种，但同位素热电电池很难小型化，小型化的核同位素电池仅有辐伏电池一种。

在当前研究中，辐伏电池主要存在三个问题，一是输出功率非常低，在几十nw量级范围；二是电池寿命远低于预期寿命，大大短于放射性同位素的半衰期；此外，电池的能量转化效率也非常低，通常小于2％。以上几种因素导致了其应用范围非常有限。近10年来，有研究者提出了辐射发光联合光伏效应的同位素电池，在物理结构上将放射能吸收材料和电能产生单元实现分离，从而有效避免了电能产生单元的辐照损伤，大大提高了同位素电池的寿命。

但辐射发光联合光伏效应的同位素电池在国内外还比较少见。虽然国外有使用固态放射源激发惰性气体发光，然后用光伏器件将光能转化为电能的技术，然而由于固态放射源的自吸收效应非常高，通常固态放射源的薄膜厚度不超过5um，因此导致放射性同位素的载入量很低，电池的输出功率很低。同时导致惰性气体的发光强度比较弱，光伏器件只能工作在低效率区间，因此同位素电池的整体能量转化效率也不高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于气态放射源的放射性同位素电池，其具有电池使用寿命长、输出功率高、能量密度高、维护成本低和抗干扰能力强的显著优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于气态放射源的放射性同位素电池，包括填充有气态放射源的玻璃容器，涂覆在该玻璃容器内壁上的发光层，以及设置在玻璃容器外壁上的光电转换单元；所述玻璃容器内填充有可以自发衰变产生放射性粒子的气态放射性同位素，且发光层用于吸收放射性粒子，并将放射性栗子的能量转变为光能；所述光电转换单元用于将发光层发出的光转变成电能。

进一步地，所述发光层采用荧光材料、磷光材料或半导体量子点材料制成。

作为优选，所述光电转换单元为有机物光伏器件、钙钛矿光伏器件、染料敏化光伏器件和无机光伏器件中的任意一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)由于固态中原子密度很高，因此固态放射源对放射性粒子的自吸收系数非常大。而本发明采用气态放射源，能降低原子密度，因而可以降低放射性同位素对放射性粒子的自吸收作用，提高放射性同位素的载入量，从而提高电池的输出功率；同时气态放射性同位素填充在内壁上沉积有发光层的玻璃容器，亦即发光层四面环绕放射性同位素，因此可实现对放射性粒子的全部吸收，并激发光子能，最后通过光电转换单元的光能—电能转换作用，产生电流。本发明对放射性粒子的理论吸收率可达到100％，同时大幅提高了放射性同位素的载入量，提高了电池的输出功率和能量转化效率。

(2)由于电池的使用寿命取决于放射性同位素的半衰期长度和电池的耐辐照损伤性能。本发明的结构设计解决了辐照损伤问题，因此其使用寿命达到了同位素电池的理想寿命，即两个放射性同位素的半衰期以上，一经植入工作系统，整个电池寿命期内不需更换。

(3)本发明能量密度高、维护成本低廉、抗干扰能力强，其不仅可以作为某些极端环境如深太空、深海探索，极地探险、封闭系统如心脏起搏器等的能源供给，解决微、小型系统的能源供给问题，而且完全依靠放射性同位素衰变产生的能量工作，因而不需要额外的能量供给如光、热、振动等，故应用范围极为广泛。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本发明提供了一种新型的放射性同位素电池，其主要由发光层1、玻璃容器2、光电转换单元3和气态放射源4组成，其中，气态放射源4填充在玻璃容器2内；发光层1沉积在玻璃容器2内壁上，光电转换单元3设置在玻璃容器外壁，三者以逐层设置的方式构成了电池主体。

本发明的工作原理如下：

放射性同位素自发衰变，释放出高能的放射性粒子，此时，由于气态放射源4的自身特质，会大幅降低放射性同位素原子对放射性粒子的自吸收作用，确保放射性粒子的释放量。

气态放射源4在各个方向上衰变产生的放射性粒子由发光层1吸收，并将放射性粒子的能量转变成光能(即：放射性粒子激发发光层发出光)，本实施例中，所述的发光层采用荧光材料磷光材料或半导体量子点材料制成。

发光层1发出的光透过玻璃容器2入射到光电转换单元3内，从而产生光生载流子，最终产生电流，实现供能。本实施例中，所述的光电转换单元3为有机物光伏器件、钙钛矿光伏器件、染料敏化光伏器件、和无机光伏器件中的任意一种。

本发明设计看似简单，实则不易想到，其巧妙地采用了气态放射源，因而大幅提高了放射性元素的载入量；然后通过改进放射性同位素电池的结构，使得发光层对放射性粒子的理论吸收率可达到100％，从而显著提高了电池的能量转换效率。本发明独特的多层结构设计，在提高放射性同位素载入量(提高电池输出功率)的同时，可以有效保障电池的寿命，因此，与现有技术相比，本发明进步十分明显，其具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。