[0001] 本发明涉及同位素电池技术领域，具体涉及一种基于形状记忆的同位素电池及用电设备。

[0002] 同位素电池又称核电池，它是将放射性同位素释放出的辐射能量通过精准构筑的半导体换能器转化成电能的长时供能器件。它是利用放射性元素超长的半衰期（几十年到数千年），无需充电即可高效持续提供能量的一种前沿技术，是继承和引领先进核能、宽禁带半导体、智能制造等领域变革性的技术方向。同位素电池基本结构包含放射源、换能器件、电极等几个部分，放射源是装置能量的来源，换能器件将衰变能转换为电能，电极进行电流电压的输出。

[0003] 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。

[0004] 其中，温差热电式同位素电池由于使用的热源活度大、能量高，可根据需要制备高功率的同位素电池。温差热电式同位素电池利用塞贝克原理，以放射性同位素发射粒子在介质上电离发热为热源，通过热电温差器件将热能转换成电能。然而目前已有温差热电式同位素电池存在以下问题：1）散热问题导致温差热电式同位素电池稳定性差并且存在一定的安全隐患。由于温差热电式同位素电池的工作原理决定在持续放热的同位素热源（热端）与散热部件（冷端）中间隔着一层热电组件，热电组件由热电陶瓷材料组成，利用冷热端温差产生电能。然而热电材料的导热系数小，不利于同位素热源端的热量散出，热量在热端不断聚集上升，加速了器件失效，降低同位素电池的寿命。同时不断聚集的热量甚至导致同位素电池芯部熔融，造成安全事故。2）单一热电转换器件的能量转换效率低。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。

[0044] 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。

[0045] 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。

[0046] 在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本申请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申请的实施例是显而易见的。

[0047] 实施例1如图1至图8所示，一种基于形状记忆的同位素电池，包括具有封闭腔体的外壳1，
封闭腔体内设有放射源2、热电换能组件3、隔热部件4和形状记忆部件5，热电换能组件3靠近放射源2布置，外壳1与放射源2之间的空间被隔热部件4分隔成至少两个第一腔室6，形状记忆部件5的一端连接放射源2，另一端连接所述隔热部件4，每个第一腔室6内装有冷却液
7，在放射源2产生热量通过热电换能组件3实现换能的同时，形状记忆部件5吸热伸展使隔热部件4移动，使得远离放射源2的第一腔室6的冷却液7流向靠近放射源2的第一腔室6，实现对放射源2的散热。

[0048] 通过在同位素电池的封闭腔体内装入冷却液7，同时结合形状记忆部件的形状记忆效应，有效实现了对放射源的及时散热，提高了同位素电池的散热性能，从而保证了同位素电池的稳定性、使用寿命和安全性能；同时，由于形状记忆部件需要达到一定温度才会伸展，有效实现了自动调节功能。与此同时，隔热部件4可以扩大远离放射源2的第一腔室6与靠近放射源2的第一腔室6之间的相对温差，两者之间的温差越大，热电换能组件3的发电效率越高，从而提高了热电换能组件3的发电效率。

[0049] 靠近外壳1的位置设有压电换能组件8，压电换能组件8与隔热部件4相对布置，使得形状记忆部件5吸热伸展实现散热的同时，隔热部件4能挤压所述压电换能组件8实现换能。

[0050] 通过同时设置压电换能组件，并巧妙的将压电换能组件设置在形状记忆部件伸展外端，且与隔热部件相对的位置，在实现有效散热的同时，达到了多级换能的目的，有效提高了同位素电池的换能效率。

[0051] 为了保证形状记忆部件的顺利伸长和收缩，在热电换能组件3上形成与隔热部件4的两端相卡接配合的卡槽31，隔热部件4的两端具有弹性，使得形状记忆部件5处于收缩状态时，隔热部件4的两端卡接在卡槽31中。

[0052] 其中，当形状记忆部件5处于收缩状态时，隔热部件4的两端卡接在卡槽31中，从而将外壳1与放射源2之间的空间完全分隔成两个第一腔室6，使得位于放射源2与隔热部件4之间的冷却液7在放射源的作用下，温度不断上升，位于隔热部件4和外壳1之间的冷却液7的温度保持不变，当位于放射源2与隔热部件4之间的冷却液7达到形状记忆部件的伸展温度时，随着形状记忆部件的伸展，隔热部件4的两端从卡槽31中脱出并朝向外壳运动挤压压电换能组件8，实现换能，同时，位于隔热部件4和外壳1之间的冷却液7向放射源2与隔热部件4之间流动，实现不同温度冷却液7的混合，有效达到了降低放射源温度的目的。

[0053] 为了提高热电换能组件的换能效率，热电换能组件3是沿放射源2的径向方向布置的，外壳1与放射源2之间的空间被至少两个热电换能组件3分隔成至少两个第二腔室，每个第二腔室被隔热部件4分隔成至少两个第一腔室6。

[0054] 其中，外壳1与放射源2之间的空间沿径向可间隔布置多个热电换能组件3，使得外壳1与放射源2之间的空间沿放射源2的周向被多个热电换能组件3分隔成多个第二腔室，热电换能组件3的一端与放射源2的壳体相连，另一端通过连接件9固定在外壳1的内腔壁上。每个第二腔室沿放射源2的径向可被至少一个隔热部件4分隔成至少两个第一腔室6，当设置多个隔热部件4时，相邻隔热部件4之间通过形状记忆部件5相连。

[0055] 为了提高冷却液7的散热效率，在外壳1的外周壁上还间隔布置有散热部件10。

[0056] 其中，放射源2呈柱状布置在封闭腔体内，放射源2的外周沿径向呈发射状布置有至少两个热电换能组件3。

[0057] 形状记忆部件5远离隔热部件4的一端固定在放射源2的壳体上，形状记忆部件5采用Ni‑Ti合金、铜合金或铁基合金材料制成，形状记忆部件5的伸展温度在500 600℃之间。~

[0058] 为了保证形状记忆合金受热伸缩后对压电组件作用产生的电荷最多，同时保证形状记忆合金不会因为压电组件的反作用力导致变形失效。则控制同位素电池的内径R为500±50mm（不含散热部件），放射源2的外径r为100±10mm，形状记忆部件受热伸展后的长度a为380±5mm，隔热部件4的厚度b为30±3mm，压电换能组件8的厚度c为50±5mm。

[0059] 为了提高隔热部件的隔热性能，以增加形状记忆合金的伸缩频率，从而提高压电换能组件的换能效率，设置隔热部件4由吸热多孔材料层和包覆在吸热多孔材料层表面的热反射材料层组成。

[0060] 其中，吸热多孔材料层的材料选自岩棉板、珍珠岩、轻质刚玉莫来石砖、轻质粘土砖和纳米微孔二氧化硅中的至少一种；热反射材料层的材料选自金、银、铝、镍、金合金、银合金、铝合金和镍合金中的至
少一种。

[0061] 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；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。

[0062] 放射源2选自α放射源和/或β放射源。

[0063] α放射源选自210Po、228Th、228ThO2、235U、238Pu、241Am、242Cm、含210Po的化合物、含228Th228 235 238 241 242
的化合物、含 ThO2的化合物、含 U的化合物、含 Pu的化合物、含 Am的化合物和含 Cm
3 14 35 63 90 90 90 106 137 147
的化合物中的至少一种；β放射源选自 H、C、S、Ni、Sr、Sr/ Y、 Ru、 Cs、 Pm、
151 3 14 35 63 90
Sm、含 H的化合物、含 C的化合物、含 S的化合物、含 Ni的化合物、含 Sr的化合物、含
90 90 106 137 147 151
Sr/ Y的化合物、含 Ru的化合物、含 Cs的化合物、含 Pm的化合物和含 Sm的化合物
中的至少一种。

[0064] 压电换能组件8固定在外壳1的内腔壁上。

[0065] 压电换能组件8的材料选自压电单晶体、多晶体压电陶瓷或高分子压电材料。

[0066] 压电换能组件8上设有第一压电输出电极和第二压电输出电极，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。

[0067] 冷却液7选自液态金属或高压水。

[0068] 液态金属选自铅、锂、铅合金或锂合金。

[0069] 本实施例中，第一压电输出电极和第二压电输出电极的材料选自Cu（铜）。

[0070] 本实施例中，热电换能组件3上设有第一热电输出电极和第二热电输出电极。

[0071] 本实施例中的基于形状记忆的同位素电池的工作原理为：放射源2向外发出热量被热电换能组件3吸收，从而产生电能；同时，基于形状记忆合金的形状记忆效应，随着放射源2放热，放射源2与隔热部件4之间的冷却液7的热量不断累积，温度升到500 600℃之间~时，形状记忆部件5逐渐伸展，即如弹簧形状伸展开来，形状记忆部件5推动隔热部件4移动，从而使得隔热部件4挤压压电换能组件8，产生电能；且随着形状记忆部件5推动隔热部件4移动的过程中，外壳1与隔热部件4之间的处于低温的冷却液7会流入隔热部件4和放射源2之间，使得低温冷却液7和高温冷却液7混合，达到降低隔热部件4和放射源2之间的冷却液
7、以及放射源2的温度的目的。随着隔热部件4和放射源2之间的冷却液7的温度降低，形状记忆部件5逐渐收缩至初始状态，即如弹簧形状收缩起来，随着形状记忆部件5收缩会带动隔热部件4向靠近放射源2的方向移动，位于隔热部件4和放射源2之间的冷却液7被挤出至外壳1与隔热部件4之间。挤压出的冷却液7携带的热量通过外壳1外端的散热部件10进行散热，如此形成一个循环。由于形状记忆部件5需要达到一定温度才伸展变形，因此，只要隔热部件4和放射源2之间的冷却液7的热量累积未达到一定程度，形状记忆部件5的伸展变形便不会发生，真正实现了自动调节，并实现多级了发电，提高了电池效率。

[0072] 本实施例中还提供一种用电设备，包括本实施例中的基于形状记忆的同位素电池。

[0073] 实施例2如图1至图5所示，一种基于形状记忆的同位素电池，包括具有封闭腔体的外壳1，
封闭腔体内设有放射源2、热电换能组件3、隔热部件4和形状记忆部件5，热电换能组件3靠近放射源2布置，外壳1与放射源2之间的空间被隔热部件4分隔成至少两个第一腔室6，形状记忆部件5的一端连接放射源2，另一端连接所述隔热部件4，每个第一腔室6内装有冷却液
7，在放射源2产生热量通过热电换能组件3实现换能的同时，形状记忆部件5吸热伸展使隔热部件4移动，使得远离放射源2的第一腔室6的冷却液7流向靠近放射源2的第一腔室6，实现对放射源2的散热。

[0074] 通过在同位素电池的封闭腔体内装入冷却液7，同时结合形状记忆部件的形状记忆效应，有效实现了对放射源的及时散热，提高了同位素电池的散热性能，从而保证了同位素电池的稳定性、使用寿命和安全性能；同时，由于形状记忆部件需要达到一定温度才会伸展，有效实现了自动调节功能。

[0075] 靠近外壳1的位置设有压电换能组件8，压电换能组件8与隔热部件4相对布置，使得形状记忆部件5吸热伸展实现散热的同时，隔热部件4能挤压所述压电换能组件8实现换能。

[0076] 通过同时设置压电换能组件，并巧妙的将压电换能组件设置在形状记忆部件伸展外端，且与隔热部件相对的位置，在实现有效散热的同时，达到了多级换能的目的，有效提高了同位素电池的换能效率。

[0077] 为了保证形状记忆部件的顺利伸长和收缩，在热电换能组件3上形成与隔热部件4的两端相卡接配合的卡槽31，隔热部件4的两端具有弹性，使得形状记忆部件5处于收缩状态时，隔热部件4的两端卡接在卡槽31中。

[0078] 其中，当形状记忆部件5处于收缩状态时，隔热部件4的两端卡接在卡槽31中，从而将外壳1与放射源2之间的空间完全分隔成两个第一腔室6，使得位于放射源2与隔热部件4之间的冷却液7在放射源的作用下，温度不断上升，位于隔热部件4和外壳1之间的冷却液7的温度保持不变，当位于放射源2与隔热部件4之间的冷却液7达到形状记忆部件的伸展温度时，随着形状记忆部件的伸展，隔热部件4的两端从卡槽31中脱出并朝向外壳运动挤压压电换能组件8，实现换能，同时，位于隔热部件4和外壳1之间的冷却液7向放射源2与隔热部件4之间流动，实现不同温度冷却液7的混合，有效达到了降低放射源温度的目的。

[0079] 为了提高热电换能组件的换能效率，热电换能组件3是沿放射源2的径向方向布置的，本实施例中，外壳1与放射源2之间的空间沿放射源2的周向被八个热电换能组件3分隔成八个第二腔室，每个第二腔室被一个隔热部件4分隔成两个第一腔室6。放射源2呈柱状布置在封闭腔体内，热电换能组件3的一端与放射源2的壳体相连，另一端通过连接件9固定在外壳1的内腔壁上。

[0080] 为了提高冷却液7的散热效率，在外壳1的外周壁上还间隔布置有散热部件10。

[0081] 本实施例中的散热部件10为翅片式散热器。

[0082] 其中，八个热电换能组件3沿放射源2的外周向外呈辐射状间隔布置。

[0083] 形状记忆部件5远离压电换能组件8的一端固定在放射源2的壳体上，形状记忆部件5采用NiaTibVcCudFee材料制成，其中a≥4、b≥4、c≤1、d≤1、e≤2，形状记忆部件5的伸展温度在500 600℃之间。经试验验证，形状记忆合金可往复伸缩次数达100000次以上。~

[0084] 为了保证形状记忆合金受热伸缩后对压电组件作用产生的电荷最多，同时保证形状记忆合金不会因为压电组件的反作用力导致变形失效。则控制同位素电池的内径R为100±10mm（不含散热部件），放射源2的外径r为20±2mm，形状记忆部件受热伸展后的长度a为70±3mm，隔热部件4的厚度b为10±1mm，压电换能组件8的厚度c为10±1mm。

[0085] 为了提高隔热部件的隔热性能，以增加形状记忆合金的伸缩频率，从而提高压电换能组件的换能效率，设置隔热部件4由吸热多孔材料层和包覆在吸热多孔材料层表面的热反射材料层组成。

[0086] 本实施例中，吸热多孔材料层采用纳米微孔二氧化硅材料制成，吸热多孔材料层的空隙为60nm，空隙率大于75%；热反射材料层采用镍制成。

[0087] 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；热电模块采用多孔热电材料制成。

[0088] 本实施例中，多孔热电材料为碲化铋。

[0089] 放射源2为210Po。

[0090] 压电换能组件8固定在外壳1的内腔壁上。

[0091] 压电换能组件8的材料选自锆钛酸铅压电陶瓷。

[0092] 压电换能组件8上设有第一压电输出电极和第二压电输出电极，第一压电输出电极和第二压电输出电极的材料均选自Cu（铜）。

[0093] 冷却液7选自液态金属铅铋合金。

[0094] 本实施例中，热电换能组件3上设有第一热电输出电极和第二热电输出电极。

[0095] 本实施例中还提供一种用电设备，包括本实施例中的基于形状记忆的同位素电池。

[0096] 综上所述，本发明的基于形状记忆的同位素电池及用电设备，通过在同位素电池的封闭腔体内装入冷却液，同时结合形状记忆部件的形状记忆效应，有效实现了对放射源的及时散热，提高了同位素电池的散热性能，从而保证了同位素电池的稳定性、使用寿命和安全性能，有效解决了现有温差热电式同位素电池存在散热性较差，使得同位素电池稳定性较低，以及影响同位素电池寿命和安全的问题；通过同时设置热电换能组件和压电换能组件，并巧妙的设置隔热部件和将压电换能组件设置在形状记忆部件伸展的外端，在实现有效散热的同时，实现了形状记忆合金与压电材料的耦合，达到了多级换能的目的，提高了同位素电池的换能效率，增加了同位素电池的适应性，拓宽了同位素电池的使用范围，有效解决了现有温差热电式同位素电池存在换能效率低的问题；同时，由于形状记忆部件需要达到一定温度才会伸展，有效实现了自动调节功能，具有换能效率优异、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。

[0097] 以上实施例仅是示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，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申请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，仍应由本申请的权利要求所涵盖。