全球核电池技术进展初探:yabo亚博网站

发布时间:2020-11-06    来源:yabo亚博网站 nbsp;   浏览:20982次

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【yabo亚博网站】核电池自1913年开始就早已更有了广大研究人员的兴趣。目前具备潜力的核电池是热电子型、热光电型、必要电荷搜集型、热离子型、闪光中间体型、阿尔法伏特效应电池(alphavoltaics)和贝塔伏特效应电池(betavoltaics)必要能量切换型等。最近40年,主流核电池技术是放射性同位素热电电池(radioisotopethermoelectricgenerator,RTG),这种电池通过塞贝克效应(Seebeckeffect)将放射性元素裂变产生的热量切换为电能。目前,RTG早已被普遍应用于深空探寻场景中,并且早已沦为评价其他核电池效能的标尺。

目前,制约RTG应用于的2个主要因素是切换效率较低、体积大。RTG只有大约6%的切换效率,因此要求了它的成品具备相当大的质量,并且能量密度较低。

为了能使核电池在小型器件中发挥优势,研究人员于是以朝着核电池小型化并提升电池切换效率的方向希望。一、核电池技术研究进展根据放射性同位素电池的换回能量切换效率和输出功率来分类,目前放射性同位素电池可以区分为热电式、电磁辐射福特效应式等。1.热电式同位素电池热电式同位素电池通过换能器件,将必要搜集放射性同位素裂变所产生的射线,或基于Seebeck效应、热约见子/光子升空效应等切换为电能。

目前,热电式同位素电池主要由于传统材料的热电优值不低、电池漏热较高等因素,导致电池切换效率较低。随着新型热电材料的研发早已电池结构改良,未来将会对热电式电池性能展开提高。美国弗吉尼亚技术大学机械工程系的TariqR.Alam等人[1]研发了一种用于佩内洛普的蒙特卡罗源模型来研究有所不同的氚金属化合物,以更佳地设计betavoltaic电池(射线电池)的放射性同位素源。

源模型考虑到了源中β射线的自吸取,预估了各种源厚度的平均值β射线能量、β射线波动、源功率输入和源效率。用实验结果检验了氚钛与90°角分布的β粒子的仿真结果。分析了各向同性粒子升空后衍射效应的重要性。

他们的结果表明,归一化平均值β射线能量随源厚度的减少而减小,并根据源的密度和明确活动超过峰值能量。随着源厚度的减少,β射线流量和功率输入也随之减少。然而,由于自吸取(self-absorption)效应,在较高的厚度下,由于源效率明显减少,β射线流量和功率输入的增量减少显得大于,因此,超过了饱和状态阈值。

低密度的源材料,如氚化合物(tritide)铍获取了更高的功率输入,效率更高。碳化硅(SiC)和氚简化铍为材料,器件取得了大约4MW/cm3的仅次于功率输入。他们使用形状因子法,在β射线峰值处获得了最佳源厚度。华侨大学BihongLin等人对热离子——温差混合发电模块展开了优化研究。

他们首先利用非均衡热力学理论制取了热离子——半导体温差热电升空电池模块,利用模型计算出来出有了其输出功率、切换效率、模块功函数、电流密度、电流和阻抗等参数的优化范围,并且构建了能量源的阶梯利用。英国剑桥大学的Arias等人研究了利用静电感应来提高同位素热源功率的方法。他们明确提出并生产了一种基于静电感应的同位素强化装置,在β射线的太阳光下需要将输出功率提升10%。

这种装置可以被用作暖气、太空探寻等同位素电池应用领域。2.电磁辐射伏特效应电池电磁辐射伏特效应同位素电池工作原理是利用放射性同位素裂变收到的射线太阳光半导体材料,是半导体产生大量电子——空穴对,电子——空穴对在电场起到下分离出来,终端外接电路构建电能输入。因此,电磁辐射伏特效应的同位素电池更加未来将会构建小型化,在集成电路和微机电等领域具备潜在的应用于。南京大学的ZhangangJin等人[4]制取了2种基于γ射线、PN型铝镓铟磷(AlGaInP)半导体和硫化锌:铜(ZnS:Cu)荧光材料的4层核电池。

其中一个是4层的无线电波电池(FRVB),体积为1.00cm3,另一种是4层双效核电池(FDEB),体积为1.03cm3。用X射线管电离辐射测试了2个电池的输入性能水平。

结果表明,核电池在并联时的输出功率显著小于串联。然而,FDEB的输出功率和功率密度,分别为57.26nW和55.59nW/cm3,皆为平行FRVB的5倍低。根据实际必须,FDEB的每个子电池单元以有所不同的方式相连。

获得了有所不同的输入电流和电压,而输出功率没差异。他们还利用MCNP5对FDEB中各AlGaInP或ZnS:Cu层的X射线能量沉积展开了仿真。

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结果表明,在荧光层中,少量的能量沉积能明显提升核电池的电输入性能。多层双效能量切换机构能提升核电池的电气输入性能。俄罗斯超硬和新型碳材料技术研究所的V.S.Bormashov等人[5]用200个基于肖特基势垒的金刚石二极管制取了一种betavoltaic同位素电池。

电池由24%的镍(63Ni)放射性同位素的横向冲刷而出。在5mm×5mm×3.5mm的总容积中取得大约0.93μW的仅次于电输出功率。他们首先利用离子束辅助lift-off技术取得了大于厚度的切换单元,厚度与63Ni同位素升空的β粒子的特征击穿长度非常。

不受生产结构的机械强度和工艺可靠性的容许,他们获得了15μm的厚度。通过在扫描电镜下对电子束电离辐射展开了IV曲线测量以取得金刚石恩切换单元的性能,他们找到从高温高压(HPHT)金刚石基体中分离出如此厚的转化成细胞的壮烈牺牲层并没导致器件电荷搜集效率的大幅度降低,该电池输入功率密度超过10μW/cm3,是基于63Ni放射性同位素电池的最低数值。63Ni同位素的长半衰期得出了约3300mWh/g的电池特定能量,早已超过商用化学电池的能力。哈尔滨工业大学的BenjianLiu等人[6]制取了一种金刚石肖特基势核电池(DSAB),并展开了α粒子波动试验。

该装置是在硼掺入的HPHT金刚石上利用化学气相沉积(CVD)外延生长氧原子封端的本征金刚石制取而出。用8.85μCi/cm2电离辐射下的较低活性α源,加以1.13V开路电压和短路电流53.4pA,电池的总切换效率超过0.83%。DSAB同时具备比硅(Si)和SiC二极管更佳的开路电压和短路电流稳定性,这意味著DSAB具备构建较高并且平稳切换效率的潜力。

西北工业大学的Qiao等人用于63Ni作为放射源,4H-SiC作为半导体设计了基于微机电系统的肖特基型β伏特效应同位素电池。他们获得在0.27V开路电压下,短路电流密度为25.57nA/cm2,仅次于输入功率密度超过4.08nW/cm2。第3代半导体的蓬勃发展后,对电磁辐射福特效应电池输入性能提高起了很大的促进作用。

中科院苏州纳米所的Lu等人生产出有基于氮化镓(GaN)材料的β电磁辐射福特效应电池。该电池开路电压为0.1V时,短路电流密度为1.2nA/cm2。

Chandrashekhar等人[9]首次制取了基于SiC的电磁辐射福特效应电池。_yabo亚博网站。

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