一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构

本发明涉及核能技术应用领域，特别涉及一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构。

背景技术：

1、核电池，也称为放射性同位素电池或原子电池，是一种利用放射性同位素衰变过程中释放的能量来生成电能的装置。核电池不需要太阳光或其他外部条件，因此非常适合在极端环境下运行，如深海、太空探索或偏远地区。它们主要被用于提供长期、低功率的电力，适合于那些难以使用传统能源的场合。例如，航天器上的科学仪器和探测器常用核电池作为能源，因为这些设备常常需要在遥远或太阳能覆盖不到的太空区域长期运行。此外，环境监测站、自动灯塔、医疗设备(如心脏起搏器)和军事装置也都是核电池的应用实例。

2、β辐射福特效应、β辐致光伏效应以及双效应核电池是几种先进的核电池，这几种核电池通过分别或结合利用两种不同的能量转换机制—β辐射福特效应和辐致光伏效应，来使核能转变为电能。β辐射福特效应涉及到放射性同位素衰变产生的β粒子(电子)激发半导体材料产生光电效应来产生电能的过程，而辐致光伏效应则是利用放射性物质激发荧光物质产生的光子来激发半导体材料产生光电效应，从而产生电能。

3、目前，β辐射福特效应、β辐致光伏效应电池面临以及双效应核电池核的主要挑战包括单体功率输出较小和封装结构体积大、集成度低、稳定性较差。这些问题主要由核电池内能量转换效率低和现有核电池封装结构不足造成。这些问题不仅限制了核电池的应用范围，也对其安全性和可靠性提出了更高的要求，迫切需要通过设计一种高功率、高集成度、高稳定性的封装结构来解决，为此，我们提出了一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，可以有效解决背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，包括电池防护外壳、核电池集成基板叠层结构、核电池和内引线，所述电池防护外壳由主壳体和壳盖组成，所述核电池集成基板叠层结构的底部固定粘接有粘合材料，且核电池集成基板叠层结构通过粘合材料与主壳体固定；

4、所述主壳体为内中空立方体薄壁结构，所述主壳体的内腔体积与核电池集成基板叠层结构的体积相适配，所述主壳体的顶部为两阶台阶型结构，所述壳盖的底部嵌入主壳体顶部的两阶台阶型结构内并通过粘合材料粘合，所述粘合材料为高分子塑料；

5、所述核电池集成基板叠层结构设置在主壳体内，且核电池集成基板叠层结构与主壳体之间的缝隙通过环氧树脂填充，所述核电池集成基板叠层结构由若干个相同的放入核电池的单个核电池集成基板堆叠焊接而成，且单个核电池集成基板均为多层板；

6、所述单个核电池集成基板内部设置有内层电路，所述单个核电池集成基板上设置有若干个与核电池配合使用的腔体，所述单个核电池集成基板上设置有多个通孔，且通孔内填积导电金属，所述单个核电池集成基板的上表面设置有多个焊盘，且单个核电池集成基板的下表面设置有多个焊盘和凸点焊球，所述凸点焊球和焊盘均与相应层上的通孔对准，上下相邻两层的单个核电池集成基板通过焊盘和凸点焊球进行电气互连；

7、所述核电池包括但不限于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池，所述核电池位于腔体内，所述核电池通过单个核电池集成基板内部的内层电路与外部互连；

8、所述核电池由放射源层、p-i-n结、衬底层和缓冲层组成，所述核电池上设置有p电极和n电极，所述核电池上的p电极和n电极于同一侧或两侧；

9、所述内引线为细铜引线。

10、优选的，所述主壳体和壳盖可根据核电池的串并联配置设置电极位置。

11、优选的，所述核电池为串联结构时，所述主壳体的底层中部镶嵌安装有金属负极，所述金属负极为上下堆叠长方体结构且与主壳体同轴设置，所述壳盖上设置有一个正极端子，一根内引线一端与顶层单个核电池集成基板上表面一极焊盘相连接，另一端与壳盖上正极端子相连接，底层所述单个核电池集成基板通过导电胶与金属负极固定。

12、优选的，所述核电池为并联结构时，所述主壳体的底层为实心结构，所述壳盖上设置有正负两极端子，两根内引线一端分别与顶层单个核电池集成基板上表面两极焊盘相连接，另一端与壳盖上正负两极端子相连接，所述核电池集成基板叠层结构通过粘合材料与主壳体固定。

13、优选的，所述壳盖的中部一体成型有条带状的绝缘层，用于将壳盖上正负两极端子分隔开。

14、优选的，所述单个核电池集成基板通过积层法制得，单个基元基板的基体材料为玻璃纤维增强有机材料，包括但不限于fr-4、rxp-1、rxp-4。

15、优选的，所述核电池为串联结构时，所述单个核电池集成基板为两层，且上层基元基板的厚度大于下层基元基板。

16、优选的，所述核电池为并联结构时，所述单个核电池集成基板为三层，且最上层基元基板的厚度大于其他两层基元基板的厚度。

17、优选的，所述核电池上的p电极和n电极位于一侧时，所述p电极和n电极均用铜线与腔体内焊盘进行引线键合。

18、优选的，所述核电池上的p电极和n电极位于两侧时，所述p电极与焊盘用铜线进行引线键合，所述n电极与焊盘用导电胶粘合。

19、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

20、1、本发明由于单个β辐射福特效应、β辐致光伏效应以及双效应核电池的能量密度较高，但功率较低，本发明通过对多个核电池进行串并联，来获得较大功率的核电池，使其满足更加大功率的应用需求。

21、2、本发明通过核电池集成基板上若干腔体来实现核电池的电气连接，由于玻璃纤维增强有机材料具有高机械强度和高热导率，可以对核电池起到一定的保护和散热作用，且本发明为多层叠加结构，单个或单层核电池失效不影响其余核电池工作，增加了核电池使用寿命与可靠性。

22、3、本发明为多层叠加结构，且单个核电池集成基板也可容纳和连接若干核电池，所以可以大幅度节省多个核电池所占空间，减小核电池整体所用体积，提高核电池的封装集成度。

23、4、本发明可通过转变单个核电池集成基板与上下层核电池集成基板的连接方向来分别实现核电池的串联和并联。

技术特征：

1.一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，其特征在于：包括电池防护外壳、核电池集成基板叠层结构(5)、核电池(6)和内引线，所述电池防护外壳由主壳体(1)和壳盖(2)组成，所述核电池集成基板叠层结构(5)的底部固定粘接有粘合材料(8)，且核电池集成基板叠层结构(5)通过粘合材料(8)与主壳体(1)固定；

2.根据权利要求1所述的一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，其特征在于：所述主壳体(1)和壳盖(2)可根据核电池(6)的串并联配置设置电极位置。

3.根据权利要求2所述的一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，其特征在于：所述核电池(6)为串联结构时，所述主壳体(1)的底层中部镶嵌安装有金属负极(13)，所述金属负极(13)为上下堆叠长方体结构且与主壳体(1)同轴设置，所述壳盖(2)上设置有一个正极端子(11)，一根内引线一端与顶层单个核电池集成基板(4)上表面一极焊盘(3)相连接，另一端与壳盖(2)上正极端子(11)相连接，底层所述单个核电池集成基板(4)通过导电胶(12)与金属负极(13)固定。

4.根据权利要求2所述的一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，其特征在于：所述核电池(6)为并联结构时，所述主壳体(1)的底层为实心结构，所述壳盖(2)上设置有正负两极端子(10)，两根内引线一端分别与顶层单个核电池集成基板(4)上表面两极焊盘(3)相连接，另一端与壳盖(2)上正负两极端子(10)相连接，所述核电池集成基板叠层结构(5)通过粘合材料(8)与主壳体固定。

5.根据权利要求4所述的一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，其特征在于：所述壳盖(2)的中部一体成型有条带状的绝缘层(9)，用于将壳盖(2)上正负两极端子(10)分隔开。

6.根据权利要求1所述的一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，其特征在于：所述单个核电池集成基板(4)通过积层法制得，单个基元基板的基体材料为玻璃纤维增强有机材料，包括但不限于fr-4、rxp-1、rxp-4。

7.根据权利要求6所述的一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，其特征在于：所述核电池(6)为串联结构时，所述单个核电池集成基板(4)为两层，且上层基元基板的厚度大于下层基元基板。

8.根据权利要求6所述的一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，其特征在于：所述核电池(6)为并联结构时，所述单个核电池集成基板(4)为三层，且最上层基元基板的厚度大于其他两层基元基板的厚度。

9.根据权利要求1所述的一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，其特征在于：所述核电池(6)上的p电极(15)和n电极(16)位于一侧时，所述p电极(15)和n电极(16)均用铜线与腔体内焊盘(3)进行引线键合。

10.根据权利要求1所述的一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，其特征在于：所述核电池(6)上的p电极(15)和n电极(16)位于两侧时，所述p电极(15)与焊盘(3)用铜线进行引线键合，所述n电极(16)与焊盘(3)用导电胶(12)粘合。

技术总结本发明涉及核能技术应用领域，尤其为一种基于β辐射福特效应、β辐致光伏效应和双效应核电池串并联封装结构，包括电池防护外壳、核电池集成基板叠层结构、核电池和内引线，所述电池防护外壳由主壳体和壳盖组成，所述核电池集成基板叠层结构的底部固定粘接有粘合材料，且核电池集成基板叠层结构通过粘合材料与主壳体固定；所述主壳体为内中空立方体薄壁结构，所述主壳体的内腔体积与核电池集成基板叠层结构的体积相适配，所述主壳体的顶部为两阶台阶型结构，所述壳盖的底部嵌入主壳体顶部的两阶台阶型结构内并通过粘合材料粘合。本技术方案用以解决现有技术中核电池单体功率输出较小和封装结构体积大、集成度低、稳定性较差的问题。技术研发人员：霍柯宇,王伟,荣磊,连欣悦,付邹,李庆麒,龚俊豪,王官华,艾合坦木·艾尼瓦尔受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18