CN104112844A - 海水电池 - Google Patents
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Abstract
一种海水电池，包含有一电解液、一阴极以及一阳极。该电解液为一海水，该阴极与该阳极彼此相隔而分别与该电解液接触，令该电解液与该阴极及该阳极分别进行一电化学反应，而于该阴极及该阳极产生一电位差。其中，该阳极包含一第一材料，且该阳极与该阴极至少择一含有多个纳米碳管，据此，本发明利用该纳米碳管制成该海水电池的电极，提高因该电位差所形成的一电流的电流密度，有效提升该海水电池的供电效能。
Description
技术领域
本发明涉及一种海水电池，尤其涉及一种阳极包含纳米碳管材料的海水电池。
背景技术
电池的结构随着时代的进步而不断的推陈出新，例如常见的干电池、蓄电池、水银电池、空气电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、太阳能电池、燃料电池、海水电池等，其中海水电池由于使用时才需与海水进行接触发电，于平常贮存时电极不接触电解液(海水)，不仅与一般电极需和电解质共同存放的蓄电池相比，其具有较佳的安全性，并且特别适合应用于与海洋相关又需要提供电力的产品。
于中国实用新型专利公告第CN2331087号中，即揭示一种海水电池，该海水电池主要由耐蚀的钢阴极、海水电解液和多孔贱金属阳极构成。其中，该多孔贱金属阳极采用50至80微米的锌-铝合金粉和小于60微米的氧化铝粉按3：1比例充分混合，由粉末冶金技术铸造。制成的海水电池不但增加了阳极表面面积，而且保持了阳极活性物质参与化学反应的真实表面积。是一种能较稳定供应较大电流的海水电池。
然而，上述的多孔贱金属阳极，在构成的该海水电池中产生约为400mA·cm-2的电流密度，与该钢阴极的有效电位差约为0.2V，而于电流密度方面偏小，故仍有改善的空间。
发明内容
本发明的主要目的，在于解决现有的海水电池，其电流密度偏低的问题。
为达上述目的，本发明提供一种海水电池，包含有一电解液、一阳极以及一阴极，该阳极包含有多个纳米碳管及一与该纳米碳管混合的第一材料，该阴极包含有一第二材料，且该阴极与该阳极彼此相隔而分别与该电解液接触；其中，该电解液为一海水，该电解液与该阴极及该阳极分别进行一电化学反应，而于该阴极及该阳极产生一电位差。
本发明亦提供另一种海水电池，包含有一电解液、一阳极以及一阴极，该阳极包含有一第一材料，该阴极包含多个纳米碳管，且该阴极与该阳极彼此相隔而分别与该电解液接触；其中，该电解液为一海水，该电解液与该阴极及该阳极分别进行一电化学反应，而于该阴极及该阳极产生一电位差。
本发明尚提供一种海水电池，包含有一电解液、一阳极以及一阴极，该阳极包含有多个纳米碳管以及一与该纳米碳管混合的第一材料，该阴极包含有多个纳米碳管，且该阴极与该阳极彼此相隔而分别与该电解液接触；其中，该电解液为一海水，该电解液与该阴极及该阳极分别进行一电化学反应，而于该阴极及该阳极产生一电位差。
如此一来，本发明藉由于海水电池的电极包含该纳米碳管，利用纳米碳管的高活性与高比表面积，提高因该电位差所形成的一电流的电流密度，有效提升该海水电池的供电效能。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1，为本发明第一实施例的结构示意图；
图2，为本发明另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
有关本发明的详细说明及技术内容，现就配合附图说明如下：
请参阅图1所示，为本发明第一实施例的结构示意图，如图所示：本发明为一种海水电池，在第一实施例中，该海水电池包含有一电解液10、一阳极20以及一阴极30，该电解液10在此为使用一海水，该海水中主要包含有带正电的钠离子与带负电的氯离子，该阳极20为使用一第一材料制成，该第一材料可选用金属、金属氧化物、超导体、石墨、导电高分子等导电材质，例如为聚乙炔，聚噻吩类和聚苯胺类等。
该阴极30的材质包含有多个纳米碳管，本发明中，该阴极30可为一大部分地由该纳米碳管组成的材料，或为一由该纳米碳管与一第二材料结合而成的复合材料。倘该阴极30完全由该纳米碳管组成，该阴极30的制造方式可如下述：先将该纳米碳管与一高分子材料混合，该高分子材料可为酚醛树脂(Phenolic Resin)、环氧树脂(Epoxy)、聚丙烯腈(Polyacrylonitrile，简称PAN)或呋喃树脂(Furan Resin)，接着依序进行一热压工艺以及一碳化工艺，该热压工艺为使该纳米碳管与该高分子材料处于一介于110℃至220℃之间的受热温度，以及一介于5Kgf/cm2至200Kgf/cm2之间的成形压力，使该纳米碳管与该高分子材料形成一具刚性立体结构的块材；该碳化工艺为将该纳米碳管与该高分子材料置于一还原气氛之中，该还原气氛可为氩气或氮气，并加热至一介于500℃至3,000℃之间的碳化温度，以去除该高分子材料，于该块材形成一介于5%至50%之间的孔隙率。此外，藉由该碳化工艺的参数控制，可在该块材进一步产生一附着于该纳米碳管之间的碳材料，而可以增加该阴极30的导电与导热性质。
请继续参阅图1所示，本发明于使用时，该阳极20与阴极30为彼此相隔而分别浸泡于该电解液10，但不以此为限制，该阳极20与该阴极30各与该电解液10形成接触即可，该电解液10与该阳极20及该阴极30分别进行一电化学反应，其中，该电解液10于该阳极20进行为氧化的该电化学反应，其反应式如下所示：
M→M2++2e-
而于该阴极30则进行为还原的该电化学反应，其反应式如下所示：
O2+2H2O+4e-→4OH-
在上述电化学反应中，M代表于该阳极20参与反应的金属，在此可为镁(Mg)、铝(Al)所形成的合金，而该阴极20的该纳米碳管则提供电子传递平台，其本身不参与反应。
据此，该电解液10与该阳极20及该阴极30之间产生一电位差V，而可形成一电通路产生一电流，于此实施例中，该电位差V为1.4至2V时，该电流最高具有650mA·cm-2的电流密度。
另外，在本发明的第二实施例中，该海水电池的结构配置与第一实施例类似，如图1所示，包含有一电解液10、一阳极20以及一阴极30，该阳极20与该阴极30彼此相隔而分别与该电解液10接触，同第一实施例，该电解液10为一海水，该电解液10与该阳极20及该阴极30分别进行一电化学反应，而于该阴极及该阳极产生一电位差。在第二实施例中，该阳极20包含有多个纳米碳管以及与该纳米碳管混合的该第一材料，该第一材料可选用金属、金属氧化物、超导体、导电高分子或碳等材质，碳可为石墨、碳黑或其它由碳构成材料等，且在结构上可为多层结构、球状或棒状的结构。具体而言，该阳极20可为一由该第一材料与该纳米碳管混合形成的复合材料，并且该纳米碳管之间具有一介于5%至50%的孔隙率，而该阴极30则由该第二材料制成，该第二材料为选用金属、金属氧化物、超导体、石墨、导电高分子的导电材质。如此，当该阳极20与该阴极30各与该电解液10接触时，该电解液10与该阳极20将进行如下式的电化学氧化反应：
M→M2++2e-
而于该阴极30则进行如下式的电化学还原反应：
O2+2H2O+4e-→4OH-
该电解液10亦能于该阳极20及该阴极30之间产生一电位差，而可形成一电通路产生一电流。
除上述第一实施例与第二实施例外，本发明的第三实施例，该海水电池的结构配置亦可与第一实施例类似，如图1所示，包含有一电解液10、一阳极20以及一阴极30，该阳极20与该阴极30分别包括多个纳米碳管，且该阳极20进一步包含与该纳米碳管混合的该第一材料，而于该阴极30中，该纳米碳管之间具有一介于5%至50%的孔隙率，并可附着有一碳材料，再者，该阴极30则还可选择包含与该纳米碳管混合的该第二材料，该阳极20与该阴极30彼此相隔而分别与该电解液接触，该电解液为一海水，该电解液与该阳极20及该阴极30分别进行一电化学反应，而于该阳极20及该阴极30产生一电位差。
请参阅图2所示，为本发明另一实施例的结构示意图，在此实施例中，该海水电池更包含一容器40，该容器40包含一反应空间41、一与该反应空间41连通的输入口42以及一与该反应空间41连通而与该输入口42对应的输出口43，如图所示，该电解液10为由该输入口42流入该反应空间41，并于该反应空间41中与该阳极20及该阴极30接触而进行该电化学反应，再从该输出口43流出该反应空间41，该电解液10经由该容器40的该输入口42以及该输出口43持续的流入以及流出，而可维持该电解液10于该反应空间41中的离子浓度，稳定所产生的该电流。
综上所述，由于本发明利用纳米碳管制造海水电池的电极(该阳极以及该阴极)，藉由纳米碳管的高活性与高比表面积，而提供离子移动的通道，提高因该电位差所形成的该电流的电流密度，于电位差为1.4至2V时，该电流的电流密度最高可达到650mA·cm-2，有效提升该海水电池的供电效能。再者，本发明利用该纳米碳管做为海水电池的电极，可降低该电极于该电化学反应中的消耗，进一步延长该海水电池的使用寿命。
本发明尤其适合应用于航行于海中的船舶或建构于海上的设施，提供其所需的电力，但本发明并不限于此，原则上可广泛适用在任何含有海水的环境。与传统的火力发电相较，本发明海水电池的运作过程，并不会产生有危环境的物质；而与水力发电相比，又不会因建筑的关系影响生态环境，故属于环保的发电方式。此外，相对于太阳能电池，本发明海水电池毋须受限于日照时间或天候条件，仅需利用海水做为电解液，即可发电，故可提供较稳定的发电量。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (16)
1.一种海水电池，其特征在于，包含有：
一电解液；
一包含有多个纳米碳管及一与该纳米碳管混合的第一材料的阳极以及一包含有一第二材料的阴极，该阴极与该阳极彼此相隔而分别与该电解液接触；
其中，该电解液为一海水，该电解液与该阴极及该阳极分别进行一电化学反应，而于该阴极及该阳极产生一电位差。
2.根据权利要求1所述的海水电池，其特征在于，该第一材料为选自金属、金属氧化物、超导体、石墨、导电高分子所组成的群组。
3.根据权利要求1所述的海水电池，其特征在于，更包含一容器，该容器包含一供该电解液与该阴极及该阳极接触的反应空间、一与该反应空间连通并供该电解液流入该反应空间的输入口以及一与该反应空间连通并供该电解液流出该反应空间的输出口。
4.根据权利要求1所述的海水电池，其特征在于，该第二材料为选自金属、金属氧化物、超导体、石墨、导电高分子所组成的群组。
5.根据权利要求1所述的海水电池，其特征在于，该阳极中，该纳米碳管之间具有一介于5%至50%的孔隙率。
6.根据权利要求1所述的海水电池，其特征在于，该阳极中，该纳米碳管附着有一碳材料
7.一种海水电池，其特征在于，包含有：
一电解液；
一包含有一第一材料的阳极以及一包含有多个纳米碳管的阴极，该阴极与该阳极彼此相隔而分别与该电解液接触；
其中，该电解液为一海水，该电解液与该阴极及该阳极分别进行一电化学反应，而于该阴极及该阳极产生一电位差。
8.根据权利要求7所述的海水电池，其特征在于，更包含一容器，该容器包含一供该电解液与该阴极及该阳极接触的反应空间、一与该反应空间连通并供该电解液流入该反应空间的输入口以及一与该反应空间连通并供该电解液流出该反应空间的输出口。
9.根据权利要求7所述的海水电池，其特征在于，该阴极还包含一与该纳米碳管混合的第二材料，该第二材料为选自金属、金属氧化物、超导体、石墨、导电高分子所组成的群组。
10.根据权利要求7所述的海水电池，其特征在于，该第一材料为选自金属、金属氧化物、超导体、石墨与导电高分子所组成的群组。
11.根据权利要求7所述的海水电池，其特征在于，该阴极中，该纳米碳管之间具有一介于5%至50%的孔隙率。
12.一种海水电池，其特征在于，包含有：
一电解液；
一包含有多个纳米碳管及一与该纳米碳管混合的第一材料的阳极以及一包含有多个纳米碳管的阴极，且该阴极与该阳极彼此相隔而分别与该电解液接触；
其中，该电解液为一海水，该电解液与该阴极及该阳极分别进行一电化学反应，而于该阴极及该阳极产生一电位差。
13.根据权利要求12所述的海水电池，其特征在于，更包含一容器，该容器包含一供该电解液与该阴极及该阳极接触的反应空间、一与该反应空间连通并供该电解液流入该反应空间的输入口以及一与该反应空间连通并供该电解液流出该反应空间的输出口。
14.根据权利要求12所述的海水电池，其特征在于，该阴极中，该纳米碳管之间具有一介于5%至50%的孔隙率。
15.根据权利要求12所述的海水电池，其特征在于，该阴极中，该纳米碳管附着有一碳材料。
16.根据权利要求12所述的海水电池，其特征在于，该阴极还包含一与该纳米碳管混合的第二材料，该第二材料为选自金属、金属氧化物、超导体、碳、导电高分子所组成的群组。
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