CN104285335A - 直接铝燃料电池和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本公开的直接铝燃料电池，包括：负极(11)，包含含铝材料；正极(12)，能够在中性或者中性附近的条件下还原氧；隔膜(13)，设置在负极(11)与正极(12)之间；以及电解液，具有3至10的pH，其中电解液包含缓冲物质。

Description

直接铝燃料电池和电子设备
技术领域
本公开内容涉及直接铝燃料电池以及电子设备。更具体地，本公开内容涉及被设计成通过使用包含含铝材料的负极作为燃料和使用空气中的氧作为正极活性材料产生电的直接铝燃料电池，以及还涉及包括此类直接铝燃料电池的各种类型的电子设备。
背景技术
使用高能量密度金属作为负极活性材料和使用空气中的氧作为正极活性材料的空气电池(还称为金属空气电池)可以利用半个电池的构造操作，使得其可以将电极活性材料的量减小至一半。理论上，此类空气电池可以实现高能量密度。使用铝负极的铝空气电池作为此类空气电池是已知的并且期望是大容量电池(参见，例如，专利文献1至3)。
为了增加常规铝空气电池的电力，已经进行了碱性溶液用作电解质来改善正极反应的研究。
引用文献列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开号2002-184472
专利文献2：日本专利申请公开号2006-147442
专利文献3：日本专利申请公开号2012-15025
专利文献4：日本专利申请公开号2008-273816
发明内容
本发明要解决的问题
然而，使用碱性溶液作为电解质的常规铝空气电池具有诸如碱性电解质诱导的严重的铝腐蚀以及随着碱性电解质吸收空气中的二氧化碳逐渐中和而出现的正极退化的问题。
因此，本公开内容的目的是提供防止作为用作燃料的负极成分的铝被腐蚀并且防止正极退化的直接铝燃料电池，并且提供具有此类直接铝燃料电池的电子设备。
问题的解决方案
为了实现该目的，本公开内容的第一模式涉及直接铝燃料电池，其包括：负极，包含含铝材料；正极，能够在中性或者中性附近的条件下还原氧；以及电解液，具有3至10的pH，其中电解液包含缓冲物质。
为了实现该目的，本公开内容的第二模式涉及直接铝燃料电池，其包括：负极，包含含铝材料；以及正极，能够在中性或者中性附近的条件下还原氧。
为了实现该目的，本公开内容还涉及包含至少一个根据本公开内容的第一或者第二模式的直接铝燃料电池的电子设备。
在根据本公开内容的第一或者第二模式的直接铝燃料电池中或者在安装在本公开内容的电子设备中的根据本公开内容的第一或者第二模式的直接铝燃料电池中(在下文中，这些直接铝燃料电池还总称作“本公开内容的直接铝燃料电池等”)，缓冲物质优选具有4至10的pKa，这使其可以将电解液保持在3至10的pH。基本上，缓冲物质可以是具有4至10的pKa的任何类型，可以根据需要选择。电解液中的缓冲物质的含量优选为电解液的每升0.2mol或更多。电解液中的缓冲物质的含量的上限可以是电解液中的缓冲物质的最大溶解度。电解液中的缓冲物质的含量更优选接近电解液中的缓冲物质的最大溶解度。在包含此类优选模式的本公开内容的直接铝燃料电池等中，电解液可以包含卤化物离子。在这种情况下，卤化物离子优选是氯化物离子。在包含上述优选模式的本公开内容的直接铝燃料电池等中，正极可以被设计成能够在具有3至10的pH的条件下还原氧。正极可以是包含电极和固定在其上的酶的固定酶电极。替换地，正极可以是包含能够还原氧的材料、诸如碳(包含木碳)、金属、碳和金属、或者催化剂(具体地，氧还原催化剂或者能够还原氧的催化剂)的电极。替换地，正极可以是包含能够允许氧在中性或者中性附近的条件下进行四电子还原的催化剂的电极(例如，催化剂可以是酶)。通常，直接铝燃料电池具有负极和正极之间的隔膜。可以根据需要选择负极的形状。例如，负极可以具有箔形状、片形状、或者板形状。为了增加负极和氧之间的接触面积，如果需要，至少部分负极，优选几乎整个或者整个负极可以是网格状或者由多孔材料制成。在典型的示例中，负极由铝箔制成。如果需要，可以可更换地提供负极。优选，直接铝燃料电池被配置为使得作为副产物的不溶物可以随着所述负极的更换同时被除去。
基本上，电子设备可以是任何类型。电子设备可以是可携带的和固定设备的任何一种，其示例包括移动电话、移动设备、机器人、个人计算机、游戏机、集成有摄像机的VTR(磁带录像机)、车载设备、多种家用电器、工业产品、以及其他产品。
本发明的效果
根据本公开内容，氧在中性或者中性附近的条件下在正极被还原，使得与碱性溶液用作电解质的情况相比，可以防止铝的自身腐蚀并且防止正极的退化的问题。因此，本公开内容使得可以防止作为用作燃料的负极成分的铝的腐蚀，并且还提供其中防止正极退化的新颖的直接铝燃料电池。该有利的直接铝燃料电池的使用使得可以提供高性能的电子设备和其他产品。
附图说明
[图1]图1A和图1B是分别示出实施例1的直接铝燃料电池和其变形例的示意性截面图。
图2是示出pH和铝的腐蚀量之间的关系的曲线图。
图3是示出实施例1的直接铝燃料电池的输出特性的曲线图。
图4是示出从实施例1的直接铝燃料电池输出的电荷量的曲线图。
图5是示出实验的结果的曲线图，进行该实验用于调查氯化物离子对具有1cm2面积的铝箔的氧化反作用的影响。
图6是示出实施例3的直接铝燃料电池的示意性的截面图。
图7是示出实施例3的直接铝燃料电池的输出特性的曲线图。
[图8]图8A、图8B、图8C、以及图8D分别是示出实施例4的直接铝燃料电池的示意性截面图，在使用之前的实施例4的直接铝燃料电池的燃料盒的状态的示意性截面图，在使用之后的实施例4的直接铝燃料电池的燃料盒的状态的示意性截面图，以及在使用之后的实施例4的直接铝燃料电池的状态的示意性截面图。
图9是用于示出在实施例4的直接铝燃料电池中将燃料盒替换为新的燃料盒的方法的示意性截面图。
具体实施方式
在下文中，将基于实施例描述本公开内容，然而，实施例并不用于限制本公开内容并且其中不同的值和材料仅仅作为示例。将以以下次序描述实施例。
1.实施例1(直接铝燃料电池，其制造方法，以及其操作)
2.实施例2(实施例1的变形例)
3.实施例3(实施例1的另一个变形例)
4.实施例4(实施例1至3的变形例)以及其他
实施例1
图1A是示出实施例1的直接铝燃料电池的示意性的截面图。实施例1的直接铝燃料电池包括：包含含铝材料的负极11、能够在中性或者中性附近的条件下还原氧的正极12、和布置在负极11和正极12之间的隔膜13。集电体14电连接至负极11的上表面，另一个集电体15电连接至正极12的下表面。通常，负极11、正极12、和负极11和正极12之间的隔膜13的至少部分被浸入电解液中。隔膜13填充有电解液并且形成允许在负极11和空气电极12之间的铝离子传导的电解质层。
用于形成负极11的含铝材料优选是，例如，包含铝作为主要成分的材料，诸如元素铝或者各种铝合金的任何一种。负极11可以是诸如箔、片、板的任何形状，并且还可以是诸如块、网格、或者多孔形式的任何形式。
正极12能够在中性或者中性附近例如，在3至10的pH、优选在3至9的pH、更优选在3至8的pH的条件下还原氧。具体地，例如，正极12可以是具有固定氧还原酶的固定酶电极。氧还原酶的示例包括，但不限于，胆红素氧化酶、漆酶、和抗坏血酸氧化酶。除了氧还原酶之外，能够在氧还原酶和正极12之间转移的电子介质优选固定在正极12上。电子介质的示例包括，但不限于，亚铁氰化钾和八氰基钨酸钾(potassiumoctacyanotungstate)。
在正极12，空气中的氧通过来自负极11的电子和来自充满电解液的隔膜13的质子(H+)在氧还原酶的存在下被还原以产生水。隔膜13可以，例如，由聚乙烯或聚丙烯等的多孔膜或者无纺织物制成。用于无纺织物的材料的示例包括，但不限于，诸如聚烯烃、聚酯、纤维素、以及聚丙烯酰胺的各种类型的有机高分子化合物。
集电体14通常包括金属网格。金属网格可以由能够承受使用直接铝燃料电池的环境的任何材料制成。此类材料的示例通常包括钛(Ti)、镍(Ni)、以及不锈钢(例如，SUS 304)。金属网格的孔尺寸和其他特征没有限制并且可以根据需要选择。集电体15被设计为可渗透至电解液。集电体15通常包括类似集电体14的金属网格。
优选使用的电解液具有3至10的pH。电解液包含缓冲物质。在该示例中，缓冲物质具有4至10的pKa。缓冲物质的示例包括柠檬酸、氯化铵、磷酸、三羟基甲基氨基甲烷、含咪唑环的化合物、磷酸二氢根离子(H2PO4 -)、2-氨基-2-羟甲基-1,3-丙二醇(缩写为Tris)、2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)、二甲胂酸、碳酸(H2CO3)、柠檬酸氢根离子、N-(2-乙酰胺)亚氨二醋酸(ADA)、哌嗪-N,N’-双(2-乙磺酸)(PIPES)、N-(2-乙酰氨基)-2-氨基乙磺酸(ACES)、3-(N-吗啉代)丙磺酸(MOPS)、N-2-羟乙基哌嗪-N’-2-乙磺酸(HEPES)、N-2-羟乙基哌嗪-N’-3-丙磺酸(HEPPS)、N-[三(羟甲基)甲基]甘氨酸(缩写为Tricine)、甘氨酰甘氨酸、以及N,N-双(2-羟乙基)甘氨酸(缩写为Bicine)。能够产生二氢磷酸根离子(H2PO4-)的物质的示例包括磷酸二氢钠(NaH2PO4)和磷酸二氢钾(KH2PO4)。含咪唑环的化合物的示例包括咪唑、三唑、吡啶衍生物、联吡啶衍生物、以及咪唑衍生物(组氨酸、1-甲基咪唑、2-甲基咪唑、4-甲基咪唑、2-乙基咪唑、咪唑-2-甲酸乙酯、咪唑-2-甲醛、咪唑-4-甲酸、咪唑-4,5-二甲酸、咪唑-1-基-乙酸、2-乙酰基苯并咪唑、1-乙酰基咪唑、N-乙酰基咪唑、2-氨基苯并咪唑、N-(3-氨丙基)咪唑、5-氨基-2-(三氟甲基)苯并咪唑、4-氮杂苯并咪唑、4-氮杂-2-巯基苯并咪唑、苯并咪唑、1-苄基咪唑、以及1-丁基咪唑)。如果需要，除了缓冲物质之外，电解液还可以包含至少一种酸作为中和剂，例如，选自由氢氯酸(HCl)、醋酸(CH3COOH)、磷酸(H3PO4)、以及硫酸(H2SO4)组成的组。含缓冲物质的电解液还可以包含，例如，包含卤化物离子(诸如氯化物离子、溴化物离子、碘化物离子、或者氟化物离子)的物质。例如，当向含缓冲物质的电解液添加含氯化物离子物质时，含氯化物离子的物质可以是NaCl、KCl等。待使用的电解液还可以包含离子液体。可以使用任何通常已知的离子液体，其可以根据需要选择。
可以使用气液分离膜以形成包含电解液的容器。作为非限制性示例，聚四氟乙烯(PTFE)膜优选用于形成容器。根据需要选择容器的形状。正极、负极、隔膜、电解液、和其他组成部分可以被容纳在硬币、平板、圆筒、层压体、或者其他形式的电池壳(容器)中。电池壳可以是大气开放型，该类型具有允许至少正极充分与大气接触的结构。替换地，电池壳可以是闭合型，该类型具有引进气体(空气)的管道和排气管道。
负极11根据使用的材料通常由已知的方法形成。随后，集电体14电连接至负极11的上表面。另一方面，具有固定氧还原酶的正极12通过将正极12浸渍到含溶解氧还原酶的酶溶液中或者将酶溶液涂布至正极12形成。随后，集电体15电连接至正极12的上表面。然后，隔膜13被夹在负极11和正极12之间，并且负极11、正极12、以及隔膜13被浸入电解液17中。因此，获得在图1A中所示的直接铝燃料电池。
图1B是示出直接铝燃料电池的变形例的示意性的截面图。在该示例中，整个负极11、整个正极12、以及负极11和正极12之间的隔膜13的至少部分被浸入电解液17中。电解液17被容纳在包含气液分离膜的容器16中。可以通过包括在容器中放置整个负极11、整个正极12、以及负极11与正极12之间的隔膜13的部分、添加电解液17至容器16、以及密封容器16的过程获得直接铝燃料电池。隔膜13的端部分可以从容器16突出。此类结构使得可以完全地分离正极12和负极11的空间并且防止负极11的反应产物(氢氧化铝)移动至正极侧。可以通过防止反应产物移动来延长电池寿命。
负极11和正极12中的至少一种可以与隔膜13整体形成使得可以简化制造过程，负极11或者正极12可以具有更高的机械强度，或者可以促进负极11与正极12之间的质子的移动。负极11和正极12可以与隔膜13整体形成。在这种情况下，负极11和正极12的其中一个可以形成在隔膜13的一个表面上，并且负极11和正极12的另一个可以形成在隔膜13的另一表面上。
在该直接铝燃料电池中，在发电期间通过以下式(1)至(3)表示的反应发生在负极11上。式(4)从式(2)和(3)获得。
Al→Al3++3e-   (1)
Al3++6H2O→[Al(H2O)6]3+   (2)
[Al(H2O)6]3+→[Al(OH)6]3-+6H+   (3)
Al3++6H2O→[Al(OH)6]3-+6H+   (4)
在该过程中，Al3+从负极11经隔膜13移动至正极12，使得产生电能。在正极12，在氧分解酶存在下，空气中的氧通过来自负极11的电子和来自充满电解液17的隔膜13的H+被还原，从而产生水。
从式(4)显而易见的是，质子积聚在负极11的表面上，因此，除非采取任何措施，否则在负极11的表面的pH将减小，使得铝会经历自身腐蚀，从而促进氢气体的产生。然而，在实施例1中，电解液17包含具有4至10的pKa的缓冲物质，该缓冲物质用作保持负极11表面的pH在中性或者中性附近(例如，保持pH在3至10)，使得防止铝经历自身腐蚀并防止促进氢气体的产生。具体地，图2示出pH和铝腐蚀的量之间的关系，图2表明当pH落在3至10的范围时，几乎没有出现腐蚀，或者腐蚀的量非常小，使得可以抑制氢气体的产生。
如以下描述地制备直接铝燃料电池。具体地，具有10mm×10mm×12μm的尺寸的正方形铝箔被用作负极11。钛网格作为集电体14电连接至铝箔。包含具有10mm×10mm×2mm的多孔碳电极和在碳电极上作为氧还原酶固定的胆红素氧化酶(BOD)的固定酶电极被用作正极12。钛网格作为集电体15被电连接至固定酶电极。然后，由无纺织物制成的隔膜13被夹在负极11和正极12之间。负极11/隔膜13/正极12的产生的层压体被放置在由PTFE膜制成的容器16中，并且容器16充入电解液17后密封。电解液17是包含作为缓冲物质的咪唑和作为中和剂的HCl并且具有7的pH的3mol/升的NaCl溶液。缓冲物质的含量是2mol每升电解液。
在0.7V的电池电压测量制备的直接铝燃料电池的输出特性。图3示出测量结果。在开始发电(放电)之后约3,500秒，铝箔被全部浸出，并且结束发电。最高电流密度是0.013A/cm2，电力是约10mW/cm2。图4示出在从发电开始至结束期间输出的电荷量。表明电池具有每克铝1.9Wh的容量。在发电结束之后，副产物氢氧化铝(Al(OH)3)作为不溶性残渣保留在电解液17中。
在下文中，将描述包含NaCl的电解液17的有利的效果。图5示出具有不同电解液的1cm2面积的铝箔的氧化反应的结果。分别使用1mol/升NaCl水溶液、饱和的KCl水溶液、以及1mol/公KNO3水溶液制备电解液。图5示出当使用含KNO3的电解液时很难进行氧化反应。然而，很显然，当使用含NaCl或者KCl的电解液时进行氧化反应。这意味着容纳在电解液中的氯化物离子，更通常地，卤化物离子对氧化反应的出现起重要作用。
如上所述，实施例1的直接铝燃料电池使用含铝材料作为负极11用作燃料，并且还使用能够在中性或者中性附近条件下分解氧的固定酶电极作为正极12，使得可以防止用作燃料的负极11的铝腐蚀并且防止正极12的退化。该直接铝燃料电池的优势还在于因为电解液17是中性或者中性附近的，所以该直接铝燃料电池是安全的。
实施例2
实施例2是实施例1的变形例。在实施例2中，柠檬酸代替咪唑被用作电解液17中的缓冲物质。缓冲物质的含量是每升电解液1mol。除了这些特征，如实施例1地制备直接铝燃料电池。测量实施例2的直接铝燃料电池的输出特性。测量结果与实施例1的那些类似，但是在发电结束之后，没有不溶性副产物氢氧化铝保留在电解液17中。
实施例3
实施例3是实施例1的另一个变形例。实施例3的直接铝燃料电池具有不同于实施例1的正极12。具体地，例如，正极12包括能够还原氧的电极材料，或者正极12包括含有电极材料和能够还原氧的催化剂的电极，催化剂被承载于电极材料上。电极材料可以是，例如，碳材料或者金属材料。
在该示例中，当正极12包括碳材料时，碳材料可以是选自由碳粒子、碳片、以及碳纤维组成的组中的至少一种形式。例如，碳颗粒包括选自由活性碳、碳黑、和生物碳组成的组中的至少一种。替换地，碳颗粒可以是除了这些之外的其他类型。活性碳的示例包括诸如橡木碳、锯齿橡木碳(sawtooth oak charcoal)、雪松碳、日本橡木碳或柏木碳的木头碳、橡胶碳、竹碳、来自木块(wood briquettes)的碳、以及椰子壳碳。碳黑的示例包括炉黑、乙炔碳黑、槽法碳黑、热裂法碳黑、和科琴黑。特别地，优选科琴黑。生物碳是由具有5％重量或更多的硅含量的来自植物的原材料制成的、具有如通过氮BET法测量的10m2/g或更多的比表面积、具有1％重量或者更小的硅含量、以及具有如通过BJH法和MP法(参见专利文献4)测量的0.1cm3/g或更多的孔隙体积的多孔碳材料。具体地，例如，如下生产生物碳。首先，通过在氮气流动中在500℃加热5小时将粉碎的稻壳(在日本鹿儿岛辖区中生产的Isehikari稻壳)转变为碳材，使得获得碳材料。随后，添加10g碳材料至氧化铝坩埚，并且然后以在氮气流动(10升/分钟)中以5℃/分钟的升温速率加热至1,000。随后，通过在1,000°C碳化5小时将材料转变为含碳材料(多孔碳材料前体)。然后将含碳材料冷却至室温。在碳化和冷却期间氮气体继续流动。然后，将多孔碳材料前体浸入46％(体积)的氢氟酸水溶液过夜以进行酸处理，使得去除SiO2，或者，然后将多孔碳材料前体通过浸入氢氧化钠水溶液过夜而进行碱处理，使得去除SiO2。随后，利用水和乙醇冲洗产物直到到达7的pH。最后，干燥产物以得到多孔碳材料，也就是，生物碳。
替换地，正极12可以包括金属材料。在这种情况下，金属材料可以是，例如，选自由钴(Co)、铱(Ir)、铂(Pt)、银(Ag)、金(Au)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铌(Nb)、钼(Mo)、铟(In)、锌(Zn)、锰(Mn)、铁(Fe)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、钯(Pd)、铼(Re)、钽(Ta)、钨(W)、锆(Zr)、锗(Ge)、以及铪(Hf)组成的组中的至少一种的单质金属或者其合金。
催化剂可以由，例如，诸如二氧化锰(MnO2)(诸如电解二氧化锰(EMD))、四氧化三钴(Co3O4)、氧化镍(NiO)、氧化铁(III)(Fe2O3)、氧化钌(IV)(RuO2)、氧化铜(II)(CuO)、五氧化二钒(V2O5)、氧化钼(VI)(MoO3)、氧化钇(III)(Y2O3)、以及氧化铱(IV)(IrO2)的多种无机陶瓷中的任何类型制成。替换地，催化剂可以由，例如，选自由诸如金(Au)、铂(Pt)、以及钯(Pd)的各种贵金属、过渡金属氧化物、有机金属络合物和其聚合物(具体地，例如，过渡金属卟啉、酞菁、通过过渡金属卟啉的聚合获得的聚合卟啉、以及通过酞菁的聚合获得的聚合酞菁)、钙钛矿、以及钴盐和聚丙烯腈的热分解的产物组成的组中的至少一种材料制成。替换地，催化剂可以由包含LaBO3(B：Mn，Co)钙钛矿的氧化物、氮化物、或者硫化物，以及诸如La1-xA’xCo1-yFeyO3(其中A’是Sr或者Ca，并且X和y各自是从0.2至0.5)的多成分的钙钛矿氧化物的任何其他材料制成。
除了正极12具有不同的特征，实施例3的直接铝燃料电池可以与实施例1的直接铝燃料电池相同。
图6是示出直接铝燃料电池的示意性的截面图。在该示例中，负极11、正极12、以及隔膜13全部浸入被容纳在包含气液分离膜的容器16中的电解液17。实施例3的直接铝燃料电池可以以与实施例1的直接铝燃料电池相同的方法生产，除了正极12由能够还原氧或者由沉淀物形成的电极材料形成在电极材料上，催化剂能够还原氧。也以与实施例1的直接铝燃料电池相同的方法操作实施例3的直接铝燃料电池。
如以下描述地制备实施例3的直接铝燃料电池。具体地，具有10mm×10mm×170μm的尺寸的正方形铝网格被用作负极11。钛网格作为集电体14被电连接至铝网格。通过涂布生物碳至由无纺织物制成的具有10mm×10mm×200μm的尺寸的隔膜13制备正极12。钛网格作为集电体15被电连接至正极12。铝网格负极11和生物碳正极12与放置在其间的无纺织物隔膜13粘结在一起。负极/隔膜/正极的产生的层压体被放置在由PTFE膜制成的容器16中，并且容器16充入电解液17后密封。使用的电解液17是具有7的pH的4mol/升NaCl水溶液。还以1.0mol的最终浓度添加磷酸至溶液，并且利用氢氧化钾调节溶液的pH至7。
在0.7V的电池电压测量所制备的实施例3的直接铝燃料电池的输出特性。图7示出测量结果。燃料电池在开始发电(放电开始)之后至少连续3小时产生电。最高电流密度是0.020A/cm2，电力是约10mW/cm2。实施例3的直接铝燃料电池具有与实施例1的直接铝燃料电池相同的优点。
实施例4
实施例4是实施例1至3的变形例。实施例4的直接铝燃料电池与实施例1至3的直接铝燃料电池的不同之处在于可更换地提供作为燃料的负极11。
图8A是示出实施例4的示意性的截面图，其中，作为燃料的负极11被覆盖有可渗透电解液17的袋状膜31。覆盖有袋状膜31的负极11收容在燃料盒32中。燃料盒32被收容在燃料盒壳体34中。燃料盒壳体34被装配在隔膜13上。参考标号33a和33b表示燃料推进部件。燃料盒壳体34具有盒插入口34a，燃料盒32被通过该盒插入口34a从外部插入至内部。燃料盒壳体34还具有盒排出口34b，燃料盒32被通过该盒排出口34b从外部取出。
图8B是示出没有使用的燃料盒32的示意性的截面图。图8C是示出在负极11作为燃料盒32中的燃料被完全消耗之后的状态的示意性的截面图。图8D还示出直接铝燃料电池的示意性的截面图，其中负极11被完全消耗。在使用之后，氢氧化铝35作为副产物被收集在袋状膜31中。在图8B和8C中，参考标号33c表示其两个端部分别固定至燃料推进部件33a和33b的推进弹簧。燃料推进部件33a被固定至燃料盒32，燃料推进部件33b通过弹簧33c抵靠隔膜13按压负极11。
使用后的燃料盒32可以通过以下操作被替换为未使用的燃料盒32。具体地，如图9所示的示意性的截面图，盒插入口34a被打开，未使用的燃料盒32被插入至燃料盒壳体34，使得使用后的燃料盒32通过盒排出口34b推进至外部。当使用后的燃料盒32通过盒排出口34b完全地推进至外部时，未使用的燃料盒32被设定在适当位置中，使得获得图8A所示的状态。在该状态中，通过燃料推进部件33b抵靠隔膜13按压燃料盒32中的负极11。
除了上述的特征，实施例4的直接铝燃料电池具有与实施例1至3的直接铝燃料电池的那些相同的特征。
尽管已经基于优选的示例描述本公开内容，将理解，这些示例没有旨在限制本公开内容并且可以对这些示例做出各种修改。在示例中所示的值、结构、构造、形状、材料、以及其他特征仅仅是示例性的，并且如果需要，还可以使用与上述不同的值、结构、构造、形状、材料、以及其他特征。还将理解，可以组合实施例1至4中的任何两个或更多。
本公开内容可具有以下特征。
[1]<<直接铝燃料电池的第一模式>>直接铝燃料电池包括：包含含铝材料的负极；能够在中性或者中性附近的条件下还原氧的正极；以及具有3至10的pH的电解液，其中电解液包含缓冲物质。
[2]根据[1]的直接铝燃料电池，其中，缓冲物质具有4至10的pKa。
[3]根据[1]或者[2]的直接铝燃料电池，其中，正极能够在具有3至10的pH的条件下还原氧。
[4]根据[1]至[3]中任一项的直接铝燃料电池，其中，电解液包含卤化物离子。
[5]根据[4]的直接铝燃料电池，其中，卤化物离子是氯化物离子。
[6]根据[1]至[5]中任一项的直接铝燃料电池，进一步包括固定在正极上的氧还原酶。
[7]根据[1]至[6]中任一项的直接铝燃料电池，其中，正极包括碳或者金属或者包含催化剂。
[8]根据[1]至[6]中任一项的直接铝燃料电池，其中，正极包含能够允许氧在中性或者中性附近的条件下经历四电子还原的催化剂。
[9]根据[8]的直接铝燃料电池，其中，催化剂是酶。
[10]根据[1]至[9]中任一项的直接铝燃料电池，进一步包括正极和负极之间的隔膜。
[11]根据[1]至[10]中任一项的直接铝燃料电池，其负极具有箔形状、片形状、或者板形状。
[12]根据[1]至[11]中任一项的直接铝燃料电池，其中，负极的至少一部分是网格状或者包括多孔材料。
[13]根据[1]至[12]中任一项的直接铝燃料电池，其中，负极包括铝箔。
[14]根据[1]至[13]中任一项的直接铝燃料电池，其中，负极被可更换地提供。
[15]根据[14]的直接铝燃料电池，被配置为使得作为副产物的不溶物能利用负极的更换同时被除去。
[16]<<直接铝燃料电池的第二模式>>直接铝燃料电池包括：包含含铝材料的负极；以及能够在中性或者中性附近的条件下还原氧的正极。
[17]根据[16]的直接铝燃料电池，其中，正极能够在具有3至10的pH的条件下还原氧。
[18]<<电子设备>>电子设备，包含至少一个根据[1]至[17]中任一项的直接铝燃料电池。
参考标记列表
11   负极
12   正极
13   隔膜
14，15  集电体
16   容器
17   电解液
31   袋状膜
32   燃料盒
34   燃料盒壳体
33a、33b  燃料推进部件
33c  推进弹簧
34a  盒插入口
34b  盒排出口
35   副产物(氢氧化铝)

Claims (18)

1.一种直接铝燃料电池，包括：负极，具有含铝材料；正极，能够在中性或者中性附近的条件下还原氧；以及电解液，具有3至10的pH，其中，所述电解液包含缓冲物质。
2.根据权利要求1所述的直接铝燃料电池，其中，所述缓冲物质具有4至10的pKa。
3.根据权利要求1所述的直接铝燃料电池，其中，所述正极能够在pH为3至10的条件下还原氧。
4.根据权利要求1所述的直接铝燃料电池，其中，所述电解液包含卤化物离子。
5.根据权利要求4所述的直接铝燃料电池，其中，所述卤化物离子是氯化物离子。
6.根据权利要求1所述的直接铝燃料电池，进一步包括固定在所述正极上的氧还原酶。
7.根据权利要求1所述的直接铝燃料电池，其中，所述正极包括碳或者金属，或者包含催化剂。
8.根据权利要求1所述的直接铝燃料电池，其中，所述正极包含能够让氧在中性或者中性附近的条件下进行四电子还原的催化剂。
9.根据权利要求8所述的直接铝燃料电池，其中，所述催化剂是酶。
10.根据权利要求1所述的直接铝燃料电池，进一步包括所述正极和所述负极之间的隔膜。
11.根据权利要求1所述的直接铝燃料电池，所述负极具有箔形状、片形状、或者板形状。
12.根据权利要求1所述的直接铝燃料电池，其中，所述负极的至少一部分是网格状或者包括多孔材料。
13.根据权利要求1所述的直接铝燃料电池，其中，所述负极包括铝箔。
14.根据权利要求1所述的直接铝燃料电池，其中，所述负极被可更换地提供。
15.根据权利要求14所述的直接铝燃料电池，被配置为使得作为副产物的不溶物能利用所述负极的更换同时被除去。
16.一种直接铝燃料电池，包括：负极，具有含铝材料；以及能够在中性或者中性附近的条件下还原氧的正极。
17.根据权利要求16所述的直接铝燃料电池，其中，所述正极能够在具有3至10的pH的条件下还原氧。
18.一种电子设备，具有至少一个直接铝燃料电池，所述直接铝燃料电池包括：负极，具有含铝材料；正极，能够在中性或者中性附近的条件下还原氧；以及电解液，具有3至10的pH，其中，所述电解液包含缓冲物质。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105680059A (zh) * 2016-01-15 2016-06-15 云南星能科技股份有限公司 一种新型铝基负极植物电解液电池
CN109980323A (zh) * 2019-04-23 2019-07-05 陈让珠 石墨烯铝空气燃料电池制作方法
WO2019201071A1 (zh) * 2018-04-20 2019-10-24 东深金属燃料动力实验室有限责任公司 将废弃铝材转变为铝燃料用于发电的方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2540171B1 (es) * 2015-04-29 2016-04-21 Albufera Energy Storage, S.L. Celda electroquímica de aluminio-manganeso
JP2019067618A (ja) * 2017-09-29 2019-04-25 マクセルホールディングス株式会社 空気電池の封入体、デバイスの封入体
CN111630695A (zh) * 2017-12-01 2020-09-04 香港大学 适用于便携式应用的基于纸的铝-空气电池和电池组
JP7135516B2 (ja) * 2018-07-10 2022-09-13 東洋インキＳｃホールディングス株式会社 酵素発電デバイス
JP6939760B2 (ja) * 2018-12-17 2021-09-22 トヨタ自動車株式会社 正極集電箔

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1309134C (en) * 1987-09-25 1992-10-20 Wilfrid B. O'callaghan Metal/air battery with recirculating electrolyte
JP2000133326A (ja) * 1998-10-30 2000-05-12 Canon Inc 生体代謝利用発電方法及び電池
WO2004112174A1 (ja) * 2003-06-11 2004-12-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 酸素還元用電極の製造方法ならびに酸素還元用電極及びそれを用いた電気化学素子
JP5342165B2 (ja) * 2008-04-25 2013-11-13 株式会社コベルコ科研 空気二次電池
US20100203394A1 (en) * 2009-02-06 2010-08-12 In Tae Bae Thin metal-air batteries
JP2011243488A (ja) * 2010-05-20 2011-12-01 Sony Corp バイオ燃料電池

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105680059A (zh) * 2016-01-15 2016-06-15 云南星能科技股份有限公司 一种新型铝基负极植物电解液电池
WO2019201071A1 (zh) * 2018-04-20 2019-10-24 东深金属燃料动力实验室有限责任公司 将废弃铝材转变为铝燃料用于发电的方法
CN109980323A (zh) * 2019-04-23 2019-07-05 陈让珠 石墨烯铝空气燃料电池制作方法

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