CN105591178A - 金属空气燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用透水主体的金属空气燃料电池。包含电解材料的透水主体被应用在阳极上,且在操作时电解材料通过水被转化为电解质,使得可携带性、使用稳定性、传递稳定性和存储稳定性可被改善。进一步地,价格的效率和电池寿命与根据现有技术的金属空气燃料电池相比可被改善。
Description
相关申请的交叉引用
本发明根据35U.S.C.§119要求2014年11月7日提交到韩国知识产权局的申请号为10-2014-0154320的韩国专利申请的优先权,其全文通过引用并入本发明的公开。
技术领域
下列公开涉及一种金属空气燃料电池。
背景技术
由于化石燃料的枯竭和全球变暖的影响,可再生能源作为未来的替代能源已备受瞩目。因此,可再生能源技术已在各个领域广泛发展。在属于上述技术之一的燃料电池领域中,已经研究和开发了具有从小容量到大容量(几瓦到几兆瓦)的各种容量的燃料电池,从而使其商业化。然而,与诸如二次电池等其他燃料电池相比,价格竞争力仍然很低。
通常,金属空气燃料电池由阳极、阴极和电解质组成,其中,由于包含在电解质中的氢氧离子(OHˉ)和阳极金属之间的氧化反应,电子在阳极被释放,且由于氧气(O2)和电解质之间的还原反应,电子在阴极被接收,从而实现全面的化学反应。因此,阳极金属被持续氧化,且因此,由氧化反应形成的金属氧化物以浆体形式沉淀或附着在金属表面或在电解质中达到饱和状态,使得电解质和阳极应被替换为消耗品。因此,由于替换如上所述的电解质和阳极明显很难,所以可能发生诸如可携带性恶化、稳定性恶化等问题。
为了克服这些缺点,已实施了通过在对应于金属空气燃料电池的阳极的金属的表面上执行压纹处理、在金属板中形成孔等来增加接触表面区域从而增加交换周期的方法。然而,该方法产生减少金属空气燃料电池的阴极的寿命的负面影响。另外,在金属氧化反应之后,金属氢氧化物或金属氧化物的浆体形成从而在阴极中被慢慢地吸收。特别地,在使用镁的空气燃料电池中,在氧化反应之后,当浆体在阴极堆栈中被吸收时,黏度增加,但很难清洗阴极堆栈。
通常,在金属空气燃料电池中,氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)等被作为电解质。特别地,在镁空气燃料电池中,主要使用氯化钠(NaCl)等,且在铝和锌空气燃料电池中,使用诸如氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)等强碱性溶液的电解质。在这种情况下,在氧化反应的时候,温度明显增加,且产生大量氢气(H2),使得为了抑制氢气的产生应该将单独的氢产生抑制剂添加到电解质中。因此,在使用铝和锌金属的金属空气燃料电池中,如上所述的强碱性溶液被用作电解质,可携带性显著减小,且还应该严肃考虑安全问题。
[相关技术文献]
[专利文献]
公开号为10-2014-0088902的韩国专利公开
发明内容
本发明的实施例旨在提供一种金属空气燃料电池,其是一种使用透水主体形成的其金属和电解材料被注入内部空间作为阳极的阳极单元(cell)、能够仅供应水(H2O)以激活电池且具有改进的可携带性的金属空气燃料电池。
本发明的另一个实施例旨在提供一种金属空气燃料电池,其使用稳定性、传递稳定性和存储稳定性被改进。
本发明的另一个实施例旨在提供一种金属空气燃料电池,其诸如电压、电流、功率等的电池效率、价格竞争力和诸如电池寿命等的耐用性/稳定性特征被改进。
在一个总体方面中,金属空气燃料电池使用透水主体形成的其金属和电解材料被注入内部空间作为阳极的阳极单元。
在另一个总体方面中,金属空气燃料电池包括单元电池,单元电池包括如上所述的阳极单元和阴极。
附图说明
图1是说明根据示例2的金属空气燃料电池的阳极单元的照片。
图2是说明根据示例2的装配有电极终端模块的金属空气燃料电池的阳极单元的照片。
图3是根据本发明的示例实施例的单电池金属空气燃料电池的装配透视图。
图4是说明根据示例1的金属空气燃料电池的阴极的照片。
图5是说明根据示例1的关于通过应用使用铝和镁混合粉末的阳极单元制造的金属空气燃料电池的电压、电流和功率的数据的曲线图。
图6是说明根据示例2的关于通过应用使用铝和镁混合粉末和氢氧化铈的阳极单元制造的金属空气燃料电池的电压、电流和功率的数据的曲线图。
图7是说明根据对比示例1的关于通过应用使用铝/镁合金板的阳极制造的金属空气燃料电池的电压、电流和功率的数据的曲线图。
参考标记
101:金属空气燃料电池
102:阴极
103:阳极单元
111:阴极防护板
112:阳极电极
113:阴极电极
具体实施方式
在下文中,将参照附图详细描述根据本发明的金属空气燃料电池。通过示例的方式提供下列附图使得本发明的理念可充分传达至本发明所属领域的技术人员。因此,本发明不限于下面提供的附图,而是可以多种不同的形式被修改。另外,为了使本发明的范围清晰,可放大下面提供的附图。在此,除非另有限定,否则本说明书使用的技术术语和科学术语具有本发明所属领域的技术人员理解的一般意义,且在下面的说明和附图中将省略使本发明的主旨不必要地模糊的用于已知功能和配置的说明。另外,除非特别说明,否则使用的“%”在此指的是“wt%”。
进一步地,如在此使用的,术语“水”指的是H2O本身,水的种类不限只要其可将注入阳极单元中的电解材料转化为电解质。此外,“水”与根据本发明的金属空气燃料电池的透水主体中的电解材料混合以形成电解质。在本申请中,术语“水”可指的是包含来自电解材料的电解质离子的电解质。
另外,如其中使用的,术语“水-电解质转化结构”意味着注入阳极单元中的电解材料与水混合以形成电解质。
进一步地,如在此使用的,术语“激活”指的是提供用于操作电池的最低条件的状态和能够操作和停止电池的状态,但术语“激活”可限制性地指操作。另外,术语“失活”指的是不能操作的用于长期存储的状态。
进一步地,如在此使用的,术语“电解材料”指的是诸如固态、液态等的所有状态的电解材料。
改善根据现有技术的金属空气燃料电池的可携带性、稳定性和价格效率问题的本发明涉及一种使用注入金属和电解材料的透水主体的阳极单元和一种使用该阳极单元制造的金属空气燃料电池。
具体地,根据本发明的金属空气燃料电池包括由透水主体形成的阳极单元,在透水主体中电解材料包含电解材料盐,而不是直接使用电解质。因此,根据本发明的金属空气燃料电池中由于阳极单元包含电解材料而不使用电解质,所以没必要提供电解质本身,且金属空气燃料电池通过仅供应水而不是电解质来激活。因此,稳定性优良,仅通过在失活的时候除去水可防止电池效率的恶化,且金属空气燃料电池可稳定存储很长一段时间。
根据现有技术,为了改善电池效率和寿命,包含大量电解材料的电解质直接设置在金属空气燃料电池中从而被使用,但在根据本发明的包括阳极单元的金属空气燃料电池中,阳极单元中的电解材料被保持在电解材料可持续与水反应的状态中以最大限度地展现电池效率。因此,与根据现有技术的使用电解质本身的电池相比,电池效率几乎没有差别,但其易于交换水、阳极单元等,使得诸如使用稳定性、存储稳定性等稳定性以及可携带性可以是优良的。也就是说,在根据现有技术的金属空气燃料电池中,在激活的时候,需要供应电解质本身,但在根据本发明的金属空气燃料电池中,仅通过供应不包含电解材料的水可以激活并操作金属空气燃料电池,且在失活的时候,金属空气燃料电池可通过除去水被存储很长一段时间。
进一步地,在激活根据本发明的金属空气燃料电池的情况中,当仅通过将水供应至阳极单元即可在几秒内(约3-5秒)形成电解质时,进行化学反应,使得标准电池性能可被展现。
因此,在根据本发明的金属空气燃料电池中,能够改善稳定性和可携带性,而稳定性和可携带性是根据现有技术的金属空气燃料电池所存在的问题,其在使用时电解质被保持注入状态。特别地,在阳极单元需要被交换的情况中,由于电解材料被注入到阳极单元电池中,所以金属空气燃料电池可以在除去水之后仅通过供应水被激活,并且交换阳极单元,从而使得大量电解质应该与阳极单元一起被交换或电解质应该再次被供应的问题不会出现。
也就是说,在失活根据本发明的金属空气燃料电池的情况中,失活仅通过除去水被执行。在激活金属空气燃料电池的情况中,当水被供应时,由于阳极单元中的电解材料与水混合以形成电解质,所以金属空气燃料电池可正常操作。因此,除可携带性之外的使用稳定性、传递稳定性和存储稳定性可被显著改善。
进一步地,阳极单元可被简单且容易地被携带和交换,使得金属空气燃料电池可在任何地方被激活,只要水被供应至该电池。
另外,由于在激活的时候化学反应被由电解材料形成的电解质而不是使用电解质本身进行,所以氧化反应后在阳极单元中产生的金属氢氧化物、金属氧化物等的浆体被排到阳极单元的外面的现象可被显著减少,使得阴极寿命恶化的问题可被显著减少。
进一步地,由于阳极单元具有高能量密度,所以用于性能的重量效率较高,使得电池效率较高。
在下文中,将详细描述本发明。
本发明涉及由透水主体形成的阳极单元,在透水主体中注入金属和电解材料。另外,本发明涉及包括该阳极单元的金属空气燃料电池。
根据本发明的示例实施例,透水主体包含注入其中的电解材料,且其原理和特性不同于根据现有技术的阳极,使得透水主体由于考虑到处理诸如存储、传递等的优势可具有优良的可携带性。
由于本发明的透水主体,具有能够从外面使水通过进入透水主体中的结构的透水主体可在没有限制的情况下使用。例如,更优选的是使用能够容易吸收水的透水主体使得水可容易地通过进入透水主体中。
更具体地,在使用由透水主体形成的阳极单元的金属空气燃料电池中,当激活的时候,水被简单地供应到阳极单元中,使得阳极单元中的电解材料与水混合以形成电解质,且因此,阳极单元、阴极和电解质之间的化学反应进行,从而能够正常操作电池。另外,在失活的时候,由于电解材料被注入阳极单元中的状态通过除去水被保持,所以金属空气燃料电池有利于考虑处理诸如存储、传递等。
根据本发明的示例实施例,透水主体其中可包含金属和电解材料。作为特定且非限制性的示例,透水材料可通过将通过氧化产生电子的诸如金属、金属粉末、金属混合粉末等的金属注入透水主体且然后密封透水主体来制造。然而,上述透水主体仅是优选示例,但本发明不限于此。
根据本发明的示例实施例,透水主体可具有其他电极、电线、终端等的金属被形成以通过透水主体的内部和外部部分的结构,但不限于此。
根据本发明的示例实施例,具有能够注入金属和电解材料的结构的透水主体可在没有限制的情况下使用。例如,透水主体可具有袋状。作为特定且非限制性的示例,透水主体具有四角形的袋状,这更有利于考虑处理诸如存储、传递等,但这仅是优选示例。也就是说,透水主体可具有各种形状只要材料被注入其中。
根据本发明的示例实施例,并不限制透水主体的尺寸,且透水主体可具有各种尺寸以便适用于具有小尺寸、中等尺寸或大尺寸的金属空气燃料电池。由于透水主体的尺寸可根据电池容量或期望目的而调整,所以并不限制尺寸。
根据本发明的示例实施例,透水主体可具有多孔结构。例如,透水主体可具有多孔结构,其中形成有孔尺寸为0.01-100μm,优选为0.05-50μm的孔。进一步地,具有该多孔结构的透水主体可具有1-300cm2/cm3/sec,优选为5-150cm2/cm3/sec的透气性。在透水主体满足上述透气性的情况中,吸水性能可被进一步改善,使得可诱发更快速的反应,且取决于水的供应/除去的控制反应速率可被改善。然而,这仅是优选示例,但本发明不限于此。
根据本发明的示例实施例,透水主体可被制造为包含选自聚合物、水吸收促进剂等的任何一个或两个或多个。在透水主体被制造为包含聚合物、水吸收促进剂等的情况中,吸水性能可被进一步改善,使得在激活的时候,反应速率可被进一步改善。
根据本发明的示例实施例,聚合物可包括选自包括选自纤维素、甲壳素、壳聚糖、藻酸盐或其衍生物、聚砜(PSU)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚环氧乙烷(PEO)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、其衍生物、其混合物等的任何一个或两个或多个的共聚物的任何一个或两个或多个。由于当使用由聚合物制成的透水主体将水供应至阳极单元时注入阳极单元中的电解材料与水混合以形成电解质,所以氧化反应在阳极单元中进行,且与氧气的还原反应在阴极进行,使得金属空气燃料电池被激活。
根据本发明的示例实施例,聚合物的平均分子量(Mw)可在宽的范围例如20000-3000000g/mol,优选为50000-1500000g/mol内选择。然而,平均分子量不受限制,只要透水主体的结构被保持。
根据本发明的示例实施例,透水主体可包含基于100重量份数的聚对苯二甲酸乙二醇酯的30-300重量份数的聚乙烯、30-300重量份数的聚丙烯和0.01-50重量份数的碳分子筛。
根据本发明的示例实施例,透水主体可进一步包含水吸收促进剂。作为特定且非限制性的示例,透水主体可包含基于透水主体的总重量的0.001-20重量%,优选为0.01-10重量%的水吸收促进剂。尽管透水主体自身具有优良的水吸收能力,但透水主体被制造为进一步包含水吸收促进剂,使得水吸收能力可被最大化,使得操作时的反应速率可被进一步提高。
根据本发明的示例实施例,透水主体可被制造为包含选自碳分子筛(CMS)、碳亚甲基碳酸盐(CMC)等的任何一种或两种或多种。由于碳分子筛具有十分高的水吸收能力,在透水主体被制造为进一步包含碳分子筛的情况中,激活时的反应速率可被进一步提高。然而,碳分子筛仅是优选示例,且任何材料可被使用,只要其和碳分子筛一样可增加水的吸收速率。
如上所述,由于改善透水主体的水吸收能力是为了增加激活时的反应速率,所以透水主体的水吸收能力通常可被用作和根据现有技术的总是直接提供电解质的金属空气燃料电池不一样的重要参数。更具体地,在根据现有技术的总是提供电解质的金属空气燃料电池的情况中,由于电解质已经被提供,操作反应速率可以是快速的,但在根据本发明的金属空气燃料电池的情况中,由于电解质未被如现有技术中一样被直接使用,而是通过水的供应形成以从而被激活,所以透水主体的水吸收能力可以是重要参数。
因此,根据本发明的金属空气燃料电池使用水吸收促进剂,从而能够保持反应速率几乎与根据现有技术的总是提供电解质的金属空气燃料电池的反应速率相等。
根据本发明的示例实施例,电解材料的含量可以是基于100重量份数的金属的1-1000重量份数,优选为10-500重量份数且更特别地为15-200重量份数。然而,如上所述的含量仅是用于改善电池效率的优选示例,但本发明不限于此。
根据本发明的示例实施例,金属可包括选自锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)、其合金或其混合粉末的任何一种或两种或多种。作为特定且非限制性的示例,考虑到价格效率和能量密度可优选铝、镁等。尽管金属锂与其他金属相比具有最高的理论能量密度值,但金属锂与其他金属相比相对更贵且当金属锂在操作时与水接触会爆炸,使得制造过程需要在最好干燥的房间中进行。因此,尽管金属锂具有高的能量密度,但优选在根据本发明的使用阳极单元的金属空气燃料电池中使用金属铝或镁或其的混合金属。然而,任何金属可被使用,只要进行氧化/还原反应以形成电流。
根据本发明的示例实施例,金属可以是金属自身且优选处于粉末或混合粉末状态。金属处于如上所述的粉末状态,考虑到进一步改善电池效率这是优选的。作为特定且非限制性的示例,粉末的平均粒度不限只要粉末不从透水主体泄露到外面,但例如,平均粒度可为25-300μm,优选为50-200μm。然而,这仅是优选实施例,但本发明不限于此。
根据本发明的示例实施例,电解材料可处于固态。在激活的时候,固态电解材料与水混合以形成液态电解质,使得金属空气燃料电池可被正常操作,且在失活的时候,长期存储特性和可携带性可通过除去电解质被改善。另外,金属空气燃料电池可通过供应水而不是电解质被激活,使得不需要提供单独的电解质。
根据本发明的示例实施例,电解材料可包含选自氢氧化钾(KOH)、氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、氢氧化钠(NaOH)、氧化钙(CaO)、碳酸钙(CaCO3)、碳酸钠(NaCO3)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、氢氧化钡(Ba(OH)2)、柠檬酸等的任何一种或两种或多种。考虑到阳极单元的特性来源于如上所述的固态电解材料,优选电解材料为具有低潮解或不潮解的材料。通常,氯化钠、氯化钾等被用作镁金属空气燃料电池的电解材料,且氢氧化钠等被用作铝和锌金属空气燃料电池的电解材料。然而,由于本发明的特性,对应于氢氧化钠的性质的潮解在被用在包括透水主体的固态电解材料被注入的阳极单元中是无效率的,使得使用不具有潮解的氢氧化钾等是更优选的。然而,这仅是优选示例,但本发明不限于此。
根据本发明的示例实施例,电解材料可进一步包含氢氧化铈(Ce(OH)3)。作为特定且非限制性的示例,电解材料可进一步包含基于100重量份数金属的0.001-10重量份数的氢氧化铈。在电解材料进一步包含氢氧化铈的情况中,诸如功率等的电池效率可被进一步改善。作为特定且非限制性的示例,氢氧化铈的平均粒度可以为50-300μm,优选为100-200μm,但这仅是优选示例,且本发明不限于此。
根据本发明的示例实施例,电解材料可进一步包含氢生成抑制剂。作为特定且非限制性的示例,电解材料可进一步包含基于100重量份数金属的0.001-10重量份数的氢生成抑制剂。进一步地,优选硫化钾(K2S)等被用作氢生成抑制剂,但本发明不限于此。也就是说,另一原料可被使用只要其可抑制氢的生成。例如,除温度提高外同时在阳极单元的内部和外部部分处的大量氢气(H2)的生成可在反应通过供应水进行的情况中被防止。
在下文中,将描述制造为包括根据本发明的阳极单元的金属空气燃料电池。
如图3所示,在本发明的另一方面中,根据本发明的金属空气燃料电池101可包括阳极单元和阴极。作为特定且非限制性的示例,电池可包括阳极单元103、阴极102、形成在阴极的一个表面上的阴极保护板111、阳极电极112和阴极电极113。
根据本发明的示例实施例,尽管未示出,但空气(O2)可从外面被自由引入并被排出外面并且水可被存储在其中的空间可被形成在金属空气燃料电池中。另外,金属空气燃料电池可通过设置其中的阴极和阳极单元形成,且阳极单元和阴极可交替且重复地设置。如上所述的阴极和阳极单元的配置结构在金属空气燃料电池领域中是普遍且广泛地已知的,本发明不限于此。
如上所述,尽管未示出,但水可被存储在其中的空间形成在金属空气燃料电池中,其中,空间具有可从外面自由引入空气的结构。
通常,不像能够长时间使用的阴极,由于氧化(电子的损失)发生在阳极单元中,MgO(在金属镁的情况中)、Al2O3(在铝金属的情况中)等可被沉淀或吸收在阳极的表面以从而形成钝化膜,钝化膜可使性能恶化。因此,MgO、Al2O3等在电解质中饱和,使得阳极单元的寿命终结。因此,阳极单元应该以物理电荷的形式交换,且电解质也应该被交换。然而,尽管根据本发明的金属空气燃料电池通过装配阳极单元和阴极形成,但是电池效率与集成类型的金属空气燃料电池相比未被恶化,且阳极单元可容易地分离/连接。因此,上述问题可被显著减少。
进一步地,电解质的交换可通过仅供应水而不是交换电解质被代替,使得可携带性十分优良。更具体地,在根据现有技术的金属空气燃料电池的情况中,存在大量电解质应该被交换的问题。然而,在根据本发明的由透水主体形成的阳极单元的情况中,由于金属空气燃料电池可通过供应水而不是交换电解质自身被激活,所以金属空气燃料电池可通过仅分离固体阳极单元或除去包含电解原料的水而被失活并存储很长一段时间。
根据本发明的示例实施例,金属空气燃料电池可进一步包括形成在金属空气燃料电池下端的出水口和与阴极102和阳极单元103被设置和形成在金属空气燃料电池的上端的空间连通的进水口。
根据本发明的示例实施例,进水口与设置阳极单元和阴极的空间连通,且水可借此被引入和排出。另外,在失活的时候,水可通过形成在下端的出水口被容易地除去。更优选地是,进水口与阴极和阳极单元的上部连通,且进水口可具有任何结构只要水可被顺利地供应至由透水主体形成的阳极单元并从由透水主体形成的阳极单元移除。
在本发明的另一方面中,根据本发明的金属空气燃料电池可包括多个单元电池,每个单元电池由阳极电池和阴极作为单个单元组成。
根据本发明的示例实施例,在金属空气燃料电池包括多个单元电池的情况中,水供应部具有水可被以恒定供应速率注入每个单元电池中的结构,这考虑到稳定的电池效率是优选的。详细地,只有当金属空气燃料电池具有每个单元电池可被同时操作的结构时,每个单元电池的初始反应速率和每个单元电池中的电压、电流和功率可被不断地操作并保持,从而能够改善电池效率。
如上所述,根据本发明的金属空气燃料电池可包括多个单元电池,每个单元电池都由阳极单元和阴极作为单一单元组成。作为特定且非限制性的示例,阳极单元的一个表面和阴极的一个表面在单元电池中可被设置为彼此面对,且这些单元电池可以各种结构被设置和重复。由于这种结构在现有技术中是广为人知的,所以本发明不限于此。
根据本发明的示例实施例,根据本发明的金属空气燃料电池可被制造为包括形成在金属空气燃料电池的下端的出水口、形成在金属空气燃料电池的上端并与其内部部分连通的进水口、与进水口连通的水供应部件、封闭金属空气燃料电池的壳体、与出水口连通以从壳体向外突出的水排放部件、与其上部装配的阴极盖以及与阴极盖的上部装配的壳体顶部。
根据本发明的示例实施例,金属空气燃料电池可进一步包括选自诸如水软木塞、阴极盖、壳体顶部、水盖等的组件的任何一种或两种或多种。这些组件可被改变或它们中的一些可被排除,且由于本领域技术人员可容易地应用这些组件,所以本申请不限于此。进一步地,即使根据本发明的包括阳极单元的金属空气燃料电池包括除上述组件外的其他组件,但金属空气燃料电池还是属于本发明的精神。
根据本发明的示例实施例,阴极可被制造为包含选自碳材料、金属催化剂或导电剂的任何一种或两种或多种。这在图4中被说明,且碳材料、金属催化剂和导电剂可被用作活性材料。
根据本发明的示例实施例,阴极可包括阴极集流器,其中,包含有碳材料、金属催化剂、导电剂和粘结剂的阴极涂料溶液被涂覆在阴极集流器上。
根据本发明的示例实施例,集流器可包括选自包含铝、镍、铜、钛、铁、不锈钢、石墨或其混合物的片材等(薄膜或平纹编织金属布)的任何一种或两种或多种,但不限于此。
根据本发明的示例实施例,阴极涂料溶液可包含基于100重量份数的碳材料的100-800重量份数的金属催化剂、10-200重量份数的导电剂和1-300重量份数的粘结剂。优选地,阴极涂料溶液可包含基于100重量份数的碳材料的200-700重量份数的金属催化剂、20-150重量份数的导电剂和5-100重量份数的粘结剂,但不限于此。
根据本发明的示例实施例,作为将阴极涂料溶液涂覆在集流器上的方法,存在喷射法、浸渍涂敷法、刀浇铸法、刮刀法、旋转涂敷法等,但本发明不限于此。也就是说,可使用所有涂敷方法。作为特定且非限制性的示例,当涂敷厚度为10-500μm优选为20-300μm时,电极的电阻可被减小,且电池效率可被提高。另外,具有期望厚度的电极可通过重复上述方法几次或多次来制造。
根据本发明的示例实施例,碳材料可包含选自活性炭、炭黑、石墨、碳纳米管、乙炔黑、科琴黑、SCF碳、SFR碳等的任何一种或两种或多种。所使用的碳材料的含量比可根据所需的物理性能调整。作为特定且非限制性的示例,碳材料的平均粒度可以为1μm或更小,优选为10nm-1μm,考虑到增加电导率这是优选地。然而,这仅是优选示例,但本发明不限于此。
根据本发明的示例实施例,金属材料可包括选自铜、镍、钴、铁、铂、金、银、铝、钌、铬、镁、锰、钼、铑、钽、钛、钨、铀、钒、钯、钇、锆、锗、铱或其合金的任何一种或两种或多种。和上述催化剂一样任何催化剂可被使用只要其有助于活性。作为特定且非限制性的示例,考虑到价格的性能效率,可优选钴、镍等。在使用稀有金属或诸如铂等的贵金属作为催化剂的情况中,金属空气燃料电池可具有相当高的效率,但诸如钴、镍等的金属具有高的价格竞争力,使得这些金属可被广泛应用在工业中。
根据本发明的示例实施例,导电剂可包含选自包括Ag、Au、Cu、Ni、Co、Pd、Pt、Ti、V、Mn、Fe、Cr、Zr、Nb、Mo、W、Ru、Cd、Ta、Re、Os、Ir等的过渡金属、包括Al、Ga、Ge、In、Sn、Sb、Pb、Bi等的金属、镧系金属、锕系金属、其合金、其合金氧化物等的任何一种或两种或多种。导电剂并不被特别限制,且现有技术中已知的任何导电剂可被使用只要其符合本发明的目的。另外,导电剂或金属前体的种类、尺寸、形状等并不限制。
根据本发明的示例实施例,导电剂可进一步包含导电聚合物,导电聚合物包含选自导电炭黑、石墨、碳纳米管、聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、其衍生物等的任何一种或两种或多种材料。另外,活性炭粉末、活性炭纤维、碳纳米管、碳气溶胶等可被使用。然而,本发明不限于此,但没有特别限制的情况下可使用其他导电聚合物。作为特定且非限制性的示例,包含导电聚合物的任何活性材料可被使用只要其为具有高比表面积的活性炭基材料,且优选的是活性材料以粉末的形式制备且然后被使用。进一步地,活性材料的含量范围可根据所需物理性能调整,具有10μm或更小更优选为10nm-10μm的平均粒度的活性材料被使用,考虑增加电极的比表面积和充电容量这是优选的。
根据本发明的示例实施例,阴极活性材料可包含基于100重量份数的钴(Co)的30-70重量份数的镍(Ni)和10-40重量份数的锰(Mn)。作为特定且非限制性的示例,钴、镍和锰的重量比为5:3:3、5:2:3、6:2:4等,考虑到氧化还原反应(ORR)这是更优选的,且导电剂以3-5%的重量比率被添加至其,这是更稳定的。
根据本发明的示例实施例,粘结剂为对与电化电池接触的化学材料化学惰性的有机聚合物并被用于阴极活性材料的机械稳定性。原因是诸如碳材料等的活性材料通过粘结剂彼此结合。进一步地,粘结剂可使阴极活性材料具有对输出导电剂足够的粘合力。
根据本发明的示例实施例,粘结剂的种类可选自有机聚合物(或共聚物)。例如,粘结剂可包括选自聚环氧乙烷(PEO)、纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈-甲基丙烯酸甲酯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)、偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟烷基乙烯基醚共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、偏二氟乙烯-氯三氟乙烯共聚物、乙烯-氯氟乙烯树脂共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物(选择地或至少部分地被碱金属盐或氨中和)、乙烯-甲基丙烯酸共聚物、乙烯-(甲基)丙烯酸酯共聚物、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、聚氯乙烯(PVC)、丁苯橡胶(SBR)、聚异丁烯等的任何一种或两种或多种。然而,这仅是优选示例,但本发明不限于此。
根据本发明的示例实施例,粘结剂的平均分子量(Mw)可在宽范围优选地例如20000g/mol-1000000g/mol中选择,但不限于此。
根据本发明的示例实施例,粘结剂可通过各种方法与阴极或阴极活性材料混合。例如,诸如聚乙烯醇的可溶粘结剂可在适当溶剂或溶剂混合物例如水/异丙醇中溶解,且具有阴极活性材料的附加成分的悬浮液可被制备。包含活性材料的阴极可通过将悬浮液涂覆在适当的底物上且然后除去(例如,蒸发)溶剂或溶剂混合物制得。适用于聚偏二氟乙烯的溶剂为NMP。
在下文中,将通过示例和对比示例更想详细地描述本发明,但提供它们仅为了清楚说明本发明,且本发明的范围不由此被限制。
[示例1]
为了制造阴极,活性炭、金属钴催化剂、镍和聚四氟乙烯(60%分散溶液)粘结剂以10:60:10:20的重量混合比在室温下混合30分钟,从而制备阴极涂料溶液。然后,通过将制备好的涂料溶液浸涂在泡沫镍上(130ppi、厚度:2mm、表面密度:420g/m2)制造阴极。
为了制造阳极单元,基于100重量份数的聚对苯二甲酸乙二醇酯,100重量份数的聚乙烯、143重量份数的聚丙烯和14重量份数的碳分子筛(CMS)(FM20、KoreaCMC)被溶解、揉捏及旋转(spin),从而制造透水主体(宽度:85mm、长度:100mm),透水主体为具有袋状的无纺布。无纺布的物理特性如下:重量为90g/m2±9g,厚度为0.45mm±0.05mm,机器方向(MD)的抗拉轻度(kg/3cm)为6.6kg或更多,纵向(CD)的抗拉强度为9.4kg或更多,MD的拉伸延伸率为60.0%或更多,CD的拉伸延伸率为52.0%或更多,且透气性为30±0.3(cm2/cm3/sec)。具有约125μm的平均粒度的铝/镁混合粉末(铝粉末:20g、镁粉末:80g)、固体粉末状态的氢氧化钾(25g)、氯化钾(30g)、氧化钙(2g)和硫化钙(1g)被注入透水主体,且然后,透水主体最终经受与电极(阳极电极)的密封过程。然后,每个组件如图2所示装配,从而制造阳极单元。
如图3所示,使用阴极和阳极单元制造单电池金属空气燃料电池。
然后,注入水后,金属空气燃料电池被操作,且电压、电流和功率被测量。如图5所示,金属空气燃料电池具有0.817W的最大功率。
[示例2]
单电池金属空气燃料电池以与示例1中相同的方式被制造,除了进一步将0.5g具有150μm的平均粒度的氢氧化铈粉末注入示例1中制造的透水主体中。
然后,注入水后,金属空气燃料电池被操作,且电压、电流和功率被测量。如图6所示,金属空气燃料电池具有0.918W的最大功率。
[对比示例1]
单电池金属空气燃料电池以与示例1中相同的方式被制造,除了使用铝/镁合金板而不是示例1中制造的阳极单元作为阳极以及使用氯化钾(KCl)电解质而不是水。
然后,注入水后,金属空气燃料电池被操作,且电压、电流和功率被测量。如图7所示,金属空气燃料电池具有0.874W的最大功率。
可认识到,与根据示例1的阳极单元相比,使用根据氢氧化铈被进一步使用的示例2的阳极单元的金属空气燃料电池的诸如电源、电流、功率等的电池效率更优良。
进一步地,使用根据示例2的阳极单元的金属空气燃料电池的最大功率是0.918W,这比根据对比示例1的金属空气燃料电池的最大功率高出0.044W。原因可能是氢氧化铈被额外地用于金属混合粉末中。因此,可确认的是,金属空气燃料电池与根据电解质被直接使用的现有技术的普通金属空气燃料电池相比具有优良的电池效率。
如上所述,根据本发明的金属空气燃料电池可有效解决可携带性、存储和稳定性问题,可携带性、存储和稳定性问题是根据现有技术的金属空气燃料电池的问题,且该效果是由于由透水主体形成的阳极单元。也就是说,该效果是由于水-电解质转化结构,在水-电解质转化结构中在通过使用可容易被处理且具有优良稳定性的水代替根据直接用电解质供应以从而被使用的现有技术的金属空气燃料电池的固定观念激活的时候被注入透水主体的电解材料与水混合以形成电解质。该使用水的水-电解质转化结构通过仅由固态材料组成的阳极单元和水之间的连结关系被应用。
因此,根据本发明的金属空气燃料电池的原理不同于根据在设置预定浓度的电解质的状态中被操作的现有技术的燃料电池的原理。根据本发明的金属空气燃料电池根据能够仅通过供应水和除去水激活和失活金属空气燃料电池的水-电解质转化结构的原理被操作,使得燃料电池可被方便并安全地使用。
进一步地,该水-电解质转化结构可应用于大尺寸及小尺寸,使得水-电解质转化结构可在各个领域或目标中被广泛地商业化,这是明显有利于考虑商业化。
在根据本发明的金属空气燃料电池中,由透水主体形成的金属和电解材料被注入内部空间的阳极单元被用作阳极,使得金属空气燃料电池可具有优良的可携带性。
在根据本发明的金属空气燃料电池中,阳极单元被应用于阳极,使得使用稳定性、传递稳定性和存储稳定性可被改善。
在根据本发明的金属空气燃料电池中,阳极单元被用作阳极,使得诸如电压、电流、功率等的电池效率、价格竞争力和诸如电池寿命等的耐用性/稳定性特征被改善。
本发明的主旨不应被限于上述实施例,且权利要求书和所有与权利要求书相等或等效的修改都旨在落入本发明的范围和主旨中。
Claims (15)
1.一种金属空气燃料电池的阳极单元,所述阳极单元包括透水主体,金属和电解材料被注入所述透水主体中。
2.根据权利要求1所述的阳极单元,其中,所述电解材料处于固态,且电解质通过水的供应形成在所述透水主体中,使得所述金属空气燃料电池被激活。
3.根据权利要求1所述的阳极单元,其中,所述金属包括选自锂、钠、钾、钙、镁、铝、锌、其合金或其混合粉末中的任何一种或两种或多种。
4.根据权利要求1所述的阳极单元,其中,所述电解材料包括选自氢氧化钾、氯化钠、氯化钾、氢氧化钠、氧化钙、碳酸钙、碳酸钠、氢氧化钙、氢氧化钡或柠檬酸中的任何一种或两种或多种。
5.根据权利要求1所述的阳极单元,其中,所述透水主体具有多孔结构。
6.根据权利要求1所述的阳极单元,其中,所述透水主体被制造为包含选自聚合物、水吸收促进剂中的任何一个或两个或多个。
7.根据权利要求6所述的阳极单元,其中,所述聚合物包括选自下列共聚物中的任何一个或两个或多个,所述共聚物选自纤维素、甲壳素、壳聚糖、藻酸盐或其衍生物、聚砜、聚醚酰亚胺、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈、聚环氧乙烷、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、其衍生物或其混合物中的任何一个或两个或多个。
8.根据权利要求6所述的阳极单元,其中,所述水吸收促进剂包括选自碳分子筛、碳亚甲基碳酸盐的任何一种或两种或多种。
9.根据权利要求7所述的阳极单元,其中,所述电解材料进一步包含氢氧化铈。
10.根据权利要求1所述的阳极单元,其中,所述电解材料进一步包含氢产生抑制剂。
11.一种金属空气燃料电池,其包括根据权利要求1-10中任一项所述的阳极单元以及阴极。
12.根据权利要求11所述的金属空气燃料电池,其进一步包括:
出水口,其形成在所述金属空气燃料电池的下端;以及
进水口,其与所述阴极和所述阳极单元连通并形成在所述金属空气燃料电池的上端。
13.根据权利要求11所述的金属空气燃料电池,其中,所述阴极被制造为包含选自碳材料、金属催化剂或导电剂的任何一种或两种或多种。
14.根据权利要求13所述的金属空气燃料电池,其中,所述阴极包括阴极集流器,包含所述碳材料、所述金属催化剂、所述导电剂和粘结剂的阴极涂料溶液被涂覆在所述阴极集流器上。
15.一种制造根据权利要求1-10中任一项所述的阳极单元的方法。
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