CN110521041A - 固态黑色素电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固态电池。所述电池包括黑色素结构(melanin structure)和第一金属带和第二金属带，所述黑色素结构由至少一种嵌入惰性材料中的黑色素物质构成，所述第一金属带和第二金属带分别用作第一电极和第二电极。黑色素物质选自下组：黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物和黑色素变体。所述固态电池不需要充电或重新加料(reloaded)。

Description

固态黑色素电池

发明背景

本发明的实施方式涉及一种电池，其需要通过电源来重新加载或充电，并且更具体地涉及一种电池，其从环境光(可见光和不可见光)获得所需要的能量，并通过水分子的解离和反向键合将该光能转化为化学能。

当今能源领域的一个主要问题是，为移动应用供电的电池，无论是一次电池还是二次电池，都会对环境造成污染。而且，这种传统电池必须通过连接电源来充电。

亚历山德罗·沃尔塔(Alessandro Volta)于1800年发明的伏打电堆(voltaicpile)是第一个电池；即第一种实用的发电方法。伏打电堆是由锌和铜相间的金属圆盘与浸在金属圆盘之间的盐水中的纸板制成的，产生稳定的电流。

随着知识的进步，产生了更多种类的电池。1836年，丹尼尔·塞尔(DanielCell)发明了丹尼尔(Daniel)电池，该电池使用两种电解质：硫酸铜和硫酸锌。丹尼尔电池可产生约1.1伏特的电压，可以为电报、电话和门铃等物体供电。Daniel电池在家庭中一直流行了100多年。

1839年，威廉·罗伯特·格罗夫(William Robert Grove)开发了第一个燃料电池，该燃料电池通过结合氢和氧产生电流。

法国发明人加斯顿·普兰特(Gaston Plante)开发了第一个可以充电的实用酸性蓄电池(即二次电池)。这种电池目前主要用于汽车。

法国工程师乔治·勒克兰谢(Georges Leclanche)为一种称为“勒克兰谢电池”的碳锌湿电池申请了专利。最初的勒克兰谢电池组装在一个多孔罐中，其正极由粉碎的二氧化锰与少量碳混合而成，其负极由插入所述正极的填充材料中的锌棒组成，用作电流收集器。然后将阳极或锌棒和罐浸入氯化铵溶液中。氯化铵溶液用作电解质。乔治·勒克兰谢进一步改进了他的设计，用氯化铵糊溶液代替液体电解质，并发明了一种密封电池的方法，从而发明了第一个干电池，这种改进的设计现在是便携式的。

1881年，J.A.蒂埃博(Thiebaut)取得了首个电池的专利，该电池的负极和多孔罐均置于锌杯中。

同样在1881年，卡尔·加斯纳(Carl Gassner)发明了第一个商业上成功的干电池(锌碳电池)。

1889年，沃尔德马·尤格尔(Waldmar Jungner)发明了第一个镍镉可充电电池。

1901年，托马斯·阿尔瓦·爱迪生(Thomas Alva Edison)发明了碱性蓄电池。托马斯·爱迪生(Thomas Edison)的碱性电池包括以铁为阳极材料，以氧化镍为阴极材料。

1949年，卢·厄里(Lew Urry)开发了小型碱锰电池。碱性电池的寿命是其前身锌碳电池的五至八倍。

1954年，杰拉尔德·皮尔森(Gerald Pearson)，卡尔文·富勒(Calvin Fuller)和达里尔·查平(Daryl Chapin)发明了第一块太阳能电池。太阳能电池将太阳能转化为电能。发明者发明了一种由几个硅条组成的阵列(每个硅条都有剃须刀片大小)，将它们置于阳光下，捕获自由电子并将其转化为电流。其被称为贝尔太阳能电池。1955年10月4日，贝尔太阳能电池的首次公共服务试验开始于电话载波系统。

一般而言，电池(其是单电池)是通过化学反应产生电力的装置。严格来说，电池(battery)由两个或多个串联或并联连接的单电池(cell)组成，但该术语通常用于单个电池。单电池由负极、正极、隔板(也称为离子导体)和传导离子的电解质组成。电解质可以是水性的(即，由水组成)或非水性的，并且可以是液体、糊剂或固体的形式。当单电池连接到外部负载或要供电的设备时，负极提供流过所述负载并被正极接受的电子电流。当去除外部负载时，反应停止。

一次电池只能将其化学物质转化为电能一次，然后必须丢弃。另一方面，二次电池的电极可通过使电流通过电极回传而重新构造，因此二次电池可多次重复使用。这种二次电池被称为蓄电池或可再充电电池。

光伏系统将光能转换成电能，并且通常被称为“太阳能电池”。太阳能电池被用于各种应用中，例如，提供电力来抽水、电力通信设备、照明房屋和运行一些电器。传统太阳能电池的效率约为6％-14％。

这种常规太阳能电池的一个问题是它们需要结晶多晶硅，其制造相对昂贵。而且，结晶多晶硅仅在有阳光的情况下起作用，因此，太阳能设备通常还必须具有二次电池才能在晚上提供能量。光伏系统的半衰期约为3年。

燃料电池是一种将燃料的化学能转化为电能的装置，其是通过带正电的氢离子与氧气或另一种氧化剂的化学反应实现的。燃料电池与电池的不同之处在于，它们需要连续的燃料(即氢)和氧气或空气来维持化学反应。相反，在电池中，存在于电池中的化学物质彼此反应以产生电动势(emf)。燃料电池只要提供燃料和氧气/空气，就可以连续发电。除了电力，燃料电池还能产生水、热，根据燃料来源的不同，还会产生非常少量的二氧化氮和其他排放物。燃料电池的能量效率通常在40％至60％之间。

然而，燃料电池的一个问题是需要连续的氢源(即燃料)。

因此，期望提供一种固态电池，该固态电池不需要充电并且不需要连接能源。

附图说明

当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及以下对本发明的详细描述。为了说明本发明，在附图中示出了目前优选的实施例。然而，应当理解，本发明不限于所示的精确的设备和装置。

在附图中：

图1是根据本发明的一个实施方式的纳米材料透视图，该纳米材料由嵌入惰性材料块中的黑色素物质构成；

图2是由图1所示的纳米材料形成的固态黑色素电池的主体的透视图；

图3是根据本发明实施方案的固态黑色素电池的透视图；

图4是将图3所示的固态黑色素电池包裹在惰性覆膜中的透视图；

图5是固态黑色素电池堆的透视图；

图6是一堆黑色素结构的透视图；

图7是根据本发明一个实施方式的电池的透视图，所述电池是由图6所示的黑色素结构堆形成的；

图8是根据本发明实施方式的电池的透视图，所述电池是由黑色素结构堆形成的；

图9是根据本发明另一实施方式的电池的透视图，所述电池是由图6所示的黑色素结构堆形成的；和

图10是根据本发明的实施方式组件的侧视图，所述组件使用黑色素结构产生氢气和氧气。

本发明详细说明

本发明引用的所有专利和出版物均通过引用并入本文。除非另有定义，否则本发明中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。否则，本发明中，使用的某些术语具有说明书中阐述的含义。

必须注意，如本发明和所附权利要求书中所使用的，单数形式的“一”，“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。

如本发明所用，术语“黑色素物质(melanin material)”是指黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物和黑色素变体，包括天然和合成的黑色素、真黑素(eumelanin)、褐黑素(pheomelanin)、神经黑色素、聚羟基吲哚、芦荟黑色素(alomelanin)、腐殖酸、富勒烯(fulerens)、石墨、聚吲哚醌(polyindolequinones)、乙炔黑、吡咯黑、吲哚黑、苯黑(benzence black)、噻吩黑、苯胺黑、水合形式的聚醌、墨鱼黑色素(Sepiomelanins)、多巴黑(dopablack)、多巴胺黑、肾上腺素黑、邻苯二酚黑、4-胺邻苯二酚黑，呈简单线性链状脂族或芳族化合物；或它们的前体，如酚、氨基酚或二酚(diphenols)、吲哚多酚、醌、半醌或对苯二酚、L-酪氨酸、L-多巴胺、吗啉、邻苯并醌、双吗啉、卟啉黑、蝶呤黑和阿敏眼色素黑(ommochrome black)。

本发明所说的“惰性材料(inert material)”是指至少嵌入一种黑色素物质的材料，是指与黑色素相容但不会与黑色素发生化学反应的任何材料。优选地，惰性材料是不溶于水的材料。惰性材料的例子有硅、二氧化硅、钙、铝和聚乙烯。

在一个实施例中，本发明涉及一种太阳能电池或光伏电池(也称为太阳能电池)，其是将光能直接转换成电能的电气装置。本发明的太阳能电池自身产生氢。

太阳能电池由黑色素的多种纳米材料10组成。更具体地，如图1所示，每种纳米材料(nanomaterial)10包括黑色素物质12，该黑色素物质12保持或嵌入惰性形式14中。

黑色素吸收能量和利用吸收的能量催化水电解成氢气和氧气的固有能力也是最近发现的。特别地，发现在黑色素分解水分子时，会发生可逆反应，从而重新生成水分子，并释放能量。因此，黑色素吸收所有波长的电磁能，包括可见光和不可见光能，并通过水分解及其随后的重新生成来消耗吸收的能量，从而产生化学能。在美国专利号8,455,145中描述了使用黑色素或黑色素的类似物、前体、衍生物或变体产生能量的光电化学方法。

黑色素在自然界中无处不在，并且由氮、氧、氢和碳组成。多年来，黑色素除了被认为是一种简单的防晒产品，其保护因子较低，相当于2％硫酸铜溶液的保护因子外，没有任何生物学或生理功能。黑色素也被认为是已知的最黑暗的分子，因为它能够吸收几乎任何波长的能量，但它似乎不释放任何能量。这是黑色素所独有的，它与热力学定律相抵触，因为其他能够吸收能量的化合物(尤其是颜料)会释放一部分吸收的能量。因此，黑色素的电子特性一直是人们关注的焦点。然而，黑色素是人类已知的最稳定的化合物之一，长期以来，黑色素似乎无法催化任何化学反应。

例如，不希望受到任何理论的束缚，可以认为黑色素内部的反应是根据以下方案I发生的：

在吸收诸如光能(可见或不可见)之类的电磁能时，黑色素催化水分解成双原子氢气(H₂)，双原子氧气(O₂)和电子(e^-)。尽管将水分解为氢气和氧气会消耗能量，但是该反应是可逆的，如上所述，在可逆过程中，用双原子氢气还原氧气原子生成水分子，从而释放能量。

因此，黑色素能够将光能转化为化学能，类似于植物在光合作用过程中使用色素叶绿素将光能转化为化学能的过程。因此，通过类比，该过程被称为“人类光合作用”。但是，黑色素和叶绿素进行的水分解反应之间的重要区别在于，叶绿素进行的水分解反应只能在活细胞中并且可见光的波长范围为400nm至700nm时发生。相反，黑色素可以使用任何形式的电磁能在活细胞外部分解和重构水分子，特别是波长为200nm至900nm的光能(可见光或不可见光)，生成H₂和O₂。

优选地，黑色素物质12被嵌入每种纳米材料10的惰性形式14内，使得惰性形式14的材料用作黑色素物质12与周围环境之间的屏障以保持黑色素物质的物理和化学完整性。优选地，惰性形式14由多孔材料形成。优选地，孔的尺寸为仅允许水和气体从中通过。

在一个实施方式中，每种纳米材料10可以仅包括一种类型或形式的黑色素物质12，或多种类型或形式的黑色素物质12。

根据本发明的实施方式，至少一种黑色素物质选自下组：黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物和黑色素变体。在一个优选的实施方式中，所述至少一种黑色素物质为黑色素，优选天然黑色素或合成黑色素。鉴于本发明公开，本领域已知的任何方法均可用于获得黑色素物质。例如，黑色素物质可以是化学合成的或从天然来源如植物和动物中分离的。黑色素也可以由黑色素的氨基酸前体例如L-酪氨酸合成。黑色素物质也可以从商业来源获得。

优选地，纳米材料10的惰性形式14是稳定的并且是非反应性的。例如，惰性形式14的材料可以是硅、二氧化硅、钙、铝、塑料(例如，和聚乙烯)、玻璃或其任何混合物。优选地，惰性形式14由钙、铝和二氧化硅的混合物形成，因此纳米材料10是一种含有钙、铝和二氧化硅的混合物，其中嵌入了至少一种黑色素物质12。

在一个实施方式中，优选地，黑色素物质12占纳米材料10总体积的1％至3％。在纳米材料10中，优选地，惰性形式14的材料的量为纳米材料10的总体积的91％至99％(体积)，并且更优选地为97％至99％(体积)。

所述至少一种黑色素物质12可以通过任何已知的或尚待开发的适当方法嵌入惰性形式14中。在一实施方式中，黑色素物质12通过粘附嵌入惰性形式14中。在另一个实施方式中，黑色素物质12通过压缩嵌入惰性形式14中。

优选地，用于制备每种纳米材料10的黑色素溶液的黑色素浓度为3mg/ml。然而，应当理解，可以根据需要使用较低黑色素浓度或较高黑色素浓度(例如，用于日光较小的区域)，以实现所需的大约光吸收。还应当理解，纳米材料10可以制成任何形状。

如图2所示，黑色素结构(melanin structure)16由多种(优选数千种)纳米材料10构成。黑色素结构16决定了电池20的主体。根据本发明的实施方式，黑色素结构16可以具有任何尺寸或形状，包括但不限于杆状(圆柱形)、板状、球状或立方体状。

双原子氢气(H₂)的产生速率取决于多种因素，并且可以通过例如改变纳米材料10或黑色素结构16的尺寸、形状和表面积，纳米材料10中黑色素物质的含量，和/或存在于电池20中纳米材料10或黑色素结构16的数量来控制。

接下来，如图3所示，在一个实施方式中，所述黑色素结构16具有至少第一和第二金属带18，所述金属带18分别作为第一和第二电极，以形成固态黑色素电池20。金属带18可以由用于形成电极的任何合适的金属制成。优选地，金属带18由Ag、Al、Co、Au或其合金中的一种或多种制成。金属带(metal bands)18可以全部由相同金属或不同金属制成。例如，金属带18可以由金属带(metaltape)形成。优选地，金属带18完全围绕黑色素结构16(即，在两侧上)并牢固地粘附到其上。然而，应当理解，所述金属带18可仅部分地围绕结构16。而且，优选地金属带18彼此对齐。黑色素电池20还包括导线或金属电缆22，齐连接或耦合到相应电极18上。在一实施方式中，所述导线22具有不同的颜色。

在一个实施方式中，可以将包含电解质的粘性溶液(未示出)应用于金属带18和纳米材料黑色素结构16之间的界面，以便于电子从纳米材料10转移到金属带18。或者，可以在界面中应用小石墨层形式的材料。应当理解，可以在电池的电极18和主体16之间的界面中使用和应用任何有助于增加电压输出的材料。

电池20的输出取决于多个因素，例如，电池20的尺寸和组成、电极18的特性、使用时间、温度、压力等。

在一个实施方式中，发现尺寸为12cm x 6cm x 7cm的电池20产生的直流输出为300mv至1.4伏，更优选地为400mv和1.4伏之间，以及交流电压为约1.5至2.1伏，优选约2伏，更优选1.9伏。因此，本发明的电池20具有独特的电子性能，因为它能够产生直流电和交流电。

如图4所示，每个电池20最好装在惰性覆膜(inert cover)24内。优选地，惰性覆膜24由塑料和透明材料构成。例如，惰性覆膜24可以由高密度聚乙烯构成。焊接到金属带18的金属导线22从惰性覆膜24仍然可以伸出，尤其是可以穿过惰性覆膜24。

因此，如图5所示，可以将多个电池20堆叠在一起，以实现所需的更高的电压输出。

在另一个实施方式中，如图6-7所示，将多个黑色素结构16(可选地封装在惰性覆膜24内)与位于每个黑色素结构16之间的至少一个金属板或基板(substrate)26堆叠在一起，从而形成电池30。金属板26用作电极。每块金属板26可以由相同的金属或不同的金属(例如Ag、Al、Co、Au或其合金中的一种或多种)制成。在一个实施方式中，如图7所示，薄金属板26覆盖相邻黑色素结构16的整个表面区域。优选地，电池30产生300mV和600mV之间的直流输出以及产生2伏与4伏之间的交流电压。

在另一个实施方式中，如图8所示，将多个黑色素结构16(可选地封装在惰性覆膜24中)与它们之间的薄金属板26堆叠在一起，但是薄金属板26没有覆盖每一相邻黑色素结构16的整个表面积。相反，设置有彼此间隔开的多个薄金属板26，并且每一金属板26仅覆盖每个相邻的黑色素结构16的表面区域的一部分，从而形成电池40。同样，每个金属板26可以由相同的金属或不同的金属(例如，Ag、Al、Co、Au中的一种或多种)制成，并且用作电极。

应当理解，黑色素结构16和金属板26的尺寸可以根据需要设置，以实现所需的电压输出。在一个实施例中，每个黑色素结构16具有大约3至10cm(优选10cm)的长度，和大约2至5cm(优选5cm)的宽度以及大约15mm的厚度。在一个实施例中，每个金属板26具有大约3至10cm的长度，大约2至5cm的宽度以及大约100μm的厚度。例如，黑色素结构16和金属板26的长度和宽度可以相同。

电池40的电压输出可以根据电极26的连接方式而改变。例如，如果连接标记为“1”和“2”的电极26，则电池40产生300mV至600mV之间的直流输出和2至4伏之间的交流电压。然而，如果连接标记为“1”和“3”的电极，则电池40产生0.6V和1.2V之间的直流输出以及12V与25V之间的交流电压。

在一个实施方式中，如图9所示，金属板26具有磁性材料，更具体地，具有一个或多个磁体(magnet)27。例如，磁体27可以位于黑色素结构16之间的每个金属板26的外表面上。优选地，磁体27由钕制成，但是应当理解，可以使用具有足够磁性的任何材料。在一个实施方式中，每个磁体27通常为圆柱形。在一个实施方式中，每个圆柱形磁体27具有5mm的高度和5mm的直径。

包含此类磁体27会增加由电池20、30、40产生的电压。例如，交流电压可以增加大约3至40伏，更优选地，增加20至25伏。特别地，其中，使用由铜制成的金属板26并且使用钕磁体27的情况下，交流电压增加大约3伏。其中，使用由铝制成的金属板26并且使用钕磁体27的情况下，交流电压增加大约40伏。

基于固态黑色素的电池20的优点在于，电池20非常易于控制，没有溢出的风险(尽管黑色素没有毒性)。鉴于黑色素能够吸收任何种类的能量并将其用于水分子的分解，本发明的电池20不需要以任何方式再充电，并且没有必要把它们连接到电源。而且，优选地，黑色素结构16的温度没有任何升高。

在另一个实施方式中，如图10所示，每一黑色素结构16具有高浓度的黑色素，优选3至30％重量的黑色素。当将这样的黑色素结构16浸入水中时，如上所述，由于黑色素催化水的分解，所以可从黑色素结构16获得氢气和氧气的强气流52。具体地，将高浓度黑色素结构16放置在充满水的容器50中。容器可以由任何已知的惰性材料制成，例如惰性玻璃或惰性塑料。通过由黑色素结构16催化水的分解，生成氢气和氧气气泡52。例如，通过该方法和体系，可以在30分钟内将50mL容器充满氢气和氧气气泡。

优选地，容器50配备有盖子54以将容器50与周围环境隔离。优选地，容器50填充有一定量的水，使得在水位表面和盖54之间存在顶部空间56。在容器50内，顶部空间56用于氢气和氧气气泡的存储空间。在一个实施方式中，盖子54配备有管道或其他导管(conduit)58。导管58的一端与容器50的内部连通，而导管58的另一端与存储装置、燃料电池或可利用氢气和氧气的供应的任何其他组件60连通。

本领域技术人员应当理解，可以在不脱离本发明广泛的构思的情况下，可对上述实施方式和实施例进行改变。因此，应理解，本发明不限于所公开的特定实施方式，而是旨在涵盖由的本发明的精神内的修改和所附权利要求限定的范围。

Claims (15)

1.一种固态电池，包括：

黑色素结构，所述黑色素结构由至少一种嵌入惰性材料中的黑色素物质构成；和

第一和第二金属带，所述第一和第二金属带分别用作第一和第二电极，

其中，所述黑色素物质选自下组：黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物和黑色素变体；和

其中，所述固态电池不需要充电或重新加料。

2.如权利要求1所述的固态电池，其中，多个所述固态电池彼此堆叠以形成电池组，所述固态电池的数量取决于所需的电压。

3.如权利要求1所述的固态电池，其中，所述固态电池产生直流电压和交流电压，并且其中，所述固态电池可以由电子电路驱动。

4.如权利要求1所述的固态电池，其中，所述惰性材料为多孔材料。

5.如权利要求1所述的固态电池，其中，所述惰性材料由选自下组的一种或多种材料组成：硅、二氧化硅、钙、铝、塑料和玻璃。

6.如权利要求5所述的固态电池，其中，所述惰性材料由钙、铝和二氧化硅的混合物组成。

7.如权利要求1所述的固态电池，其中，所述电极由选自下组的一种或多种金属制成：Ag、Al、Co、Au及其合金。

8.一种高压电池堆，包括：

多个黑色素结构，每个黑色素结构由嵌入惰性材料中的至少一种黑色素物质构成；和

金属板，所述金属板位于每个黑色素结构之间，每块金属板为一个电极，

其中，所述黑色素物质选自下组：黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物和黑色素变体；和

其中，所述高压电池堆不需要充电或重新加料。

9.如权利要求8所述的高压电池堆，其中，所述惰性材料是多孔材料。

10.如权利要求8所述的高压电池堆，其中，所述惰性材料由选自下组的一种或多种材料组成：硅、二氧化硅、钙、铝、塑料和玻璃。

11.如权利要求10所述的高压电池堆，其中，所述惰性材料由钙、铝和二氧化硅的混合物组成。

12.如权利要求8所述的高压电池堆，其中，每个电极由选自下组的一种或多种金属制成：Ag、Al、Co、Au及其合金。

13.如权利要求8所述的高压电池堆，其中，每个黑色素结构被包封在惰性覆膜内。

14.如权利要求8所述的高压电池堆，其中，每个电极包括磁体。

15.如权利要求14所述的高压电池堆，其中，每一磁体为钕磁体。