CN118160131A - 将金属铜或其合金作为氧化还原空气电极的空气电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种将金属铜或其合金作为氧化还原空气电极的镁空气电池。本发明的镁空气电池具备:至少包含赋予导电性的水溶性电解质且接受氧的供给的碱性电解液、将浸渍于所述电解液中的金属铜或其合金作为阳极的氧化还原空气电极及将电极电位比金属铜的电极电位低的镁金属或其合金作为阴极的负极,利用负极处的氧化反应2Mg→2Mg2++4e‑及正极处的氧的还原反应O2+2H2O+4e‑→4OH‑来进行发电。将过碳酸钠作为构成电解液的氧供给源并将氯化钠作为电解质保存于槽内,并在使用时供给水等而调制电解液,从而能够用作备用电源。
Description
技术领域
本发明涉及一种将金属铜或其合金作为空气电极的能够用作备用电源的新的空气电池。
背景技术
通常,作为空气电池的代表的镁空气电池是指:将金属镁用作负极(阴极)且将碳电极用作正极(阳极),并利用镁的氧化反应2Mg→2Mg2++4e-及空气中的氧的还原反应O2+2H2O+4e-→4OH-来进行发电的电池,其电解液使用盐水,并为了防止自放电而将电解液设定成了碱性。因此,负极表面容易钝化,因而需要添加用于溶解所产生的氢氧化镁的辅助剂或在阴极使用难燃性镁合金以进行长时间的发电。
然而,为了使上述空气电池输出大电流,需要消除对空气电池的电化学反应带来影响的限制反应速度的因素。该因素之一并不是阴极处的镁的离子化速度而是阳极处的氧的吸收速度,因此急切期待研发出能够高效地吸收氧的空气电极阳极。
以往,作为空气电池的空气电极通常使用能够高效地吸收氧的多孔质碳来改善了氧的吸收(专利文献1)。
以往技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2014-220107号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明人发现,若将金属铜浸渍于水中,则在铜表面会引起水的分解,而添加过氧化氢的话该现象会更为显著。鉴于此,本发明人完成了将铜或其合金用作空气电极且通过过氧化氢来进行氧的供给的空气电池。即,本发明并不是将镁作为阴极而将铜作为阳极的简单的化学电池,而是提供一种在碱性电解液中将铜作为阳极并且将过氧化氢中的氧作为活性物质的空气电池的结构。
解决技术问题的技术手段
如图1所示,本发明提供一种镁空气电池,其特征在于,具备至少包含赋予导电性的水溶性电解质且接受氧或供氧化合物的供给的碱性电解液,将浸渍于所述电解液中的金属铜或铜合金作为空气电极,另一方面将电极电位比金属铜的电极电位低的镁金属或其合金作为负极,
利用负极处的氧化反应2Mg→2Mg2++4e-及正极处的氧的还原反应O2+2H2O+4e-→4OH-来进行发电。
在本发明中,利用阳极(即金属铜表面)处的从过氧化氢供给过来的氧的还原反应,因而优选至少具备一组阴极呈板状并在其两面隔着间隔对置配置金属铜或合金板而成的电极结构。
发明效果
根据本发明,在阳极(即金属铜表面)处通过O2+2H2O+4e-→4OH-氧被还原而产生氢氧化离子,但是,除此之外,在阳极(即金属铜表面)处好像还分解成氢及氧,观察到了该反应特有的发热现象。另一方面,包含电解质和过氧化氢的水溶性电解液几乎位于中性区域,因而构成阴极的镁几乎在一个昼夜仅会溶解整体的5%以下,与将稀硫酸用作电解液的化学电池的伏打电池相比极小。而且,在伏打电池中,几乎在一个小时内铜表面会钝化而停止发电,相对于此,在本发明中,只要氧存在于电解液中,一个昼夜的发电会继续,因而可以认为形成了并非只是阴极被溶解的化学电池而是在铜电极表面氧被还原的镁空气电池。并且,若将包含食盐的电解质及作为氧供给源的过碳酸钠组合构成电解液,则在使用时通过添加水或海水即可调整电解液,因而成为保存用的备用电源。
附图说明
图1是表示本发明的基本电池反应的示意图。
图2是用于说明在本发明中形成了即使阴极与阳极接触也不会短路的双电层的说明图。
图3A是表示经由间隔件的铜阳极的立体图。
图3B是表示将图3A所示的铜阳极和镁电极经由间隔件重叠而成的电极结构的端面图。
具体实施方式
如图1所示,在本发明中,将Mg阴极和Cu阳极浸渍在包含过氧化氢的碱性电解液中并将其对置配置。阴极/包含过氧化氢的碱性电解液/阳极的结构中的电动势(即,该金属空气电池的反应)如下。
阴极侧的氧化反应成为2Mg→2Mg2++4e-,
另一方面,阳极侧的还原反应成为O2+H2O+4e-→4OH-。
在本发明中,为了促进金属空气电池的阳极侧的还原反应,向电解液添加了过氧化氢,从而改善了阳极侧正极的离子化进行速度不如阴极侧负极的原因。
即,基于Cu+2H2O2→Cu2++2OH+2OH-及Cu+2OH→Cu2++2OH-,金属铜的一部分溶解在过氧化氢中,但可以认为,基于haber u.willstatter连锁而促进了过氧化氢的分解(非专利文献3)。
在本发明中,优选添加过碳酸钠来向上述水溶性电解液供给过氧化氢的一部分或全部。具体而言,针对包含0.5~2.0摩尔的碱金属或碱土类金属卤化盐(尤其,氯化钠)的中性或碱性水溶液,优选添加几%~十几%的过氧化氢水(体积%)或过碳酸钠(重量%)。
阴极由使用镁或其合金形成,通过采用(-)Mg/NaCl+H2O2/Cu(+)的电池结构,在阴极与铜阳极之间施加分解过氧化氢或其分解的羟基所需的分解电压。作为镁电极,不仅可以使用金属镁,而且还可以使用MAZ61或MAZ31等由镁/铝/锌构成的合金从而抑制阴极的消费。
将上述阴极和阳极隔着间隔件以一定间隔交替对置配置,并利用包含过氧化氢的水溶性电解液来在阴极与阳极的接触部形成双电层电容器(图2),但是上述间隔件呈T字形并且由与阳极相同的金属铜或铜合金制成(图3A),并用铜电极经由间隔件隔着一定间隔夹住对极镁电极表面而形成(图3B)。
产业上的可利用性
(性能比较)
使用电极来实施了图2所示概念的具有偶极子双电层电容器的电池。使用了容量为3000ml的上方开放型的长方体塑料容器。如图3A所示,在厚度1mm且长宽100×100mm的铜阳极板10上安装将铜电极板切割成T字形并将其端部弯曲而成的间隔件S。使用该阳极板并经由间隔件S夹住厚度2mm且长宽100×100mm的Mg阴极板20的两侧。若用三张铜阳极板10来经由间隔件S交替夹住两张Mg阴极板20,则成为图3B所示的上部端面图的状态。若使用如此组装的电极,则无法形成图2所示的微电容器。
在塑料容器中添加大约1500ml纯水,并将其调整为氯化钠为0.5摩尔/l以上(优选为1.5摩尔/l以上且2摩尔/l以下)的电解液,并对其添加50~100g的过碳酸钠和30%过氧化氢水50ml。关于电池反应,若经过了一定时间,则过氧化氢会被消耗掉,氧会减少,因此每隔两三个小时添加10ml的30%过氧化氢水。作为阴极,也可以代替镁而使用包括MAZ61或MAZ31在内的镁/铝/锌合金电极。并且,在上述实施例中,对接受上述氧的供给的碱性电解液供给了过氧化氢水,但也可以代替过氧化氢水而使用过碳酸钠,或者还可以同时使用过氧化氢水和过碳酸钠。
在本实施例中,基于以下反应式,在阴极侧,过氧化氢分解成H2O2+2H2O+2e-→2H2O+2OH-,另一方面,在阳极侧,引起H2O2+2OH-→O2+2H2O+2e-的分解。不仅如此,碱性电解液中的金属氧化反应在阴极侧成为Mg→Mg2++2e-,阳极侧的将氧还原而离子化的反应成为O2+2H2O+4e-→4OH-,引起典型的金属空气电池反应。事实上发现了如下现象:伴随基于过氧化氢的供给的电池反应,获得了1.5V、3.0A的电动势,电解液中的pH上升,OH-增加。
基于上述实验结果可知,铜或其合金可以在包含过氧化氢的碱性电解液中作为电池而发挥作用从而能够代替多孔质碳电极,能够作为1间隔(compartment)结构的镁空气电池而提供崭新且有用的结构,因而是前所未有的。例如,将至少由镁或其合金构成的阴极板和由铜或其合金构成的阳极板组装成图3B所示的结构,在图1所示的电解液槽容纳并保存作为氧供给源的过碳酸钠和作为电解质的氯化钠,且在使用时投放水或海水,从而能够使其作为电池而发挥作用,因此,能够用作备用电源。另外,在上述实施例中,将镁或其合金用作了阴极,但也可以代替此而使用铝或其合金、或者锌或其合金。
Claims (6)
1.一种镁空气电池,其特征在于,
所述镁空气电池具备:至少包含赋予导电性的水溶性电解质且接受氧的供给的碱性电解液、浸渍于所述电解液中的将金属铜或铜合金作为阳极的氧化还原空气电极、及将电极电位比金属铜的电极电位低的镁金属或其合金作为阴极的负极,
利用负极处的氧化反应2Mg→2Mg2++4e-及正极处的氧的还原反应O2+2H2O+4e-→4OH-来进行发电。
2.根据权利要求1所述的镁空气电池,其特征在于,
阴极为包括MAZ61或MAZ31在内的镁/铝/锌合金电极。
3.根据权利要求1所述的镁空气电池,其特征在于,
所述接受氧的供给的碱性电解液包含过碳酸钠及/或过氧化氢。
4.一种备用电源,其特征在于,
至少将由镁或其合金构成的阴极、由铜或其合金构成阳极、过碳酸钠粉末及电解质容纳于容器而成,并且在使用时投放水或海水来使其工作。
5.根据权利要求1所述的镁空气电池,其特征在于,
代替由镁或其合金构成的阴极板而使用锌或铝、或其合金。
6.根据权利要求4所述的备用电源,其特征在于,
代替由镁或其合金构成的阴极板而使用锌或铝、或其合金。
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