TW201427149A - 一次鋁空氣電池 - Google Patents

Abstract

一種一次鋁空氣電池，至少包括容器、電池組、吸水材料、電解質以及主動式啟動裝置。上述電池組放置於容器，且電池組是由鋁陽極與空氣電極陰極構成。吸水材料則填充於容器內的電池組周圍。電解質放置於容器內且與電池組互不接觸。至於主動式啟動裝置具有使電解質主動與電池組接觸的機構。

Description

一次鋁空氣電池

本發明是有關於一種一次性乾電池，且特別是有關於一種一次鋁空氣電池(Aluminum air battery)。

鋁空氣電池是以金屬鋁作為燃料和空氣作用發電的電池，其陽極是鋁金屬，陰極是多孔的碳粉和碳纖維的複合材料。鋁和碳材都很輕，陰極的反應物直接由空氣取得，因此能量密度很高，理論放電值計算可達8,000Wh/kg以上。

鋁電極於鹼性溶液中之化學反應方程式如下式(1)之放電反應與下式(2)之產氫反應所示。

Al+4OH^- → Al(OH)₄ ^-+3e^-；E=2.35V vs. SHE (1)

2Al+6H₂O → 2Al(OH)₃+3H₂ (2)

由目前文獻上的數據，鋁空氣電池實際能量密度已超出300Wh/kg，比商用鉛酸電池或鎳氫電池均大上數倍。此外，鋁金屬材料僅為鎳金屬材料的1/7價格，未來在量產上的材料成本較為低廉。鋁金屬的耗用與回收再生並不是商業化的障礙，電池發電後的剩餘產物主成分為氫氧化鋁或氧化鋁，可以透過回收再利用，由於氫氧化鋁或氧化鋁為自然界存在之礦物，因此就算直接拋棄對環境生態也沒有影響，是高環境親合性之電池。

由於鋁空氣電池具有上述優勢，目前已用於作為一次 性電池使用。傳統一次性乾電池不論是在緊急照明與可攜式電子產品緊急供電皆具有高度應用價值，且也已經建立龐大的市場規模。但是，在某些特定存放環境(40℃~70℃)與長期儲存(數年)，由於會發生電池漏液與自放電現象，導致傳統一次性乾電池無法保證可以順利工作，因此，仍有部分使用情境是傳統一次乾電池無法涵蓋。

本發明提供一種一次鋁空氣電池，可長期存放並在使用時需透啟動機構即開始放電。

本發明提出一種一次鋁空氣電池，至少包括容器、電池組、吸水材料、電解質以及主動式啟動裝置。上述電池組放置於容器，且電池組是由鋁陽極與空氣電極陰極構成。吸水材料則填充於容器內的電池組周圍。電解質放置於容器內且與電池組互不接觸。至於主動式啟動裝置具有使電解質主動與電池組接觸的機構。

在本發明之一實施例中，上述鋁陽極為純度85 wt.%至99.999 wt.%之純鋁或鋁合金。

在本發明之一實施例中，上述鋁陽極為鋁合金，且包括鎂、鐵、銅、鈣、鉍、銦、鋅、鎵、錫、鎘、鍺、銻、硒、鉈與汞中至少一種金屬。

在本發明之一實施例中，上述鋁陽極的厚度介於1 mm~0.1 mm。

在本發明之一實施例中，上述鋁陽極為塊材、膜材或 多孔網材。

在本發明之一實施例中，上述空氣電極陰極包括觸媒，其中觸媒包括金屬氧化物，如MnO₂或CoO。觸媒也可為Pt/C。

在本發明之一實施例中，上述吸水材料包括由纖維素或纖維構成的材料。

在本發明之一實施例中，上述電解質包括鹼性、中性或酸性的水溶液。

在本發明之一實施例中，上述一次鋁空氣電池還可包括包覆上述電解質的膜材，以使電解質與電池組互不接觸。

在本發明之一實施例中，上述主動式啟動裝置的所述機構包括破壞裝置，以主動破壞包覆上述電解質的膜材，使電解質與電池組接觸。

在本發明之一實施例中，上述一次鋁空氣電池還可包括設置在包覆電解質的膜材與電池組之間的隔板，且隔板具有至少一通孔。

在本發明之一實施例中，上述主動式啟動裝置的所述機構包括隔板、插梢與拔除裝置。隔板設置於電解質與電池組之間，且隔板具有通孔。插梢則堵住所述通孔，拔除裝置與插梢相連，以將插梢自通孔拔除，使電解質經所述通孔與電池組接觸。

基於上述，本發明之一次鋁空氣電池藉由分隔的電解質與電池組，使其可長期存放數年，使用時僅需透過機構使電解液與電池組接觸即開始放電。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A是依照本發明之第一實施例之一種一次鋁空氣電池的立體分解圖。

請參照圖1A，本實施例的一種一次鋁空氣電池100包括容器102、放置於容器102內的電池組104、吸水材料106、電解質108以及主動式啟動裝置110。電池組104是由鋁陽極112與空氣電極陰極114構成。由於電解質108是鹼性、中性或酸性的水溶液，所以在本實施例中是用膜材116包覆電解質108，以免與電池組104接觸。然而，這層膜材116並非必要的，在適當設計的容器中可省略這層包覆電解質108的膜材116。容器102一般為非導體，如塑膠製的容器，且其構造可依所需變化，如圖1A是圓筒狀，但本發明並不限於此。空氣電極陰極114一般位在容器102的外圍，可與空氣反應。

至於主動式啟動裝置110具有使電解質108主動與電池組104接觸的機構；也就是說，本實施例是藉由電解質108的移動來達成電解質108與電池組104接觸的效果，而電池組104是不會有動作，而處於被動狀態。關於主動式啟動裝置110的詳細機構，將於下文描述。

在本實施例中，鋁陽極112可為純度85 wt.%至99.999 wt.%之純鋁、或者鋁合金。如果鋁陽極112為鋁合金，則 可包括鎂、鐵、銅、鈣、鉍、銦、鋅、鎵、錫、鎘、鍺、銻、硒、鉈與汞中至少一種金屬。以鎂為例，鋁陽極112可為鋁-5wt.%~15wt.%鎂合金，但本發明並不限於此。此外，鋁陽極112的厚度例如在1 mm~0.1 mm之間。鋁陽極112除了如圖1A所示為塊材或膜材，亦可為多孔網材。

在本實施例中，空氣電極陰極114可包括觸媒。所述觸媒例如金屬氧化物，如MnO₂或CoO；抑或Pt/C之類的觸媒。

在本實施例中，吸水材料106例如是由纖維素或纖維構成的材料，且以上視角度觀察圖1A的B區域(如圖1B所示)，可看出吸水材料106是填充於容器102內的鋁陽極112和空氣電極陰極114周圍，以便需要使用一次鋁空氣電池100時能使電解質108全面地擴散到鋁陽極112和空氣電極陰極114並與之接觸。

另外，在圖1A中還可有隔板118設置在包覆電解質108的膜材116與電池組104之間，且隔板118例如有多個通孔118a。然而，這層隔板118並非必要的，在適當設計的容器中或可將其省略。

在本實施例中的主動式啟動裝置110的所述機構為一破壞裝置，其具有尖錐120能主動破壞包覆電解質108的膜材116，使電解質108與底下的電池組104接觸。然而圖1A的主動式啟動裝置100只是其中一種例子，本發明的主動式啟動裝置還可有其他實施例。當圖1A內的各構件組合後，如圖1C所示，被膜材116包覆的電解質108 放置於容器102內且與電池組104互不接觸，而主動式啟動裝置110是設置在電解質108上方，且尖錐120朝向電解質108。在不使用一次鋁空氣電池100時，因為電解質108與電池組104是分隔開的，所以可長期存放，待使用時僅需移動主動式啟動裝置110破壞包覆電解質108的膜材，如圖1D所示，即可使電解質108直接穿透隔板118之通孔118a與底下的電池組104接觸，並開始放電。即使將圖1D的容器102水平放置或倒置，電解質108也會經由填充於鋁陽極112和空氣電極陰極114周圍的吸水材料106擴散到串、並聯之電池組104。

圖2A是依照本發明之第二實施例之一種一次鋁空氣電池的立體透視圖。

請參照圖2A，本實施例的一次鋁空氣電池200包括容器202、放置於容器202內的電池組204、吸水材料206、電解質208以及主動式啟動裝置210。電池組204是由鋁陽極212與空氣電極陰極214構成。本實施例的容器202、電池組204、吸水材料206與電解質208均可參照上一實施例，故不再贅述。

由於電解質208是鹼性、中性或酸性的水溶液，所以主動式啟動裝置210的機構包括隔板216、插梢218與拔除裝置220。隔板216設置於電解質208與電池組204之間，用以隔開電解質208與電池組204，且隔板216具有通孔，插梢218則堵住此通孔，且圖2A雖只顯示一個通孔，但本發明並不侷限於此。而拔除裝置220與插梢218 相連，可在使用一次鋁空氣電池200時將插梢218自通孔216a拔除，如圖2B所示。

當插梢218自通孔216a拔除後，電解質208會流經通孔216a與電池組接觸，而電池組204不需動作。而且，就算將圖2B的容器202水平放置或倒置，電解質208也會通過填充於鋁陽極212和空氣電極陰極214周圍的吸水材料206擴散到電池組204，並開始放電。

以下列舉一實驗結果來驗證上述實施例的效果。

實驗

首先製作如圖3A所示的一次鋁空氣電池300，其是由四組鋁陽極-空氣電池電池組302所組成，且置於容器304內，並有包含尖錐306之破壞裝置308。電池組302的鋁陽極310和空氣電極312、(用膜材包覆的)電解質314以及吸水材料316的位置顯示於圖內，且其材料分別為：鋁陽極：AA1050鋁合金(3.271克)。

空氣電極：觸媒為MnO₂(與塑膠外殼共重18.559克)。

電解質：4 M KOH+0.18 M ZnCl₂(13.899克)。

吸水材料：棉花(2.263克)。

當一次鋁空氣電池300工作時，將裝有破壞裝置308蓋上，如圖3B。尖錐306即刺破包覆電解質314之膜材(未繪示)，使膜材內部之電解質314流入吸水材料316中，一次鋁空氣電池300即開始進行放電反應。圖3B所構成之電池組的放電曲線如圖4所示，在100 mA的電流負載條件下，一次鋁空氣電池300之放電電壓介於4.5~6 V之間， 放電時間可長達800,000秒(約9.26天)。

綜上所述，本發明的裝置在使用電池前將電解液與電極分離，使用時再混合啟動電池，此設計構想可以提高電池保存時間。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300‧‧‧一次鋁空氣電池

102、202、304‧‧‧容器

104、204、302‧‧‧電池組

106、206、316‧‧‧吸水材料

108、208、314‧‧‧電解質

110、210‧‧‧主動式啟動裝置

112、212、310‧‧‧鋁陽極

114、214、312‧‧‧空氣電極陰極

116‧‧‧膜材

118、216‧‧‧隔板

118a、216a‧‧‧通孔

308‧‧‧破壞裝置

120、306‧‧‧尖錐

218‧‧‧插梢

220‧‧‧拔除裝置

B‧‧‧區域

圖1A是依照本發明之第一實施例之一種一次鋁空氣電池的立體分解圖。

圖1B是圖1A的B區域之上視圖。

圖1C是圖1A的各構件組合圖。

圖1D是第一實施例之一次鋁空氣電池的使用示意圖。

圖2A是依照本發明之第二實施例之一種一次鋁空氣電池的立體透視圖。

圖2B是第二實施例之一次鋁空氣電池的使用示意圖。

圖3A是實驗的一次鋁空氣電池的示意圖。

圖3B是實驗之一次鋁空氣電池的使用示意圖。

圖4是圖3B之電池組的放電曲線圖。

100‧‧‧一次鋁空氣電池

102‧‧‧容器

104‧‧‧電池組

106‧‧‧吸水材料

108‧‧‧電解質

110‧‧‧主動式啟動裝置

112‧‧‧鋁陽極

114‧‧‧空氣電極陰極

116‧‧‧膜材

118‧‧‧隔板

118a‧‧‧通孔

120‧‧‧尖錐

B‧‧‧區域

Claims (16)

1. 一種一次鋁空氣電池，包括：容器；電池組，放置於該容器，該電池組由鋁陽極與空氣電極陰極構成；吸水材料，填充於該容器內的該鋁陽極與該空氣電極陰極周圍；電解質，放置於該容器內與該電池組互不接觸；以及主動式啟動裝置，具有使該電解質主動與該電池組接觸的機構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一次鋁空氣電池，其中該鋁陽極為純度85 wt.%至99.999 wt.%之純鋁或鋁合金。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一次鋁空氣電池，其中該鋁陽極為鋁合金。
4. 如申請專利範圍第3項所述之一次鋁空氣電池，其中該鋁合金包括鎂、鐵、銅、鈣、鉍、銦、鋅、鎵、錫、鎘、鍺、銻、硒、鉈與汞中至少一種金屬。
5. 如申請專利範圍第1項所述之一次鋁空氣電池，其中該鋁陽極的厚度介於1 mm~0.1 mm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之一次鋁空氣電池，其中該鋁陽極為塊材、膜材或多孔網材。
7. 如申請專利範圍第1項所述之一次鋁空氣電池，其中該空氣電極陰極包括觸媒。
8. 如申請專利範圍第7項所述之一次鋁空氣電池，其中該觸媒包括金屬氧化物。
9. 如申請專利範圍第8項所述之一次鋁空氣電池，其中該金屬氧化物包括MnO₂或CoO。
10. 如申請專利範圍第7項所述之一次鋁空氣電池，其中該觸媒包括Pt/C。
11. 如申請專利範圍第1項所述之一次鋁空氣電池，其中該吸水材料包括由纖維素或纖維構成的材料。
12. 如申請專利範圍第1項所述之一次鋁空氣電池，其中該電解質包括鹼性、中性或酸性的水溶液。
13. 如申請專利範圍第1項所述之一次鋁空氣電池，更包括膜材，包覆該電解質，以使該電解質與該電池組互不接觸。
14. 如申請專利範圍第13項所述之一次鋁空氣電池，其中該主動式啟動裝置的所述機構包括：破壞裝置，以主動破壞包覆該電解質的該膜材，使該電解質與該電池組接觸。
15. 如申請專利範圍第13項所述之一次鋁空氣電池，更包括隔板，設置在包覆該電解質的該膜材與該電池組之間，其中該隔板具有至少一通孔。
16. 如申請專利範圍第1項所述之一次鋁空氣電池，其中該主動式啟動裝置的所述機構包括：隔板，設置於該電解質與該電池組之間，其中該隔板具有通孔；以及 插梢，堵住該通孔；以及拔除裝置，與該插梢相連，以將該插梢自該通孔拔除，使該電解質經該通孔與該電池組接觸。