一次铝空气电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种一次铝空气电池，至少包括容器、电池组、吸水材料、电解质以及主动式启动装置。上述电池组放置于容器，且电池组是由铝阳极与空气电极阴极构成。吸水材料则填充于容器内的电池组周围。电解质放置于容器内且与电池组互不接触。至于主动式启动装置具有使电解质主动与电池组接触的机构。
【专利说明】一次铝空气电池
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种一次性干电池，且特别是有关于一种一次铝空气电池(Primary Aluminum air battery)。
【背景技术】
[0002]铝空气电池是以金属铝作为燃料和空气作用发电的电池，其阳极是铝金属，阴极是多孔的碳粉和碳纤维的复合材料。铝和碳材都很轻，阴极的反应物直接由空气取得，因此能量密度很高，理论放电值计算可达8，000ffh/kg以上。
[0003]铝电极于碱性溶液中的化学反应方程式如下式(I)的放电反应与下式⑵的产氢反应所示。
[0004]A1+40F — Al (OH) 4 — +3丨；E=2.35V vs.SHE(I)
[0005]2A1+6H20 — 2A1 (OH) 3+3H2(2)
[0006]由目前文献上的数据，铝空气电池实际能量密度已超出300Wh/kg，比商用铅酸电池或镍氢电池均大上数倍。此外，铝金属材料仅为镍金属材料的1/7价格，未来在量产上的材料成本较为低廉。铝金属的耗用与回收再生并不是商业化的障碍，电池发电后的剩余产物主成分为氢氧化铝或氧化铝，可以通过回收再利用，由于氢氧化铝或氧化铝为自然界存在的矿物，因此就算直接抛弃对环境生态也没有影响，是高环境亲合性的电池。
[0007]由于铝空气电池具有上述优势，目前已用于作为一次性电池使用。传统一次性干电池不论是在紧急照明与可携式电子产品紧急供电皆具有高应用价值，且也已经建立庞大的市场规模。但是，在某些特定存放环境(40° (T70° C)与长期储存(数年)，由于会发生电池漏液与自放电现象，导致传统一次性干电池无法保证可以顺利工作，因此，仍有部分使用情境是传统一次干电池无法涵盖。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种一次铝空气电池，可长期存放并在使用时需通过启动机构即开始放电。
[0009]本发明提出一种一次铝空气电池，至少包括容器、电池组、吸水材料、电解质以及主动式启动装置。上述电池组放置于容器，且电池组是由铝阳极与空气电极阴极构成。吸水材料则填充于容器内的电池组周围。电解质放置于容器内且与电池组互不接触。至于主动式启动装置具有使电解质主动与电池组接触的机构。
[0010]在本发明的一实施例中，上述铝阳极为纯度85wt.%至99.999wt.%的纯铝或铝合金。
[0011]在本发明的一实施例中，上述铝阳极为铝合金，且包括镁、铁、铜、钙、铋、铟、锌、镓、锡、镉、锗、锑、硒、铊与汞中至少一种金属。
[0012]在本发明的一实施例中，上述招阳极的厚度介于lmnT0.1mm。
[0013]在本发明的一实施例中，上述铝阳极为块材、膜材或多孔网材。[0014]在本发明的一实施例中，上述空气电极阴极包括触媒，其中触媒包括金属氧化物，如MnO2或CoO。触媒也可为Pt/C。
[0015]在本发明的一实施例中，上述吸水材料包括由纤维素或纤维构成的材料。
[0016]在本发明的一实施例中，上述电解质包括碱性、中性或酸性的水溶液。
[0017]在本发明的一实施例中，上述一次铝空气电池还可包括包覆上述电解质的膜材，以使电解质与电池组互不接触。
[0018]在本发明的一实施例中，上述主动式启动装置的所述机构包括破坏装置，以主动破坏包覆上述电解质的膜材，使电解质与电池组接触。
[0019]在本发明的一实施例中，上述一次招空气电池还可包括设置在包覆电解质的膜材与电池组之间的隔板，且隔板具有至少一通孔。
[0020]在本发明的一实施例中，上述主动式启动装置的所述机构包括隔板、插梢与拔除装置。隔板设置于电解质与电池组之间，且隔板具有通孔。插梢则堵住所述通孔，拔除装置与插梢相连，以将插梢自通孔拔除，使电解质经所述通孔与电池组接触。
[0021]基于上述，本发明的一次铝空气电池通过分隔的电解质与电池组，使其可长期存放数年，使用时仅需通过机构使电解液与电池组接触即开始放电。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1A是依照本 发明的第一实施例的一种一次铝空气电池的立体分解图。
[0023]图1B是图1A的B区域的上视图。
[0024]图1C是图1A的各构件组合图。
[0025]图1D是第一实施例的一次铝空气电池的使用示意图。
[0026]图2A是依照本发明的第二实施例的一种一次铝空气电池的立体透视图。
[0027]图2B是第二实施例的一次铝空气电池的使用示意图。
[0028]图3A是实验的一次铝空气电池的示意图。
[0029]图3B是实验的一次铝空气电池的使用示意图。
[0030]图4是图3B的电池组的放电曲线图。
[0031]其中，附图标记:
[0032]100、200、300:一次铝空气电池102、202、304:容器
[0033]104、204、302:电池组106、206、316:吸水材料
[0034]108、208、314:电解质110、210:主动式启动装置
[0035]112、212、310:铝阳极114、214、312:空气电极阴极
[0036]116:膜材118、216:隔板
[0037]118a、216a:通孔308:破坏装置
[0038]120、306:尖锥218:插梢
[0039]220:拔除装置B:区域
【具体实施方式】
[0040]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。[0041]图1A是依照本发明的第一实施例的一种一次铝空气电池的立体分解图。
[0042]请参照图1A，本实施例的一种一次铝空气电池100包括容器102、放置于容器102内的电池组104、吸水材料106、电解质108以及主动式启动装置110。电池组104是由铝阳极112与空气电极阴极114构成。由于电解质108是碱性、中性或酸性的水溶液，所以在本实施例中是用膜材116包覆电解质108，以免与电池组104接触。然而，这层膜材116并非必要的，在适当设计的容器中可省略这层包覆电解质108的膜材116。容器102—般为非导体，如塑胶制的容器，且其构造可依所需变化，如图1A是圆筒状，但本发明并不限于此。空气电极阴极114 一般位在容器102的外围，可与空气反应。
[0043]至于主动式启动装置110具有使电解质108主动与电池组104接触的机构；也就是说，本实施例是通过电解质108的移动来达成电解质108与电池组104接触的效果，而电池组104是不会有动作，而处于被动状态。关于主动式启动装置110的详细机构，将于下文描述。
[0044]在本实施例中，铝阳极112可为纯度85wt.%至99.999wt.%的纯铝、或者铝合金。如果铝阳极112为铝合金，则可包括镁、铁、铜、钙、铋、铟、锌、镓、锡、镉、锗、锑、硒、铊与汞中至少一种金属。以镁为例，铝阳极112可为铝-5wt.9Tl5wt.%镁合金，但本发明并不限于此。此外，铝阳极112的厚度例如在lmnT0.1mm之间。铝阳极112除了如图1A所示为块材或膜材，亦可为多孔网材。
[0045]在本实施例中，空气电极阴极114可包括触媒。所述触媒例如金属氧化物，如MnO2或CoO ;抑或Pt/C之类的触媒。
[0046]在本实施例中，吸水材料106例如是由纤维素或纤维构成的材料，且以上视角度观察图1A的B区域(如图1B所示)，可看出吸水材料106是填充于容器102内的铝阳极112和空气电极阴极114周围，以便需要使用一次铝空气电池100时能使电解质108全面地扩散到铝阳极112和空气电极阴极114并与之接触。
[0047]另外，在图1A中还可有隔板118设置在包覆电解质108的膜材116与电池组104之间，且隔板118例如有多个通孔118a。然而，这层隔板118并非必要的，在适当设计的容器中或可将其省略。
[0048]在本实施例中的主动式启动装置110的所述机构为一破坏装置，其具有尖锥120能主动破坏包覆电解质108的膜材116，使电解质108与底下的电池组104接触。然而图1A的主动式启动装置100只是其中一种例子，本发明的主动式启动装置还可有其他实施例。当图1A内的各构件组合后，如图1C所示，被膜材116包覆的电解质108放置于容器102内且与电池组104互不接触，而主动式启动装置110是设置在电解质108上方，且尖锥120朝向电解质108。在不使用一次铝空气电池100时，因为电解质108与电池组104是分隔开的，所以可长期存放，待使用时仅需移动主动式启动装置110破坏包覆电解质108的膜材，如图1D所示，即可使电解质108直接穿透隔板118的通孔118a与底下的电池组104接触，并开始放电。即使将图1D的容器102水平放置或倒置，电解质108也会经由填充于铝阳极112和空气电极阴极114周围的吸水材料106扩散到串、并联的电池组104。
[0049]图2A是依照本发明的第二实施例的一种一次铝空气电池的立体透视图。
[0050]请参照图2A，本实施例的一次铝空气电池200包括容器202、放置于容器202内的电池组204、吸水材料206、电解质208以及主动式启动装置210。电池组204是由铝阳极212与空气电极阴极214构成。本实施例的容器202、电池组204、吸水材料206与电解质208均可参照上一实施例，故不再赘述。
[0051]由于电解质208是碱性、中性或酸性的水溶液，所以主动式启动装置210的机构包括隔板216、插梢218与拔除装置220。隔板216设置于电解质208与电池组204之间，用以隔开电解质208与电池组204，且隔板216具有通孔，插梢218则堵住此通孔，且图2A虽只显示一个通孔，但本发明并不局限于此。而拔除装置220与插梢218相连，可在使用一次铝空气电池200时将插梢218自通孔216a拔除，如图2B所示。
[0052]当插梢218自通孔216a拔除后，电解质208会流经通孔216a与电池组接触，而电池组204不需动作。而且，就算将图2B的容器202水平放置或倒置，电解质208也会通过填充于铝阳极212和空气电极阴极214周围的吸水材料206扩散到电池组204，并开始放电。
[0053]以下列举一实验结果来验证上述实施例的效果。
[0054]实验
[0055]首先制作如图3A所示的一次铝空气电池300，其是由四组铝阳极-空气电池电池组302所组成，且置于容器304内，并有包含尖锥306的破坏装置308。电池组302的铝阳极310和空气电极312、(用膜材包覆的)电解质314以及吸水材料316的位置显示于图内，且其材料分别为:
[0056]铝阳极:AA1050铝合金(3.271克)。
[0057]空气电极:触媒为MnO2 (与塑胶外壳共重18.559克)。
[0058]电解质:4ΜΚ0Η+0.18M ZnCl2 (13.899 克)。
[0059]吸水材料:棉花(2.263克)。
[0060]当一次铝空气电池300工作时，将装有破坏装置308盖上，如图3B。尖锥306即刺破包覆电解质314的膜材(未绘示)，使膜材内部的电解质314流入吸水材料316中，一次铝空气电池300即开始进行放电反应。图3B所构成的电池组的放电曲线如图4所示，在IOOmA的电流负载条件下，一次铝空气电池300的放电电压介于4.5V飞V之间，放电时间可长达800，000秒(约9.26天)。
[0061 ] 综上所述，本发明的装置在使用电池前将电解液与电极分离，使用时再混合启动电池，此设计构想可以提高电池保存时间。
[0062]虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的变更与修改，故本发明的保护范围当以权利要求为准。
【权利要求】
1.一种一次铝空气电池，其特征在于，包括: 容器； 电池组，放置于该容器，该电池组由铝阳极与空气电极阴极构成； 吸水材料，填充于该容器内的该铝阳极与该空气电极阴极周围； 电解质，放置于该容器内与该电池组互不接触；以及 主动式启动装置，具有使该电解质主动与该电池组接触的机构。
2.如权利要求1所述的一次铝空气电池，其特征在于，该铝阳极为纯度85wt.%至99.999wt.%的纯铝、或铝合金。
3.如权利要求1所述的一次铝空气电池，其特征在于，该铝阳极为铝合金。
4.如权利要求3所述的一次铝空气电池，其特征在于，该铝合金包括镁、铁、铜、钙、铋、铟、锌、镓、锡、镉、锗、锑、硒、铊与汞中至少一种金属。
5.如权利要求1所述的一次铝空气电池，其特征在于，该铝阳极的厚度介于ImnT0.1mm0
6.如权利要求1所述的一次铝空气电池，其特征在于，该铝阳极为块材、膜材或多孔网材。
7.如权利要求1所述的一次铝空气电池，其特征在于，该空气电极阴极包括触媒。
8.如权利要求7所述的一次铝空气电池，其特征在于，该触媒包括金属氧化物。
9.如权利要求8所述的一次铝空气电池，其特征在于，该金属氧化物包括MnO2或CoO。
10.如权利要求7所述的一次铝空气电池，其特征在于，该触媒包括Pt/C。
11.如权利要求1所述的一次铝空气电池，其特征在于，该吸水材料包括由纤维素或纤维构成的材料。
12.如权利要求1所述的一次铝空气电池，其特征在于，该电解质包括碱性、中性或酸性的水溶液。
13.如权利要求1所述的一次铝空气电池，其特征在于，还包括膜材，包覆该电解质，以使该电解质与该电池组互不接触。
14.如权利要求13所述的一次铝空气电池，其特征在于，该主动式启动装置的所述机构包括: 破坏装置，以主动破坏包覆该电解质的该膜材，使该电解质与该电池组接触。
15.如权利要求13所述的一次铝空气电池，其特征在于，还包括隔板，设置在包覆该电解质的该膜材与该电池组之间，其中该隔板具有至少一通孔。
16.如权利要求1所述的一次铝空气电池，其特征在于，该主动式启动装置的所述机构包括: 隔板，设置于该电解质与该电池组之间，其中该隔板具有通孔； 插梢，堵住该通孔；以及 拔除装置，与该插梢相连，以将该插梢自该通孔拔除，使该电解质经该通孔与该电池组接触。
【文档编号】H01M6/38GK103872349SQ201310043263
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年2月4日 优先权日:2012年12月18日
【发明者】林孟昌, 吴俊星, 薛康琳, 钟佳君 申请人:财团法人工业技术研究院