[發明專利]海水溶解氧電池用正極及采用該正極的海水溶解氧電池

有效

• 申請號: 201110376269.6
• 申請日: 2011-11-23
• 公開（公告）號: CN103137943A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 徐海波;蘆永紅
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: H01M4/06
• 分類號: H01M4/06;H01M6/34
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 韓蕾

技術領域

本發明涉及一種海水溶解氧電池用正極及采用該正極的海水溶解氧電池，屬于電化學技術領域。

背景技術

海洋環境條件復雜，要求在海洋中使用的設備能長期穩定地工作，這對電源的要求很高。由于海洋環境充電不便，因此電源需要一次儲存大量的能量以滿足長期使用要求，而常規電源在海水中的使用壽命和安全性有待提高，使用時需置于特定的耐壓容器中，整體技術要求比較高。正是由于這些問題，一種利用天然海水為介質的海水電源體系已在一些特定應用場合展現出較大優勢。

海水電池泛指以海水作為電解質的電池。海水電池的正極為海水中的溶解氧還原電極，負極為高負電位鎂陽極，天然海水為電解質，因此嚴格來講應稱為海水溶解氧電池。電解質是電池的重要構成部分，其作用主要是保證電極反應中的離子定向移動，形成穩定持續的電流。電解質有多種形式，如固體、膠體和液體等，液體電解質有水溶液、有機溶劑和熔鹽等，海水屬于鹽溶液，其成分主要是3.5％左右的NaCl，還有少量的Mg²⁺、Ca²⁺、SO₄^2-、HCO₃^-和少量的溶解氣體，如氧氣和二氧化碳等等，從組成看，由于含有固定比例的離子，其電導性是滿足電池電解質的基本要求的。根據海水溶解氧電池的構成，其最突出的特點就是不需要攜帶電解質和正極反應活性物質，可以在需要的時候利用天然海水形成電解液，基于這樣一種結構特點，海水溶解氧電池具有了以下突出優勢：

(1)不需攜帶電解質和正極反應活性物質，具有高能量密度；

(2)采用開放體系，結構簡化，高安全性，低成本；

(3)在海水中適用范圍廣，易放大；

(4)干態下儲存期無限長。

但海水溶解氧電池也存在如下缺點：

(1)海水中溶解氧濃度低，陰極材料活性差；

(2)電池的工作電流密度低，功率密度差；

(3)大功率輸出時，需要的陰極面積大，導致電池體積龐大。

因此，開發先進的海水溶解氧電池需要解決的核心問題是提高溶解氧的陰極還原反應活性。

目前商品化的SWB1200海水溶解氧電池(Kongsberg?Simrad公司，Norway)，采用的是碳纖維刷狀電極作為海水溶解氧電池的正極(Sea-water?battery?for?subsea?control?systems.J.Power?Sources，1997，65：253-261)，由于未處理的碳纖維刷電極對氧陰極還原反應的催化活性有限，導致電池的體積大，功率特性較差，體積比功率只有2.7mW/L。

綜上所述，開發一種對溶解氧的陰極還原反應具有高活性的正極材料是海水溶解氧電池領域中急需解決的一個關鍵問題。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種海水溶解氧電池用正極，該正極采用碳素材料進行制備并且其表面形成有活性層，是一種具有較高活性的海水溶解氧電池用正極。

本發明的目的還在于提供上述海水溶解氧用正極的制備方法。

本發明的目的還在于提供一種新型的海水溶解氧電池，通過采用上述正極，得到一種具有更高的陰極還原反應活性的海水溶解氧電池。

為達到上述目的，本發明首先提供了一種海水溶解氧電池用正極，該正極是由碳素材料制成的，其表面具有一層含有含氧的活性官能團和/或含氮的活性官能團的活性層。

在本發明所提供的海水溶解氧電池用正極中，優選地，活性層中的含氧的活性官能團和含氮的活性官能團均為在海水中具有可逆的氧化還原反應特性的官能團。在電池放電時，氧化態的活性官能團被電化學還原為還原態的活性官能團，而生成的還原態的活性官能團被海水中的溶解氧和/或溶解氧的陰極還原中間產物重新化學氧化為氧化態的活性官能團，同時溶解氧和/或溶解氧的陰極還原中間產物被化學還原。上述氧化態的活性官能團的電化學還原和化學氧化再生過程，及其伴隨的溶解氧和/或溶解氧的陰極還原中間產物被化學還原過程與溶解氧的電化學還原反應過程共同構成電池的正極反應。

在本發明提供的海水溶解氧電池用正極中，優選地，上述含氧的活性官能團可以為羧基氧、羰基氧和羥基氧等中的一種或幾種，上述含氮的活性官能團可以為吡啶型氮、吡咯型氮和季銨氮等中的一種或幾種。不同的含氧的活性官能團之間具有可逆的氧化還原反應特性，不同的含氮的活性官能團之間也具有可逆的氧化還原反應特性。