[发明专利]海水溶解氧电池用正极及采用该正极的海水溶解氧电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种海水溶解氧电池用正极及采用该正极的海水溶解氧电池，属于电化学技术领域。

背景技术

海洋环境条件复杂，要求在海洋中使用的设备能长期稳定地工作，这对电源的要求很高。由于海洋环境充电不便，因此电源需要一次储存大量的能量以满足长期使用要求，而常规电源在海水中的使用寿命和安全性有待提高，使用时需置于特定的耐压容器中，整体技术要求比较高。正是由于这些问题，一种利用天然海水为介质的海水电源体系已在一些特定应用场合展现出较大优势。

海水电池泛指以海水作为电解质的电池。海水电池的正极为海水中的溶解氧还原电极，负极为高负电位镁阳极，天然海水为电解质，因此严格来讲应称为海水溶解氧电池。电解质是电池的重要构成部分，其作用主要是保证电极反应中的离子定向移动，形成稳定持续的电流。电解质有多种形式，如固体、胶体和液体等，液体电解质有水溶液、有机溶剂和熔盐等，海水属于盐溶液，其成分主要是3.5％左右的NaCl，还有少量的Mg²⁺、Ca²⁺、SO₄^2-、HCO₃^-和少量的溶解气体，如氧气和二氧化碳等等，从组成看，由于含有固定比例的离子，其电导性是满足电池电解质的基本要求的。根据海水溶解氧电池的构成，其最突出的特点就是不需要携带电解质和正极反应活性物质，可以在需要的时候利用天然海水形成电解液，基于这样一种结构特点，海水溶解氧电池具有了以下突出优势：

(1)不需携带电解质和正极反应活性物质，具有高能量密度；

(2)采用开放体系，结构简化，高安全性，低成本；

(3)在海水中适用范围广，易放大；

(4)干态下储存期无限长。

但海水溶解氧电池也存在如下缺点：

(1)海水中溶解氧浓度低，阴极材料活性差；

(2)电池的工作电流密度低，功率密度差；

(3)大功率输出时，需要的阴极面积大，导致电池体积庞大。

因此，开发先进的海水溶解氧电池需要解决的核心问题是提高溶解氧的阴极还原反应活性。

目前商品化的SWB1200海水溶解氧电池(Kongsberg Simrad公司，Norway)，采用的是碳纤维刷状电极作为海水溶解氧电池的正极(Sea-water battery for subsea control systems.J.Power Sources，1997，65：253-261)，由于未处理的碳纤维刷电极对氧阴极还原反应的催化活性有限，导致电池的体积大，功率特性较差，体积比功率只有2.7mW/L。

综上所述，开发一种对溶解氧的阴极还原反应具有高活性的正极材料是海水溶解氧电池领域中急需解决的一个关键问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种海水溶解氧电池用正极，该正极采用碳素材料进行制备并且其表面形成有活性层，是一种具有较高活性的海水溶解氧电池用正极。

本发明的目的还在于提供上述海水溶解氧用正极的制备方法。

本发明的目的还在于提供一种新型的海水溶解氧电池，通过采用上述正极，得到一种具有更高的阴极还原反应活性的海水溶解氧电池。

为达到上述目的，本发明首先提供了一种海水溶解氧电池用正极，该正极是由碳素材料制成的，其表面具有一层含有含氧的活性官能团和/或含氮的活性官能团的活性层。

在本发明所提供的海水溶解氧电池用正极中，优选地，活性层中的含氧的活性官能团和含氮的活性官能团均为在海水中具有可逆的氧化还原反应特性的官能团。在电池放电时，氧化态的活性官能团被电化学还原为还原态的活性官能团，而生成的还原态的活性官能团被海水中的溶解氧和/或溶解氧的阴极还原中间产物重新化学氧化为氧化态的活性官能团，同时溶解氧和/或溶解氧的阴极还原中间产物被化学还原。上述氧化态的活性官能团的电化学还原和化学氧化再生过程，及其伴随的溶解氧和/或溶解氧的阴极还原中间产物被化学还原过程与溶解氧的电化学还原反应过程共同构成电池的正极反应。

在本发明提供的海水溶解氧电池用正极中，优选地，上述含氧的活性官能团可以为羧基氧、羰基氧和羟基氧等中的一种或几种，上述含氮的活性官能团可以为吡啶型氮、吡咯型氮和季铵氮等中的一种或几种。不同的含氧的活性官能团之间具有可逆的氧化还原反应特性，不同的含氮的活性官能团之间也具有可逆的氧化还原反应特性。