DE69313152T2

DE69313152T2 - Mittels Photoenergie aufladbare Luftbatterie

Info

Publication number: DE69313152T2
Application number: DE69313152T
Authority: DE
Inventors: Keiji Akuto; Naoki Kato; Tsutomu Ogata; Masaaki Takeuchi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1992-01-21
Filing date: 1993-01-20
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: US5346785A; DE69313152D1; EP0553023A1; EP0553023B1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine aufladbare und entladbare Sekundärbatterie, insbesondere auf eine durch Lichtenergie aufladbare Batterie, die durch Oxidation entladen und durch Lichtenergie aufgeladen wird.

Relevanter Stand der Technik

Es wurden bereits Versuche durchgeführt in dem Bestreben, Sekundärbatterien unter Verwendung der Lichtenergie von sichtbarem Sonnenlicht und dgl. aufzuladen. Als derartiger Batterie-Typ sind durch Licht aufladbare Batterien bekannt, in denen Sekundärbatterien, beispielsweise amorphe Silicium- Solarzellen, Nickel-Cadmium-Batterien und Blei-Säure-Batterien, miteinander kombiniert sind ("J. Electrochem. Soc.", Band 131, Nr.9, S.2037-2041, (1984)). Diese durch Licht aufladbaren Batterien werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 21-22 erläutert.
Die Fig. 21 zeigt eine perspektivische Ansicht einer durch Licht aufladbaren Batterie gemäß Stand der Technik und die Fig. 22 zeigt eine äquivalente Schaltung (Stromkreis) der in Fig. 21 dargestellten durch Licht aufladbaren Batterie. Die in den Fig. 21 und 22 dargestellte, durch Licht aufladbare Batterie umfaßt eine Solarzelle 1, eine Speicher-Batterie 2, welche die durch die Solarzelle 1 gewonnene elektrische Energie speichert, einen Spannungsregelstromkreis 3, der die in der Solarzelle 1 erzeugte Spannung regelt, und eine Prüfdiode 4, die verhindert, daß der elektrische Strom aus der Speicher- Batterie 2 in die Solarzelle 1 fließt. Die durch Licht aufladbare Batterie 2 arbeitet nach einem (indirekten) Zwei-Stufen-Verfahren, das umfaßt die Erzeugung von elektrischer Energie unter Verwendung der Solarzelle 1 und die Speicherung der durch diese Solarzelle 1 erzeugten elektrischen Energie unter Verwendung der Speicher-Batterie 2.
Dieser Typ einer durch Licht aufladbaren Batterie gemäß Stand der Technik weist jedoch die Nachteile auf, daß als Folge der erforderlichen Strukturkomponenten für den Spannungsregelstromkreis 3, die Prüfdiode 4 und dgl. der Aufbau dieser durch Licht aufladbaren Batterie extrem voluminös und komplex ist.
Es treten weitere Probleme insofern auf, als zum richtigen Funktionieren der durch Licht aufladbaren Batterie gemäß Stand der Technik es erforderlich ist, den elektrischen Strom in geeigneter Weise zu regeln für die Aufladung der Speicher-Batterie 2 mit der in der Solarzelle 1 erzeugten elektrischen Energie und zur Durchführung dieser Regelung ein großer Energieverlust auftritt. Außerdem treten bei der obengenannten durch Licht aufladbaren Batterie als Folge davon, daß sie eine 3-Phasen-Energieumwandlungsstufe Lichtenergie T elektrische Energie T elektrochemische Energie durchläuft, Probleme auf, beispielsweise eine Zunahme der Anzahl der Struktur-Komponenten für diese Energieumwandlungsstufe oder eine Zunahme des Energie-Verlustes, der auf diese Energieumwandlungsstufe zurückzuführen ist.
Weitere Nachteile treten auf bei der Herstellung der Solarzelle 1, da eine vergleichsweise hochwertige Herstellungsausrüstung, beispielsweise eine p-n- Übergangs-Apparatur, erforderlich ist zusätzlich zu den anderen Schwierigkeiten außerhalb der Herstellung.
Die Fig. 23 zeigt eine durch Licht aufladbare Batterie gemäß Stand der Technik (Kogyozairyo, 1989, Nr.3, Band 7-4, 5.18-22). Diese durch Licht aufladbare Batterie ist mit einem transparenten Glassubstrat 7, einem Halbleiter vom P- Typ 8, einem Halbleiter vom I-Typ 9, Sammelelementen 10, 11, einer Kathode 12, einer Anode 13, einem festen Elektrolyten 14, einer Passivierungsschicht und einer transparenten Elektrode 16 ausgestattet. Die Herstellung (der Aufbau) dieser durch Licht aufladbaren Batterie ist jedoch wie bei der obengenannten komplex und es treten Nachteile auf, beispielsweise Probleme bei der Herstellung der Halbleiter sowie in bezug auf eine geringe Energiedichte.
Die Fig. 24 zeigt eine Ansicht des Aufbaus einer photochemisch aufladbaren Batterie gemäß Stand der Technik ("Faraday Discuss. Chem. Soc." 70 S. 207- 222, (1980)). In dieser Figur sind ein Batterie-Behälter 17, ein Deckel 17a zum dichten Verschließen des Batterie-Behälters, ein Separator 18, eine Phtoelektrode 19 aus einem Halbleiter vom N-Typ, eine Elektrode 20a zum Aufladen und eine Elektrode 20b zum Entladen dargestellt.
Die Fig. 25 zeigt einen einfachen Aufbau und das Energieniveau einer photochemisch aufladbaren Batterie ("Bull.Chem.Soc.Jpn.", 56, S. 2873-2876, 1983)).
In diesen photochemisch aufladbaren Batterien werden elektrochemisch unterschiedliche Halbleiter-Elektrolyte verwendet, insbesondere wird eine Energiebandkurve ausgenutzt, die zum Zeitpunkt des Kontakts der Halbleiter- Elektrode mit dem Elektrolyten entsteht und in der diese Lichtenergie elektrochemisch angereichert (gesammelt) wird. Der Lichtumwandlungsabschnitt der photochemisch aufladbaren Batterie, wie sie in Fig. 24 dargestellt ist, wird gebildet durch einfaches Eintauchen der Halbleiter-Elektrode 19 in den Elektrolyten S und sie ist somit diesbezüglich den durch Licht aufladbaren Battenen gemäß Stand der Technik, in denen Solar-Batterien und dgl. erforderlich sind, wie in den Fig. 21 und 22 dargestellt, überlegen.
Wie jeoch in Fig. 25 dargestellt, tritt beim Übergang von der Entladung zur Aufladung (oder umgekehrt) der Nachteil auf, daß die elektrische Verbindung unter Verwendung eines Schalters oder dgl. geändert werden muß. Es treten somit Nachteile insofern auf, als die Reaktionen dieser Batterien auf elektrolytischen Reduktions-Oxidations-Reaktionen basieren und somit zur Erhöhung der Kapazität eine große Elektrolyt-Menge erforderlich ist und im allgemeinen eine hohe Energiedichte unerwünscht ist.
Die nachstehend diskutierten Dokumente gehören ebenfalls zum Stand der Technik. Sie beschreiben Anordnungen, die eine Sauerstoff-Kathode, einen Elektrolyten und eine Photoanode umfassen.
Nach DE-A-36 18 881 wird Sauerstoff an einer Kathode auf Ag-Basis reduziert und der Elektrolyt kann Kaliumhydroxid sein.
In dem Artikel "Photoelectrochemical solar cell using a fuel cell oxygen cathode" von P.G.P. Ang. et al. (1046B Extended abstract Nr.70/1,1979,05, Abstrat Nr.242) ist die Kombination aus einer porösen Sauerstoff-Diffusionskathode, die Platin als Elektrokatalysator umfaßt, mit einer Eisenoxid- oder einer mit Ti gemischten Metalloxid-Photoanode kombiniert, die Sauerstoff erzeugen können.
In US-A-4 042 758 ist eine photochemische Zelle beschrieben, die eine Anode aus Titan, eine Kathode aus Platin und einen geeigneten Elektrolyten umfaßt. Die Anode weist einen darauf erzeugten dünnen TiO&sub2;-Film auf und die Anode und die Kathode sind in dem Elektrolyten, bei dem es sich normalerweise um eine sehr basische KOH-Lösung handelt, in geeigneter Weise angeordnet.
In US-A-3 401 062 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von elektrischem Strom aus durch Licht reduzierbaren Metalloxiden und unter Verwendung eines festen Elektrolyten beschrieben.
In US-A-4 128 704 ist ein photochemisches Energiespeichersystem beschrieben, das eine Elektrolytlösung umfaßt, die ein Reduktions-Oxidations-Paar enthält, von dem eine Spezies in einer zweiten Phase gespeichert werden kann. Die Vorrichtung umfaßt ein Aufladungssystem, das eine lichtempfindliche Elektrode vom n- oder p-Typ enthält, an der bei Bestrahlung mit Licht eine Oxidations- oder Reduktions-Reaktion auftritt. Die Vorrichtung umfaßt auch ein Energie-Zuführungssystem, das bei Bedarf Elektronen überträgt auf oder von einem Hochenergie-Produkt zur einer Zufuhr über einen elektrischen Verbraucher zu einer Elektrode, an der die ursprünglichen Reaktanten wiederhergestellt werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine durch Licht aufladbare Luft- Batterie mit hoher Energiedichte zu schaffen, die ein verbessertes Energieeinsparungsvermögen insofern aufweist, als eine Batterieaufladungs-Einrichtung nicht erforderlich ist, die durch Oxidations-Reaktionen entladen und mit Lichtenergie aufgeladen wird; Ziel der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, eine durch Licht aufladbare Luft-Batterie zur Verfügung zu stellen, die einen einfachen Aufbau hat, bei dem eine Photoelektrode aus einem Halbleiter gebildet wird und ein photochemisches Erregungsmaterial nicht erforderlich ist.
Um die obengenannten Ziele zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine durch Licht aufladbare Luft-Batterie vorgeschlagen, die umfaßt:
eine positive Elektrode;
eine negative Elektrode;
einen die genannte positive Elektrode und die genannte negative Elektrode verbindenden Elektrolyten: und
ein Batteriegehäuse zur Aufnahme der genannten negativen Elektrode, der genannten positiven Elektrode und des genannten Elektrolyten;
wobei die negative Elektrode umfaßt ein Metallmaterial, das während der Entladung der Batterie oxidiert werden kann, ein Oxid des genannten Metallmaterials, das halbleitend ist; wobei eine Licht transmittierende Komponente zum Injizieren des Lichtes, mit dem das Batteriegehäuse bestrahlt wird, in die negative Elektrode vorgesehen ist; wobei die genannte positive Elektrode umfaßt einen Sauerstoff-Katalysator für die Reduktion von Sauerstoff; wobei die genannte durch Licht aufladbare Luft-Batterie entladen wird durch Reduktion von Sauerstoff und durch Oxidation des Metallmaterials, das die genannte negative Elektrode aufbaut, und aufgeladen wird durch Reduktion des Metallmaterials unter Verwendung von Lichtenergie, das die genannte negative Elektrode aufbaut, die durch die genannte Entladung oxidiert worden ist; und wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, die es ermöglicht, daß Außenluft mit der genannten positiven Elektrode in Kontakt kommt.
Außerdem wird erfindungsgemäß eine durch Licht aufladbare Luft-Batterie vorgeschlagen, die umfaßt:
eine positive Elektrode,
eine negative Elektrode,
einen Elektrolyten zum Verbinden der genannten positiven Elektrode mit der genannten negativen Elektrode; und
ein Batteriegehäuse für die Aufnahme der genannten negativen Elektrode, der genannten positiven Elektrode und des genannten Elektrolyten;
wobei die genannte positive Elektrode umfaßt einen Sauerstoff-Katalysator für die Reduktion von Sauerstoff und die genannte negative Elektrode umfaßt ein Metallmaterial und einen mit dem genannten Metallmaterial elektrisch verbundenen Halbleiter vom N-Typ oder gebildet wird durch einen Halbleiter vom N- Typ in Kombination mit dem genannten Metallmaterial;
wobei das genannte Metallmaterial und der genannte Halbleiter vom N-Typ jeweils mit dem genannten Elektrolyten in Kontakt stehen, wobei eine Licht transmittierende Komponente für das Injizieren von Licht, mit dem das genannte Batterie-Gehäuse bestrahlt wird, in die genannte negative Elektrode vorgesehen ist;
wobei in der genannten, durch Licht aufladbaren Luft-Batterie der Halbleiter vom N-Typ mit Licht bestrahlt wird, der mit dem Metallmaterial in elektrischer Verbindung steht, das einen Teil der genannten negativen Elektrode bildet; die genannte durch Licht aufladbare Luft-Batterie durch Reduktion von Sauerstoff und Oxidation des Metallmaterials, das die genannte negative Elektrode aufbaut, entladen wird und aufgeladen wird durch Reduktion des Metallmaterials unter Verwendung von Lichtenergie, das die genannte negative Elektrode aufbaut und das durch die genannte Entladung oxidiert worden ist;
wobei die genannte durch Licht aufladbare Luft-Batterie außerdem durch Reduktion unter Verwendung von elektrischer Energie aufgeladen wird; und eine Einrichtung vorgesehen ist, die es erlaubt, daß die Außenluft mit der genannten positiven Elektrode in Kontakt kommt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X' der in Fig. 1 dargestellten, durch Licht aufladbaren Luft-Batterie der ersten bevorzugten Ausführungsform.
Die Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer durch Licht aufladbaren Luft- Batterie gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X' der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.
Die Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer durch Licht aufladbaren Luft- Batterie gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer durch Licht aufladbaren Luft- Batterie gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 8 stellt ein Diagramm dar, das die Ergebnisse der Messung der Batterie-Spannung und der elektrischen Aufladungs- und Entladungsströme bei einer durch Licht aufladbaren Luft-Batterie vom Ti KOH Pt(O&sub2;)-Typ, wie sie in dem Versuch 1 der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, zeigt; wobei die Fig. 8 außerdem das elektrische Aufladungs/Entladungs-Verhalten der in diesem Versuch verwendeten Batterie zeigt.
Die Fig. 9 stellt ein Diagramm dar, das die Ergebnisse der Messung der Batterie-Spannung und der elektrischen Aufladungs- und Entladungsströme bei einer durch Licht aufladbaren Luft-Batterie vom Ti KOH Pt(O&sub2;)-Typ, wie sie in dem Versuch 1 der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, zeigt, wobei die Fig. 9 außerdem das elektrische Entladungsverhalten bei Bestrahlung mit Licht der in diesem Versuch verwendeten Batterie zeigt.
Die Fig. 10 stellt ein Diagramm dar, das die Ergebnisse der Messung der Battene-Spannung und des elektrischen Elektroden-Potentials bei einer durch Licht aufladbaren Luft-Batterie vom Ti KOH Pt(O&sub2;)-Typ, wie sie in dem Versuch 1 der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, zeigt, wobei die Fig. 10 außerdem das elektrische Potential der positiven Elektrode und der negativen Elektrode während der Aufladung und Entladung der in diesem Versuch verwendeten Batterie zeigt.
Die Fig. 11(A) und (B) stellen Diagramme dar, welche die Ergebnisse der Messung der Oxidationszustände der Ti-Elektrode in der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß Fig. 8 zeigen, wobei die Fig. 11(A) die Oxidationszustände der in natürlicher Weise oxidierten Ti-Elektrode und die Fig. 11(B) die Oxidationszustände der elektrochemisch reduzierten Ti-Elektrode zeigen.
Die Fig. 12 (A), (B) und (C) stellen Diagramme dar, welche die Ergebnisse der Messung der Oxidationszustände der Ti-Elektrode zeigen, welche die Aufladung und Entladung der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß Fig. 8 begleiten, wobei die Fig. 12(A) die Oxidationszustände der entladenen Ti- Elektrode, die Fig. 12(B) die Oxidationszustände der elektrisch aufgeladenen Ti-Elektrode und die Fig. 12(C) die Oxidationszustände der durch Licht aufgeladenen Ti-Elektrode zeigen.
Die Fig. 13 stellt ein Diagramm dar, das die ansteigenden und abfallenden Fluktuationen des Ti-Oxids zeigt, welche die Aufladung durch Licht und die Entladung der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß Fig. 8 begleiten.
Die Fig. 14 zeigt eine Querschnittsansicht einer sechsten bevorzugten Ausführungsform, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.
Die Fig. 15 zeigt eine Querschnittsansicht einer durch Licht aufladbaren Luft- Batterie gemäß einer siebten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 16 zeigt eine Querschnittsansicht einer durch Licht aufladbaren Luft- Batterie gemäß einer achten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 17 zeigt eine Querschnittsansicht einer durch Licht aufladbaren Luft- Batterie gemäß einer neunten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 18 stellt ein Diagramm dar, das die Ergebnisse der Messung der Batterie-Spannung und des elektrischen Elektrodenpotentials bei einer durch Licht aufladbaren Luft-Batterie vom GaP-Co KOH Pt(O&sub2;)-Typ, wie sie in dem Versuch 2 der Erfindung verwendet wurde, zeigt, wobei die Fig. 18 außerdem das elektrische Aufladungs-/Entladungs-Verhalten der in diesem Versuch verwendeten Batterie zeigt.
Die Fig. 19 zeigt eine Querschnittsansicht einer durch Licht aufladbaren Luft- Batterie gemäß einer zehnten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 20 zeigt eine Querschnittsansicht einer durch Licht aufladbaren Luft- Batterie gemäß einer elften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 21 zeigt eine perspektivische Ansicht einer durch Licht aufladbaren Batterie gemäß Stand der Technik.
Die Fig. 22 zeigt den äquivalenten Stromkreis (Schaltung) gemäß Fig. 21.
Die Fig. 23 zeigt eine Ansicht des Aufbaus einer durch Licht aufladbaren Batterie gemäß Stand der Technik.
Die Fig. 24 zeigt eine Ansicht des Aufbaus einer photochemisch aufladbaren Batterie gemäß Stand der Technik und
die Fig. 25 zeigt einen einfachen Aufbau und das Energieniveau einer photochemisch aufladbaren Batterie gemäß Stand der Technik.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen durch Licht aufladbaren Luft-Batterie. In diesen Figuren bezeichnen die Ziffer 21 eine positive Elektrode, hergestellt aus einem porösen Sauerstoff- Katalysator, die Ziffer 22 eine negative Elektrode, hergestellt aus einem Metallmaterial, die Ziffer 23 einen Elektrolyten, der mit diesen positiven und negativen Elektroden in Kontakt steht, die Ziffer 24 einen Separator, die Ziffer 25 einen positiven Elektroden-Anschluß, die Ziffer 26 einen negativen Elektroden- Anschluß, die Ziffer 27 ein Batteriegehäuse und die Ziffer 28 einen wasserabweisenden Film.
Das obengenannte Batteriegehäuse 27 ist kastenförmig und hat einen Aufbau, der auf einer Seite eine Licht transmittierende Komponente 27a, hergestellt aus einem lichtdurchlässigen Material und dgl., aufweist, und es ist eine Reihe von Luftlöchern 29 auf der dieser lichtdurchlässigen Komponente 27a gegenüberliegenden Seite vorgesehen. Dieses Batteriegehäuse 27 enthält eine positive Elektrode 21, die auf der Seite 27b vorgesehen ist, in der die Luftlöcher 29 erzeugt worden sind; eine negative Elektrode 22, die auf der Seite der Licht transmittierenden Komponente 27a vorgesehen ist; einen flüssigen Elektrolyten 23, der den Zwischenraum zwischen der Licht transmittierenden Komponente 27a und der negativen Elektrode 22 ausfüllt, zwischen der obengenannten positiven Elektrode 21 und der obengenannten negativen Elektrode 22; und einen Separator 24, der zwischen der obengenannten positiven Elektrode 21 und der obengenannten negativen Elektrode 22 vorgesehen ist, der aus Glasfasern und dgl. hergestellt ist, den der Elektrolyt 23 passieren kann. Das Batteriegehäuse 27 ist jedoch nicht auf eine kastenförmige Gestalt beschränkt, sondern diese kann auch zylindrisch sein.
Zwischen der positiven Elektrode 21 und der Seite 27b, in der Luftlöcher 29 in dem Batteriegehäuse 27 vorgesehen sind, ist ein wasserabweisender Film 28 vorgesehen und er ist so konstruiert, daß er das Herausfließen des Elektrolyten 23 nach außen verhindert.
Bei der erfindungsgemäßen durch Licht aufladbaren Luft-Batterie ist es, damit die Entladungs-Reaktionen auf der Basis der Reduktion von Sauerstoff an der Luft glatt ablaufen, erforderlich, einen wirksamen Gas-Flüssig-Fest- Dreiphasen-Grenzbereich zu erzeugen durch Verwendung von Sauerstoff, des Elektrolyten 23 und der positiven Elektrode 21 (Sauerstoff-Katalysator). Infolgedessen wird mit dem Ziel, die obengenannte Drei-Phasen-Grenze zu verstärken, die positive Elektrode 21 hergestellt unter Verwendung eines porösen Sauerstoff-Katalysators. Bei der Herstellung einer Batterie, in der eine niedrige Entladungs-Geschwindigkeit (mit einem niedrigen elektrischen Strom) angewendet wird, ist es nicht immer erforderlich, daß sie porös ist, da es auch möglich ist, eine plattenförmige positive Elektrode 21 zu verwenden.
Es ist bevorzugt, daß die positive Elektrode 21 hergestellt wird unter Verwendung eines porösen Sauerstoff-Katalysators, beispielsweise einen solchen, der trägt Kohlenstoff (porösen Kohlenstoff), poröses Nickel oder eine Kombination davon mit Pt, Pd oder dgl. (z.B. Pt-C, Pd-C, Pt-Ni, Pd-Ni); ein Edelmetall sowie eine Legierung aus Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, Pt-Co, Pt-Au, Pt-Sn, Pd-Au, Ru-Ta, Pt-Pd-Au, Pt-Oxid, Au, Ag, Ag-C, Ni-P, Ag-Ni-P, Raney-Nickei, Ni-Mn, Ni-Kobaltoxid, Cu-Ag, Cu-Au, Raney-Silber und dgl.; eine anorganische Verbindung, wie Nickelborid, Kobaltborid, Wolframcarbid, Titanhydroxid, Wolframphosphid, Niobphosphid, Carbide von Übergangsmetallen, Spinell- Verbindungen, Silberoxid, Wolframoxid und lonenkristalle von Übergangsmetallen vom Perovskit-Typ, oder eine organische Verbindung, wie Bakterien, einen nicht-ionischen Aktivator, Phthalocyanin, ein Metallphthalocyanin, Aktivkohle und Chinon.
Die negative Elektrode 22 wird hergestellt unter Verwendung von Metallen wie Ti, Zn, Fe, Pb, Al, Co, Hf, V, Nb, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Cd, In, Ge, Sn, Bi, Th, Ta, Cr, Mo, W, Pr, Bi, U, den Oxiden, die haibleitend sind, oder eines Metalls, bei dem mindestens ein Teil ein Oxid eines obengenannten Metalls ist, und von komplexen elementaren Metallen oder Legierungen aus den obengenannten Metallen.
Außerdem werden winzige Mengen von Metalloxid, -nitrid, -carbid, -hydroxid oder komplexen Verbindungen davon auf der Oberfläche des die negative Elektrode 22 bildenden Metallmaterials gebildet durch Inkontaktkommen dieses Metallmaterials mit Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid an der Luft oder mit dem Elektrolyten. Es ist bevorzugt, daß dieser Verbindungs-Typ einer negativen Elektrode 22 einverleibt wird durch Erleichterung der Licht-Aufladungs- Reaktionen unter Verwendung eines Produkts, das halbleitend ist.
Zusätzlich können als erfindungsgemäßer Elektrolyt 23 flüssige Elektrolyte, die aus Basen wie Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid und Ammoniumchlorid, und ihren schwachen Säuren gebildet werden, verwendet werden. Außerdem können, obgleich das Aufladungsvermögen dadurch vermindert wird, starke Säuren wie Schwefelsäure und Chlorwasserstoffsäure und ihre Salze ebenfalls verwendet werden.
Außerdem werden erfindungsgemäß, wie oben angegeben, flüssige Elektrolyte verwendet, wobei jedoch der Elektrolyt 23 nicht auf eine Flüssigkeit begrenzt ist, da Elektrolyte in einem festen Zustand oder in Form einer Paste, die den Elektronentransport durch diesen Elektrolyten hindurch zwischen der positiven Elektrode 21 und der negativen Elektrode 22 nicht behindert, ebenfalls verwendet werden können.
Als Separator 24 können Materialien, die gegenüber dem Elektrolyten beständig sind, z.B. nicht gewebte Gewebe (Vliesstoffe) aus Glasfasern und Polyamidfasern, nicht gewebte Gewebe (Vliesstoffe) aus Fasern vom Polyolefin-Typ und Cellulose- und Kunstharze, verwendet werden, wobei der Separator 24 jedoch nicht auf diese Materialien beschränkt ist.
Für das Batteriegehäuse 27 können Materialien, die vom Elektrolyten 23 nicht erodiert werden, wie ABS-Harz und ein Fluorkohlenstoff-Polymer, verwendet werden, wobei jedoch das Batteriegehäuse 27 nicht auf das obengenannte Material beschränkt ist. Der auf der Seite der negativen Elektrode des Batteriegehäuses 27 angeordnete Abschnitt mit der Licht transmittierenden Komponente 27a kann hergestellt werden unter Verwendung eines (farblosen oder gefärbten) Materials, das mindestens einen Teil des Spektrums des sichtbaren Lichts und des UV-Lichts hindurchläßt, beispielsweise aus transparenten Platten und transparenten Filmen, die aus Glas, Quarzglas, Acryl, Styrol und dgl. hergestellt sind. Es ist auch möglich, das gesamte Batteriegehäuse 27 herzustellen unter Verwendung solcher Materialien wie diesen transparenten Platten und Filmen.
Der Abschnitt der Licht transmittierenden Komponente 27a ist so aufgebaut, daß er mindestens einen Teil des Spektrums des sichtbaren Lichtes und des UV-Lichtes hindurchläßt um die Lichtaufladungs-Reaktion zu erleichtern, wodurch eine extreme Abnahme der Bestrahlungslicht-Energie, welche die Oberfläche der negativen Elektrode 22 erreicht, vermieden wird, da zum Zeitpunkt der Bestrahlung der Oberfläche der negativen Elektrode 22 mit Licht das Bestrahlungs-Licht durch das Batteriegehäuse 27 absorbiert oder reflektiert wird.
Um den glatten Ablauf der Entladungs-Reaktion auf der Basis der Reduktion von Sauerstoff an der Luft zu erleichtern, muß der Sauerstoff der Luft an die Oberfläche der positiven Elektrode 21, die aus dem Sauerstoff-Katalysator hergestellt ist, diffundiert sein. Um diese Diffusion zu erzielen, hat die erfindungsgemäße Batterie einen solchen Aufbau, daß mindestens ein Luftloch 29 mit einem kleinen Durchmesser auf der Seite der positiven Elektrode 21 des Batteriegehäuses 27 vorgesehen ist. So lange der Durchmesser des Luftloches 29 ausreicht, um Luft hindurchströmen zu lassen, kann das Luftloch 29 in Form einer Öffnung mit einem großen Durchmesser oder in Form eines offenen Abschnitts vorliegen.
Zwischen der positiven Elektrode 21 und der Seite 27b der obengenannten positiven Elektrode 21 des Batteriegehäuses 27 ist ein wasserabweisender Film 28 vorgesehen. Dieser wasserabweisende Film 28 verhindert nicht nur das Austreten und Herausfließen des Elektrolyten 23, der die Löcher der posi tiven Elektrode 21 passiert, aus der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie nach außen, sondern er dient auch dazu, die Drei-Phasen-Grenze, die durch Sauerstoff, den Elektrolyten 23 und die positive Elektrode 21 gebildet wird, zu verstärken.
Vorzugsweise kann der wasserabweisende Film (die wasserabweisende Platte) 28 unter Verwendung von Fluorkohlenstoffharzen wie porösem Tetrafluoroethylen, Siliconharzen und dgl. hergestellt werden.
Außerdem ist es möglich, die erfindungsgemäße durch Licht aufladbare Luft- Batterie herzustellen unter Verwendung einer wasserabweisenden Platte anstelle des obengenannten wasserabweisenden Films 28. Entsprechend ist es auch möglich, anstatt einen wasserabweisenden Film oder eine wasserabweisende Platte vorzusehen, die positive Elektrode 21 aus einem Sauerstoff- Katalysator und einem wasserabweisenden Mittel herzustellen durch Einmischen des wasserabweisenden Agens in den Sauerstoff-Katalysator, da der aus diesem Sauerstoff-Katalysator und dem wasserabweisenden Mittel hergestellte positive Elektroden-Katalysator 21 die gleiche Funktion erfüllt wie der wasserabweisende Film 28 (die wasserabweisende Platte). In diesem Fall wird die resultierende obengenannte Drei-Phasen-Grenze noch weiter verstärkt.
Außerdem ist es bei der Erzeugung von kleinen Luftlöchern 29, um den durch die Luftlöcher aufgenommenen Sauerstoff über die gesamte Oberfläche der positiven Elektrode 21 gleichmäßig diffundieren zu lassen, möglich, ein Diffusionspapier aus Cellulose und dgl. zwischen der positiven Elektrode 21 auf der Seite 27a des Batteriegehäuses 27 und entweder einen wasserabweisenden Film 28 oder eine positive Elektrode 21, die ein wasserabweisendes Mittel enthält, vorzusehen.
Die Fig. 3 beschreibt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der der Abschnitt des Batteriegehäuses 27 auf der Seite 27a mit der positiven Elektrode 21 unter Verwendung eines sauerstoffdurchlässigen Materials 33 hergestellt ist. Die übrige Struktur dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die gleiche wie diejenige der ersten bevorzugten Ausführungsform.
Der obengenannte Abschnitt 27a des Batteriegehäuses 27 auf der Seite der positiven Elektrode 21 wird hergestellt unter Verwendung des sauerstoffdurchlässigen Materials 33, um den Sauerstoff außerhalb der Batterie auf die Oberfläche der positiven Elektrode 21, die aus dem Sauerstoff-Katalysator hergestellt ist, diffundieren zu lassen auf die gleiche Weise, in der Luftlöcher 29 bei der ersten Ausführungsform in dem Batteriegehäuse 27 erzeugt worden sind.
Vorzugsweise besteht das sauerstoffdurchlässige Material 33 aus Materialien wie Ethylcellulose, Celluloseacetat und -butylat. Der Aufbau ist jedoch nicht auf die Verwendung eben dieser Materialien beschränkt, da jedes für Sauerstoff durchlässige Material verwendet werden kann.
Bei der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in dem Batteriegehäuse 27 Luftlöcher 29 vorgesehen, durch welche Luft in das Batteriegehäuse eingeführt wird, während bei der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Abschnitt des Batteriegehäuses 27 unter Verwendung eines sauerstoffdurchlässigen Materials hergestellt wird. Es ist aber auch möglich, ohne Anwendung des obengenannten Aufbaus die Entladungsreaktion zu erleichtern unter Ausnutzung nur des Sauerstoffs, der im Innern des Batteriegehäuses 27 vorliegt und des Sauerstoffs, der durch die Aufladung erzeugt wird. Infolgedessen ist ein Aufbau, bei dem Luftlöcher 29 in dem Batteriegehäuse 27 (auf der Seite 27b) vorgesehen sind oder bei dem der Abschnitt auf der Seite 27b aus einem für Sauerstoff durchlässigen Material hergestellt ist, nicht erforderlich. In diesen Fällen ist jedoch die Entladungs- Kapazität der Batterie, nämlich die Energiedichte, gering im Vergleich zu der obengenannten Ausführungsform, da eine Aufnahme von Sauerstoff von außen nicht möglich ist.
Nachstehend wird eine vereinfachte zusammenfassende Darstellung der Wirkung der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform während des Aufladens und Entladens abgegeben. Während des Entladens reagieren das Metallmaterial, das die negativ Elektrode 22 bildet, und die Hydroxidionen in dem Elektrolyten 23 an der negativen Elektrode 22, wobei schließlich Metalloxid und Wasser gebildet werden und Elektronen über den negativen Elektrodenanschluß 26 dem Verbraucher zugeführt werden.
Andererseits reagieren an der positiven Elektrode an der Drei-Phasen-Grenze, die gebildet wird durch die Sauerstoff-Aufnahme aus der Luft, den Elektrolyten 23 und den Sauerstoff-Katalysator (positive Elektrode) 21, der Sauerstoff, das Wasser in dem Elektrolyten 23 und die aus der negativen Elektrode über den Verbraucher transportierten (ausgetragenen) Elektronen miteinander unter Bildung von Hydroxidionen. Bei dieser Entladungsreaktion tritt eine Abnahme des Elektrolyten 23 nicht auf wegen der resultierenden Vermeidung der Reaktionen, die in der gesamten Batterie auftreten, an der positiven Elektrode 21 und der negativen Elektrode 22. Außerdem tritt kein Problem mit dem Verbrauch des Sauerstoffs und dem aktiven Material an der positiven Elektrode auf, weil Sauerstoff durch die Seite 27b des Batteriegehäuses 27 aus der Luft aufgenommen wird. Als Folge davon wird das Metallmaterial, das die negative Elektrode 22 bildet, durch die vorhandene Entladungsreaktion umgewandelt und durch diese Entladungsreaktion wird Metalloxid gebildet. Infolgedessen ist die Aufladung der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung nicht mehr als eine Reduktion des obengenannten Metalloxids.
Im allgemeinen ist zur Erzielung der Aufladung durch Licht zusätzlich zur positiven Elektrode 21 und zur negativen Elektrode 22 eine Photoelektrode zur Durchführung der Licht-Reaktionen erforderlich. Die erfindungsgemäße, durch Licht aufladbare Luft-Batterie kann jedoch Licht-Reaktionen selbst dann durchführen, wenn eine Photoelektrode in ihrem Aufbau nicht vorhanden ist. Der Grund dafür wird nachstehend erläutert.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform fungiert das Metalloxid, das auf der Oberfläche der negativen Elektrode 22 mittels der obengenannten Entladungsreaktionen gebildet wird, als Photoelektrode, wodurch die Lichtaufladungs-Reaktionen auch dann erleichtert werden, wenn eine Photoelektrode nicht vorhanden ist. Das Metalloxid ist nämlich ein Entladungsprodukt, das halbleitend ist. Außerdem wird das Energieband des obengenannten Entladungsprodukts an der Kontakt-Oberfläche zwischen Elektrolyt 23 und dem Entladungsprodukt nach oben in Richtung auf den Elektrolyten 23 gekrümmt. Wenn Lichtenergie der Sonne, von Leuchtstoffröhren und dgl. auf die Oberfläche dieses Entladungsproduktes auftrifft, werden Elektroden bis zu dem Leitungsband angeregt und in dem Valenzelektronenband entsteht ein Loch. Dieses Loch, das die obengenannte Krümmung des Energiebandes begleitet, wird zu dem Elektrolyten 23 transportiert und reagiert mit Hydroxidionen auf der Oberfläche der negativen Elektrode 22.
Diese Elektronen, die bis zum Leitungsband angeregt worden sind, begleiten die Krümmung des Bandes und bewegen sich zu dem Metall auf der negativen Elektrode 22, das noch nicht oxidiert worden ist, wobei sie gegebenenfalls die Metall-Metalloxid-Elektrolyt-Grenze erreichen. An dieser Grenze reagieren die obengenannten Elektronen mit dem Wasser in dem Elektrolyten 23 unter Bildung von Hydroxidionen, wobei zusätzlich zur Reduktion des Entladungsprodukts des Metalloxids eine weitere Reduktion des Metallteils der Endreaktion nicht möglich ist. Durch das vorstehend beschriebene Verfahren wird die Lichtaufladungs-Reaktion erleichtert.
Außerdem ist die erfindungsgemäße durch Licht aufladbare Luft-Batterie nicht auf die einfache Aufladung durch Licht beschränkt, da erforderlichenfalls auch eine elektrische Aufladung möglich ist.
Auf die vorstehend beschriebene Weise wird durch den für die erste und die zweite bevorzugte Ausführungsform beschriebenen Aufbau eine durch Licht aufladbare Luft-Batterie mit hoher Energiedichte bereitgestellt, bei der die Aufladung unter Verwendung von Sauerstoff aus der Luft als Energiequelle, die bei den durch Licht aufladbaren Batterien gemäß Stand der Technik nicht beobachtet wurde, sowie von Lichtenergie durchgeführt werden kann und die verbesserte Energieeinsparungs-Möglichkeiten aufweist, so daß eine Batterie- Aufladungs-Einrichtung nicht erforderlich ist. Insbesondere wird eine durch Licht aufladbare Luft-Batterie erzielt durch Anwendung eines einfachen Aufbaus, der aus einem Zwei-Elektroden-System besteht, in dem eine Photoelektrode, hergestellt aus einem Halbleiter oder einem photochemischen Erregungsmaterial nicht vorhanden ist. Außerdem wird eine durch Licht aufladbare Luft-Batterie bereitgestellt, in der das Aufladen möglich ist sowohl unter Verwendung von elektrischen als auch Licht-Energie-Formen, wodurch die Photoaufladungs-Reaktionen selbst während der Entladung erleichtert werden.
Die dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, sind bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform die positive Elektrode 21 und die negative Elektrode 22 nicht in einer horizontal gestapelten Richtung mit der Vorderseite einander gegenüberliegend angeordnet, sondern die positive Elektrode 21 ist in einer Position angeordnet, die der Anschluß-Oberfläche der negativen Elektrode 22 auf der Seite der Oberfläche der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gegenüberliegt; zusätzlich ist ein Licht transmittierender Komponenten 27a-Abschnitt auf beiden Seiten der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie angeordnet. Als Folge davon trifft Licht auf beide Seiten der negativen Elektrode 22 auf und da das auf beiden Seiten der negativen Elektrode 22 gebildet Entladungsprodukt durch die Lichtenergie reduziert wird, kann eine große Menge an Entladungsprodukt sowohl reduziert als auch gebildet werden, wodurch eine Verbesserung sowohl der Aufladungs- als auch der Entladungskapazität der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie ermöglicht wird. Das heißt mit anderen Worten, bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Photoaufladungszeit her abgesetzt werden und die Batterie-Kapazität kann erhöht werden.
Die vierte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Fig. 6 dargestellt. Wie in der Fig. 6 gezeigt, ist eine positive Elektrode 21 auf dem Umfang der Seiten-Oberfläche der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie angeordnet. Als Folge davon kann Sauerstoff aus dem Umfang der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie aufgenommen werden und die Hochgeschwindigkeits-Entladungskapazität (mit einem hohen elektrischen Strom) kann verbessert werden.
Außerdem kann erfindungsgemäß ein Aufbau erzielt werden, bei dem Licht transmittierende Komponentenabschnitte 27a auf beiden Seiten der Batterie angeordnet sind durch Anbringen eines negativen Elektroden-Anschlusses 26 auf der seitlichen Oberfläche der Batterie, der gegenüber dem positiven Elektroden-Anschluß 25 isoliert ist.
Die fünfte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Metallmaterial wie Nickel als positive Elektrode 21 anstelle des Sauerstoff-Katalysators verwendet. Die Entladungs- Reaktion dieses Typs einer durch Licht aufladbaren Luft-Batterie wird erleichtert durch die Redox-Reaktionen des Elektrolyten 23 oder die Redox- Reaktionen der negativen Elektrode 22 anstatt durch die Aufnahme von Sauerstoff als aktivem Material. Als Folge davon werden, obgleich die Energiedichte der Batterie abnimmt, die Reduktion des Entladungssproduktes sowie die Aufladung der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie erleichtert wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 4 durch Einwirkenlassen von Lichtenergie auf die Entladungsprodukte in der Nähe der negativen Elektrode. Die positive Elektrode 21 kann irgendein Material sein, das halbleitend ist, z.B. verschiedene Typen von Metallen und Graphiten (Kohlenstoff), die ein höheres (edleres) Potential aufweisen als das negative Elektrodenmaterial 22 in dem Elektrolyten 23. Die negative Elektrode 22 und der Elektrolyt 23 können unter Verwendung der gleichen Materialien wie bei den vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen angegeben hergestellt werden. Außerdem können in dem Elektrolyten 23 die Redox-Fähigkeiten des Elektrolyten verbessert werden durch Verwendung einer wäßrigen Lösung, die Redox- Ionen, wie [Fe(CN)&sub6;]³&supmin;/[Fe(CN)&sub6;]&sup4;&supmin; und I&sub2;/I&supmin;, Fe³&spplus;/FE²&spplus; enthält.

Versuch 1

Eine durch Licht aufladbare Luft-Batterie vom Ti KOH Pt(O&sub2;)-Typ, in der Pt und Ti in der positiven Elektrode bzw. in der negativen Elektrode zusammen mit 1 mol/l KOH in dem Elektrolyten verwendet wurden, wurde gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform getestet. Es wurde bestätigt, daß diese durch Licht aufladbare Luft-Batterie durch Licht aufladbar war und die Fähigkeit hatte, unter Verwendung von Sauerstoff der Luft entladen zu werden.
Die gemessenen Ergebnisse des Aufladungs- und Entladungs-Verhaltens der getesteten obengenannten durch Licht aufladbaren Luft-Batterie vom Ti/O&sub2;- Typ sind in der Fig. 8 dargestellt. In dieser Figur entspricht die Änderung der Spannung mit dem Ablauf der Zeit jedem gemessenen Zustand, Aufladung T offen T Entladung T offen und die Messungen für diese Reihen, die fünfmal wiederholt wurden, sind dargestellt. Außerdem repräsentiert der plötzliche Anstieg der Batterie-Spannung auf etwa 1 V den Prozeß der Spannungserholung durch Aufladung: die ersten und fünften Cyclen repräsentieren die elektrische Aufladung, während die zweiten bis vierten Cyclen durch Photoaufladung durchgeführt wurden. Als Ergebnis wurde mittels des auf die aktive Oberfläche der negativen Elektrode nach dem Aufladen auftreffenden Lichtstrahlung eine Erholung (Rückgewinnung) der Batterie-Spannung beobachtet und die Fähigkeit, wiederholt aufgeladen und entladen zu werden, wurde bestätigt.
Außerdem kann die Batterie des vorliegenden Versuchs unter Verwendung sowohl von Lichtenergie als auch von elektrischer Energie aufgeladen werden und Unterschiede in bezug auf die Entladungskapazität als Folge der unterschiedlichen Aufladungs-Verfahren wurden nicht festgestellt. Ferner wies die erfindungsgemäße Batterie eine höhere Lebensdauer auf, da eine Abnahme der Entladungskapazität auch nach mehr als 50 mal wiederholter Photoaufladung und Entladung nicht festgestellt wurde.
Um die Effekte des Bestrahlungslichtes hinsichtlich der Batterie-Charakteristiken während der Entladung festzustellen, wurde das Entladungsverhalten gemessen, wobei die Ergebnisse in der Fig. 9 dargestellt sind. In diesem Versuch wurde eine Abnahme der Batterie-Spannung, welche die Entladung begleitete, selten beobachtet und selbst während der Entladung wurde eine Erleichterung der Photoaufladungs-Reaktion bestätigt. Hinsichtlich der Zellen- Reaktion, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist, stimmt das Reaktionspotential der positiven Elektrode 21 mit dem Redoxpotential von Sauerstofflhydroxidionen (O&sub2;/OH&supmin;) überein, wodurch das Fortschreiten der Sauerstoffaufnahme-Reaktion an der positiven Elektrode 21 bestätigt wurde.
Während der Aufladung und Entladung regelt außerdem das negative Elektrodenpotential eine Änderung der Batterie-Spannung und dadurch wurde gezeigt, daß eine Material-Umwandlung des Entladungsprodukts, d.h. mit anderen Worten, ein Fortschreiten der Photoreduktion an der negativev Elektrode 22 auftrat. Die in diesem Versuch getestete Batterie wies einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 5 mm als ihre Dimensionen auf und es wurde eine Xenonlampe als Lichtquelle für die Durchführung der Messungen der obengenannten Aufladungs- und Entladungs-Bewegung verwendet. Außerdem wurde die getestete und gemessene Batterie erfindungsgemäß nur verwendet, um die Existenz der Photoaufladungs- und Entladungs-Funktionen zu bestätigen, und die obengenannte Entladungskapazität nahm über einen breiten Bereich zu entsprechend der Porosität der negativen Elektrode 22 sowie dem am besen geeigneten Aufbau.
Die Änderung der Oxidations-Zustände auf der Oberfläche einer Ti-Elektrode, welche die Photoaufladung und Entladung dieses Typs einer durch Licht aufladbaren Luft-Batterie begleitet, ist in den Fig. 11 und 12 dargestellt.
Hinsichtlich der in der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie vom Ti KOH Pt(O&sub2;)-Typ als negatives Elektrodenmaterial in dem obengenannten Versuch verwendeten Ti-Elektrode zeigen die Fig. 11 und 12 die Beziehung zwischen der Bindungenergie (horizontale Achse) des 1s Orbital-Elektrons von Sauerstoff (01S) und der Photoelektronenstärke (vertikale Achse) bei jeder Probe, die aus der Prüfung der Elektronen-Probenoberfläche- Oxidationszustände durch XPS (Röntgenphotoelektronenspektroskopie)- Streuung bei fünf verschiedenen Arten von Redox- und Aufladungslentladungs-Zuständen resultierte. In der Fig. 11(A) zeigt die Beziehung zwischen der Bindungsenergie des 1s-Orbital-Elektrons von Sauerstoff und der Photoelektronen-Stärke, die durch XPS-Streuung gemessen wurde, für ein in natürlicher Weise in der Atmosphäre vor der Herstellung der Batterie oxidiertes Ti-Metall; die Fig. 11(B) stellt ein Diagramm dar, das die gleiche Beziehung für eine Ti-Elektroden-Oberfläche nach der elektrochemischen Reduktion in einer wäßrigen 1 mol/l KOH Lösung erhalten wurde.
Außerdem zeigt die Fig. 12(A) die Beziehung zwischen der Bindungsenergie des 1s Orbital-Elektrons von Sauerstoff und der Photoelektronen-Stärke, gemessen durch XPS-Streuung bei einer Ti-Elektrode nach der Entladung; die Fig. 12(B) zeigt gleiche Beziehung für eine Ti-Elektrode nach der elektrischen Aufladung; und die Fig. 12(C) zeigt diese gleiche Beziehung für eine Ti- Elektroden-Oberfläche nach der Bestrahlung mit Licht (Aufladung) in dem obengenannten Versuch. Außerdem zeigt in beiden Fig. 11 und 12 die Skala auf der vertikalen Achse, welche die Photoelektronen-Stärke angibt, unterschiedliche Werte entsprechend jeder Probe.
Je höher der Wert für die Bindungsenergie (Grad der Verschiebung nach links in der Figur) ist, um so höher ist der Oxidations-Zustand (um so größer ist das O/Ti Molekularverhältnis) des obengenannten Ti-Metalls. Die Fig. 13 stellt ein Diagramm dar, in dem die obengenannten Meßergebnisse zusammengefaßt sind; dieses Diagramm zeigt eindeutig die Änderung des Oxidationszustandes der Ti-Elektroden-Oberfläche, welche die Entladung/Photoaufladung (Entladung und Bestrahlung mit Licht) der erfindungsgemäßen Batterie begleitet.
Außerdem entsprechen den Photoelektronen-Peaks, die mittlere Energiebindungswerte aufweisen, wie in Fig. 11 und 12 ersichtlich, dem durch die Reaktion mit der Atmosphäre nach dem Batterieaufladungslentladungs-Versuch gebildeten Oxid bis zum Beginn des Streuungsversuches. Die atmosphärischen Oxidationsprodukte von Ti, das durch die Bestrahlung mit Licht zu Metall reduziert worden ist, sind ebenfalls darin enthalten; da diese Produkte schwierig zu trennen sind von dem ursprünglich vorhandenen Oxid, wurden diese Photoelektronen-Peaks mit mittleren Bindungsenergiewerten jedoch aus der Fig. 13 ausgeschlossen.
Wie aus den obengenannten Meßergebnissen ersichtlich, werden die Oxide höherer Ordnung mit einem großen O/Ti-Molekularverhältnis, die beim Entladen erzeugt werden, zu Oxiden einer niedrigen Ordnung und zu Metallen mit einem kleinen O/Ti Molekularverhältnis reduziert durch Bestrahlung dieser obengenannten Oxide höherer Ordnung mit Licht, nämlich durch die Photoreaktion des Entladungsprodukts selbst, und die durch Licht aufladbare Luft- Batterie wird auf diese Weise durch Licht aufgeladen. Das heißt mit anderen Worten, das Funktionieren der erfindungsgemäßen Batterie als durch Licht aufladbare Luft-Batterie tritt hinzu zu der Gesamtfunktion der Batterie und dies wurde auch gestützt durch den Grad der Materialumwandlung, wie er sich aus dem obengenannten Versuch ergibt.
Nachstehend werden die sechste bis neunete Ausführungsform der erfindungsgemäßen durch Licht aufladbaren Luft-Batterie unter Bezugnahme auf die Fig. 14 bis 17 erläutert.
Die Fig. 14 zeigt eine sechste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Wie in Fig. 14 dargestellt, bezeichnet die Bezugsziffer 21 eine positive Elektrode aus einem porösen Sauerstoff-Katalysator, die Ziffer 22 bezeichnet eine negative Elektrode, die Ziffer 24 einen Separator, die Ziffer 25 einen positiven Elektrodenanschluß, die Ziffer 26 einen negativen Elektrodenanschluß, die Ziffer 27 ein Batteriegehäuse, die Ziffer 28 einen wasserabweisenden Film, die Ziffer 30 eine Photoelektrode aus einem Halbleiter vom N-Typ und die Ziffer 23 einen Elektrolyten, der mit der obengenannten positiven Elektrode 21, der obengenannten negativen Elektrode 22 und der obengenannten Photoelektrode 30 in Kontakt steht. Diese Photo-Elektrode 30 steht mittels des Verbindungselements 31 in elektrischer Verbindung mit einem plattenförmigen Metallmaterial 22a, das die negative Elektrode 22 bildet.
Das Batteriegehäuse 27 ist kastenförmig und hat einen Aufbau, bei dem es auf einer Seite eine Licht transmittierende Komponente 27a aus einem Licht transmittierenden Material und dgl. und eine Reihe von Luftlöchern 29, die auf der dieser Licht transmittierenden Komponente 27a gegenüberliegenden Seite angeordnet sind, aufweist. Dieses Batteriegehäuse 27 enthält eine positive Elektrode 21, die auf der Seite 27b angeordnet ist, in der die Luftlöcher 29 vorgesehen sind, eine negative Elektrode 22, die auf der Seite der Licht transmittierenden Komponente 27a angeordnet ist, einen flüssigen Elektrolyten 23, den den Zwischenraum zwischen der positiven Elektrode 21, der negativen Elektrode 22 und der Photo-Elektrode 30 ausfüllt, und einen Separator 24, der zwischen der obengenannten positiven Elektrode 21 und der obengenannten negativen Elektrode 22 angeordnet ist, durch den der Elektrolyt 23 passieren kann. An der negativen Elektrode 22 ist eine Photo-Elektrode 30 auf der Seite der Licht transmittierenden Komponente 27a angeordnet und zwischen dieser Photo-Elektrode 30 und der positiven Elektrode 21 ist ein Metallmaterial 22a vorgesehen.
Der zwischen der positiven Elektrode 21 und der Seite 27b des Batteriegehäuses 27, in der Luftlöcher 29 angebracht sind, angeordnete wasserabweisende Film 28 ist für Gas durchlässig und so aufgebaut, daß er das Herausfließen des Elektrolyten 23 nach außen verhindert.
In der erfindungsgemäßen durch Licht aufladbaren Luft-Batterie muß, damit die Entladungsreaktionen auf der Basis der Reduktion des Sauerstoffs der Luft glatt ablaufen, eine wirksame Gas-Flüssig-Fest-Dreiphasen-Grenze erzeugt werden unter Verwendung von Sauerstoff, des Elektrolyten 23 und der positiven Elektrode 21 (Sauerstoff-Katalysator). Um die obengenannte Drei-Phasen- Grenze zu verstärken, wird daher die positive Elektrode 21 unter Verwendung eines porösen Sauerstoff-Katalysators hergestellt. Bei der Herstellung einer Batterie, in der nur eine Entladung mit niedriger Geschwindigkeit (mit einem niedrigen elektrischen Storm) angewendet wird, ist es nicht immer erforderlich, daß eine Porosität vorliegt, sondern es ist auch möglich, eine plattenförmige positive Elektrode zu verwenden.
Die positive Elektrode 21 hat den gleichen Aufbau wie bei der ersten und bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform Außerdem ist es bevorzugt, daß das Metallmaterial 22a zur Herstellung der negativen Elektrode 22 hergestellt wird unter Verwendung von Metallen wie Ti, Zn, Fe, Pb, Al, Co, Hf, V, Nb, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Cd, In, Ge, Sn, Bi, Th, Ta, Cr, Mo, W, Pr und U oder aus Metallen, in denen mindestens ein Teil ein Oxid eines der obengenannten Metalle ist, sowie aus Verbundmetallen und Legierungen daraus.
Es ist ferner bevorzugt, daß die Photo-Elektrode 30 aus einem Halbleiter vom N-Typ aus der Gruppe der Halbleiter GaP, GaAs, AlAS, ZnS, AlSb, InP, CdS, GaSb, InAs, ZnTe, SiC, BaTiO&sub3;, TiO&sub2;, ZnO, Ag&sub2;S, Ag&sub2;Se, Ag&sub2;Te, SnO&sub2;, ThO&sub2;, V&sub2;O&sub5;, Nb&sub2;O&sub5;, Ta&sub2;O&sub5;, Bi&sub2;S&sub3;, MoO&sub3;, WO&sub3;, NaxWO&sub3;, LixWO&sub3;, KxO&sub3; (worin alle x=0 1), MnO&sub2;, FeS&sub2;, HgS&sub2;, Bi&sub2;Se&sub3;, PbCrO&sub4;, PbOx (x=0 2), MgO, Mg&sub2;AlO&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, V&sub2;O&sub4;, FeO, Fe&sub2;O&sub3;, Fe&sub3;O&sub4;, CuO, Cu&sub2;S, CuS, CulnSe&sub2;, CuBr, Cul, ZnSe, ZnTe, GeSe, SrO, ZrO&sub2;, Nb&sub2;O&sub5;, Nb&sub2;O&sub3;, MoO&sub3;, MoS, Agl, CdO, InSe, SnSe, Sb&sub2;O&sub4;, BaO, Ta&sub2;O&sub3;, Ta&sub2;O&sub5;, WO&sub3;, HgTe, Tl&sub2;S, Bi&sub2;S&sub3;, Bi&sub2;Se&sub3;, PbTe, CeO&sub2;, Nd&sub2;O&sub3; und dgl.; aus anorganischen Halbleitern wie Si, Ge, Se und dgl.; aus kondensierten polynuclearen aromatischen Verbindungen wie Anthracen, Tetracen, Pentacen, Pyren, Perylen, Anthralen, Ovalen, Coronen, Violanthren, Isoviolanthren, Phthalocyanin, Kupferphthalocyanin, Graphit und dgl.; aus höheren Polymeren wie Polyacetylen, Polyanilin, Polyparaphenylen, Polythiophen, Polypyrrolen und dgl.; und aus starkem Leitern wie PbZrxTi1-xO&sub3;, Pb1-xM2xNbO&sub6; (x=0 1, M=Alkalimetall) und dgl. hergestellt wird.
Die Kombination aus dem Metallmaterial 22a, das die negative Elektrode 22 bildet, und der Photoelektrode 30, in der eine reziproke elektrische Verbindung vorliegt, unterliegt keinen speziellen Beschränkung in bezug auf irgendeinen Material-Typ, so lange die Konstruktion einen Potentialwert der Photoelektrode am unteren Ende des Leitungsbandes und an der Kontaktoberfläche der obengenannten Photoelektrode 30 und des Elektrolyten 23 ein niedrigeres Potential ergibt als das Redoxpotential des aktiven Materials der negativen Elektrode.
Die Fig. 15 zeigt eine siebte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Diese siebte bevorzugte Ausführungsform weist einen Aufbau auf, bei dem die Seite 27a auf der Seite der positiven Elektrode 21 des Batteriegehäuses 27 hergestellt wird unter Verwendung eines sauerstoffdurchlässigen Materials 33; der übrige Aufbau ist der gleiche wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform.
Der Seitenabschnitt 27b auf der Seite der positiven Elektrode 21 des Batteriegehäuses 27 wurde hergestellt unter Verwendung des sauerstoffdurchlässigen Materials Material 33, um die Diffusion des Sauerstoffs von außerhalb der Batterie auf die Oberfläche der positiven Elektrode 21 aus dem Sauerstoff- Katalysator zu ermöglichen auf die gleiche Weise wie Luftlöcher 29 in dem Batteriegehäuse 27 bei der ersten bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sind.
Wie oben erläutert, wird mittels des Aufbaus, wie er für die sechste und siebte bevorzugte Ausführungsform dargestellt ist, die Entladung durchgeführt durch Oxidation des Metallmaterials 22a, das die negative Elektrode 22 bildet, und die Aufladung wird durchgeführt durch Umwandlung von Lichtenergie in elektrochemische Energie unter Ausnutzung der Krümmung des Energiebandes, das durch die in den Elektrolyten 23 eingetauchte Photoelektrode 30 aus einem Halbleiter vom N-Typ erzeugt wird. Als Folge davon wird die Entladung durchgeführt durch Oxidation des Metallmaterials 22, das die negative Elektrode 22 bildet, unter Verwendung von Sauerstoff, während die Aufladung durchgeführt wird aufgrund der photoelektrochemischen Wirkung der Photoelektrode 30, die mit dem Elektrolyten 23 in Kontakt steht.
Die Fig. 16 zeigt die achte bevorzugte Ausführungsform Bei dieser achten bevorzugten Ausführungsform liegt ein Aufbau vor, bei dem kein Elektrolyt 23 zwischen der Seite der Photoelektrode 30 des Batteriegehäuses und der Licht transmittierenden Komponente 27a des Batteriegehäuses 27 vorhanden ist, so daß bei diesem Aufbau die Seite der Photoelektrode 30 des Batteriegehäuses nicht in direktem Kontakt mit dem Elektrolyten 23 steht. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie bei der sechsten bevorzugten Ausführungsform. Es stehen nämlich die Seite der Photoelektrode 30 des Batteriegehäuses und die Licht transmittierende Komponente 27a des obengenannten Batteriegehäuses in Kontakt miteinander. Außerdem ist es auch möglich, einen Aufbau anzuwenden, wie er bei der obengenannten siebten bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist.
Die Fig. 17 zeigt die neunte bevorzugte Ausführungsform. Bei der neunten bevorzugten Ausführungsform wird die Licht transmittierende Komponente 27a des Batteriegehäuses 27 hergestellt unter Verwendung der Photoelektrode 30, da in diesem Fall die Photoelektrode 30 ein Teil des Batteriegehäuses ist. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie bei der sechsten bevorzugten Ausführungsform. Außerdem kann auch der Aufbau, wie er in der obengenannten siebten bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, angewendet werden.
Die durch Licht aufladbare Luft-Batterie gemäß der obengenannten achten bevorzugten Ausführungsform ist in der Weise aufgebaut, daß das Bestrahlungslicht die Photoelektrode 30 erreicht, ohne den Elektrolyten 23 zu passieren, und daß somit nicht ein Teil des Bestrahlungslichtes durch den Elektrolyten 23 absorbiert wird. Als Folge davon kann der Photoaufladungs-Wirkungsgrad der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß der achten bevorzugten Ausführungsform verbessert werden im Vergleich zu der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß der sechsten und der siebten bevorzugten Ausführungsform.
Bei durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß der obengenannten neunten bevorzugten Ausführungsform kann der Photoaufladungs-Wirkungsgrad weiter verbessert werden durch einen Aufbau, bei dem das Bestrahlungslicht direkt die Photoelektrode 30 erreicht, ohne den Elektrolyten 23 zu passieren, zusätzlich zu dem Abschnitt der Licht transmittierenden Komponente 27a des Batteriegehäuses 27.
Außerdem ist es, wie oben angegeben, bei der durch Licht aufladbaren Luft- Batterie gemäß der achten und neuten bevorzugten Ausführungsform als Folge des Aufbaus, bei dem das Bestrahlungslicht die Photoelektrode 30 erreicht ohne den Elektrolyten 23 zu passieren, möglich, als Elektrolyt 23 ein Material auszuwählen, das ein Absorptionsvermögen für Licht aufweist.
Nachstehend folgt eine vereinfachte zusammenfassende Darstellung der Erläuterung der Wirkung der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß der obengenannten sechsten bis neunten bevorzugten Ausführungsform während der Aufladung und Entladung. Während der Entladung reagieren das Me tallmaterial 22a, das die negative Elektrode 22 bildet, und die Hydroxidionen in dem Elektrolyten 23 an der negativen Elektrode 22 unter Bildung von Metalloxid und Wasser und unter Transport der Elektronen über den negativen Elektroden-Anschluß 26 aus dem Metallmaterial 22a zu dem Verbraucher.
Andererseits reagieren an der positiven Elektrode 21 an der Dreiphasen- Grenze, die durch den aus der Luft aufgenommenen Sauerstoff, den Elektrolyten 23 und den Sauerstoff-Katalysator (die positive Elektrode) 21 gebildet wird, der Sauerstoff, das Wasser und der Elektrolyt 23 und die aus der negativen Elektrode 22 über den Verbraucher zugeführten (entladenen) Elektronen miteinander unter Bildung von Hydroxidionen. Bei dieser Entladungsreaktion tritt keine Abnahme des Elektrolyten 23 auf wegen des resultierenden Ausbleibens der Reaktionen, die in der gesamten Batterie auftreten, an der positiven Elektrode 21 und der negativen Elektrode 22. Außerdem tritt kein Problem auf in bezug auf den Sauerstoffverbrauch, durch das aktive Material für die positive Elektrode, weil Sauerstoff aus der Luft über die Seite 27b des Batteriegehäuses 27 aufgenommen wird. Als Folge davon wird das Metallmaterial 22a der negativen Elektrode 22 durch die erfindungsgemäße Entladungs-Reaktion umgewandelt und aus diesem Metallmaterial 22a wird ein Metalloxid gebildet. Infolgedessen ist die Aufladung der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung nicht mehr als eine Reduktion des obengenannten Metalloxids.
Während der Aufladung trifft die Lichtenergie der Sonne, von Leuchtstoffröhren und dgl. auf die Oberfläche der Photoelektrode 30 auf, wobei ein Energieband sich nach oben krümmt in Richtung auf den Elektrolyten 23 an der Kontaktoberfläche der Photoelektrode 30 aus einem Halbleiter vom N-Typ und dem Elektrolyten 23, wodurch Elektronen angeregt werden bis zu dem Leitungsband der Photoelektrode 30 und wodurch ein Loch in dem Valenzelektronenband entsteht. Dieses Loch, das die obengenannte Krümmung des Energiebandes begleitet, wird zu dem Elektrolyten 23 transportiert und reagiert mit Hydroxidionen unter Bildung Sauerstoff und Wasser. Andererseits werden die Elektronen, die bis zu dem Leitungsband erregt wurden, das die Krümmung des Bandes begleitet, über das Verbindungselement 31 zu dem Metallmaterial 22a der negativen Elektrode 22 transportiert, wobei sie schließlich die Oberfläche des Metallmaterials 22a erreichen, das mit dem Elektrolyten 23 in Kontakt steht. Die obengenannten Elektronen reagieren mit dem Wasser in dem Elektrolyten 23 unter Bildung von Hydroxidionen zusätzlich zur Reduktion der Metalloxide, welches die Entladungsprodukte des Metallmaterials 22a sind. Durch das obengenannte Verfahren wird das Photoaufladungsverfahren erleichtert.
Der Aufbau der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie wird komplex durch die Verwendung einer Photoelektrode 30 aus einem Halbleiter vom N-Typ, die mit der negativen Elektrode 22 in elektrischer Verbindung steht. Da jedoch die Photoelektrode 30 getrennt von der negativen Elektrode 22 als aktivem Material angeordnet ist, kann eine verbesserte Photoelektrode 30 verwendet werden, die aus einem Halbleiter vom N-Typ besteht, der am besten geeignet ist für das Metallmaterial 22a, das die negative Elektrode 22 bildet, und es kann eine durch Licht aufladbare Luft-Batterie mit einem verbesserten Lichtumwandlungswirkungsgrad erhalten werden.

Versuch 2

In dem Sauerstoff-Katalysator der positiven Elektrode 21, als Metallmaterial 22a der negativen Elektrode 22 und als Photoelektrode 30 wurden Platin (Pt), eine durch Sintern von 2 g Kobalt (Co)-Teilchen synthetisierte Kobaltplatte bzw. Galliumphosphit (GaP) verwendet. Die positive Elektrode wurde hergestellt aus Kohlenstoff und Platin, mit dem der Umfang des Kohlenstoffs beschichtet wurde. Außerdem wurde als Elektrolyt 23 eine Lösung von 1 mol/l Kaliumhydroxid (KOH) verwendet. Es wurde eine durch Licht aufladbare Luft- Batterie gemäß der sechsten bevorzugten Ausführungsform vom Co KOH Pt(O&sub2;)-Typ mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Dicke von 4 mm getestet und diese getestete durch Licht aufladbare Luft-Batterie funktionierte, wie gefunden wurde, als durch Licht aufladbare Luft-Batterie, die sowohl ein Photoaufladungsvermögen als auch ein atmosphärisches Sauerstoff- Entladungsvermögen aufwies.
Die Ergebnisse der Messung des Aufladungs- und Entladungs-Verhaltens der obengenannten getesteten durch Licht aufladbaren Luft-Batterie vom GaP- Co/O&sub2;-Typ sind in der Fig. 18 dargestellt. In der Fig. 18 gibt der Spannungswert, der in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit angegeben ist, die Reihe von Messungen an, die jedem der folgenden gemessenen Zustände entsprechen: offen T Photoaufladung T offen T Entladung T offen T Photoaufladung T offen T Entladung T offen.
In der Fig. 18 stellen die plötzlichen Anstiege der Batteriespannung auf nahezu 1V Zeiträume der Spannungs-Erholung durch Aufladung dar. Aus den er findungsgemäßen Ergebnissen ist zu ersehen, daß eine Batteriespannungs- Erholung beobachtet wurde als Folge davon, daß Bestrahlungslicht die Photoelektroden-Oberfläche erreichte, und dadurch wurden wiederholte Aufladungs/Entladungs-Kapazitäten bestätigt. Außerdem wies die in dem erfindungsgemäßen Versuch getestete Batterie eine verbesserte Lebensdauer auf ohne Abnahme der Entladungskapazität auch nach wiederholter Photoaufladung und Entladung.
Zur Messung des obengenannten Aufladungs/Entladungs-Verhaltens wurde als Lichtquelle eine Xenon(Xe)-Lampe verwendet. Außerdem war der Zweck der in dem erfindungsgemäßen Versuch getesteten und gemessenen Batterie einfach der, die Photoaufladungslentladungs-Kapazitäten zu bestätigen, und somit nahm die obengenannte Entladungs-Kapazität zu über einen breiten Bereich entsprechend der Porosität und dem am besten geeigneten Aufbau des Metallmaterials 22a der negativen Elektrode 22.
Die Fig. 19 und 20 zeigen durch Licht aufladbare Luft-Batterien gemäß den zehnten und elften bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. In diesen Figuren bezeichnet die Bezugsziffer 21 eine positive Elektrode aus einem porösen Sauerstoff-Katalysator, die Bezugsziffer 22 eine negative Elektrode, die Bezugsziffer 22a ein Metallmaterial, das die negative Elektrode bildet, die Bezugsziffer 22b einen Halbleiter vom N-Typ, der zusammen mit dem Metallmaterial die negative Elektrode bildet, die Bezugsziffer 23 einen Elektrolyten, der mit der obengenannten positiven Elektrode 21 und der obengenannten negative Elektrode 22 in Kontakt steht, die Bezugsziffer 24 einen Separator, die Bezugsziffer 25 einen positiven Elektrodenanschluß, die Bezugsziffer 26 einen negativen Elektrodeanschluß, die Bezugsziffer 27 ein Batteriegehäuse und die Bezugsziffer 28 einen wasserabweisenden Film.
Bei der in den Fig. 19 und 20 dargestellten zehnten und elften bevorzugten Ausführungsform werden Aufbauten beschrieben, bei denen das Metallmaterial 22a und der Halbleiter vom N-Typ 22b miteinander kombiniert werden unter Bildung der negativen Elektrode ohne Verwendung einer Photoelektrode. Die übrigen Strukturen sind wie jeweils bei der obengenannten sechsten und siebten bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Bei der zehnten und elften bevorzugten Ausführungsform ist die negative Elektrode (in die ein Halbleiter vom N-Typ eingearbeitet wird) mit der Funktionalität und den Wirkungen einer Photoelektrode ausgestattet, so daß im Vergleich zu der sechsten und siebten bevorzugten Ausführungsform die drei Elektroden erfordert, ein Zwei- Elektroden-Aufbau erzielt werden kann, wodurch der Gesamtaufbau der Batterie vereinfacht wird.
Außerdem kann in allen der sechsten bis elften bevorzugten Ausführungsformen ebenso wie in der in Fig. 6 dargestellten vierten bevorzugten Ausführungsform auch ein Aufbau angewendet werden, bei dem eine positive Elektrode 21 auf dem Umfang der Seitenoberfläche der durch Licht aufladbaren Luft-Batterie vorgesehen ist, wodurch die Entladungs-Kapazität mit hoher Geschwindigkeit verbessert wird.

Claims

1. Durch Lichtenergle aufl adbare Luft-Batterie, die umfaßt:

eine positive Elektrode;

eine negative Elektrode;

einen die genannte positive Elektrode und die genannte negative Elektrode verbindenden Elektrolyten; und

ein Batteriegehäuse zur Aufnahme der genannten negativen Elektrode, der genannten positiven Elektrode und des genannten Elektrolyten;

wobei die negative Elektrode umfaßt ein Metallmaterial, das während der Entladung der Batterie oxidiert werden kann, und ein Oxid des genannten Materials, das halbleitend ist; wobei eine Licht transmittierende Komponente zum Injizieren des Lichtes, mit dem das Batteriegehäuse bestrahlt wird, in die negative Elektrode vorgesehen ist; wobei die genannte positive Elektrode umfaßt einen Sauerstoff-Katalysator für die Reduktion von Sauerstoff;

wobei die genannte durch Licht aufladbare Luft-Batterie entladen wird durch Reduktion von Sauerstoff und durch Oxidation des Metallmaterials, das die genannte negative Elektrode aufbaut, und aufgeladen wird durch Reduktion des Metallmaterials unter Verwendung von Lichtenergie, das die genannte negative Elektrode aufbaut, das durch die Entladung oxidiert worden ist; und

wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, die es ermöglicht, daß Außenluft mit der genannten positiven Elektrode in Kontakt kommt.

2. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach Anspruch 1, in der das genannte Batterie-Gehäuse mit Luftlöchern in der Nähe der genannten positiven Elektrode ausgestattet ist, die den Kontakt zwischen der Außenluft und der genannten positiven Elektrode erlauben.

3. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach Anspruch 1 bei welcher der Teil des genannten Batterie-Gehäuses in der Nähe der genannten positiven Elektrode aus einem für Sauerstoff durchlässigen Material hergestellt ist.

4. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach einem der Ansprüche 2 und 33 in der die genannte positive Elektrode einen Sauerstoff-Katalysator und eine wasserabweisende Einrichtung aufweist, die das Herausfließen und das Austreten des genannten Elektrolyten aus dem Innern des Batterie-Gehäuses aus der Batterie über die für Sauerstoff durchlässige Einrichtung des genannten Batterie-Gehäuses verhindert.

5. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach einem der Ansprüche 2 und 3, in der eine wasserabweisende Einrichtung zwischen der genannten positiven Elektrode und dem genannten Batterie-Gehäuse vorgesehen ist&sub3; die das Herausfließen und das Austreten des genannten Elektrolyten im Innern des genannten Batterie-Gehäuses durch die Einrichtung aus für Sauerstoff durchlässigem Material aus dem genannten Batterie-Gehäuse heraus verhindert.

6. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach einem der Ansprüche 2 und 3, in der zwischen der genannten positiven Elektrode und dem genannten Batterie-Gehäuse Diffusionspapier vorgesehen ist, um Sauerstoff gleichmäßig über die Oberfläche der genannten positiven Elektrode zu diffundieren.

7. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach Anspruch 5, in der das Diffusionspapier zum gleichmäßigen Diffundieren von Sauerstoff über die Oberfläche der genannten positiven Elektrode zwischen der genannten wasserabweisenden Einrichtung und dem genannten Batterie-Gehäuse vorgesehen ist.

8. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie, die umfaßt:

eine positive Elektrode;

eine negative Elektrode;

einen Elektrolyten zum Verbinden der genannten positiven Elektrode mit der genannten negativen Elektrode; und

ein Batterie-Gehäuse für die Aufnahme der genannten negativen Elektrode, der genannten positiven Elektrode und des genannten Elektrolyten;

wobei die genannte positive Elektrode umfaßt einen Sauerstoff-Katalysator für die Reduktion von Sauerstoff und die genannte negative Elektrode umfaßt ein Metallmaterial und einen mit dem genannten Metallmaterial elektrisch verbundenen Halbleiter vom N-Typ oder gebildet wird durch einen Halbleiter vom N- Typ in Kombination mit dem genannten Metallmaterial;

wobei das genannte Metallmaterial und der genannte Halbleiter vom N-Typ jeweils mit dem genannten Elektrolyten in Kontakt stehen; wobei eine Licht transmittierende Komponente für das Injizieren von Licht, mit dem das genannte Batterie-Gehäuse bestrahlt wird, in die genannte negative Elektrode vorgesehen ist;

wobei in der genannten durch Licht aufladbaren Luft-Batterie der Halbleiter vom N-Typ mit Licht bestrahlt wird, der mit dem Metallmaterial in elektrischer Verbindung steht, das einen Teil der genannten negativen Elektrode bildet; die genannte durch Licht aufladbare Luft-Batterie durch Reduktion von Sauerstoff und Oxidation des Metallmaterials, das die genannte negative Elektrode aufbaut, entladen wird und aufgeladen wird durch Reduktion des Metallmatenals unter Verwendung von Lichtenergie, das die genannte negative Elektrode aufbaut und das durch die genannte Entladung oxidiert worden ist;

wobei die genannte durch Licht aufladbare Luft-Batterie außerdem durch Reduktion unter Verwendung von elektrischer Energie aufgeladen wird; und eine Einrichtung vorgesehen ist, die es erlaubt, daß die Außenluft mit der genannten positiven Elektrode in Kontakt kommt.

9. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach Anspruch 8, wobei das genannte Batterie-Gehäuse eine Photoelektrode umfaßt, die im Kontakt mit der genannten Licht transmittierenden Komponente angeordnet ist.

10. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach Anspruch 93 in der die Licht transmittierende Komponente des genannten Batterie-Gehäuses mit der genannten Photoelektrode kombiniert ist.

11. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach Anspruch 8, in der das genannte Batterie-Gehäuse mit Luftlöchern in der Nähe der genannten positiven Elektrode versehen ist, die einen Kontakt zwischen der Außenluft und der genannten positiven Elektrode erlauben.

12. Durch Licht aufl adbare Luft-Batterie nach Anspruch 8, in der der Teil des genannten Batterie-Gehäuses in der Nähe der genannten positiven Elektrode aus einem für Sauerstoff durchlässigen Material hergestellt ist.

13. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach einem der Ansprüche 11 und 12, in der die genannte positive Elektrode umfaßt einen Sauerstoff-Katalysator und eine wasserabweisende Einrichtung, die das Herausfließen und Austreten des genannten Elektrolyten im Innern des genannten Batterie-Gehäuses aus der Batterie heraus durch die für Sauerstoff durchlässige Einrichtung des genannten Batterie-Gehäuses verhindert.

14. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach einem der Ansprüche 11 und 12, in der eine wasserabwei sende Einrichtung zwischen der genannten positiven Elektrode und dem genannten Batterie-Gehäuse vorgesehen ist, die das Auslaufen und Austreten des genannten Elektrolyten im Innern des Batterie- Gehäuses aus der Batterie durch die Einrichtung aus für Sauerstoff durchlässigem Material des genannten Batterie-Gehäuses nach außen verhindert.

15. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach Anspruch 8, in der Diffusionspapier zum gleichmäßigen Diffundieren von Sauerstoff über die Oberfläche der genannten positiven Elektrode zwischen der genannten positiven Elektrode und dem genannten Batterie-Gehäuse vorgesehen ist.

16. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach Anspruch 14, in der das Diffusionspapier zum gleichmäßigen Diffundieren von Sauerstoff über die Oberfläche der genannten positiven Elektrode zwischen der genannten wasserabweisenden Einrichtung und dem genannten Batterie-Gehäuse vorgesehen ist.

17. Durch Licht aufl adbare Luft-Batterie nach den Ansprüchen 1 und 8, in der mindestens ein Teil des Metallmaterials, das die genannte negative Elektrode aufbaut, aus einem Verbundmetall oder einer Legierung hergestellt ist, die ihrerseits ein Oxid des genannten Metalls oder eine Vielzahl der genannten Metalle enthält.

18. Durch Licht aufladbare Luft-Batterie nach einem der Ansprüche 1 und 8, in der dem genannten Metallmaterial, das die genannte negative Elektrode aufbaut, eine Verbindung oder eine zusammengesetzte Verbindung aus einem Metalloxid, -nitrid, -carbid und -hydroxid, gebildet durch Kontakt des genannten Metallmaterials mit Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid in der Luft, und der genannte Elektrolyt einverleibt worden sind.