ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ МЕЛАНИНОВАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2020 года по МПК H01M6/18 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к батарее, не требующей перезагрузки или перезарядки от источника питания, и, более конкретно, к батарее, получающей необходимую энергию от окружающего света (видимого и невидимого) и преобразующей эту световую энергию в химическую энергию путем диссоциации и повторного связывания молекулы воды.

[0003] Основной проблемой современной энергетики является то, что батареи, как первичных, так и вторичных элементов, предназначенные для энергоснабжения в мобильных применениях, могут вызывать загрязнение окружающей среды. Кроме этого, такие обычные батареи необходимо заряжать путем подключения к источнику питания.

[0004] Вольтов столб, изобретенный Алессандро Вольта в 1800 г., был первой электрической батареей (химическим источником тока), т.е. первым практическим способом выработки электроэнергии. Вольтов столб состоял из чередующихся металлических дисков из цинка и меди и пропитанных в рассоле кусков картона между металлическими дисками, что позволяло вырабатывать постоянный электрический ток.

[0005] По мере совершенствования знаний создавались другие типы батарей. В 1836 г. Джон Фредерик Даниэль (Даниель) изобретен элемент Даниэля, в котором используется два электролита: сульфат меди и сульфат цинка. Гальванический элемент Даниэля, вырабатывающий около 1,1 В, использовали для запитывания таких устройств, как телеграф, телефон и дверной звонок. Гальванический элемент Даниэля оставался популярным в домашних условиях более 100 лет.

[0006] В 1839 г. Уильям Роберт Грове разработал первый топливный элемент, в котором электрический ток вырабатывался в результате соединения водорода и кислорода.

[0007] Французский изобретатель Гастон Планте разработал первый практичный свинцово-кислотный аккумулятор, который можно было перезаряжать (т.е. вторичный элемент). Этот тип батареи в настоящее время используется, прежде всего, в автомобилях.

[0008] Французский инженер Жорж Лекланше запатентовал угольно–цинковый элемент с жидким электролитом, названный элементом Лекланше. Первоначальный элемент Лекланше был собран в пористом сосуде, с положительным электродом, изготовленным из размолотого диоксида марганца с примесью небольшого количества углерода, и отрицательным электродом, изготовленным из цинкового стержня, вставленного в уплотненный материал положительного электрода, действовавшего как токоотвод. Анод, или цинковый стержень, и стакан были затем погружены в раствор хлорида аммония. Раствор хлорида аммония служил электролитом. Затем Жорж Лекланше дополнительно усовершенствовал свою конструкцию, заменив жидкий электролит на пастообразный раствор хлорида аммония, и изобрел способ герметизации батареи, то есть изобрел первый сухой элемент, усовершенствованная конструкция которого стала транспортабельной.

[0009] В 1881 г. Ж.А. Тибо запатентовал первую батарею с отрицательным электродом и пористым сосудом, помещенными в цинковый стакан.

[0010] Также в 1881 г. Карл Гасснер изобрел первый имевший коммерческий успех сухой элемент (углеродно–цинковый элемент).

[0011] В 1889 г. Вальдмар Юнгнер изобрел первую никель–кадмиевую перезаряжаемую батарею (аккумулятор).

[0012] В 1901 г. Томас Алва Эдисон изобрел щелочной аккумулятор. Щелочной аккумулятор Томаса Эдисона содержал железо в качестве анодного материала и оксид никеля в качестве катодного материала.

[0013] В 1949 г. Льюис Урри разработал небольшую щелочно–марганцевую батарею. Щелочные батареи работали в 5–8 раз дольше, чем их предшественники, углеродно–цинковые элементы.

[0014] В 1954 г. Геральд Пирсон, Кельвин Фуллер и Дэрил Чапин изобрели первую солнечную батарею. Солнечная батарея преобразует солнечную энергию в электричество. Изобретатели создали матрицу из нескольких полосок кремния (каждая размером примерно как лезвие бритвы), поместили их на солнечный свет, улавливали свободные электроны и преобразовывали их в электрический ток. Это изобретение стало известно как солнечная батарея компании Bell. Первое применение солнечной батареи компании Bell для общего пользования началось с телефонной системы несущей частоты 4 октября 1955 г.

[0015] Вообще говоря, батарея (которая представляет собой химический источник тока) – это устройство, вырабатывающее электроэнергию посредством химической реакции. Строго говоря, батарея состоит из двух или более элементов, соединенных последовательно или параллельно, но этот термин в общем используют и для одного элемента. Элемент состоит из отрицательного электрода, положительного электрода, сепаратора (также известного как ионный проводник) и электролита, проводящего ионы. Электролит может быть водным (т.е. образуемым водой) или неводным и может быть в виде жидкости, пасты или твердого тела. Когда элемент подключен к внешней нагрузке, или запитываемому устройству, отрицательный электрод выдает ток электронов, которые протекают через нагрузку и принимаются положительным электродом. Когда внешнюю нагрузку отключают, реакция прекращается.

[0016] Первичная батарея может превращать свои химические реагенты в электроэнергию только один раз, после чего должна быть утилизирована. Электроды вторичной батареи, с другой стороны, могут быть восстановлены путем пропускания через них электричества в обратном направлении, и поэтому вторичная батарея может быть использована много раз. Такие вторичные батареи хорошо известны как аккумуляторы или перезаряжаемые батареи.

[0017] Фотоэлектрические системы преобразуют световую энергию в электроэнергию и наиболее широко известны как «солнечные элементы». Солнечные элементы используют в различных приложениях, например, для обеспечения электроэнергией устройств перекачивания воды, питания аппаратуры связи, освещения домов и приведения в действие некоторых электроприборов. Эффективность обычных солнечных батарей составляет около 6% – 14%.

[0018] Одной из проблем, связанных с такими обычными солнечными элементами, является потребность в поликристаллическом кремнии, производство которого является довольно дорогостоящим. Кроме этого, поликристаллический кремний функционирует только при солнечном свете, поэтому подключенные к солнечным элементам устройства обычно также должны иметь вторичные батареи для снабжения энергией в вечерние часы. Половина срока службы фотоэлектрических систем составляет около 3 лет.

[0019] Топливный элемент представляет собой устройство, преобразующее химическую энергию топлива в электроэнергию в результате химической реакции положительно заряженных ионов водорода с кислородом или другим окислителем. Отличие топливных элементов от батарей заключается в том, что им нужен непрерывный источник топлива (например, водорода) и кислород или воздух для поддержания химической реакции. Напротив, химические реагенты, имеющиеся в батарее, вступают в реакцию друг с другом с генерированием электродвижущей силы (ЭДС). Топливные элементы способны вырабатывать электроэнергию непрерывно, пока в них подается топливо и кислород/воздух. Помимо электроэнергии, топливные элементы вырабатывают воду, тепло и, в зависимости от источника топлива, небольшие количества диоксида азота и других выбросов. Энергоэффективность топливных элементов составляет, как правило, от 40% до 60%.

[0020] Однако, одной из проблем, свойственных топливным элементам, является потребность в постоянном источнике водорода (т.е. топлива).

[0021] Таким образом, было бы желательно предложить твердотельную батарею, которая не требовала бы перезарядки и которая не нуждалась бы в подключении к источнику энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВИДОВ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0022] Приведенное выше краткое изложение, а также последующее подробное описание изобретения будут более понятны по прочтении в сочетании с прилагаемыми чертежами. С целью иллюстрации изобретения на чертежах представлены те варианты осуществления изобретения, которые являются в настоящее время предпочтительными. Следует, однако, понимать, что изобретение не ограничивается приведенными точными компоновками и инструментарием.

[0023] На чертежах:

[0024] Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе наноматериала, образованного из меланинового материала, заделанного в блок инертного материала, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0025] Фиг. 2 представляет собой вид в перспективе тела твердотельной меланиновой батареи, образованного из наноматериалов, показанных на фиг. 1;

[0026] Фиг. 3 представляет собой вид в перспективе твердотельной меланиновой батареи в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0027] Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе твердотельной меланиновой батареи, показанной на фиг. 3, обернутой в инертную пленку;

[0028] Фиг. 5 представляет собой вид в перспективе комплекта твердотельных меланиновых батарей;

[0029] Фиг. 6 представляет собой вид в перспективе комплекта меланиновых структур;

[0030] Фиг. 7 представляет собой вид в перспективе батареи, образованной из комплекта меланиновых структур, показанного на фиг. 6, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0031] Фиг. 8 представляет собой вид в перспективе батареи, образованной из комплекта меланиновых структур, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0032] Фиг. 9 представляет собой вид в перспективе батареи, образованной из комплекта меланиновых структур, показанного на фиг. 6, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения; и

[0033] Фиг. 10 представляет собой вид сбоку устройства для производства газообразных водорода и кислорода с использованием меланиновой структуры в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0034] Все цитируемые здесь патенты и публикации включены сюда путем ссылки. Если не указано иное, все используемые здесь технические и научные термины имеют то же значение, которое общепринято специалистами в той области, к которой относится изобретение. В других случаях некоторые используемые здесь термины имеют смысловые значения, указанные в описании.

[0035] Нужно отметить, что в описании и прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа включают формы множественного числа, если контекст явно не указывает на иное.

[0036] Используемый здесь термин «меланиновый материал» относится к меланину, прекурсорам меланина, производным меланина, аналогам меланина и разновидностям меланина, включающим природный и синтетический меланин, эумеланин, феомеланин, нейромеланин, полигидроксииндол, аломеланин, гуминовую кислоту, фуллерены, графит, полииндолхиноны, ацетиленовую сажу, пирроловый черный, индоловый черный, бензоловый черный, тиофеновый черный, анилиновый черный, полихиноны в гидратированной форме, сепиомеланины, допа–меланин, дофаминовый черный, адреналиновый черный, катехоловый черный, 4–аминкатехоловый черный в простой линейной алифатической или ароматической форме; или их прекурсоры, такие как фенолы, аминофенолы или дифенолы, индол–полифенолы, хиноны, семихиноны или гидрохиноны, L–тирозин, L–допамин, морфолин, орто–бензохинон, диморфолин, порфириновый черный, птериновый черный и оммохромовый черный.

[0037] Используемый здесь термин «инертный материал», когда он используется в отношении материала для заделывания по меньшей мере одного меланинового материала, означает любой материал, совместимый с меланином, но не вступающий в химическую реакцию с меланином. Предпочтительно, инертный материал является материалом, который нерастворим в воде. Примерами инертных материалов являются кремний, оксид кремния, кальций, алюминий и полиэтилен.

[0038] В одном варианте осуществления изобретение относится к солнечному элементу или фотоэлектрическому элементу (также известному как солнечная батарея), который представляет собой электрический прибор, преобразующий энергию света непосредственно в электроэнергию. Солнечный элемент по настоящему изобретению при функционировании сам вырабатывает водород.

[0039] Солнечный элемент состоит из множества наноматериалов 10 меланина. Более конкретно, каждый наноматериал 10 содержит меланиновый материал 12, удерживаемый на или заделанный в инертную форму 14, как показано на фиг. 1.

[0040] Недавно была также обнаружена свойственная меланину способность поглощать энергию и использовать поглощенную энергию для катализа электролиза воды на водород и кислород. В частности, было установлено, что при расщеплении молекулы воды меланином может происходить обратная реакция, то есть повторное образование молекулы воды и выделение энергии. Таким образом, меланин поглощает все длины волн электромагнитной энергии, включая энергию видимого и невидимого света, и рассеивает эту поглощенную энергию посредством диссоциации воды с ее последующим повторным образованием, тем самым производя химическую энергию. Фотоэлектрохимический процесс выработки энергии с использованием меланина или его аналогов, прекурсоров, производных или разновидностей меланина описан в патенте США № 8455145.

[0041] В природе меланин распространен повсеместно, и в его состав входят азот, кислород, водород и углерод. Долгие годы считалось, что меланин не выполняет никаких биологических или физиологических функций помимо простого солнцезащитного экрана с низким коэффициентом ослабления излучения, эквивалентным таковому у 2%-го раствора сульфата меди. Меланин также считали самой темной известной молекулой благодаря его способности поглощать энергию почти любой длины волны, хотя казалось, что он не излучает никакой энергии. Это считали уникальной особенностью меланина, противоречащей законам термодинамики, поскольку другие соединения, способные поглощать энергию, в частности пигменты, излучают часть поглощенной энергии. Долгое время в фокусе внимания находились электронные свойства меланина. Однако меланин является одним из наиболее устойчивых из известных человеку соединений, и долгое время казалось, что меланин не способен катализировать какую–либо химическую реакцию.

[0042] Без связи с какими–то ни было теориями, например, полагают, что внутри меланина реакция происходит по следующей схеме (I):

2Н₂О+свет 2Н₂+О₂+4е^– (I).

[0043] Поглотив электромагнитную энергию, такую как энергия света (видимого или невидимого), меланин катализирует диссоциацию воды на двухатомный водород (Н₂), двухатомный кислород (О₂) и электроны (е^–). Хотя при расщеплении воды на водород и кислород энергия расходуется, эта реакция является обратимой, и в ходе обратного процесса восстановления атомов кислорода двухатомным водородом с повторным образованием молекул воды энергия выделяется, как описано выше.

[0044] Таким образом, меланин способен преобразовывать энергию света в химическую энергию, аналогично процессу, посредством которого в растениях при помощи пигмента хлорофилла энергия света преобразуется в химическую энергию в ходе фотосинтеза. Следовательно, по аналогии, этот процесс назвали «человеческим фотосинтезом». Однако, важным отличием реакции расщепления воды, осуществляемой меланином, от реакции, осуществляемой хлорофиллом, является то, что реакция расщепления воды хлорофиллом может происходить только в живой клетке и при наличии видимого света с длиной волны в диапазоне от 400 нм до 700 нм. Меланин, напротив, способен расщеплять и повторно образовывать молекулу воды вне живой клетки, используя любую форму электромагнитной энергии, в частности, энергию света (видимого или невидимого) с длиной волны в диапазоне от 200 нм до 900 нм, с образованием Н₂ и О₂.

[0045] Предпочтительно, меланиновый материал 12 заделан в инертную форму 14 каждого наноматериала 10, так что материал инертной формы 14 служит барьером между меланиновым материалом 12 и его непосредственным окружением, сохраняя физическую и химическую целостность меланинового материала. Предпочтительно, инертная форма 14 образована из пористого материала. Поры предпочтительно имеют такой размер, что через них может проходить только вода и газ.

[0046] В одном варианте осуществления каждый наноматериал 10 может включать только один тип или вид меланинового материала 12, либо более одного типа или вида меланинового материала 12.

[0047] В соответствии с вариантами осуществления изобретения упомянутый по меньшей мере один меланиновый материал выбран из группы, состоящей из меланина, прекурсоров меланина, производных меланина, аналогов меланина и разновидностей меланина. В одном предпочтительном варианте осуществления упомянутый по меньшей мере один меланиновый материал представляет собой меланин, предпочтительно, природный меланин или синтетический меланин. Для получения меланина в контексте раскрытия настоящего изобретения может быть использован любой известный в данной области способ. Например, меланиновые материалы могут быть синтезированы химически или выделены из природных источников, таких как растения и животные. Меланин также может быть синтезирован из аминокислот – прекурсоров меланина, таких как L–тирозин. Меланиновый материал также может быть получен из коммерческих источников.

[0048] Инертная форма 14 наноматериала 10 предпочтительно устойчива и нереакционноспособна. Например, материалом инертной формы 14 может быть кремний, оксид кремния, кальций, алюминий, пластмасса (например, полиэтилен), стекло или любая их смесь. Предпочтительно, инертная форма 14 образована из смеси кальция, алюминия и оксида кремния, так что наноматериал 100 представляет собой смесь кальция, алюминия и оксида кремния с заделанным в нее по меньшей мере одним меланиновым материалом 12.

[0049] В одном варианте осуществления меланиновый материал 12 предпочтительно составляет от 1% до 3% объемных от общего объема наноматериала 10. Количество материала инертной формы 14 в наноматериале 10 предпочтительно составляет от 91% до 99% объемных от общего объема наноматериала 10, а более предпочтительно от 97% до 99% объемных.

[0050] Упомянутый по меньше мере один меланиновый материал 12 может быть заделан в инертную форму 14 с помощью любых известных или еще подлежащих разработке приемов. В одном варианте осуществления меланиновый материал 12 заделан в инертную форму 14 за счет адгезии. В другом варианте осуществления меланиновый материал 12 заделан в инертную форму 14 при помощи сжатия.

[0051] Раствор меланина, используемый для приготовления каждого наноматериала 10, предпочтительно обладает концентрацией меланина 3 мг/мл. Однако следует понимать, что может быть использована более низкая концентрация меланина или более высокая концентрация меланина (например, для использования в зонах с меньшим количеством солнечного света) по мере необходимости для достижения желаемого эффекта поглощения света. Также будет понятно, что наноматериалы 10 могут быть выполнены с любой формой.

[0052] Меланиновая структура 16 образована из множества (предпочтительно, тысяч) наноматериалов 10, как показано на фиг. 2. Меланиновая структура 16 образует тело батареи 20. В соответствии с вариантами осуществления изобретения меланиновая структура 16 может принимать любые размер или форму, включая, но не ограничиваясь ими, форму стержня (цилиндрического), пластины, сферы или куба.

[0053] Скорость производства двухатомного водорода (Н₂) будет зависеть от самых различных факторов и может регулироваться путем изменения, например, размера, формы и площади поверхности наноматериалов 10 или меланиновой структуры 16, количества меланинового материала в наноматериалах 10 и/или числа наноматериалов 10 или меланиновых структур 16, присутствующих в батарее 20.

[0054] Затем, как показано на фиг. 3, в одном варианте осуществления меланиновая структура 16 снабжена по меньшей мере первой и второй металлическими лентами 18, которые служат первым и вторым электродами соответственно, с образованием твердотельной меланиновой батареи 20. Металлические ленты 18 могут быть изготовлены из любого металла, пригодного для формирования электрода. Предпочтительно, металлические ленты 18 изготовлены из одного или более из Ag, Al, Co, Au или их сплава. Все металлические ленты 18 могут быть изготовлены из одного и того же металла или из разных металлов. Например, металлические ленты 18 могут быть образованы из металлической полосы. Предпочтительно, металлические ленты 18 полностью окружают меланиновую структуру 16 (т.е. с обеих сторон) и плотно сцеплены с ней. Однако следует понимать, что ленты 18 могут окружать структуру 16 лишь частично. Кроме этого, металлические ленты предпочтительно выставлены друг с другом. Меланиновая батарея 20 также включает проволочный вывод или металлический кабель 22, прикрепленный или подсоединенный к соответствующему электроду 18. В одном варианте осуществления выводы 22 имеют разные цвета.

[0055] В одном варианте осуществления на границу раздела между металлическими лентами 18 и меланиновой структурой 16 с наноматериалами может быть нанесен вязкий раствор (не показан), содержащий электролиты, для облегчения прохождения электронов от наноматериалов 10 к металлической ленте 18. В качестве альтернативы, на границу раздела может быть нанесен материал в виде маленьких слоев графита. Будет понятно, что любой материал, который мог бы способствовать повышению выходного напряжения, может быть использован для нанесения на границу раздела между электродами 18 и телом 16 батареи.

[0056] Выходное напряжение батареи 20 зависит от множества факторов, таких как, например, размер и состав батареи 20, природа электродов 18, часы использования, температура, давление и т.д.

[0057] В одном варианте осуществления было установлено, что батарея 20 с размерами 12 см х 6 см х 7 см генерирует постоянный ток с выходным напряжением от 300 мВ до 1,4 В, а более предпочтительно, от 400 мВ до 1,4 В, и переменный ток с напряжением примерно от 1,5 до 2,1 В, предпочтительно приблизительно 2 В, а более предпочтительно 1,9 В. Таким образом, батарея 20 по настоящему изобретению обладает уникальным электронным поведением, поскольку она способна генерировать как постоянный, так и переменный ток.

[0058] Как показано на фиг. 4, каждая батарея 20 предпочтительно заключена в инертную оболочку 24. Предпочтительно, инертная оболочка 24 образована из пластичного и прозрачного материала. Например, инертная оболочка 24 может быть образована из полиэтилена высокой плотности. Металлические выводы 22, приваренные к металлическим лентам 18, все же могут выступать из инертной оболочки 24, а более конкретно, проходить сквозь инертную оболочку 24.

[0059] Соответственно, множество батарей 20 может быть уложено стопкой друг с другом, как показано на фиг. 5, для получения при желании более высокого выходного напряжения.

[0060] В другом варианте осуществления, как показано на фиг. 6 и 7, множество меланиновых структур 16, необязательно заключенных в инертную оболочку 24, уложены стопкой вместе с по меньшей мере одной металлической пластиной или подложкой 26, расположенной между каждой меланиновой структурой 16, тем самым образуя батарею 30. Металлические пластины 26 выполняют функцию электродов. Каждая металлическая пластина 26 может быть изготовлена из одного и того же металла или из разных металлов (например, из одного или более из Ag, Al, Co, Au или их сплава). В одном варианте осуществления, как показано на фиг. 7, тонкие металлические пластины 26 покрывают всю площадь поверхности смежной меланиновой структуры 16. Предпочтительно, батарея 30 вырабатывает постоянный ток с выходным напряжением между 300 мВ и 600 мВ и переменный ток с выходным напряжением между 2 и 4 В.

[0061] В другом варианте осуществления, как показано на фиг. 8, множество меланиновых структур 16, необязательно заключенных в инертную оболочку 24, уложены стопкой вместе с расположенными между ними тонкими металлическими пластинами 26, однако эти тонкие металлические пластины 26 не покрывают всю площадь поверхности каждой смежной меланиновой структуры 16. Вместо этого, множество тонких металлических пластин 26 предусмотрены разнесенными друг от друга, и каждая металлическая пластина 26 покрывает только часть площади поверхности каждой смежной меланиновой структуры 16, тем самым образуя батарею 40. И в этом случае каждая металлическая пластина 26 может быть изготовлена из одного и того же металла или из разных металлов (например, одного или более из Ag, Al, Co, Au или их сплава) и выполняет функцию электрода.

[0062] Будет понятно, что размеры меланиновых структур 16 и металлических пластин 26 могут быть заданы по мере необходимости для достижения желательного выходного напряжения. В одном примере каждая меланиновая структура 16 имеет длину приблизительно от 3 до 10 см (предпочтительно 10 см), ширину приблизительно от 2 до 5 см (предпочтительно 5 см) и толщину приблизительно 15 мм. В одном примере каждая металлическая пластина 26 имеет длину приблизительно от 3 до 10 см, ширину приблизительно от 2 до 5 см и толщину приблизительно 100 мкм. Например, длины и ширины меланиновых структур 16 и металлических пластин 26 могут быть одинаковыми.

[0063] В зависимости от того, как соединены электроды 26, выходное напряжение батареи 40 может меняться. Например, если соединены электроды 26 «1» и «2», батарея 40 вырабатывает постоянный ток с выходным напряжением от 300 мВ до 600 мВ и переменный ток с выходным напряжением от 2 до 4 В. Однако, если соединены электроды, обозначенные «1» и «3», батарея 40 вырабатывает постоянный ток с выходным напряжением от 0,6 В до 1,2 В и переменный ток с выходным напряжением от 12 до 25 В.

[0064] В одном варианте осуществления, как показано на фиг. 9, металлические пластины 26 снабжены магнитным материалом, а более конкретно, одним или более магнитами 27. Например, магнит 27 может быть размещен на наружной поверхности каждой металлической пластины 26, расположенной между меланиновыми структурами. Предпочтительно, магниты 27 изготовлены с неодимом, однако будет понятно, что может быть использован любой материал с достаточной энергией магнитного поля. В одном варианте осуществления каждый магнит 27 имеет в общем цилиндрическую форму. В одном варианте осуществления каждый цилиндрический магнит 27 имеет высоту 5 мм и диаметр 5 мм.

[0065] Введение таких магнитов 27 повышает напряжение, вырабатываемое батареей 20, 30, 40. Например, напряжение переменного тока может быть повышено приблизительно на 3–40 В, а более предпочтительно, 20–25 В. В частности, если металлические пластины 26 выполнены из меди и используются неодимовые магниты 27, напряжение переменного тока увеличивается приблизительно на 3 В. Если металлические пластины 26 выполнены из алюминия и используются неодимовые магниты 27, напряжение переменного тока увеличивается приблизительно на 40 В.

[0066] Преимуществом батарей 20, основанных на твердотельном меланине, является то, что батареи 20 удобны в обращении, так как исключен риск утечки (хотя меланин и нетоксичен). Учитывая, что меланин поглощает энергию любой мощности и рассеивает ее, разделяя молекулы воды, батареи 20 по изобретению не нуждаются в перезарядке каким–либо образом, и их не нужно подключать к источнику электропитания. Кроме этого, меланиновые структуры 16 предпочтительно не испытывают какого-то увеличения температуры.

[0067] В другом варианте осуществления, как показано на фиг. 10, каждая меланиновая структура 16 обладает высокой концентрацией меланина, предпочтительно от 3 до 30 массовых % меланина. Когда такую меланиновую структуру 16 погружают в воду, из меланиновой структуры 16 получается сильный поток 52 водорода и кислорода, так как меланин катализирует диссоциацию воды, как описано выше. А именно, меланиновую структуру 16 с высокой концентрацией меланина помещают в контейнер 50, наполненный водой. Контейнер может быть изготовлен из любого инертного материала, такого как инертное стекло или инертная пластмасса. При диссоциации воды, катализируемой меланиновой структурой 16, образуются пузырьки 52 водорода и кислорода. Например, при использовании этих способа и системы, контейнер объемом 50 мл заполняется пузырьками водорода и кислорода за 30 минут.

[0068] Предпочтительно, контейнер 50 оборудован крышкой 54 для герметизации контейнера 50 от окружающей среды. Предпочтительно, контейнер 50 заполнен водой до такого уровня, что между уровнем поверхности воды и крышкой 54 имеется свободное пространство 56. Это свободное пространство 56 служит в контейнере 50 хранилищем для пузырьков водорода и кислорода. В одном варианте осуществления крышка 54 оборудована патрубком или иным каналом 58. Один конец канала 58 сообщается со внутренним пространством контейнера 50, а другой конец канала 58 сообщается с накопительным устройством, топливным элементом или любым другим компонентом 60, который может использовать запас газообразных водорода и кислорода.

[0069] Специалистам в данной области будет понятно, что в описанных выше вариантах осуществления и примерах изобретения возможны изменения, не выходящие за рамки широкого изобретательского замысла. Поэтому понятно, что изобретение не ограничено раскрытыми конкретными вариантами его осуществления, а, напротив, предназначено охватывать его модификации в пределах существа и объема изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к твердотельной батарее. Батарея включает меланиновую структуру, образованную из по меньшей мере одного меланинового материала, заделанного в инертный материал, и первую и вторую металлические ленты, служащие первым и вторым электродами соответственно. Меланиновый материал выбран из группы, состоящей из меланина, прекурсоров меланина, производных меланина, аналогов меланина и разновидностей меланина. Техническим результатом является отсутствие перезарядки или перезагрузки батареи. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Твердотельная батарея, содержащая:

меланиновую структуру, образованную из по меньшей мере одного меланинового материала, заделанного в инертный материал; и

первую и вторую металлические ленты, которые служат первым и вторым электродами соответственно,

при этом меланиновый материал выбран из группы, состоящей из меланина, прекурсоров меланина, производных меланина, аналогов меланина и разновидностей меланина, и

при этом твердотельная батарея не требует перезарядки или перезагрузки.

2. Твердотельная батарея по п. 1, в которой множество твердотельных батарей уложены стопкой друг на друга с образованием блока батарей, при этом число твердотельных батарей зависит от необходимого напряжения.

3. Твердотельная батарея по п. 1, при этом твердотельная батарея генерирует напряжение постоянного тока и напряжение переменного тока, и при этом твердотельная батарея может управляться электронной схемой.

4. Твердотельная батарея по п. 1, в которой инертный материал является пористым материалом.

5. Твердотельная батарея по п. 1, в которой инертный материал образован из одного или более материалов, выбранных из группы, состоящей из кремния, оксида кремния, кальция, алюминия, пластмассы и стекла.

6. Твердотельная батарея по п. 5, в которой инертный материал образован из смеси кальция, алюминия и оксида кремния.

7. Твердотельная батарея по п. 1, в которой электроды изготовлены из одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из Ag, Al, Co, Au и их сплава.

8. Высоковольтный комплект батарей, включающий:

множество меланиновых структур, причем каждая меланиновая структура образована из по меньшей мере одного меланинового материала, заделанного в инертный материал; и

металлическую пластину, помещенную между каждой меланиновой структурой, причем каждая металлическая пластина является электродом,

при этом меланиновый материал выбран из группы, состоящей из меланина, прекурсоров меланина, производных меланина, аналогов меланина и разновидностей меланина и

при этом высоковольтный комплект батарей не требует перезарядки или перезагрузки.

9. Высоковольтный комплект батарей по п. 8, в котором инертный материал является пористым материалом.

10. Высоковольтный комплект батарей по п. 8, в котором инертный материал образован из одного или более материалов, выбранных из группы, состоящей из кремния, оксида кремния, кальция, алюминия, пластмассы и стекла.

11. Высоковольтный комплект батарей по п. 10, в котором инертный материал образован из смеси кальция, алюминия и оксида кремния.

12. Высоковольтный комплект батарей по п. 8, в котором каждый электрод изготовлен из одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из Ag, Al, Co, Au и их сплава.

13. Высоковольтный комплект батарей по п. 8, в котором каждая меланиновая структура заключена в инертную оболочку.

14. Высоковольтный комплект батарей по п. 8, в котором каждый электрод включает в себя магнит.

15. Высоковольтный комплект батарей по п. 14, в котором каждый магнит представляет собой неодимовый магнит.