CN102237508A - 电储存装置、电储存装置的电极组及其制备方法 - Google Patents

电储存装置、电储存装置的电极组及其制备方法 Download PDF

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陈敏华
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Abstract

一种电储存装置的电极组的制备方法包含：于一集电板的表面蚀刻形成不平整表面；于该不平整表面涂布一导电粉体材料混合物；及进行加热以于该不平整表面形成一电极。所制备的电极组包含一集电板及一电极，该集电板包含一底部及数个由该底部表面延伸形成的凸出部，二相邻的凸出部间形成一间距，使得该底部及凸出部的表面共同形成一不平整表面，该电极填充于该些凸出部间并覆盖于该凸出部及底部。该电储存装置包含一壳体；一电解液设置于该壳体内；二该电极组分别浸置于该电解液中；及一隔板设置于该壳体内，以隔开该二电极组。

Description

电储存装置、电储存装置的电极组及其制备方法
技术领域
本发明关于一种电储存装置、电储存装置的电极组及其制备方法，尤指一种能够增加电极组的集电板与电极的接触面积且提升导热效率的电储存装置、电储存装置的电极组及其制备方法。
背景技术
请参照图1所示，目前电储存装置，例如锂离子二次电池或者电双层电容器，皆包含有一壳体91、二电极组92、92’、一隔板93及一电解液94。该二电极组92、92’分别为一正极及一负极，且设置于该壳体91内，该二电极组92、92’分别与导线A连接而延伸至该壳体91外；该二电极组92、92’分别包含有一集电板921、921’及一电极922、922’，该电极922、922’分别设置于该集电板921、921’的表面，且该电极922、922’通常以粉体材料制成；该隔板93以多孔性高分子材料制成，且设置于该二电极组92、92’之间，以避免该二电极组92、92’因相触而造成短路；该电解液94填充于该壳体91内，以作为离子传导的媒介。
上述电储存装置的充放电原理因电储存装置种类不同而有所差异。以锂离子二次电池为例，作为正极的电极组92的电极922以锂的氧化物制成，例如锂钴氧化物(LiCoO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4)或锂镍氧化物(LiNiO2)；作为负极的电极组92’的电极922’以石墨性碳材制成。当该电储存装置外接充电器进行充电时，电子由该电储存装置的外部进入电极922’(负极)，同时位于电极922(正极)处的锂离子则离开正极经过电解液，并穿过该隔板93进入作为负极的电极922’，与石墨性碳材共同形成LiC6的化合物；当该电储存装置外接电器进行放电时，该些位于负极的LiC6便将解离出锂离子及电子，该锂离子将离开负极经过电解液，并穿过该隔板93进入电极922(正极)，而该电子将由该电极922’及导线A传导至该壳体91外，以供电给外部的电器使用。
对上述电储存装置而言，由于充放电过程中将产生热量，而制作该些现有电极922、922’的材料并非优良的热导体，散热效果不佳；再且，该现有集电板921、921’为平板状，与该电极922、922’的接触面积较小，使得该较小的接触面积无法将充放电过程中产生的热量快速经电极922、922’及集电板921、921’传导至电储存装置外进行散热，造成该电储存装置内所累积的热量可能造成危险，例如烫伤使用者或者内部隔板熔解导致短路爆炸等意外发生。基于上述原因，其有必要进一步改良上述现有电储存装置及其电极组。
发明内容
本发明目的是改良上述缺点，以提供一种电储存装置的电极组，以增加电极组的集电板与电极的接触面积。
本发明次一目的是提供一种电储存装置的电极组的制备方法，以使该集电板具有一不平整表面。
本发明再一目的是提供一种电储存装置的电极组，以提升该集电板的导热效率。
本发明又一目的是提供一种电储存装置，包含有上述的电极组，以提升该电储存装置的散热效率。
根据本发明的电储存装置的电极组，包含：一集电板，包含一底部及数个凸出部，该数个凸出部由该底部的表面延伸形成，二相邻的凸出部之间形成一间距，使得该底部及凸出部的表面共同形成一不平整表面；及一电极，完整填充于该些凸出部之间，并覆盖该凸出部及底部的表面。
根据本发明的电储存装置的电极组的制备方法，包含：一集电板蚀刻步骤于一集电板的表面进行蚀刻，使该集电板的表面形成一不平整表面；一涂布步骤于该不平整表面涂布一导电粉体材料混合物；及一定型步骤对该导电粉体材料混合物进行加热，使该导电粉体材料混合物于该不平整表面固化形成一电极。
根据本发明的电储存装置，包含：一壳体；一电解液，设置于该壳体内；二电极组，分别浸置于该电解液中，用以作为正负极，每一电极组包含一集电板及一电极，该集电板包含一底部及数个凸出部，该数个凸出部由该底部的表面延伸形成，二相邻的凸出部之间形成一间距，使得该底部及凸出部的表面共同形成一不平整表面，该电极完整填充于该些凸出部之间，并覆盖于该凸出部及底部；及一隔板，设置于该壳体内，以隔开该二电极组。
本发明的有益效果在于：
本发明的电极组的集电板由该底部表面延伸形成该数个凸出部，以共同形成不平整表面，可有效增加该集电板的表面积，进而增进该集电板与该电极的接触面积。因此，即使于该电储存装置(例如锂离子二次电池)进行充放电时产生大量的热能，也可通过该些凸出部与该电极的接触面积，而将该些热能快速由该集电板传导至该电储存装置外，以避免热量积存于该电储存装置内而产生使用上的安全性疑虑。
附图说明
图1：现有电储存装置的剖视图。
图2：本发明第一实施例的电储存装置的电极组的剖视图。
图3：本发明第二实施例的电储存装置的电极组的剖视图。
图4：本发明的电储存装置的电极组的制备方法的流程图。
图5：本发明第一实施例的集电板于蚀刻前的剖视图。
图6：本发明第一实施例的集电板蚀刻步骤示意图。
图7：本发明第一实施例的涂布步骤示意图。
图8：本发明第二实施例的集电板于蚀刻前的剖视图。
图9：本发明第二实施例的集电板的表面涂布光阻层的示意图。
图10：本发明第二实施例的集电板的曝光过程示意图。
图11：本发明第二实施例的集电板的显影过程示意图。
图12：本发明第二实施例的集电板的蚀刻示意图。
图13：本发明第二实施例的保护层去除示意图。
图14：本发明第二实施例的涂布步骤示意图。
图15：本发明的电储存装置的剖视图。
附件一：本发明的集电板的不平整表面的表面影像。
主要元件符号说明：
1     集电板  11  凸出部    12    底部       2      电极
3     导电粉体材料混合物    4     保护层     5      光罩
6     壳体    7   隔板      8     电解液     A      导线
d     间距    h   高度      91    壳体       92     电极组
92’  电极组  921 集电板    921’ 集电板     922    电极
922’ 电极    93  隔板      94    电解液     A      导线
具体实施方式
为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
A.本发明的电储存装置的电极组：
请参照图2所示，本发明的电储存装置的电极组包含一集电板1及一电极2，该集电板1的表面为不平整表面，且该电极2覆盖结合于该集电板1的不平整表面。
请参照图2及3所示，本发明的集电板1可选择以具导电性的材质(例如铝箔或铜箔等导电性材质)制成，以导通电路。该集电板1包含数个凸出部11及一底部12，如图2或3所示，且该数个凸出部11及底部12的表面共同构成该不平整表面，该集电板1的不平整表面结构如附件一所示。
请参照图2及3所示，该数个凸出部11延伸形成于该底部12的表面，该数个凸出部11相对于该底部12表面的延伸高度h可为不等高(如图2所示)或等高(如图3所示)，且该高度h选择介于5至200μm之间；二相邻的凸出部11之间具有一间距d，以供该电极2填入于该数个凸出部11之间，而覆盖该凸出部11及该底部12的表面，该些间距d可选择为等间距或不等间距，且该间距d选择介于1至100μm之间。其中，该凸出部11的高度h与该间距d的比值(高度h/间距d)较佳选择但不受限于0.05至200。若该高度h/间距d比值小于0.05，则提升表面积的效果较不明显；若该高度h/间距d比值大于200，则该些凸出部11之间的空间相对较为狭窄，使得电极2不易完整填入该些凸出部11之间。
举例而言，本发明第一实施例选择于该底部12的表面设置不等高且不等间距的凸出部11，如图2所示；本发明第二实施例选择于该底部12的表面形成等高且等间距的凸出部11，该凸出部11的高度h选择为10～50μm，该间距d选择为2～20μm，如图3所示。借此，通过该数个凸出部11的设置，该凸出部11与该底部12的表面共同形成该集电板1的不平整表面，使得该凸出部11的表面可大幅增加该集电板1的表面积。
请参照图2及3所示，本发明的电极2覆盖结合于该集电板1的不平整表面。本实施例的电极2完整填充于该些凸出部11之间，以使该电极2充分覆盖于该凸出部11及底部12的表面，进而使得该电极2与该集电板1的接触面积相较于现有电极组可大幅提升。该电极2以导电粉体材料制成，导电粉体材料可依据电储存装置以及正极或负极的种类进行选择，例如，若该电极组应用于电双层电容器(EDLC，Electric DoubleLayer Capacitor)，则不论作为正极或负极，该导电粉体材料皆可选择为石墨性碳材；若该电极组应用于锂离子二次电池(Lithium Battery)，则作为正极的导电粉体材料可选择为锂的氧化物，例如锂钴氧化物(LiCoO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4)或锂镍氧化物(LiNiO2)，而作为负极的导电粉体材料可选择为石墨性碳材，例如活性碳或将聚丙烯酸腈(Polyacrylonitrile)、酚树脂等原料纤维于高温碳化所获得的碳材。
如上述该电极2以导电粉体材料制成，且该电极2完整覆盖于该些凸出部11及底部12的表面。借此，该集电板1及电极2便可共同构成本发明的电储存装置的电极组，并可增加该集电板1与该电极2的接触表面积。
B.本发明第一实施例的电储存装置的电极组的制备方法：
请参照图4所示，本发明第一实施例的电储存装置的电极组的制备方法通过一集电板蚀刻步骤S1、一涂布步骤S2及一定型步骤S3所制得。
请参照图5及6所示，首先进行该集电板蚀刻步骤S1于一集电板1的表面进行蚀刻，其中，可选择以干式蚀刻或湿式蚀刻方式进行，以使该集电板1的表面形成前述的不平整表面。本发明第一实施例选择以一蚀刻液对该集电板1进行湿式蚀刻，并以该集电板1的表层晶界作为蚀刻起始点，因此，该蚀刻液将会沿着晶界延伸方向进行蚀刻，而使该凸出部11的表面形成不规则状的不平整表面。其中，该蚀刻液可依该集电板1的材料种类进行选择。举例而言，若该集电板1选择以铝金属制成，则该蚀刻液可选择以盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、过氧化氢(H2O2)、氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)等溶液相互调配而成，例如以2wt％～6wt％的盐酸(HCl)及2wt％～10wt％的硫酸(H2SO4)共同调配而成，于50至70℃之间进行蚀刻20秒至10分钟；若该集电板1选择以铜金属制成，则该蚀刻液可选择以盐酸(HCl)、氯化亚铁(FeCl2)、氯化铜(CuCl2)、硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、过氧化氢(H2O2)或氢氧化铵(NH4OH)等溶液相互调配而成，例如以2wt％～8wt％的盐酸(HCl)、2wt％～5wt％的氯化亚铁(FeCl2)及0.1wt％～2wt％的过氧化氢(H2O2)共同调配而成，于50至70℃之间进行蚀刻60秒至20分钟。如此，便可蚀刻形成该凸出部11及底部12，进而使该集电板1的表面形成前述的不平整表面。
请参照图2及7所示，接着进行该涂布步骤S2于该集电板1的不平整表面上涂布一层由导电粉体材料及分散剂共同混合形成的导电粉体材料混合物3。该导电粉体材料如前述可依据电储存装置以及正极或负极的种类进行选择，于此不再赘述。该分散剂可选择为聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)等氟化物高分子，或者聚乙烯醇(PVA)或聚乙二醇(PEG)等长链或交链结构的高分子等分散剂，用以分散该些导电粉体材料。该分散剂与粉体材料的调配重量比例(分散剂/粉体材料)介于0.1～10之间。于涂布该导电粉体材料混合物3的过程中，该导电粉体材料混合物3较佳完全填充该数个凸出部11之间，并完全覆盖该些凸出部11的表面。
请参照图2及7所示，最后进行该定型步骤S3对该导电粉体材料混合物3进行加热，以蒸除(evaporate)该导电粉体材料混合物3中的分散剂，使该导电粉体材料混合物3于该集电板1的不平整表面固化形成电极2。本实施例于90℃～250℃之间对该导电粉体材料混合物3进行加热15～90分钟。至此，便可完成本发明第一实施例的电极组的制备，并获得如图2所示由该集电板1及电极2所共同形成的电极组。
C.本发明第二实施例的电储存装置的电极组的制备方法：
请参照图8及9所示，本发明第二实施例的电极组相同先进行该集电板蚀刻步骤S1，于该集电板1的表面进行蚀刻，使该集电板1具有一不平整表面。本第二实施例的蚀刻先于该集电板1的表面以曝光显影方式设置一具有图案的保护层4，再进行蚀刻，完成蚀刻后再将该保护层4去除，便可获得该具有不平整表面的集电板1。其中，该保护层4也可选择以随机喷如漆类的涂料形成。
如图9所示，该曝光显影(Lithography)方式先于该集电板1表面涂布一层光阻作为该保护层4；再如图10所示，以一曝光光源通过一光罩5照射该保护层4以完成曝光动作，接着再如图11所示以显影剂对该保护层4显影；再如图12及13所示，蚀刻完成后选择以溶剂将该些剩余的保护层4洗除，至此，便可完成对该集电板1的蚀刻。于蚀刻完成后，较佳减少该集电板1与空气的接触或受日光照射，以避免该集电板1的表面形成氧化物，而影响后续工艺的进行。
请参照图4及14所示，本发明第二实施例接着进行该涂布步骤S2及定型步骤S3，该些步骤与第一实施例相同，于此不再赘述。完成该定型步骤S3后便可获得如图3所示的电储存装置的电极组。
通过上述的集电板蚀刻步骤S1便可于该集电板1形成由该凸出部11及底部12共同构成的不平整表面，以提升该集电板1与该电极2的接触面积。
此外，如上述仅需对该电极2的导电粉体材料进行适当选择，本发明的电极组便可应用于锂离子二次电池或电双层电容器的正负极。
D.本发明的电储存装置：
请参照图15所示，其是本发明的电储存装置，该电储存装置包含一壳体6、二组上述的电极组、一隔板7及一电解液8。该二电极组如上述分别包含该集电板1及电极2，且该集电板1包含该数个凸出部11及底部12，该二电极组设置于该壳体6内，分别用以作为正负极，且较佳以导线A连接延伸至该壳体6外；该隔板7选择以绝缘多孔性高分子材料制成，该隔板7设置于该壳体6内，且介于该二电极组之间，以隔开该二电极组；该电解液8填充于该壳体6内，使得该二电极组皆可完全浸于该电解液8中，该电解液8可选择为硫酸(H2SO4)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、碳酸丙烯酯(PC，propylenecarbonate)、碳酸乙烯酯(Ethylene carbonate)、二甲基碳酸(Dimethylcarbonate)或乙腈(AN，acetonitrile)等溶液，或者将四乙基氟硼酸铵盐(Et4NBF4，tetraethyl ammonium tetrafluoroborate)或四乙基磷四氟硼化物(Et4PBF4，tetraethyl phosphonium tetrafluoroborate)等的四级铵盐类[PH4]+(phosphonium)溶于水中作为该电解液8使用。
请再参照图15所示，由于本发明的电极组的集电板1由该底部12表面延伸形成该数个凸出部11，以共同形成不平整表面，可有效增加该集电板1的表面积，进而增进该集电板1与该电极2的接触面积。因此，即使于该电储存装置(例如锂离子二次电池)进行充放电时产生大量的热能，也可通过该些凸出部11与该电极2的接触面积，而将该些热能快速由该集电板1传导至该电储存装置外，以避免热量积存于该电储存装置内而产生使用上的安全性疑虑。
本发明提供一种电储存装置的电极组及其制备方法，使一集电板形成有不平整表面，以达到增加该集电板表面积的功效。
本发明提供一种电储存装置的电极组及其制备方法，使该集电板形成数个凸出部，以增加该集电板与一电极的接触面积。
本发明提供一种电储存装置，包含前述的电极组，以提升该集电板的导热效果。

Claims (27)

1.一种电储存装置的电极组，其特征在于包含：
一个集电板，包含一个底部及数个凸出部，该数个凸出部由该底部的表面延伸形成，两个相邻的凸出部之间形成一个间距，该底部及凸出部的表面共同形成一个不平整表面；及
一个电极，完整填充于该些凸出部之间，并覆盖于该凸出部及底部。
2.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该凸出部相对于该底部表面的延伸高度h与该间距d的比值h/d为0.05～200。
3.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部为不规则状。
4.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部相对于该底部表面的延伸高度为等高。
5.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部相对于该底部表面的延伸高度为不等高。
6.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部的高度介于10μm～50μm之间。
7.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个间距为相等间距。
8.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个间距为不等间距。
9.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该间距介于2μm～20μm之间。
10.一种电储存装置的电极组的制备方法，其特征在于包含：
一个集电板蚀刻步骤，于一个集电板的表面进行蚀刻，使该集电板的表面形成一个不平整表面；
一个涂布步骤，于该不平整表面涂布一个导电粉体材料混合物；及
一个定型步骤，对该导电粉体材料混合物进行加热，使该导电粉体材料混合物于该不平整表面固化形成一个电极。
11.依权利要求10所述的电储存装置的电极组的制备方法，其特征在于，该集电板蚀刻步骤中，以干式蚀刻或湿式蚀刻的方式于该集电板的表面蚀刻形成不平整表面。
12.依权利要求10所述的电储存装置的电极组的制备方法，其特征在于，该定型步骤中，进行加热的温度为90℃～250℃。
13.依权利要求10所述的电储存装置的电极组的制备方法，其特征在于，该定型步骤中，进行加热的时间为15分钟～90分钟。
14.依权利要求10所述的电储存装置的电极组的制备方法，其特征在于，该涂布步骤中，该导电粉体材料混合物以一个导电粉体材料与一个分散剂共同混合而成。
15.一种电储存装置，其特征在于包含：
一个壳体；
一个电解液，设置于该壳体内；
两个电极组，分别浸置于该电解液中，各该电极组分别包含一个集电板及一个电极，该集电板包含一个底部及数个凸出部，该数个凸出部由该底部的表面延伸形成，两个相邻的凸出部之间形成一个间距，该底部及凸出部的表面共同形成一个不平整表面，该电极填充于该些凸出部之间，并覆盖于该凸出部及底部；及
一个隔板，设置于该壳体内，且介于该两个电极组之间。
16.依权利要求15所述的电储存装置，其特征在于，该凸出部相对于该底部表面的延伸高度h与该间距d的比值h/d为0.05～200。
17.依权利要求15所述的电储存装置，其特征在于，该数个凸出部为不规则状。
18.依权利要求15所述的电储存装置，其特征在于，该数个凸出部相对于该底部表面的延伸高度为等高。
19.依权利要求15所述的电储存装置，其特征在于，该数个凸出部相对于该底部表面的延伸高度为不等高。
20.依权利要求15所述的电储存装置，其特征在于，该数个凸出部的高度介于10μm～50μm之间。
21.依权利要求15所述的电储存装置，其特征在于，该数个间距为相等间距。
22.依权利要求15所述的电储存装置，其特征在于，该数个间距为不等间距。
23.依权利要求15所述的电储存装置，其特征在于，该间距介于2μm～20μm之间。
24.依权利要求15所述的电储存装置，其特征在于，该电解液为硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、二甲基碳酸或乙腈溶液。
25.依权利要求15所述的电储存装置，其特征在于，该电解液为四级铵盐类的水溶液。
26.依权利要求25所述的电储存装置，其特征在于，该电解液为四乙基氟硼酸铵盐或四乙基磷四氟硼化物水溶液。
27.依权利要求15所述的电储存装置，其特征在于，该隔板以绝缘多孔性高分子材料制成。
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