TW202312545A - 液流電池碳表面電極優化方法 - Google Patents

Abstract

一種液流電池碳表面電極優化方法，係先將調配所需官能基團比例的反應溶液噴塗於碳電極上後，經大氣電漿相關參數設定，對此碳電極進行大氣電漿活化處理，可在碳電極表面上共價鍵結依設計需求比例的官能基，達到準確控制碳電極表面鍵結的官能基種類與數量，從而能進一步加強電池的穩定性與效能。

Description

液流電池碳表面電極優化方法

本發明係有關於一種液流電池碳表面電極優化方法，尤指涉及一 種提供能量及條件供碳電極表面與使用者設計所需官能基團比例的反應溶液進行共價鍵結，特別係指製程調配具特殊結構官能基（帶有雙鍵或孤對電子），如含羥基、羧基、胺基、醯胺等或其組合具親水性的化合物或其衍生物，於配製過程中以針對比例進行控制之方法。

電化學液流電池（Electrochemical flow battery），亦稱為氧化還原 液流電池（Redox flow battery），係一種電化學儲能裝置，主要可分為全釩液流電池（Vanadium redox flow battery, VRFB）與鋅溴液流電池（Zinc-bromine redox flow battery, ZBB）兩種。由於全釩液流電池具有充放電性能優異、循環使用壽命長及成本低等特性，且其製造、使用與廢棄過程均不產生有害物質，而成為理想之綠色環保儲能裝置。

近期因液流電池技術蓬勃發展，而碳電極作為前開氧化還原液流 電池中關鍵之部件，自然受到極大之重視。針對碳電極之改質，至今已有諸多改質方法被文獻揭露，就目前現有的幾例改質液流電池用碳電極之方法，進行如下說明：

在習知專利文獻1（TW I552424）中，係將包含改質劑的所有材料 混成後高溫燒結，利用該改質劑所包含的氮，使在該高溫燒結的過程中形成一含氮官能基，而形成一含氮碳電極。然而，此習知技術須經高溫燒結（400°C至1200°C），而非以常壓電漿製程進行共價鍵結。

習知專利文獻2（TW 201918454）中，係進行氧化處理步驟（例如 可應用濕式之化學氧化、電解氧化、乾式氧化等），於電極構材表面導入羥基、羰基、醌基、內酯基、自由基形式之氧化物等氧官能基。然而，此習知技術係以氧化步驟導入數個官能基，並非以氧自由基提供對欲導入的官能基一高度活性環境提供化學共價鍵結結合官能基，而且其整體製程須歷經各種上千度高溫反應1小時以上，耗能耗時，導致規模化改質有困難。

習知專利文獻3（TW I635648）中，係先以低溫常壓電漿活化碳電 極表面後，再置於常溫空氣中或浸入親水性單體中使之反應、改質。然而，此習知技術為羥基（OH）鍵結且未知數量，其只能任由官能基自由生長，並無法控制最後長成的官能基的含量比例。

鑑於目前關於電極部分研究仍有相當大發展的空間。而由於電極 在液流電池中扮演很重要的角色，若是可以用最簡易的方法而大幅改善電池的效率，便可以很顯著地表現效能與價格的比例。因此發展一套使用低溫常壓電漿並改良習用低壓電漿處理成本高昂的量產代價之發明實有必要。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提 供一種可依照使用者的需求去調配出內含所需官能基團比例的反應溶液，將此反應溶液噴塗於碳電極表面上經大氣電漿處理，於碳電極表面上共價鍵結依使用者設計需求比例的官能基，其官能基可為羥基、羧基、胺基、醯胺等，從而能進一步加強電池的穩定性與效能之液流電池碳表面電極優化方法。

為達以上之目的，本發明係一種液流電池碳表面電極優化方法， 其至少包含下列步驟：溶液配置步驟：調配一具親水性的化合物或其衍生物，該化合物或其衍生物具有一雙鍵或孤對電子結構的官能基，於配製過程中針對所需至少一官能基團比例進行控制，取得一反應溶液；以及活化處理步驟：將該反應溶液噴塗於一碳電極上，經大氣電漿相關反應參數設定並進行大氣電漿活化處理後，於該碳電極表面上共價鍵結依設計需求比例的該官能基，以準確控制該碳電極表面的該官能基種類與數量。

於本發明上述實施例中，該溶液配置步驟係包含下列子步驟：樣 品選取子步驟：選擇具親水性的該化合物或其衍生物，該化合物或其衍生物係含有羥基、羧基、胺基、醯胺或其組合之帶有該雙鍵或孤對電子結構的該官能基；重量百分濃度調配子步驟：針對該化合物或其衍生物調配需求重量百分濃度（wt.%），使其範圍介於1～10 wt.%之間；以及體積百分比調配子步驟：依需求進行該化合物或其衍生物中該至少一官能基團的體積百分比例（vol.%）調配。

於本發明上述實施例中，該活化處理步驟係包含下列子步驟：電 極固定子步驟：將該碳電極固定在一大氣電漿機台上；噴塗子步驟：將該反應溶液霧化噴塗於該碳電極表面；參數設定子步驟：依使用者需求設定該大氣電漿機台的相關反應參數；流量控制子步驟：對通入該大氣電漿機台的氣體進行大氣電漿條件控制，設定氣體流量範圍；以及電漿活化子步驟：根據該相關反應參數及該氣體流量範圍之設定產生低溫常壓電漿，以大氣電漿活化該碳電極表面，使該反應溶液中的該官能基能共價鍵結在該碳電極表面上，令該碳電極表面能具有依設計需求比例的羥基、羧基、胺基、醯胺或其組合的該官能基，以準確控制該碳電極表面的該官能基種類與數量，從而完成該碳電極的表面優化處理。

於本發明上述實施例中，該相關反應參數包括行進速度及電漿功 率。

於本發明上述實施例中，該氣體為氮氣或惰性氣體。

請參閱『第１圖～第３圖』所示，係分別為本發明之液流電池碳 表面電極優化流程示意圖、本發明之溶液配置流程示意圖、及本發明之活化處理流程示意圖。如圖所示：本發明係一種液流電池碳表面電極優化方法，其至少包含下列步驟： 溶液配置步驟s1：調配一具親水性的化合物或其衍生物，該化合物或其衍生物具有一雙鍵或孤對電子結構的官能基，於配製過程中針對所需至少一官能基團比例進行控制，取得一反應溶液。 活化處理步驟s2：將該反應溶液噴塗於一碳電極上，經大氣電漿相關反應參數設定並進行大氣電漿活化處理後，於該碳電極表面上共價鍵結依設計需求比例的該官能基，以準確控制該碳電極表面的該官能基種類與數量。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之液流電池碳表面電極優化方法。

於一實施例中，上述溶液配置步驟s1之流程如第２圖所示，其包 含下列子步驟： 樣品選取子步驟s11：選擇具親水性的該化合物或其衍生物，該化合物或其衍生物係含有羥基、羧基、胺基、醯胺或其組合之帶有該雙鍵或孤對電子結構的該官能基。 重量百分濃度調配子步驟s12：針對該化合物或其衍生物調配需求重量百分濃度（wt.%），使其範圍介於1～10 wt.%之間。 體積百分比調配子步驟s13：依需求進行該化合物或其衍生物中該至少一官能基團的體積百分比例（vol.%）調配，取得該反應溶液。

於一實施例中，上述活化處理步驟s2之流程如第３圖所示，其包 含下列子步驟： 電極固定子步驟s21：將該碳電極固定在一大氣電漿機台上。 噴塗子步驟s22：將該反應溶液霧化噴塗於該碳電極表面。 參數設定子步驟s23：依使用者需求設定該大氣電漿機台的相關反應參數，包括行進速度及電漿功率等。 流量控制子步驟s24：對通入該大氣電漿機台的氮氣或惰性氣體進行大氣電漿條件控制，設定氣體流量範圍。 電漿活化子步驟s25：根據該相關反應參數及該氣體流量範圍之設定產生低溫常壓電漿，以大氣電漿活化該碳電極表面，使該反應溶液中的該官能基能共價鍵結在該碳電極表面上，令該碳電極表面能具有依使用者設計需求比例的羥基、羧基、胺基、醯胺或其組合的該官能基，以達到準確控制該碳電極表面的該官能基種類與數量，從而完成該碳電極的表面優化處理。

本發明所提之液流電池碳表面電極優化方法，係可提升液流電池 的充放電效率表現，相對於傳統方法，本方法可依照使用者的需求去調配出內含所需官能基團比例的反應溶液，將此反應溶液噴塗於碳電極表面上經大氣電漿處理，於碳電極表面上共價鍵結依使用者設計需求比例的官能基，其官能基可為羥基、羧基、胺基、醯胺等，從而能進一步加強電池的穩定性與效能。藉此，本發明的技術特點如下： 1. 本製程使用低溫常壓電漿，除改良習用低壓電漿處理成本高昂的量產代價外，相比傳統熱處理、酸處理等技術方法，除效能具有可比性外，操作上更具有快速、操作簡便、安全環保並可降低投入成本等優勢。 2. 本製程提供能量及條件供碳電極表面與使用者設計所需官能基團比例的反應溶液進行共價鍵結，而非只是傳統技術的羥基（OH）鍵結且未知數量。 3. 本製程調配具特殊結構官能基（帶有雙鍵或孤對電子），如含羥基、羧基、胺基、醯胺等或其組合具親水性的化合物或其衍生物，於配製過程中以針對比例進行控制。

綜上所述，本發明係一種液流電池碳表面電極優化方法，可有效 改善習用之種種缺點，先將調配所需官能基團比例的反應溶液噴塗於碳電極上後，經大氣電漿相關參數設定，對此碳電極進行大氣電漿活化處理，可在碳電極表面上共價鍵結依設計需求比例的官能基，達到準確控制碳電極表面鍵結的官能基種類與數量，從而能進一步加強電池的穩定性與效能，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件， 爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定 本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

s1～s2:步驟 s11～s13:步驟 s21～s25:步驟

第１圖，係本發明之液流電池碳表面電極優化流程示意圖。 第２圖，係本發明之溶液配置流程示意圖。 第３圖，係本發明之活化處理流程示意圖。

s1~s2:步驟

Claims (5)

1. 一種液流電池碳表面電極優化方法，其至少包含下列步驟： 溶液配置步驟：調配一具親水性的化合物或其衍生物，該化合物或其衍生物具有一雙鍵或孤對電子結構的官能基，於配製過程中針對所需至少一官能基團比例進行控制，取得一反應溶液；以及 活化處理步驟：將該反應溶液噴塗於一碳電極上，經大氣電漿相關反應參數設定並進行大氣電漿活化處理後，於該碳電極表面上共價鍵結依設計需求比例的該官能基，以準確控制該碳電極表面的該官能基種類與數量。
2. 依申請專利範圍第１項所述之液流電池碳表面電極優化方法，其中，該溶液配置步驟係包含下列子步驟： 樣品選取子步驟：選擇具親水性的該化合物或其衍生物，該化合物或其衍生物係含有羥基、羧基、胺基、醯胺或其組合之帶有該雙鍵或孤對電子結構的該官能基； 重量百分濃度調配子步驟：針對該化合物或其衍生物調配需求重量百分濃度（wt.%），使其範圍介於1～10 wt.%之間；以及 體積百分比調配子步驟：依需求進行該化合物或其衍生物中該至少一官能基團的體積百分比例（vol.%）調配。
3. 依申請專利範圍第１項所述之液流電池碳表面電極優化方法，其中，該活化處理步驟係包含下列子步驟： 電極固定子步驟：將該碳電極固定在一大氣電漿機台上； 噴塗子步驟：將該反應溶液霧化噴塗於該碳電極表面； 參數設定子步驟：依使用者需求設定該大氣電漿機台的相關反應參數； 流量控制子步驟：對通入該大氣電漿機台的氣體進行大氣電漿條件控制， 設定氣體流量範圍；以及 電漿活化子步驟：根據該相關反應參數及該氣體流量範圍之設定產生低溫常壓電漿，以大氣電漿活化該碳電極表面，使該反應溶液中的該官能基能共價鍵結在該碳電極表面上，令該碳電極表面能具有依設計需求比例的羥基、羧基、胺基、醯胺或其組合的該官能基，以準確控制該碳電極表面的該官能基種類與數量，從而完成該碳電極的表面優化處理。
4. 依申請專利範圍第３項所述之液流電池碳表面電極優化方法，其中，該相關反應參數包括行進速度及電漿功率。
5. 依申請專利範圍第３項所述之液流電池碳表面電極優化方法，其中，該氣體為氮氣或惰性氣體。

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