TW522580B - Secondary battery of proton conductive polymer - Google Patents
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Description
522580
發明領域 本發明係有關於一種質子導電型高分子二次電池, 別是有關於一種改善電容特性與循環特性之二次電池。 習知技術說明 質子導電型高分子二次電池由一結構所組成,其中 正電極收集器(collector)上形成一正電極,並在負電極 收集器上形成一負電極,且經由隔離膜(^邱1^1:〇『)而 積這些電極,並在其中填充水性或非水性溶液以當作 源。 貝于 形成電極的方法包括利用將黏結劑(adhesiv 至收集器上的高分子原料粉末與如導電橡膠雷二口 劑中以製備漿料⑷urry),其中高分子 :::輔助 或未摻雜。將這些漿料注入至所需之模中,^禾可為摻雜 需電極密度之電極及利用熱壓形成一薄膜厚^形成具有所 利用配置正電極與負電極而建構電池,=。 由一隔離膜而互相面對的電極。 U此可形成經 一硫酸水性溶液特別用於電解液,其 驟中的解離對系統供應質子: 八 机酸利用兩步 H2SOa ^H+ + NS〇i:...............⑴ HSOA — + ...............(2) 第二步驟(反應式(2))之解離常數(Μ 來講較小,且第一步驟(反應式(丨))中 2 1. 9,相對 腑A 〇 要之陰離子為
jzzjou 五、發明說明(2) 第4圖為g| 比較例2與3) 在電解液中40 wt%與20 wt%硫酸(後述之 酸的濃度可^間電極電壓與電容之圖示’本圖顯示增加硫 環特性則如第善初始電容;然而’在4 〇 w t %硫酸的例中循 在質^導5圖中所示明顯地降低。 (dopant)摻雜電^高分子二次電池中,好科當作摻質 極材料的導電到高分子中,並利用增加硫酸濃度來增加電 簡單地增加電以使二次電池具有高電容;然而,因為 以將質子導電夜的硫酸濃度會降低上述的循環特性,所 在此硫醆,高分子電池的硫酸濃度設定為20 %。 並不足夠,因展度(推質濃度)摻雜至電極中的初始摻雜率 電所產生之電f電容並不足以令人滿意,因為由充電/放 特性幾乎不=學摻雜改變了電解質的濃度;此外,循環 多句且低溫特性亦不足夠。 發明概要 本發明之目&么 環特性之質子^ f k供一種具有優良電容特性及優良循 、 導電高分子二次電池。 濃度以題之研究’本發明人發現當增加硫酸 高質子濃度劣化:此過氧化係與系統中的 時限制系統之質‘濃::為::摻質陰離子濃度並同 與系統中存在的险離;^ · 貝子源但可供應 的材料,此種(ani〇n species)相等之陰離子 此法將可只增加摻質(陰離子種)濃度而不改變質
522580 五、發明說明(3) 子濃度、提高電容特性及改善循環特性。 本發明係與質子導電型高分子二次電池有關,其中在 電解液中配置經由一分隔器而互相面對之正電極與負電 極,且只有在D引D朵三聚物及一 7Γ型共輛高分子或含經基高 分子之質子當作正電極與負電極之電極的活性材料參與充 電/放電,質子濃度為5至40 %,且溶液中的陰離子濃度為 3 0至6 0 %,其中陰離子濃度必須至少高於質子濃度。 特別當電解液為水性硫酸溶液時,最好添加硫酸氫 鹽。 根據本發明,在質子導電型高分子電池中,利用只增 加摻雜陰離子的濃度而不需增加系統中之質子濃度,可足 夠地增加電極活性材料的活性,且可限制電極的體積變化 與結構的劣化,並利用具有與電解液化學特種相同的添加 劑之掺雜特種,而提供具有較傳統電池壽命還長之電池; 此外,由於不需藉由添加劑增加硫酸濃度即可增加系統中 之化學特種濃度,因此可利用莫耳凝固點下降效應而改善 低溫特性。 圖式簡單說明 第1圖係本發明電池運作形式之概略截面圖。 第2圖係表示電容變化率對電極電壓之圖。 第3圖係表示在循環測試中電容變化率之變化圖。 第4圖係表示當改變硫酸濃度時,電容變化率對電極 電壓之圖。
2138-4414-PF;Peterliou.ptd 第8頁 522580 五、發明說明(4) 第5圖係表示當改變硫酸濃度時’循環测試中電容變 化率之變化圖。 符號說明 1〜正極收集器、 2〜正電極、 3〜隔離膜、 4〜負電極、 5〜負極收集器 較佳實施例的詳細說明 使用硫酸水溶液當成電解液之錯蓄電池與本發明之二 次電池相似,舉例來說,曰本專利申請第1 62 1 4 7/9 6號揭 露將硫酸氫鹽加入至電解液中以當成添加劑,此處敘述與 本發明相似,添加硫酸氫鹽可增加電容並延長壽命。 在一鉛蓄電池中,根據下述之反應式(3)發生一充電/ 放電反應,且亦發生側反應(side reaction)之水的電解 (反應式(4)及(5 )),並造成水含量的減少。若電池維持在 過放電(over-discharge)之狀態,則可利用自放電 (self-discharge)減少硫酸濃度,自放電將降低溶液之密 度並增加PbS04之溶解性,而溶解大量的Pb2+,並與0H—及 〇2-結合而產生PbOx晶體。此外,由於利用氧化反應而增加 了電解液之pH值並降低了電位能,因此可利用還原反應而 使正電極柵(gr i d)附近結晶非還原之pbS04。
PbO^ + 2H2SOa 2//2〇+ 2PbSO, I (3) 充苗 .…
2138-4414-PF;Peterliou.ptd 第9頁
負電極: 2^〇% 正電極: ⑷ 叫。^私+2//3〇++20·........................... 因此,為了避 作添加劑;此外I免結晶化’在鉛蓄電池中添加硫酸鹽當 之硫酸鹽還古i 此專利申請案建議硫酸氫鹽比傳統使用 3^百夕文。
電/放電,且在在本發明之質子導電型高分子只有質子參與充 化與水之Φ的本電池中之反應機制與鉛蓄電池利用結晶 心电解大不相同。 在本發明中, 性,因此, 利用摻雜可使導電型高分子具有導電 液之#声I t雜反應對導電型高分子活性之效用將視電解 過氧2定。、如上所述,若濃度太高,則電極結構會因 φ 怨而劣化;另一方面,若濃度太低,則無法增加 电池電容,充電/放電將變得更差。 因此’在本發明中,為實現導電型高分子的活化, 包含水性硫酸溶液的電解液中添加可提供摻質但非質· 的化學物質,而不增加在反電極(C〇Unter electrQde)>
電型高分子的摻雜反應中之質子濃度。在此法中,反電_ $性材料的化學及電化學活化效應可在摻雜反應中插入 夠量的摻質來實現,根據此法,可限制由於高質子濃产 成之電極結構的劣化,ϋ可利用摻雜效率羔.二 極活性,而具有高電池電容。 。术七升
522580 五、發明說明(6) 為限制電極結構的劣化,質 更好是在5至20 % ’·另一方面,將换辰度最好在5至40 %, 高 圍 鹽 比質子濃度還高的水準以得到足將二雜陰離子濃度維持在 而,太高的濃度是不實用的性是很重要的;然 ,且在低溫時會發生結晶化,==度會變的很 ,更好在30呈50 %的範圍中。因此攻好在30至60 %的範 此外,在本發明中,選楼卷从 ,其可提供在硫酸水性溶液;匕學物質的硫酸氫 不相同之化學物種的硫酸氫鹽離子(呵),硫酸 ^可表*為X-呵(其中XW+R4(R=氫或燒基群)、鉀及 Γ攄太且Λν在水中具有優良溶解度之硫酸氫鹽離子, =Γ者之研究,由於陽離子特種的差異所造成之效 利用 料之體積 池哥命還 此外 %/ 2 5 °C 即使在質 添加亦可 電池還大 電解 20 wt%, 至4 5份, 相同化學特種之摻雜陰離子可限制反電極活性材 改變與結構的劣化,在此法中亦可改善比現存電 長的電池壽命。 ,由於硫酸氫鹽在水中具有很大的溶解度(約5〇 水),且由於其南酸性而具有高陽離子遷移數, 子導電型高分子電池的使用條件溫度下,少量的 幫助降低在低溫時電池的内阻抗,並增加比傳統 的放電電容。 液中的硫酸濃度最好是5至40 wt%,更好是在5至 且添加至1 0 0份硫酸中的硫酸氫鹽重量比最好是5 更好是5至3 0份’若硫酸的濃度較低,則最好添
522580 五、發明說明(7) 加較大量的硫酸氫鹽。 本發明二次電池之結構可參考圖式解, :=;!广質子導電型高分子二次電池的概念圖,在一 正極收集态1上提供正電極2,並在一 & + m 牡 貞極收集Is 5上搓供 負:’這些電極經由一隔離膜3互相面對地堆積構 也。在此例中,隔離膜3利用塾圈(gasket)6支撐而J 2極與負電極完全地隔離;然❿’可提供只有隔離一小 面積之電極的隔離膜,使得電解液並沒有被隔離。 聚異噻萘 聚嘧啶 各個電極包含高分子電極活性材料及如碳黑之導電辅 助劑,^分布在黏結劑基底中或由熱壓而成型。用於活性 材料之兩分子為如聚苯胺、聚噻吩(p〇lythi〇phene)、聚 吼洛(polypyrrole)、聚乙炔、P —聚二苯、聚二苯次乙 烯、聚[1,8]萘(polyperinaphthalene)、聚呋喃 (polyfuran)、聚喃(p〇lyfurane)、聚噻嗯烯 (polythienylene)、聚吡啶二基(聚吡啶 diyi) (polyisothianaphthene)、聚嗤喔啉 (polyquinoxaline)、聚吡啶(polypyridine) (polypyrimidine)、吲哚三聚物、聚胺基蒽醌 (polyaminoanthraquinone)及這些高分子的衍生物之7Γ型 共輛高分子,及包含如聚蒽醒(polyanthraquinone)及聚 對苯酉昆(polybenzoquinone)的羥基高分子(在酿中利用氧 的共軛而形成之羥基)。當利用摻雜這些高分子而形成氧 化還原反應對時,即可出現導電性。為對正極與負極施加 這些高分子,可選擇基於氧化還原反應勢能差所選的高分
2138-4414-PF;Peterliou.ptd 第12頁 522580 五、發明說明(8) 胺基蒽 子之結合。正電極之活性材料最好自包含聚苯胺 (polysni 1 ine)、聚一本胺(polydianiline)、聚 醌(polydiaminoanthraquinone)、聚二苯基苯胺 (polybiphenylaniline)、聚萘基苯胺 (polynaphthylaniline)、吲哚三聚物及其衍生物的群組 中所選出;負電極之活性材料最好自包含聚吡啶、聚嘧 啶、聚喹喔啦及其衍生物的群組中所選出,特別是最好為 下述之吲哚三聚物的結合或其衍生物當成正電極之活性材 料,及下述之聚喹喔啉當成負電極之活性材料。
R R
R==H, CN, Nq, F, -COOH
2138-4414>PF;Peterliou.ptd 第13頁 522580 五、發明說明(9) 到目前為止,已解釋只經由一 二次電池;“,本發明並不偈限;構之高分子 用於具有固態電解液、膠態固體電 =構,亦可應 結構中。 及㉞熔鹽電解液之 此外,本發明並不侷限於上述包含硫酸 然其並非用以
參照下列實施例來具體地說明本發明 限定本發明。 、,添加8 wt% 的聚氟亞乙烯(P〇lyf luoroviny i idene) (平句刀子里11 〇 〇 )樹脂以當作黏結劑,並與當作正電極 ,活化材料的三聚物(5—氰基吲哚(517扣〇111(1〇16))及在 氣相中成長以當作導電輔助劑之碳的混合物以重量比3 : 1 混合’並由均質機(h〇mogen丨zer )完全地攪動混合物,將 混合物注入至所需尺寸的模具中,並利用熱壓以形成具有 所需密度與厚度之正電極。
將聚苯基喹喔啉(polyphenylquinoxaline)的混合物 當成負電極及KB 60 0的活性材料,與在氣相中成長,當作 導電輔助劑之碳,以重量比3 : 1混合,並由均質機完全地 攪動混合物,將混合物注入至所需尺寸的模具中,並利用 熱壓以形成具有所需密度與厚度之負電極。 如上述製成的正電極與負電極經由一當作隔離膜且厚 度為20至50 之多孔薄膜聚烯(polyolefin)互相地面對
2138-4414-PF;Peterliou.ptd 第14頁 522580 五、發明說明(ίο) -- 並堆積,以形成二次電池。 如下表1中所示,為使用各種電解液所量得之初始電 容與在1 0 0 0 0循環後之電容,所量得之數據亦如表中所 示,循環條件如下所示: 充電:1 A,1 · 2 V,CCCV充電1 0分鐘。 放電:在0.2 A CC放電,結束電壓= 0.8 V。 表1 電解液成份 1容特忤 硫酸溴度 添加劑 添加劑濃度 起始 循環測試後 施例1 20 wt% nh4+ - hso4- 20 wt% 130 % 90 % 黄施例2 20 wt% k+ - hso4· 10 wt% 130 % 89 % 比較例1 20 wt% P-TSA3) 20 wt% 110 % 81 % 比較例2 40 wt% - 115 % 61 % 比較例3 20 wt% 组 - 100 % 82 % 註:1)相對於硫酸體ί 頃之重呈百分濃度· 2) 以比較例3之起始電容當作1〇〇 %之相對値· 3) 對甲苯磺酸· 第2圖顯示電容變化對電極電壓之關係,而第3圖顯示 在1 0 0 0 0循環後電容變化的圖式。 V由這些結果可了解,添加硫酸氫鹽添加劑的實施例1 與實施例2,具有高電容及優秀的循環特性);另一方面, 在如可提供質子,且在同時會因高質子濃度而有高陰離子 濃度之對曱苯磺酸(Paratoluene sulfonic acid)的添加 劑中,電容與循環特性均比無添加劑的例子還差。
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Claims (1)
- 1 -義· 了, 一色^_ 貝卞導電型高分子二次電池,其中一正電極盥 負電極係經由 ^ 中, 一隔離膜而互相面對被配置在一電解液 以在D引哚三聚物中之一質子及一 7Γ型共軛高分 于,或含鞀其古、 φ ^ . 巧分子之一質子作為參與充電/放電之一正 电極與一倉雷士 為5至40 /,而中之電極活性材料,該溶液中之質子濃度 ^ . ° 肉陰離子濃度為30至60 %,且該陰離子濃度 至少2比該質:濃度還高。 姑v i如申請專利範圍第1項所述之二次電池’其中該電 解液為硫酸水、、资、+ ^ &哈液,且在該水溶液中添加硫酸氫鹽。 3·如申請專利範圍第2項所述之二次電池,其中該硫 S文風鹽為硫酸氫卸鹽。 # 4·如申請專利範圍第2項所述之二次電池,其中該硫 酉夂氮鹽為硫酸氫季胺(quaternary amm〇niuin hydrogen sulfate) 〇 5·如申請專利範圍第2至第4項其中之一所述之二次電 池’其中该電解液中之硫酸濃度為5至4 〇 %。 、6·如申請專利範圍第1至第4項其中之一所述之二次電 池,f中該硫酸氫鹽係添加至該電解液之中,且該硫酸氩 鹽的濃度為該硫酸比該硫酸氫鹽之重量比為1 00份的硫酸 比5至4 5份的硫酸氫鹽。 产7·如申請專利範圍第5項所述之二次電池,其中該硫 酸氫鹽係添加至該電解液之中,且該硫酸氫鹽的濃度為該 硫酸比該硫酸氫鹽之重量比為100份的硫酸比5至45份的硫 酸氫鹽。2138-4414-PF;Peterliou.ptd 第16頁 5225808·如申請專利範圍第丨至第4 池,其中該正電極之活性材 、二中之所述之二次電 聚二胺基恩醌、聚二苯某笑险 — 取一本胺、 艿A軒味物的敌,+ 本私、聚奈基苯胺、吲哚二蝥舲 及其:生物的群組中所選出,而該負電極之活性物 出。 如哩屋啉及其衍生物的群組中所選 9. 如申請專利範圍第5項所述之二次電池, 電極之活性材料自包含聚苯胺、 八正 Μ ^ - ILKlLm. „ 聚一本胺、聚二胺基蒽 ^ : 聚奈基笨胺、吲哚三聚物及其衍生私的群組中所選出’而該負電極之活性材料自包含聚= 聚喃咬、聚喹喔啉及其衍生物的群組中所選出。 10. 如申請專利範圍第6項所述之二次電池,其中該立 電極之活性材料自包含聚笨胺、聚二笨胺、聚二胺基蒽 醌、聚二苯基苯胺、聚萘基笨胺、吲哚三聚物及其衍生物 的群組中所選出’而該負電極之活性材料自包含聚D比咬、 聚嘴淀、聚喹喔啉及其衍生物的群組中所選出。 11 ·如申請專利範圍第7項所述之二次電池,其中該正 電極之活性材料自包含聚苯胺、聚二笨胺、聚二胺基蒽 醌、聚二苯基苯胺、聚萘基笨胺、吲D朵三聚物及其衍生物 的群組中所選出,而該負電極之活性材料自包含聚吡啶、 聚嘧啶、聚喹喔啉及其衍生物的群組中所選出。2138-4414-PF;Peterliou.ptd 第17頁
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