TWI437750B - 平板電池之製造方法 - Google Patents

Description

平板電池之製造方法

本申請請求於2008年12月24日遞交的美國專利申請第12/344,211號以及於2008年5月16日遞交的臺灣專利申請第97118207號的在先權益。以上兩件專利文獻的全部內容在此作為參考引用引入本申請。

本發明涉及一種平板電池及其製造方法，特別涉及一種使用葉綠素來產生電能之平板電池及其製造方法。

近年來，陸續出現了行動電話、手提式攝影機、筆記型電腦、數位相機、PDA、CD player等輕便型電子機器，並謀求其小型及輕量化，而伴隨此，作為可攜帶之輕便電源-電池也同樣受到關注。電池種類包括乾電池、鎳氫電池、鋰電池與燃料電池等。下面將簡單介紹一下常見電池。

日常使用的乾電池是大多是鋅錳電池，也叫碳鋅電池。碳鋅電池的外殼一般由鋅構成，其既可以作為電池的容器，又可以作為電池的負極。碳鋅電池是從液體Leclanché電池發展而來。傳統或一般型碳鋅電池以氯化銨為電解質；超級或高能碳鋅電池則通常是使用氯化鋅為電解質的碳鋅電池，是一般廉價電池的改良版。碳鋅電池的正極主要是由粉末狀的二氧化錳和碳構成。電解液是把氯化鋅和氯化銨溶於水中所形成的糊狀溶液。碳鋅電池是最便 宜的原電池，因此成為很多廠商的首選，因為這些廠商所銷售的設備中常常需要配送電池。鋅碳電池可以用於遙控器、閃光燈、玩具或電晶體收音機等功率不大的設備。

然而，當碳鋅電池使用一段時間以後，由於金屬鋅被氧化成為鋅離子，鋅外殼會逐漸變薄。因此，氯化鋅溶液常常可以從電池中洩漏出來。洩漏出來的氯化鋅往往會使電池表面變粘。一些老的電池沒有洩漏保護。鋅碳電池的使用壽命比較短，保存期一般為一年半。另外，就算電池沒有使用，電池內的氯化銨有弱酸性，可以與鋅反應，鋅外殼也會慢慢的變薄。

現在3C產業常提到的鋰電池其實是鋰鈷電池，廣義的可充放鋰電池是指由一個石墨負極、一個採用鈷、錳或磷酸鐵的正極、以及一種用於運送鋰離子的電解液所構成。而一次鋰離子電池則可以鋰金屬或者嵌鋰材料作為負極。鋰電池產業發展20多年來一直集中在3C產業為主，鮮少應用在市場經濟規模更大的儲能和動力電池(瞬間需要較大電流)市場，這市場涵蓋純電動車、油電混合車、中大型UPS、太陽能、大型儲能電池、電動手工具、電動摩托車、電動自行車、航太設備與飛機用電池等領域。其主要原因是過去鋰電池採用的鋰鈷正極材料(LiCoO₂，就是現在最常見的鋰電池)，無法應用在需要大電流、高電壓、高扭力以及要耐受穿刺、衝撞和高溫、低溫等條件等特殊環境，更重要的是，因無法滿足人們對安全的絕對要求而飽受詬病。

同時，鋰鈷電池也無法達到快速充電與完全避免二次污染等目的，而且，一定要設計保護電路以防止過度充電或過度放電，否則就會造成爆炸等危險，甚至出現如Sony電池爆炸導致全球品牌NB 業者投下鉅資回收的情況。

另外，鈷的價格愈來愈高昂，全球鈷元素最大生產國剛果，戰亂紛擾多，導致鈷元素價格不斷升高。鋰鈷電池的粉體因鈷元素價格不斷上漲，現在已從原先的每公斤40美元漲價到60~70美元。磷酸鋰鐵粉體依品質好壞，每公斤售價在30~60美元。

鎳氫電池的設計源於鎳鎘電池。1982年美國OVONIC公司請求儲氫合金用於電極製造之專利，使得此一材料受到重視，繼之為1985年荷蘭飛利浦公司突破了儲氫合金在充放電過程中容量衰減的問題終使鎳氫電池脫穎而出。目前在日本有8家以上鎳氫電池製造廠，德國，美國，香港，台灣亦有鎳氫電池生產，市場反應良好。而且鎳氫電池所造成之污染，會比含有鎘之鎳鎘電池小很多，因此，目前鎳鎘電池已逐漸被鎳氫電池取代。

燃料電池(Fuel cell)是一種使用燃料進行化學反應產生電力的裝置，最早於1839年由英國的Grove所發明。最常見是以氫氧為燃料的質子交換膜燃料電池，由於燃料價格平宜，加上對人體無化學危險、對環境無害，發電後產生純水和熱，1960年代應用在美國軍方，後於1965年應用於美國雙子星座計劃雙子星座5號飛船。現在也有一些筆記型電腦開始研究使用燃料電池。但由於產生的電量太小，且無法瞬間提供大量電能，只能用於平穩供電上。燃料電池是一個電池本體與燃料箱組合而成的動力機制。燃料的選擇性非常高，包括純氫氣、甲醇、乙醇、天然氣，甚至於現在運用最廣泛的汽油，都可以做為燃料電池的燃料。

不論是新型強調環保的碳鋅電池、鹼性電池及二次電池，在製程上還是會使用少量的汞或其他重金屬如鋅、錳與鋰等，而且在原 料及制程上使用具污染性的物質，對環境以及人體都具有較大危害。

目前應用廣泛的鋰電池屬不穩定的電化學裝置，若製作過程、封裝不當、運作於低負載，可能會引起爆炸。因此需要多重複雜的保護機制，比如包括保護電路、排氣孔、隔離膜等，其中保護電路用於防止過充、過放、超載、過熱；排氣孔用於避免電池內部壓強過大；隔離膜具有較高的抗穿刺強度，以防止內部短路，且在電池內部溫度過高時還能融化，阻止鋰離子通過，阻滯電池反應，升高內阻(至2kΩ)。

鋰電池的主要原料鋰礦越來越少，使其價格快速上漲。

鋰電池在溫度稍高之室外或環境之下效能與壽命皆開始快速降減。

鎳鎘電池或鎳氫電池因具有記憶效應，很容易因充放電不良，而造成可用容量降低。

本發明的目的是提供一種平板電池。

為解決上述問題，本發明實施例提供了一種平板電池之製造方法，其包括步驟S1：製備葉綠素塗層；步驟S2：製備吸附有無機鹽類水溶液的第一隔離膜與第二隔離膜；步驟S3：提供負極結構層；步驟S4：於所述負極結構層上平鋪吸附有無機鹽類水溶液的所述第一隔離膜；步驟S5：平鋪上所述葉綠素塗層；步驟S6：平鋪上吸附有無機鹽類水溶液的所述第二隔離膜；步驟S7：平鋪上正極結構層；以及步驟S8：將上述結構夾設於上平板與下平板之間 。

根據本發明的一優選實施例，於步驟S4與步驟S5之間進一步包括：步驟S4a：平面加壓步驟S4所形成的所述第一隔離膜與負極結構層。

根據本發明的一優選實施例，步驟S4a係以60~70公斤的重量平面加壓所述第一隔離膜與負極結構層。

根據本發明的一優選實施例，步驟S3包括：步驟S31：提供導電材料層；以及步驟S32：於所述導電材料層上噴灑平鋪金屬屑以於所述導電材料層上形成金屬屑層。

根據本發明的一優選實施例，所述導電材料層由導電材料而製成。

根據本發明的一優選實施例，所述第一隔離膜以及第二隔離膜分別採用高纖維材質製成。

根據本發明的一優選實施例，所述葉綠素塗層包括葉綠素。

根據本發明的一優選實施例，步驟S7包括：步驟S71：平鋪活性化的導電高分子層；以及步驟S72：平鋪導電高分子層

根據本發明的一優選實施例，所述活性化的導電高分子層進一步包括葉綠素粉末。

根據本發明的一優選實施例，所述上平板以及所述下平板為壓克力板、複合材料板、完全金屬板、導電玻璃板、氧化金屬板或合金板。

本發明實施例所揭示的平板電池之製造方法所製備的平板電池可利用葉綠素塗層中的葉綠素或/及正極結構層中的葉綠素即可進行儲氫從而達到供電的目的。此外由於本發明實施例的平板電池之製造方法所製備的平板電池採用天然的環保物質代替傳統電池中的污染成分，用完即使丟棄也不會對環境造成污染，環保程度遠勝於傳統電池。

100‧‧‧平板電池

110‧‧‧負極結構層

111‧‧‧導電材料層

112‧‧‧金屬屑層

120‧‧‧第一隔離膜

130‧‧‧葉綠素塗層

140‧‧‧第二隔離膜

150‧‧‧正極結構層

151‧‧‧活性化的導電高分子層

152‧‧‧導電高分子層

160‧‧‧上平板

170‧‧‧下平板

S1、S2、S3、S4、S4a、S5、S6、S7、S8、S31、S32、S71、S72‧‧‧步驟

包括附圖以提供對於本發明的進一步理解，且附圖併入本說明書中並且構成本說明書的一部份。附圖說明本發明之示範性實施例。在諸圖中：

圖1是本發明一實施例所揭示的平板電池的結構示意圖。

圖2是本發明一實施例所揭示之平板電池的製作方法的流程圖。

圖3是圖2所示步驟S3的流程圖。

圖4是圖2所示步驟S7的具體流程圖。

下面結合附圖和實施例對本發明實施例進行詳細說明。

圖1繪示為本發明一實施例所揭示的平板電池的結構示意圖。如圖1所示，本發明實施例提供了一種平板電池100，其包括負極結構層110、第一隔離膜120、葉綠素塗層130、第二隔離膜140、正極結構層150、上平板160以及下平板170。其中第一隔離膜120平 鋪於負極結構層110上，葉綠素塗層130平鋪於第一隔離膜120上，第二隔離膜140平鋪於葉綠素塗層130上，而正極結構層150平鋪於第二隔離膜140上。也就是說，負極結構層110、第一隔離膜120、葉綠素塗層130、第二隔離膜140以及正極結構層150依次疊加在一起，並夾設於上平板160以及下平板170之間從而構成了平板電池100。

其中，負極結構層110包括導電材料層111以及金屬屑層112。其中，導電材料層111由導電材料而製成。導電材料可以是金屬、金屬化合物或導電高分子材料。金屬可以選自鋁和/或金。金屬化合物可以選自一氧化錳、氧化鋅和氧化鎂中的一種或多種。導電高分子材料選自雜環或芳香族雜環化合物。根據本發明的一優選實施例，導電高分子材料選自以下化合物中的一種或多種：聚乙炔、聚芳香烴乙烯、聚噻吩、聚苯胺、聚咇咯、聚吡咯和上述化合物的衍生物。此外，導電材料層111可經過打磨處理而產生一粗糙面(未標示)。優選地，在本實施例中，導電材料層111可選取鋁片而製成。

金屬屑層112包括金屬屑，其可以通過噴灑平鋪於導電材料層111上，從而可單獨形成一材料層。金屬屑具有增強電極導電能力的作用。金屬屑可以選自以下一個或多個元素族的元素：II族、III族和VII族。其中，II族之元素可以選自以下元素的一種或多種：鎂、鈣和鋅。III族之元素可以選自硼和/或鋁。VII族之元素可以選自錳和/或鐵。金屬屑重量為負極結構層重量的25%或更少。金屬屑的重量可以為0.5g~12g。優選地，在本實施例中，金屬屑層112中的金屬屑的重量可設定為4g。

此外，本領域技術人員可以理解的是，負極結構層亦可只包括導電材料層111，其並沒有利用金屬屑所構成的金屬屑層112來增強負極結構層110的導電能力。

第一隔離膜120以及第二隔離膜140分別包括採用高纖維材質而製成，其中高纖維材質可以為紙類，紙類包括玻璃紙、棉紙、宣紙及絹紙等，且高纖維材質孔隙大小優選為0.01μm~1cm。且第一隔離膜120以及第二隔離膜140中分別吸附有無機鹽類水溶液，其中無機鹽類水溶液的導電度為10ms/cm-500ms/cm。無機鹽類為非含鋰的無機鹽類。無機鹽類選自以下離子化合物中的一種或多種：碘化鈉、氯化鈉和氫氧化鈉。

葉綠素塗層130主要由葉綠素而製成，其中葉綠素可以為葉綠素a、葉綠素b、葉綠素c1和葉綠素c2中的一種或多種。葉綠素可以為粉末狀或液狀。優選地，本實施例所採用的葉綠素已去除葉綠素氧化酶。

此外，葉綠素塗層130亦可以由葉綠素與高聚體溶液調製而成，例如，將葉綠素粉末與高聚體溶液依照一定比例進行調和攪拌，然後塗佈成層狀，再進行烘烤從而獲得葉綠素塗層130。

高聚體溶液的導電度為50-250ms/cm。高聚體溶液可以包括硼、鎂、鋁、鈣、錳及鋅元素之一種或數種。高聚體溶液還用於葉綠素塗層130的功函數，俾使正負電極結構層間之電位差能達致所欲之伏特數，如1.5V。

高聚體溶液可以由金屬離子與各類酸根離子的化合物、高聚體及溶劑按比例調配而成。高聚體可以為葡萄糖的高聚體。葡萄糖的 高聚體可以為植物澱粉，例如為馬鈴薯澱粉、菱角澱粉、玉米澱粉、地瓜粉、蓮藕澱粉、芥末粉和葛根粉中的一種或多種。金屬離子與各類酸根離子的化合物可以為碳酸鈣。金屬離子與各類酸根離子的化合物可以為天然植物化學成分。天然植物化學成分包括木脂素類、低聚糖、多糖、黃酮類、環烯醚萜類、脂肪酸、東莨菪內酯、兒茶素、β穀固醇、虎刺素和生物鹼類。溶劑可以為帶極性且PH值大於3之溶劑，例如水、海水、茶、咖啡、果汁或酒等等。高聚體溶液的PH值優選為5.5-8。高聚體溶液還可以包括維生素，例如維生素D。

正極結構層150包括活性化的導電高分子層151以及導電高分子層152。其中活性化的導電高分子層151包括碳布、碳末或者奈米導電高分子粉末。碳布或者碳末包括白碳或稱蠟石(Chaoite)、碳黑、碳煙(Carbon black)、玻璃碳或者玻碳(Glassy carbon)、奈米碳管(Carbon nanotube)、活性碳(Activated carbon)、鑽石、金剛石(Diamond)、非晶質碳(Amorphous carbon)、石墨烯(Graphene)、富勒烯(Fulerene)、石墨(Graphite)、碳炔(Carbyne)、雙原子碳(Diatomic carbon)、C3(Tricarbon)、原子碳(Atomic carbon)、石墨化性碳素、熱分解碳類，焦炭類及其他碳的同素異形體。

此外，活性化的導電高分子層151亦可進一步包括葉綠素粉末，從而增強平板電池100的供電能力。

上平板160以及下平板170可選擇自壓克力板、複合材料板、完全金屬板(如鐵，錫，銅等)、導電玻璃板、氧化金屬板或合金板。

在本發明中，平板電池100工作時，葉綠素塗層130中的葉綠素或 /及正極結構層中的葉綠素會因接收光線或遇到溶液而產生電子或空穴，從而在平板電池100的正極結構層150與負極結構層110之間形成電位差以提供持續的電流。也就是說，本發明的平板電池100以葉綠素塗層130中的葉綠素以及正極結構層中的葉綠素來作為能量來源來提供電能。

圖2繪示為本發明一實施例所揭示之平板電池的製作方法的流程圖。如圖2所示，上述平板電池的製作方法包括以下步驟：步驟S1：製備葉綠素塗層；步驟S2：製備吸附有無機鹽類水溶液的第一隔離膜與第二隔離膜；步驟S3：提供負極結構層；步驟S4：於負極結構層上平鋪吸附有無機鹽類水溶液的第一隔離膜；步驟S5：平鋪上葉綠素塗層；步驟S6：平鋪上吸附有無機鹽類水溶液的第二隔離膜；步驟S7：平鋪上正極結構層；步驟S8：將上述結構夾設於上平板與下平板之間。

此外，如圖2所示，上述平面電池之製造方法於步驟S4與步驟S5之間進一步包括步驟S4a：以60~70公斤的重量平面加壓第一隔離膜與負極結構層。

請參閱圖3，其繪示為圖2所示步驟S3的流程圖。如圖3所示，步 驟S3進一步包括步驟S31：提供導電材料層，並對導電材料層進行打磨處理以獲得一粗糙面；以及步驟S32：於導電材料層的粗糙面上噴灑平鋪金屬屑以得到金屬屑層。

請參閱圖4，其繪示為圖2所示步驟S7的流程圖。如圖3所示，步驟S7進一步包括步驟S71：平鋪活性化的導電高分子層；以及步驟S72：平鋪導電高分子層。

本發明所揭示的平板電池之製造方法所製備的平板電池可利用葉綠素塗層中的葉綠素或/及正極結構層中的葉綠素即可進行儲氫從而達到供電的目的。此外由於本發明的平板電池之製造方法所製備的平板電池採用天然的環保物質代替傳統電池中的污染成分，用完即使丟棄也不會對環境造成污染，環保程度遠勝於傳統電池。

需要指出的是，在本發明實施例中提到的“第一”、“第二”等用語僅是根據需要採用的文字符號，在實務中並不限於此，並且所述文字符號可以互換使用。

上文所揭露之主題可被認為是說明性的而不是限制性的，且預期所附申請專利範圍涵蓋屬於本發明之真實精神和範疇內之所有修改、改進和其他實施例。因此，在法律允許的最大範圍，可藉由對所附申請專利範圍和其均等物之最廣泛許可之理解來確定本發明之範疇且並不受到前述實施方式的詳細描述的局限或限制。

S1、S2、S3、S4、S4a、S5、S6、S7、S8‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種平板電池之製造方法，其特徵在於包括：步驟S1：製備葉綠素塗層；步驟S2：製備吸附有無機鹽類水溶液的第一隔離膜與第二隔離膜；步驟S3：提供負極結構層；步驟S4：於所述負極結構層上平鋪吸附有無機鹽類水溶液的所述第一隔離膜；步驟S5：平鋪上所述葉綠素塗層；步驟S6：平鋪上吸附有無機鹽類水溶液的所述第二隔離膜，使該葉綠素塗層設置於該第一隔離膜與第二隔離膜之間；步驟S7：平鋪上正極結構層；以及步驟S8：將上述結構夾設於上平板與下平板之間。
2. 根據請求項第1項所述之平板電池之製造方法，其特徵在於，於步驟S4與步驟S5之間進一步包括：步驟S4a：平面加壓步驟S4所形成的所述第一隔離膜與負極結構層。
3. 根據請求項第2項所述之平板電池之製造方法，其特徵在於，步驟S4a係以60~70公斤的重量平面加壓所述第一隔離膜與負極結構層。
4. 根據請求項第1項所述之平板電池之製造方法，其特徵在於，所述導電材料層由導電材料而製成。
5. 根據請求項第1項所述之平板電池之製造方法，其特徵在於，所述第一隔離膜以及第二隔離膜分別採用高纖維材質製成。
6. 根據請求項第1項所述之平板電池之製造方法，其特徵在於，所述葉綠素塗層包括葉綠素，並進一步包括金屬離子與各類酸根離子的化合物及植 物澱粉，該金屬離子為硼、鎂、鋁、鈣、錳及鋅元素之一種或數種。
7. 根據請求項第1項所述之平板電池之製造方法，其特徵在於，所述上平板以及所述下平板為壓克力板、複合材料板、完全金屬板、導電玻璃板、氧化金屬板或合金板。
8. 一種平板電池之製造方法，其特徵在於包括：步驟S1：製備葉綠素塗層；步驟S2：製備吸附有無機鹽類水溶液的第一隔離膜與第二隔離膜；步驟S3：提供導電材料層，並於所述導電材料層上噴灑平鋪金屬屑以於所述導電材料層上形成金屬屑層，由此獲得負極結構層；步驟S4：於所述負極結構層上平鋪吸附有無機鹽類水溶液的所述第一隔離膜；步驟S5：平鋪上所述葉綠素塗層；步驟S6：平鋪上吸附有無機鹽類水溶液的所述第二隔離膜，使該葉綠素塗層設置於該第一隔離膜與第二隔離膜之間；步驟S7：平鋪上正極結構層；以及步驟S8：將上述結構夾設於上平板與下平板之間。
9. 一種平板電池之製造方法，其特徵在於包括：步驟S1：製備葉綠素塗層；步驟S2：製備吸附有無機鹽類水溶液的第一隔離膜與第二隔離膜；步驟S3：提供負極結構層；步驟S4：於所述負極結構層上平鋪吸附有無機鹽類水溶液的所述第一隔離膜；步驟S5：平鋪上所述葉綠素塗層；步驟S6：平鋪上吸附有無機鹽類水溶液的所述第二隔離膜，使該葉綠素塗層設置於該第一隔離膜與第二隔離膜之間； 步驟S7：於所述第二隔離膜上平鋪活性化的導電高分子層，並於該活性化的導電高分子層上平鋪導電高分子層以獲得正極結構層；以及步驟S8：將上述結構夾設於上平板與下平板之間。
10. 一種平板電池之製造方法，其特徵在於包括：步驟S1：製備葉綠素塗層；步驟S2：製備吸附有無機鹽類水溶液的第一隔離膜與第二隔離膜；步驟S3：提供負極結構層；步驟S4：於所述負極結構層上平鋪吸附有無機鹽類水溶液的所述第一隔離膜；步驟S5：平鋪上所述葉綠素塗層；步驟S6：平鋪上吸附有無機鹽類水溶液的所述第二隔離膜，使該葉綠素塗層設置於該第一隔離膜與第二隔離膜之間；步驟S7：於所述第二隔離膜上平鋪活性化的導電高分子層，並於該活性化的導電高分子層上平鋪導電高分子層以獲得正極結構層，所述活性化的導電高分子層包括葉綠素粉末；以及步驟S8：將上述結構夾設於上平板與下平板之間。