TWI606631B - 鉛碳接合之製作方法、鉛碳電極片之結構以及鉛碳電池之結構 - Google Patents

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Description

鉛碳接合之製作方法、鉛碳電極片之結構以及鉛碳電池 之結構
本發明係關於一種製作方法，尤指一種得讓碳材與鉛材穩定接合之製作方法，並得使此種鉛碳接合結構作為鉛碳電極片，且可進一步經導線焊接而作為鉛碳電池之電極片。
電力儲存是電源管理與推升再生能源廣泛使用的關鍵技術。一般而言，電力的儲存可分為物理與電化學方式兩種，而在兼具快速充放電與高儲能容量的需求下，電化學電池成為微電網儲能的優先選擇。
在電化學電池領域中，蓬勃發展的複合式鉛碳電池，也就是傳統鉛酸電池與非對稱超級電容的組合，是一種有可能達到真正符合經濟效益的電力儲存方式。其中，傳統鉛酸電池所結合之具快速充放電功能的超級電容，能在快速率部分充電(high rate partial state of charge,HRPSoC)過程中，抑制電池負極(鉛板)硫化反應的發生，大大降低每次充放電時所需的電池成本。所謂硫化效應，就是負極上的固態金屬鉛(Pb(s))，在氧化的過程中與硫酸溶液中的亞硫酸根離子(HSO4 - (aq))，發生反應而轉換成不導電的固態硫酸鉛(PbSO4(s))。在深度放電或是在HRPSoC情況下，硫酸鉛容易結晶生長，隨著不導電的硫酸鉛晶粒逐漸覆蓋鉛電極的表面，而逆向的還原反應就因導電不佳而無法將所有的硫酸鉛還原成金屬鉛，因而降低電池儲能效能與縮短使用壽命。
目前一種改善負極硫化的方法是在鉛電極上添加碳材來增加硫酸鉛與導電碳材的接觸面積。這個方法能將鉛酸電池的壽命提升；然而，由於碳材粉體之間須分別經高壓(約400MPa)與高溫(約950℃)兩道步驟，且需使用特殊微孔隙結構之碳材先驅物才能接合成導電塊材，因此一般製程所形成的碳材的結構相當鬆散，也就是說鉛電極的結構強度隨著碳材添加量的增加而減少，因此碳材的添加比例有一定的限制。
另外，這種複合式鉛碳電池在製作上，係將傳統鉛酸電池在負極電極上的鉛電池膏以高比面積孔隙的碳材電容膏作一部份或全部取代。也就是說，這種複合式鉛碳電池的製作可以經由高度工業化的傳統鉛酸電池製程來完成，因此具有低製作成本的特點。再加上鉛酸電池本身所原具有的極高穩定度(即低維護成本)，以及高循環充放電效率(~75%)的特性，複合式鉛碳電池可作為一種實現最低成本的微電網級儲能設備。
雖然傳統鉛酸電池與非對稱超級電容的結合，能提供低成本的電力儲存，但因為負極極板同時存在碳材與鉛板兩種無法相互結合的材料，導致電池負極的鉛碳接面上較易因發生電極接面腐蝕等現象，而降低電池的使用效能與壽命。
因此，一個能讓碳材與鉛材有效接合的方法，對於製備複合式鉛碳電池之電極片以及進一步形成複合式鉛碳電池，即對於實現複合式鉛碳電池的量產開發目標，佔有一個很重要的地位。
本發明之主要目的，係提供一種鉛碳接合之製作方法，其為了提升鉛碳接面的接合特性，係採用氧化的方式產生氧化鉛作為媒介，改變了接合面的化學特性，使碳材以及鉛材得以穩定接合。
本發明之另一目的，係提供一種鉛碳接合之製作方法，其係利用碳材本身結構中，與碳相接之氧基作為氧化反應的氧原子來源基礎，因此氧化過程得以在無氧下進行，大幅降低因溫度過高而使碳材在氧化過程中燃燒損毀的可能性。
本發明之再一目的，係提供一種鉛碳接合之製作方法，其可使用附著有鎢材的碳材作為原料，進而在升溫後使碳材的表面形成碳化鎢，再利用鉛材與碳化鎢的穩定結合特性而使鉛材達到被固定的效果。
本發明之更一目的，係提供一種鉛碳電極片之結構，其可透過前述之方法製作，使其結構得透過氧化鉛或碳化鎢而穩定固定碳材以及鉛材。
本發明之又一目的，係提供一種鉛碳電極片之結構，其可應用前述之鉛碳電極片作為鉛碳電池電極組之一部分，其可利用導線焊接的方式使鉛碳電極片與作為負極的鉛碳電極片相連接。
為了達到上述之目的，本發明揭示了一種鉛碳接合之製作方法，其係包含步驟：提供一碳材以及一鉛材，該碳材之一第一表面係與該鉛材相接觸，該碳材之結構係包含與碳相接之複數個氧基；加熱該碳材以及該鉛材至一第一溫度，使該些氧基部分脫離該碳材之碳，而與該鉛材結合，使部分之該鉛材形成氧化鉛；以及冷卻該碳材以及該鉛材，該鉛材形成該氧化鉛之部分係與氧基已部分脫離之該碳材之該第一表面相結合。
又於另一種鉛碳接合之製作方法中，其則係包含步驟：提供一碳材以及一鉛材，該碳材之一第一表面係部分附著有鎢材，且該碳材之第一表面與該鎢材係與該鉛材相接觸；加熱該碳材以及該鉛材至一第二溫度，使該碳材於該第一表面形成碳化鎢；以及冷卻該碳材以及該鉛材，該鉛材與該碳化鎢接觸而結合於該碳材之該第一表面。
而於相對應實用物品的結構上，本發明則揭示了一種鉛碳電極片之結構，其結構係包含：一碳材；以及一鉛材，其係設置於該碳材之一第一表面之上，並於與該第一表面接觸之一鉛材表面包含氧化鉛或碳化鎢。以及一種鉛碳電池之結構，其結構係包含：一鉛酸電池電極組，其係包含一正極組以及一負極組；以及一鉛碳電極片，其係設置於該鉛酸電池中，並以導線焊接方式與該鉛酸電池電極組之該負極組相連接。
11‧‧‧碳材
110‧‧‧第一表面
12‧‧‧鉛材
120‧‧‧氧化鉛
121‧‧‧第一焊接點
122‧‧‧第二焊接點
13‧‧‧碳化鎢
G1‧‧‧群組一
G2‧‧‧群組二
S1~S6‧‧‧步驟
第1圖：其係為本發明之一較佳實施例之製作方法之步驟流程圖；第2圖：其係為本發明之一較佳實施例之接合結構示意圖，用以表示碳材與鉛材之介面層為氧化鉛；第3A圖：其係為本發明之一較佳實施例之電子顯微鏡圖，用以揭示原始碳材形貌；第3B圖：其係為本發明之一較佳實施例之電子顯微鏡圖，用以揭示介面層為氧化鉛之碳鉛接合實作；第4圖：其係為本發明之另一較佳實施例之製作方法之步驟流程圖；第5圖：其係為本發明之另一較佳實施例之接合結構示意圖，用以表示碳材與鉛材之介面層為碳化鎢；第6圖：其係為本發明之一較佳實施例之電子顯微鏡圖，用以揭示介面層為碳化鎢之碳鉛接合實作；第7A~7B圖：其係為本發明應用為鉛碳電極片之結構示意圖，分別用以表示介面層為氧化鉛以及碳化鎢；以及 第8圖：其係為本發明一較佳實施例使用具有氧化鉛介面層之鉛碳布電極片作為鉛酸電池之負極組之效能測試結果(循環伏安圖譜)。
為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
請參考第1圖，本發明所揭示之鉛碳接合之製作方法係包含步驟：步驟S1：提供一碳材以及一鉛材，該碳材之一第一表面係與該鉛材相接觸，該碳材之結構係包含與碳相接之複數個氧基；步驟S2：加熱該碳材以及該鉛材至一第一溫度，使該些氧基部分脫離該碳材，而與該鉛材結合，使部分之該鉛材形成氧化鉛；以及步驟S3：冷卻該碳材以及該鉛材，該鉛材形成該氧化鉛之部分係與氧基已部分脫離之該碳材之該第一表面相結合。
上述之步驟之目的係在於讓氧化鉛得以透過鉛材與碳材上的氧基結合而形成。請一併參考第2圖，其係加熱後之鉛碳接合結構示意圖；如圖所示，碳材11係具有第一表面110，此第一表面110係用以與鉛材12接觸。惟考量到鉛本身與碳材11之間因表面張力的影響而缺乏結合能力(液態鉛的表面張力(470mN/m)遠大於碳材本身的表面張力(100~200mJ/m2)，因此熔化的鉛液會在碳材上形成聚集體，無法形成緊密的金屬披覆層，導致鉛碳接面容易遭受腐蝕)，因此需要透過氧化鉛120作為介面層，使碳材11與鉛材12接合後不會任意脫離。於此，氧化鉛120的功能在於濕潤碳材11，而其發生潤濕作用的原理在於氧化鉛120的表面張力(132mN/m)小於或接近碳材11本身的表面張力(100~200mJ/m2)，因此所形成的氧化鉛120 介面層可以潤濕碳材，將金屬態的鉛材12與碳材11緊密地結合在一起，形成高電化學穩定度的鉛碳接面。
本發明於一較佳實施例中，作為介面層之氧化鉛120的形成是藉由加熱碳材11以及鉛材12。當加溫達到一第一溫度時，鉛材12會熔融為液體，而在碳材11本身因製作所必然殘留之微量氧基當中，部分的氧基會從碳材11的碳原子脫離，導致熔融之鉛材12被這些脫離的氧基氧化為氧化鉛120。進一步而言，氧化鉛120是鉛材12受到來自於碳材11一端的氧基影響而氧化，因此氧化鉛120只會以薄膜的形式形成於碳材11以及鉛材12之間，而不會使鉛材12全部形成氧化鉛120或是在鉛材12的其他表面形成氧化鉛120。
上述之第一溫度係為氧基自碳材之碳原子部分脫離之溫度，其會因碳材於氧基脫離位置的碳氧結構類型不同而在溫度高低上有所差異，例如羧基(-COOH)中的氧基為373~673K，酯基(RCOOR')與碳酸酯基(ROCOOR)中的氧基為463~923K，羥基(ROH)中的氧基為873~973K，醯基(RCO-)、羰基(RCOR')、醛基(RCHO)、醚基(ROR')、氫過氧基(ROOH)與過氧基(ROOR)等含氧基中的氧基為973~1253K。本發明所設定之第一溫度係可基於所使用之碳材具有不同類型的碳氧結構而在製程中提供不同程度的加熱標準，以落實讓部分氧基脫離而使部分金屬鉛氧化形成氧化鉛之目的。
本發明所使用之碳材可為碳布、活性碳、竹炭或木炭，其以包含複數個介孔隙或微孔隙為結構上的特徵。介孔隙係指碳材之單體間的孔隙，例如由碳纖維所編織而成的碳布中，其在各個碳纖維或碳纖維束之間即具有大量的介孔隙；而又如活性碳材料，其活性碳顆粒單體本身就具有大量的微孔隙。在本發明一較佳實施例中，當前述之第一溫度高於鉛材之熔融溫度時，可於步驟S2中更包含一步驟S21為：加壓於該鉛材，使熔融之該鉛材進入該些介孔隙或微孔隙。在此較佳實施例中，熔融而成液態之金 屬鉛可因高壓力而被推擠入碳材的介孔隙或微孔隙當中，從而大幅提升碳材與鉛材的接觸面積；同時，來自於碳材的氧基仍會氧化與其所相鄰的熔融鉛材，進而讓碳材與鉛材之間形成氧化鉛為介面層。
又在本發明之一較佳實施例中，步驟S2係在無氧環境中進行，以隔絕來自空氣中的氧對氧化鉛的形成造成影響，特別是本發明為了能利用到碳材本身所具備的微量氧基，經加熱所提高到的第一溫度原則上都會超過碳材的燃點，因此若不在無氧環境中進行步驟S2，則有可能會造成碳材本身在過程中燃毀。上述無氧環境可透過多次循環抽氣的方法清除反應腔室中的殘餘氣體，再回填惰性氣體的方式而達成。
請參考第3圖，其係為透過二次電子影像對本發明一較佳實施例之成果檢視，其3A圖顯示碳纖維之原始結構，3B圖顯示金屬鉛完全包覆碳纖維而形成緻密的鉛碳接面，意即氧化鉛成功形成介面層而接合鉛材與碳材。
請參考第4圖，本發明於另一較佳實施例中，鉛碳接合之製作方法則係包含步驟：步驟S4：提供一碳材以及一鉛材，該碳材之一第一表面係部分附著有鎢材，且該碳材之第一表面之該鎢材係與該鉛材相接觸；步驟S5：加熱該碳材以及該鉛材至一第二溫度，使該碳材於該第一表面形成碳化鎢；以及步驟S6：冷卻該碳材以及該鉛材，該鉛材與該碳化鎢接觸而結合於該碳材之該第一表面。
請一併參考第5圖，在此較佳實施例中，係進一步使用鎢材作為媒介，此鎢材係於加熱步驟前預先存在於碳材11以及鉛材12之間，其在步驟S5之加熱過程中因受熱而形成碳化鎢13。碳化鎢13在此較佳實施例中的功能如同前述較佳實施例的氧化鉛，其可作為碳材11以及鉛材12之介面層， 並利用碳化鎢13對兩者的結合能力而達到固定鉛材12與碳材11的目的。在此較佳實施例中，第二溫度係為碳化鎢13的形成溫度，且由於第二溫度亦高過鉛材12之熔融溫度，故可於步驟S5中更包含一步驟S51為：加壓於該鉛材，使熔融之該鉛材進入該些介孔隙或微孔隙。換句話說，熔融而成液態之金屬鉛可因高壓力而被推擠入碳材11的介孔隙或微孔隙當中，從而大幅提升碳材11與鉛材12的接觸面積；同時，來自於碳材11仍會與鎢材形成碳化鎢13，形成介於碳材11以及鉛材12之間的介面層。
請參考第6圖，其係為透過二次電子影像對本發明一較佳實施例之成果檢視，其顯示含有碳化鎢介面層之金屬鉛緊密包覆碳纖維而形成緻密的鉛碳接面，意即碳化鎢成功形成介面層而接合鉛材與碳材。
請參考第7A圖，其係為本發明應用為一種鉛碳電極片之結構示意圖；如圖所示，其係包含碳材11以及鉛材12，且鉛材12係設置於碳材11之第一表面110之上，並於與第一表面110接觸之鉛材表面包含氧化鉛120。此外，鉛材12另具有第一焊接點121以及第二焊接點122分別相鄰於碳材11之邊緣，分別用以焊接於鉛碳電池之電極接點。而若是透過碳化鎢13做為介面層，則可具備類似之鉛碳電極片結構，如第7B圖所示。
基於前述之鉛碳電極片，本發明也可進一步運用於實現一種鉛碳電池之結構，其結構係包含：一鉛酸電池電極組，其係包含一正極組以及一負極組；以及一鉛碳電極片，其係設置於該鉛酸電池中，並以導線焊接方式與該鉛酸電池電極組之該負極組相連接。換言之，本發明所揭示之碳鉛接合之鉛碳電極片可應用於鉛酸電池的負極組。而使用本發明作為鉛酸電池負極組的優勢相當明顯，以使用碳布作為碳材為例，鉛碳布電極片除了大面積、高比表面積與良好導電度外，還有重量輕、體積小以及可撓性等特殊機械性質。
請參考第8圖，其係為本發明一較佳實施例使用具有氧化鉛介面層之鉛碳布電極片作為鉛酸電池之負極組之效能測試結果(循環伏安圖譜)。如圖所示，其中的群組一G1為測試第一天施加循環電位100次之結果，再對照14天後的群組二G2所施加循環電位100次之結果，可知本發明所揭示之鉛碳電極片無論是在連續工作環境或是長時間的穩定性，都能展現極佳的電化學穩定度。
綜上所述，本發明確實揭示了一種鉛碳接合之製作方法、鉛碳電極片之結構以及鉛碳電池之結構，其從製備鉛碳電池的動機出發，考量到碳材與鉛材本身因表面張力的差異而導致無法有效結合，從而提出一種新穎的製作方法以及結構，利用氧化鉛或是碳化鎢作為介面層，讓碳鉛得以實現接合，並進一步得製作為鉛碳電極片以及應用為鉛碳電池。在兼顧到製程的獨特性、可靠性，以及成品的效能穩定性，本發明無疑為一種極具實用價值之鉛碳接合之製作方法、鉛碳電極片之結構以及鉛碳電池之結構。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
S1~S3‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種鉛碳接合之製作方法，其係包含步驟：提供一碳材以及一鉛材，該碳材之一第一表面係與該鉛材相接觸，該碳材之結構係包含與碳相接之複數個氧基；加熱該碳材以及該鉛材至一第一溫度，使該些氧基部分脫離該碳材之碳原子，而與該鉛材結合，使部分之該鉛材形成氧化鉛；以及冷卻該碳材以及該鉛材，該鉛材形成該氧化鉛之部分係與氧基已部分脫離之該碳材之該第一表面相結合。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鉛碳接合之製作方法，其中該碳材係包含複數個介孔隙或微孔隙。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之鉛碳接合之製作方法，其中該第一溫度係高於該些氧基之部分脫離溫度。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之鉛碳接合之製作方法，其中加熱該碳材以及該鉛材至該第一溫度之步驟中，當該第一溫度高於鉛材之熔融溫度時，更包含一步驟為：加壓於該鉛材，使熔融之該鉛材進入該些介孔隙或微孔隙。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之鉛碳接合之製作方法，其中該碳材係為碳布、活性碳、竹炭或木炭。
  6. 一種鉛碳接合之製作方法，其係包含步驟：提供一碳材以及一鉛材，該碳材之一第一表面係部分附著有一鎢材，且該碳材之第一表面之該鎢材係與該鉛材相接觸；加熱該碳材以及該鉛材至一第二溫度，使該碳材於該第一表面形成一碳化鎢；以及冷卻該碳材以及該鉛材，該鉛材與該碳化鎢接觸而結合於該碳材之該第一表面。
  7. 一種鉛碳電極片之結構，其結構係包含：一碳材；以及 一鉛材，其係設置於該碳材之一第一表面之上，並於與該第一表面接觸之一鉛材表面包含氧化鉛。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之鉛碳電極片之結構，其中該鉛材具有一第一焊接點以及一第二焊接點分別相鄰於該碳材之邊緣，分別用以焊接於鉛碳電池之電極接點。
  9. 一種鉛碳電極片之結構，其結構係包含：一碳材，其係包含一第一表面；以及一鉛材，其係設置於該第一表面之上，並與該第一之表面之間包含碳化鎢，且該鉛材具有一第一焊接點以及一第二焊接點分別相鄰於該碳材之邊緣，分別用以焊接於鉛碳電池之電極接點。
  10. 一種鉛碳電池之結構，其結構係包含：一鉛酸電池電極組，其係包含一正極組以及一負極組；以及一鉛碳電極片，其係設置於該鉛酸電池中，並以導線焊接方式與該鉛酸電池電極組之該負極組相連接；其中，該鉛碳電極片係包含一碳材以及一鉛材，該鉛材係設置於該碳材之一第一表面之上，且該第一表面與該鉛材之間係包含氧化鉛或碳化鎢。
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