TWI607599B - 電極結構及其製造方法以及鋰電池 - Google Patents

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Description

電極結構及其製造方法以及鋰電池
本發明是有關於一種電極結構，且特別是有關於一種包括奈米牆結構的電極結構及其製造方法以及包括其的鋰電池。
由於一次電池不符環保需求，因此可重複充電放電兼具重量輕、高電壓值與高能量密度等特點的鋰電池的市場需求量與日遽增，並且鋰電池尤其在輕型電動車、電動車、大型儲電產業上的應用及拓展潛力極高。
近年來，從目前全球各大鋰電池廠之高容量電池的量產現況可知，發展高容量鋰電池已經是另一鋰電池領域的發展趨勢。而從電池設計的觀點，需要同時考慮陰陽極材料系統、極板配方及電池製程等，才可能獲得最佳的電池容量設計。然而，在鋰電池領域已經使用超過20年的以碳材為主的陽極材料，不但已經達到理論電容量372mAh/g的瓶頸，且也具有較慢的充放電速率。因此，開發能夠使電池具有高循環壽命、高電容量之新穎的 陽極材料是目前此領域技術人員所欲達成的目標之一。
本發明提供一種電極結構及其製造方法，所述電極結構作為鋰電池的陽極，可使得鋰電池具有高循環壽命及高電容量。
本發明的電極結構包括基板、緩衝層以及奈米材料層。緩衝層配置在基板上。奈米材料層配置在緩衝層上，其中奈米材料層的結構為奈米牆。
在本發明的一實施方式中，上述的基板的材料包括金屬箔、透明導電玻璃、碳材、矽或有機高分子薄膜。
在本發明的一實施方式中，上述的緩衝層及奈米材料層的材料各自包括銅鋅錫硫化合物，且緩衝層中的硫的原子比例與奈米材料層中的硫的原子比例不相同。
在本發明的一實施方式中，上述的奈米材料層具有親水性。
在本發明的一實施方式中，上述的緩衝層的厚度為50至300奈米，及奈米材料層的厚度為500至4000奈米。
本發明的電極結構的製造方法包括以下步驟。首先，提供基板。接著，將基板置於第一前驅物溶液中，並進行第一加熱製程以於基板上形成緩衝層。之後，將基板置於第二前驅物溶液中，並進行第二加熱製程以於緩衝層上形成奈米材料層，其中奈米材料層的結構為奈米牆。
在本發明的一實施方式中，上述的第一前驅物溶液及第二前驅物溶液各自包括銅鹽、鋅鹽、錫鹽、含硫物質以及溶劑，銅鹽包括氯化銅、醋酸銅或硝酸銅，鋅鹽包括氯化鋅、醋酸鋅或硝酸鋅，錫鹽包括氯化錫、醋酸錫或硝酸錫，含硫物質包括硫粉或硫脲，溶劑包括乙醇或水，其中第一前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比和第二前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比不相同。
在本發明的一實施方式中，上述的第一前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比以及第二前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比各自為1：2至1：10。
在本發明的一實施方式中，上述的第一加熱製程及第二加熱製程各自為水熱合成製程，第一加熱製程的製程溫度為100℃至250℃，第一加熱製程的製程時間為10分鐘至2小時，第二加熱製程的製程溫度為100℃至400℃，第二加熱製程的製程時間為6小時至48小時。
本發明的鋰電池包括陽極、陰極、隔離膜、電解液以及封裝結構。陽極包括前述的電極結構。陰極與陽極分離配置。隔離膜設置於陽極與陰極之間，且隔離膜、陽極及陰極定義出容置區域。電解液設置於容置區域中。封裝結構包覆陽極、陰極及電解液。
基於上述，本發明的電極結構為一新穎的電極結構，包括基板、緩衝層及結構為奈米牆的奈米材料層。另外，透過包括 緩衝層及奈米材料層，本發明的電極結構具有良好穩定性、使用壽命、可快速充放電且適合應用於鋰電池中。另外，透過包括所述電極結構，本發明的鋰電池同時具有良好的電容量、良好的循環壽命、良好的元件穩定性以及快速充放電性。另外，透過進行第一加熱製程而於基板上直接成長緩衝層，使得本發明的電極結構的製造方法不會受到基板材料的限制，並具有製程簡易、成本低的優勢。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施方式，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧電極結構
102‧‧‧基板
104‧‧‧緩衝層
106‧‧‧奈米材料層
200‧‧‧鋰電池
202‧‧‧陽極
204‧‧‧陰極
206‧‧‧隔離膜
208‧‧‧電解液
210‧‧‧封裝結構
C‧‧‧容置區域
S10、S20、S30‧‧‧步驟
圖1是依照本發明一實施方式的電極結構的製造流程圖。
圖2是依照本發明一實施方式的電極結構的示意圖。
圖3是依照本發明一實施方式的鋰電池的示意圖。
圖4是實施例1的緩衝層的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。
圖5是實施例1的奈米材料層的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。
圖6是實施例1的電極結構的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。
圖7是實施例1的奈米材料層的穿透式電子顯微鏡(TEM)的選區繞射圖譜。
圖8是實施例1的電極結構的接觸角測定結果。
圖9是實施例1的鋰電池的充電放電循環次數及電容量的關係圖。
圖10是實施例1的鋰電池的充電放電循環次數及電容量的關係圖。
在本文中，由「一數值至另一數值」表示的範圍，是一種避免在說明書中一一列舉該範圍中的所有數值的概要性表示方式。因此，某一特定數值範圍的記載，涵蓋該數值範圍內的任意數值以及由該數值範圍內的任意數值界定出的較小數值範圍，如同在說明書中明文寫出該任意數值和該較小數值範圍一樣。
為了製備出具有良好穩定性、使用壽命、可快速充放電且適合應用於鋰電池中的電極結構，本發明提出一種電極結構，其可達到上述優點。以下，特舉實施方式作為本發明確實能夠據以實施的範例。
圖1是依照本發明一實施方式的電極結構的製造流程圖。圖2是依照本發明一實施方式的電極結構的示意圖。而在圖2中，為了清楚表達發明的特徵，各層不一定按照實際比例及結構繪製。
請同時參照圖1及圖2，進行步驟S10，提供基板102。基板102的材料包括金屬箔、透明導電玻璃、碳材、矽或有機高分子薄膜。也就是說，在本實施方式中，基板102可以是硬質基 板或是軟性基板。
接著，進行步驟S20，將基板102置於第一前驅物溶液中，並進行第一加熱製程以於基板102上形成緩衝層104。在步驟S20中，第一前驅物溶液包括銅鹽、鋅鹽、錫鹽、含硫物質以及溶劑，其中銅鹽例如是氯化銅、醋酸銅或硝酸銅，鋅鹽例如是氯化鋅、醋酸鋅或硝酸鋅，錫鹽例如是氯化錫、醋酸錫或硝酸錫，含硫物質例如是硫粉或硫脲，以及溶劑例如是乙醇或水。詳細而言，第一前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比為1：2至1：10，較佳為1：2至1：4。若錫鹽與含硫物質的莫耳比低於1：2，則進行第一加熱製程後所形成的緩衝層104的結構會是奈米條狀結構而非所欲的奈米網狀結構；若錫鹽與含硫物質的莫耳比高於1：10，則進行第一加熱製程後所形成的緩衝層104的結構會是奈米團簇結構而非所欲的奈米網狀結構。
在一實施方式中，第一前驅物溶液的製備方法包括：將銅鹽、鋅鹽、錫鹽、含硫物質及溶劑放置於攪拌器中進行攪拌5分鐘至60分鐘，以使銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質均勻溶解於溶劑中，以形成第一前驅物溶液。
另外，在步驟S20中，第一加熱製程為水熱合成製程。詳細而言，在一實施方式中，進行第一加熱製程以於基板102上形成緩衝層104的方法包括以下步驟：首先，將基板102以及第一前驅物溶液設置於水熱高壓釜內；接著，將所述水熱高壓釜置於烘箱內以進行水熱合成，其中水熱合成的溫度約介於100℃至 250℃之間，較佳介於100℃至200℃之間，且水熱合成的時間約介於10分鐘至2小時之間，較佳介於10分鐘至1小時之間。
另外，在步驟S20中，緩衝層104的材料包括銅鋅錫硫化合物，且緩衝層104的厚度為50至300奈米。詳細而言，在基板102與第一前驅物溶液進行第一加熱製程的過程中，銅鹽、鋅鹽、錫鹽以及含硫物質會發生相轉變而於基板102上直接成長銅鋅錫硫化合物。也就是說，在步驟S20中，不論基板102的材料為何，緩衝層104均能夠直接形成在基板102上。如此一來，相較於根據基板材料的不同而須調整漿料組成並透過塗佈方式以於基板上形成銅鋅錫硫化合物的習知方法，形成緩衝層104的方法不會受到基板材料的限制，故所製得的電極結構將具有較廣的應用性；以及相較於微波輔助溶熱法(Microwave-assisted solvothermal method)、浸鍍裂解法(Dip pyrolysis)、溶熱法(solvothermal method)、熱蒸鍍法(Thermal evaporation、磁控濺鍍法(RF-Sputtering)等形成銅鋅錫硫化合物的習知方法，形成緩衝層104的方法不需要耗費大量的經費以購置昂貴的儀器且步驟簡單，故具有製程簡易、成本低的優勢。
進一步而言，當第一前驅物溶液具有上述特定成分比例且水熱合成的溫度及時間在上述範圍內，可使得基板102上所成長的緩衝層104的結構為奈米網狀結構。也就是說，緩衝層104的結構中具有許多孔隙。
之後，進行步驟S30，將基板102置於第二前驅物溶液 中，並進行第二加熱製程以於緩衝層104上形成奈米材料層106，從而完成電極結構100的製作，其中奈米材料層106的結構為奈米牆結構。在步驟S30中，第二前驅物溶液包括銅鹽、鋅鹽、錫鹽、含硫物質以及溶劑，其中銅鹽例如是氯化銅、醋酸銅或硝酸銅，鋅鹽例如是氯化鋅、醋酸鋅或硝酸鋅，錫鹽例如是氯化錫、醋酸錫或硝酸錫，含硫物質例如是硫粉或硫脲，以及溶劑例如是乙醇或水。詳細而言，第二前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比為1：2至1：10，較佳為1：2至1：6。若錫鹽與含硫物質的莫耳比低於1：2，則進行第二加熱製程後所形成的奈米材料層106的結構會是奈米柱狀結構而非所欲的奈米牆結構；若錫鹽與含硫物質的莫耳比高於1：10，則進行第二加熱製程後所形成的奈米材料層106的結構會是奈米球狀結構而非所欲的奈米牆結構。更詳細而言，第二前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比與前述的第一前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比不相同。
在一實施方式中，第二前驅物溶液的製備方法包括：將銅鹽、鋅鹽、錫鹽、含硫物質及溶劑放置於攪拌器中進行攪拌5分鐘至60分鐘，以使銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質均勻溶解於溶劑中，以形成第二前驅物溶液。
另外，在步驟S30中，第二加熱製程為水熱合成製程。詳細而言，在一實施方式中，進行第二加熱製程以於緩衝層104上形成奈米材料層106的方法包括以下步驟：首先，將基板102以及第二前驅物溶液設置於水熱高壓釜內；接著，將所述水熱高 壓釜置於鍛燒爐內以進行水熱合成，其中水熱合成的溫度約介於100℃至400℃之間，較佳介於100℃至250℃之間，且水熱合成的時間約介於6小時至48小時之間，較佳介於6小時至15小時之間。
另外，在步驟S30中，奈米材料層106的材料包括銅鋅錫硫化合物。也就是說，在步驟S30中，奈米材料層106的材料包括銅鋅錫硫奈米牆。詳細而言，在基板102與第二前驅物溶液進行第二加熱製程的過程中，銅鹽、鋅鹽、錫鹽以及含硫物質會發生相轉變而於緩衝層104上直接成長銅鋅錫硫奈米牆。更詳細而言，在步驟S30中，緩衝層104是作為在基板102上成長奈米材料層106的晶種層。從另一觀點而言，雖然緩衝層104的材料及奈米材料層106的材料皆包括銅鋅錫硫化合物，但如前文所述，由於第二前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比與第一前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比不相同，故緩衝層104中的硫的原子比例與奈米材料層106中的硫的原子比例不相同。在一實施方式中，緩衝層104中的硫的原子比例小於奈米材料層106中的硫的原子比例。另外，奈米材料層106的厚度為500至4000奈米。
進一步而言，在本實施方式中，由於奈米材料層106的材料包括銅鋅錫硫奈米牆，故奈米材料層106不但透過其中的銅、鋅及錫得以與鋰離子反應而形成合金，透過其中的硫得以與鋰離子反應而形成硫化物，還透過奈米牆結構中的孔隙，使得物質(例 如鋰離子)能夠在其間快速進出，並對物質進出所造成的體積膨脹/收縮現象提供良好緩衝作用。如此一來，當將電極結構100作為鋰電池的電極使用時，電極結構100能夠同時進行轉換反應(conversion)以及嵌合反應(intercalation)來驅動鋰電池，藉此使得電極結構100同時具有良好穩定性、使用壽命及可快速充放電的特性。
另外，在本實施方式中，透過以緩衝層104作為晶種層來成長奈米材料層106，藉此奈米材料層106能夠具有良好的結晶度且亦可增加奈米材料層106與基板102間的黏著性而得到較好的元件穩定性。另外，如上所述，緩衝層104內部亦具有孔隙，同樣有助於物質(例如鋰離子)能夠在其間快速進出，並對物質進出所造成的體積膨脹/收縮現象提供良好緩衝作用，因此透過以緩衝層104作為晶種層來成長奈米材料層106，使得與習知的電極結構相比，電極結構100具有更高之可與物質發生反應的表面積。
值得一提的是，在本實施方式中，奈米材料層106是在完成了使用第一前驅物溶液與基板102所進行的第一加熱製程後，透過使用成分的莫耳比與第一前驅物溶液不相同的第二前驅物溶液與基板102進行第二加熱製程而形成。也就是說，奈米材料層106的形成是透過調整搭配第一前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽以及含硫物質的莫耳比與第二前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽以及含硫物質的莫耳比而實現。舉例而言，在一實施方式中，第一前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽及錫鹽的莫耳比與第二前驅物溶 液中銅鹽、鋅鹽及錫鹽的莫耳比是相同的，而第一前驅物溶液中的含硫物質的莫耳比例小於第二前驅物溶液中的含硫物質的莫耳比例。具體而言，第一前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質的莫耳比為2：1：1：3，而第二前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質的莫耳比為2：1：1：6；或第一前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質的莫耳比為2：1：1：1，而第二前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質的莫耳比為2：1：1：6；或第一前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質的莫耳比為2：1：1：2，而第二前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質的莫耳比為2：1：1：6；或第一前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質的莫耳比為2：1：1：2，而第一前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質的莫耳比為2：1：1：4；或第一前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質的莫耳比為2：1：1：1，而第一前驅物溶液中的銅鹽、鋅鹽、錫鹽及含硫物質的莫耳比為2：1：1：5。從另一觀點而言，在本實施方式中，透過依序進行兩次加熱製程(即第一加熱製程及第二加熱製程)，藉此能夠形成奈米結構不相同的緩衝層104及奈米材料層106。
另外，在本實施方式中，奈米材料層106具有親水性。詳細而言，透過第二前驅物溶液使用了極性溶劑(例如乙醇或水)，使得經由第二加熱製程而成長的奈米材料層106的表面上會披覆有羥基(-OH)。換言之，在本實施方式中，奈米材料層106的材料包括含氧原子的銅鋅錫硫化合物。進一步而言，在本實施 方式中，透過奈米材料層106具有親水性，使得當將電極結構100作為鋰電池的電極使用時，與習知的鋰電池相比，通常使用極性溶劑的電解液較容易擴散進入奈米材料層106中。
藉由進行以上所有步驟(S10~S30)後，將可製得本發明一實施方式的電極結構100。請再次參照圖2，電極結構100包括基板102、配置在基板102上的緩衝層104以及配置在緩衝層104上的奈米材料層106，其中奈米材料層106的結構為奈米牆。而關於基板102、緩衝層104以及奈米材料層106的材料、特性、形成方法及功效等已於上文中進行詳盡地說明，故於此不再贅述。
基於上述實施方式可知，本發明的電極結構適用於鋰電池中。以下，將參照圖3對本發明的鋰電池進行詳細說明。然而，本發明的鋰電池並不以圖3中所繪者為限。所屬領域中具有通常知識者藉由以下對圖3的鋰電池200的說明，應可理解本發明的鋰電池可具有所屬領域中具有通常知識者所周知的任一鋰電池的結構。
圖3是依照本發明一實施方式的鋰電池的示意圖。
請參照圖3，鋰電池200包括陽極202、陰極204、隔離膜206、電解液208以及封裝結構210。
陽極202具有與前述的電極結構100相同的結構。也就是說，陽極202包括基板102、緩衝層104以及奈米材料層106。詳細而言，在本實施方式中，基板102即作為陽極電流收集板，而緩衝層104以及奈米材料層106則作為陽極活性材料。
陰極204與陽極202分離配置。陰極204可以是所屬領域中具有通常知識者所周知的任一陰極。在一實施方式中，陰極204包括陰極金屬箔及陰極活性材料，陰極活性材料例如是透過塗佈或是濺鍍而配置於陰極金屬箔上。陰極金屬箔例如是銅箔、鋁箔或、鎳箔或高導電性不鏽鋼箔。陰極活性材料例如是LiCoO2、LiFePO4或LiNiMnO4。在另一實施方式中，陰極204例如是銅。
隔離膜206設置於陽極202與陰極204之間，以將陽極202與陰極204隔開，且隔離膜206、陽極202及陰極204定義出容置區域C。隔離膜206可以是所屬領域中具有通常知識者所周知的任一隔離膜。在一實施方式中，隔離膜206的材料例如是絕緣材料，而絕緣材料可為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或上述材料的多層複合結構如PE/PP/PE。
電解液208設置於容置區域C中。電解液208可以是所屬領域中具有通常知識者所周知的任一電解液。在一實施方式中，電解液208包括有機溶劑以及鋰鹽。另外，必要時，電解液208可更包括添加劑。
有機溶劑例如是碳酸丙烯酯(propylene carbonate，PC)、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸二烷基酯(dialkyl carbonate)，其中碳酸二烷基酯包括碳酸二甲酯(dimethyl carbonate，DMC)、碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)、碳酸甲基乙基酯(ethyl methyl carbonate，EMC)或其組合。
鋰鹽例如是LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiSbF6、 LiAlCl4、LiGaCl4、LiNO3、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO2CF3)2、LiSCN、LiO3SCF2CF3、LiC6F5SO3、LiO2CCF3、LiSO3F、LiB(C6H5)4、LiCF3SO3或其組合。
添加劑例如是碳酸亞乙烯酯(vinylene carbonate，VC)。
封裝結構210則用以包覆陽極202、陰極204及電解液208。封裝結構212可以是所屬領域中具有通常知識者所周知的任一電解液。在一實施方式中，封裝結構212的材料例如是鋁箔、鋁殼。
值得說明的是，如前文所述，在本實施方式中，透過陽極202包括奈米材料層106，藉此陽極202不但能夠透過其中的銅、鋅、錫及硫與鋰離子反應，而使其與電解液208進行轉換反應，還能夠透過奈米牆結構中的孔隙，使得鋰離子能夠在其間快速遷入及遷出而進行嵌合反應，及使得鋰離子遷入及遷出時所造成的體積膨脹/收縮現象得到緩衝。如此一來，鋰電池200能夠同時具有良好的電容量、良好的循環壽命以及快速充放電性。
另外，如前文所述，在本實施方式中，透過陽極202包括緩衝層104，使得緩衝層104中的孔隙能夠進一步提供鋰離子的擴散路徑，以及進一步對陽極202提供鋰離子遷入及遷出時所造成的體積膨脹/收縮現象的緩衝作用。
另外，如前文所述，在本實施方式中，透過陽極202包括具有親水性的奈米材料層106，使得極性的電解液208容易擴散進入奈米材料層106中，藉此提升了鋰電池200的電池效率。
下文將參照實施例1，更具體地描述本發明的特徵。雖然描述了以下實施例1，但是在不逾越本發明範疇之情況下，可適當地改變所用材料、其量及比率、處理細節以及處理流程等等。因此，不應由下文所述之實施例1對本發明作出限制性地解釋。
<實施例1> 電極結構的製備
首先，配製第一前驅物溶液。將2毫莫耳的醋酸銅(即銅鹽)、1毫莫耳的氯化鋅(即鋅鹽)、1毫莫耳的氯化錫(即錫鹽)及3毫莫耳的硫脲(即含硫物質)加入200毫升的乙醇(即溶劑)中，以攪拌器攪拌約30分鐘，以使醋酸銅、氯化鋅、氯化錫及硫脲充分溶解。
接著，製備實施例1的緩衝層。將所得的第一前驅物溶液與鈉玻璃(即基板)置於水熱高壓釜內後，將所述水熱高壓釜置於烘箱內，並在120℃下進行水熱合成60分鐘，以於鈉玻璃上形成厚度為300奈米的實施例1的緩衝層(如圖4所示)。
之後，配製第二前驅物溶液。將2毫莫耳的醋酸銅(即銅鹽)、1毫莫耳的氯化鋅(即鋅鹽)、1毫莫耳的氯化錫(即錫鹽)及6毫莫耳的硫脲(即含硫物質)加入200毫升的乙醇(即溶劑)中，以攪拌器攪拌約60分鐘，以使醋酸銅、氯化鋅、氯化錫及硫脲充分溶解。
接著，製備實施例1的奈米材料層。將所得的第二前驅 物溶液與其上形成有實施例1的緩衝層的鈉玻璃(即基板)置於水熱高壓釜內後，將所述水熱高壓釜置於鍛燒爐內，並在200℃下進行水熱合成18小時，以形成厚度為3000奈米的實施例1的奈米材料層(如圖5所示)。
在完成以上所有步驟後，即製得實施例1的電極結構(如圖6所示)。
鋰電池的製作
組裝C2025型硬幣半電池(coin half cell)，其中使用實施例1的電極結構作為陰極、Li金屬作為陽極、1M LiPF6(溶劑為體積比為1：1的碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)與碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)的混合液)作為電解液、聚丙烯膜(商品名Celgard 2400)作為隔離膜以及鋁殼作為封裝結構。至此，製得實施例1的鋰電池。
另外，在製作鋰電池之前，可對實施例1的奈米材料層進行結晶性及結晶向的測定，以及對實施例1的電極結構進行接觸角的測定，其中結果分別如圖7及圖8所示。
接著，對實施例1的鋰電池進行長效測試(long cycle)及倍率測試(rate capability)，而其量測結果分別如圖8及圖9所示。
<結晶性及結晶向的測定>
圖7是實施例1的奈米材料層的穿透式電子顯微鏡(TEM)的選區繞射圖譜。請參照圖7，由所呈現的晶格點可知，實施例1的奈米材料層具有良好的結晶性及有特定方向性的結晶向。
<接觸角的測定>
首先，利用微量滴管，將定量的去離子水滴於實施例1的電極結構的表面上(即實施例1的奈米材料層的表面上)。接著，透過接觸角量測器(型號：CAM-100，由CHENG FENG公司製造)，利用電腦分析軟體以球型模擬來計算實施例1的電極結構表面(即實施例1的奈米材料層表面)的靜態接觸角，如圖8所示，其中靜態接觸角的量測結果約為16度左右。此結果表示實施例1的奈米材料層具有良好的親水性。
<長效測試>
將實施例1的鋰電池在電流密度為10000mA/g、電壓為0.01V至4.0V的條件下進行充放電。圖9是實施例1的鋰電池的充電放電循環次數及電容量的關係圖。
由圖8可知，與習知的鋰電池相比，實施例1的鋰電池具有優異的長效性及電容量。具體而言，實施例1的鋰電池的第一圈電容量為1010mAh/g，且在經過200次充電放電循環後，實施例1的鋰電池的電容量仍維持有925mAh/g。
此結果證實，使用包括緩衝層及結構為奈米牆的奈米材料層的電極結構作為陽極，不但能夠增加鋰電池的電容量，也能 夠提升鋰電池的循環壽命。
<倍率測試>
將實施例1的鋰電池在電壓為0.01V至4.0V之間，但不同的電流密度下進行充放電，其中不同的電流密度包括500mA/g、1000mA/g、2000mA/g、4000mA/g、8000mA/g、12000mA/g、15000mA/g、20000mA/g、25000mA/g。圖10是實施例1的鋰電池的充電放電循環次數及電容量的關係圖。
由圖10可知，在高充電放電的電流密度(即1000mA/g、2000mA/g、4000mA/g、8000mA/g、12000mA/g、15000mA/g、20000mA/g、25000mA/g)下，實施例1的鋰電池仍有良好的電性表現。另外，即使經過高電流充電放電後，當回到低電流密度(即500mA/g)時，實施例1的鋰電池的電容量依然可回到近似於一開始的值，此表示在高電流充電放電下，實施例1的電極結構仍有良好的穩定性，因而實施例1的鋰電池能表現出良好的倍率性能。
此結果證實，即使進行高電流充電放電，包括緩衝層及結構為奈米牆的奈米材料層的電極結構仍具有良好的穩定性，因而使得以其作為陽極的鋰電池能表現出良好的倍率性能。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範 圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電極結構
102‧‧‧基板
104‧‧‧緩衝層
106‧‧‧奈米材料層

Claims (9)

  1. 一種電極結構，包括：一基板；一緩衝層，配置在該基板上；以及一奈米材料層，配置在該緩衝層上，其中該奈米材料層的結構為奈米牆，其中該緩衝層及該奈米材料層的材料各自包括銅鋅錫硫化合物，且該緩衝層中的硫的原子比例與該奈米材料層中的硫的原子比例不相同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電極結構，其中該基板的材料包括金屬箔、透明導電玻璃、碳材、矽或有機高分子薄膜。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電極結構，其中該奈米材料層具有親水性。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電極結構，其中該緩衝層的厚度為50至300奈米，及該奈米材料層的厚度為500至4000奈米。
  5. 一種電極結構的製造方法，包括：提供一基板；將該基板置於一第一前驅物溶液中，並進行一第一加熱製程以於該基板上形成一緩衝層；以及將該基板置於一第二前驅物溶液中，並進行一第二加熱製程以於該緩衝層上形成一奈米材料層，其中該奈米材料層的結構為奈米牆。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電極結構的製造方法，其中該第一前驅物溶液及該第二前驅物溶液各自包括一銅鹽、一鋅鹽、一錫鹽、一含硫物質以及一溶劑，該銅鹽包括氯化銅、醋酸銅或硝酸銅，該鋅鹽包括氯化鋅、醋酸鋅或硝酸鋅，該錫鹽包括氯化錫、醋酸錫或硝酸錫，該含硫物質包括硫粉或硫脲，該溶劑包括乙醇或水，其中該第一前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比和該第二前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比不相同。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電極結構的製造方法，其中該第一前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比以及該第二前驅物溶液中的錫鹽與含硫物質的莫耳比各自為1：2至1：10。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的電極結構的製造方法，其中該第一加熱製程及該第二加熱製程各自為水熱合成製程，該第一加熱製程的製程溫度為100℃至250℃，該第一加熱製程的製程時間為10分鐘至2小時，該第二加熱製程的製程溫度為100℃至400℃，該第二加熱製程的製程時間為6小時至48小時。
  9. 一種鋰電池，包括：一陽極，所述陽極包括如申請專利範圍第1項所述的電極結構；一陰極，與該陽極分離配置；一隔離膜，設置於該陽極與該陰極之間，且該隔離膜、該陽極及該陰極定義出一容置區域；一電解液，設置於該容置區域中；以及 一封裝結構，包覆該陽極、該陰極及該電解液。
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