TWI638480B - Electrode electrode chip process - Google Patents

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TWI638480B
TWI638480B TW106136725A TW106136725A TWI638480B TW I638480 B TWI638480 B TW I638480B TW 106136725 A TW106136725 A TW 106136725A TW 106136725 A TW106136725 A TW 106136725A TW I638480 B TWI638480 B TW I638480B
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李炤佑
葉治宏
沈晉安
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國立虎尾科技大學
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Abstract

一種熱電池之電極極片製程，步驟一：使用容器盛裝複合顆粒粉末，並以第一次雷射完全熔融該複合顆粒粉末而形成一電極極片，步驟二：以第二次雷射對該電極極片表面進行網狀掃描，使該電極極片表面形成有網狀溝槽，步驟三：將電解質粉末平鋪於該電極極片表面，步驟四：以第三次雷射完全熔融該電解質粉末，並透過該網狀溝槽控制液相電解質的流動範圍，即能於該電極極片上均勻凝固一薄型電解質片，使該電解質片能最薄化的製成薄片，在相同大小的熱電池體積下，進而極大化該正、負電極體積，使該熱電池的電流量獲得提升。

Description

熱電池之電極極片製程
本發明係有關於一種電池極片製造方法，尤指一種能製成薄片狀電解質片的熱電池之電極極片製程。
按，熱電池(Thermal Battery)也可稱為熔鹽電池(molten salt batteries)或熱激活電池(Thermalactivated battery)，熱電池的特點在於可高功率放電、長使用壽命、不需維護、可承受惡劣環境等，又該熱電池的極片結構為片狀結構，電池組會以電解質片間隔該負極片與該正極片，並以堆疊的組數達到所需要的電壓與電流量，再依照任務需求串聯或並聯出所需的電壓及電流，又該熱電池所使用的電解質於常溫下為固態，當電池內部溫度達到電解質片的熔點後轉為液態，並開始產生離子移動導通而形成放電，由於該電解質片是透過點火器提供熔解熱量，因此未使用前是完全不會自行放電，且只能使用一次，是故主要是應用於飛彈上，此為熱電池有別於一般電池之處。
製作出片狀結構極片為熱電池的關鍵技術，目前製作熱電池極片所使用的製程主要是乾壓製程，需要大型的油壓機及模具，因此製程成本不易降低，形狀可變動性也較低，同時因乾壓製程只能使粉末顆粒靠機械力量結合，顆粒間的結合力量薄弱，若製成非圓片狀，該邊緣將容易於脫模時產生破裂，又為了達到極片的足夠強度，必須使極片擁有一定的厚度，造成整體電池高度無法下降，因此如何製作出厚度少的熱電池極片(正 極片、負極片、電解質片)為提升熱電池性能、提高活型材料單位能量密度的關鍵技術，再者，如能有效的降低該電解質片的厚度，更能在相同熱電池體積下設置更多的正、負極片，使其電壓值與電流量獲得提升。除了提升性能之外，近年來各研究機構及廠商所關注的主要重點在於減少熱電池的製作成本，以減少軍事費用的支出。
有鑑於此，本發明人於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。
本發明所欲解決之技術問題在於針對現有技術存在的上述缺失，提供一種熱電池之電極極片製程。
步驟一：使用容器盛裝複合顆粒粉末，並以第一次雷射完全熔融該複合顆粒粉末而形成一電極極片；步驟二：以第二次雷射對該電極極片表面進行網狀掃描，使該電極極片表面形成有網狀溝槽；步驟三：將電解質粉末平鋪於該電極極片表面；以及步驟四：以第三次雷射完全熔融該電解質粉末，並透過該網狀溝槽控制液相電解質的流動範圍，即能於該電極極片上均勻凝固一薄型電解質片。
其中，該電極極片能為正極極片或負極極片，並能順序堆疊該正、負極的電極極片，使複數堆疊的該電極極片之間皆間隔有電解質片，進而極大化該正、負電極體積。
其中，該正極的電極極片使用的材料為硫化物，且該負極的電極極片使用的材料為鹼金屬或鹼土金屬，而該電解質片使用的材料為金 屬鹽類之共晶混合物。
其中，該正極的電極極片的材料為二硫化鐵(FeS2)或二硫化鈷(CoS2)，且該負極的電極極片的材料為鋰鋁(LiAl)、鋰矽(LiSi)或鋰硼(LiB)，而該電解質片的材料為氯化鋰/氯化鉀/二氧化矽(LiCl/KCl/SiO2)的共晶混合物。
其中，該電解質粉末添加有0.1wt%的三氧化二鐵(Fe2O3)，藉此幫助該電解質粉末對雷射能量的吸收，而該凝固於該電極極片上的電解質片厚度為0.2mm。
其中，該第一次雷射、第二次雷射及第三次雷射皆是利用一種選擇性雷射熔融(Selective Laser Melting,SLM)技術進行，形成該電極極片與該電解質片的完全熔融(full melting)，以及該電極極片表面的液相燒結(liquid-state sintering，LPS)。
其中，該第三次雷射的掃描功率大於該第一次雷射，且該第一次電射的掃描功率大於該第二次雷射。
其中，該第一次雷射、第二次雷射及第三次雷射的掃描功率介於0.1W至5W之間，且該掃描速率介於1mm/s至10mm/s之間。
其中，該容器形成有一容置室，並以該容置室盛放該複合顆粒粉末與電解質粉末進行雷射熱融，並以雷射掃描路徑決定該電極極片與電解質片的形狀。
其中，該容器於該容置室外周緣設置有一密封墊圈，並由該密封墊圈配合有一玻璃陶瓷片形成對該容置室的緊密蓋合，且該容置室下方形成有一真空抽取室，又該真空抽取室與該容置室之間相通有至少一通 孔，藉此構成該容置室的真空狀態。
本發明的第一主要目的在於，該電極極片表面另以雷射加工有網狀溝槽，藉此能再以雷射熔融於該電極極片表面形成有電解質片，由於該電解質片是建置於該電極極片上，使該電解質片能最薄化的製成薄片，並能順序堆疊該正、負極的電極極片，使複數堆疊的該電極極片之間皆間隔有電解質片，在相同大小的熱電池體積下，進而極大化該正、負電極體積，使該熱電池的電流量獲得提升。
本發明的第二主要目的在於，該複合顆粒粉末置入於固定形狀的該容器之容置室中，並以該選擇性雷射熔融(Selective Laser Melting,SLM)進行第一次雷射，就能以雷射掃描路徑成型有指定形狀之電極極片，該成型方式可生產各樣形狀之電極極片，進而可改變該熱電池之整體形狀，俾以提高其適用性。
本發明的第三主要目的在於，該容器於該容置室外周緣設置有一密封墊圈，並由該密封墊圈配合有一玻璃陶瓷片形成對該容置室的緊密蓋合，且該容置室下方形成有一真空抽取室，另該真空抽取室與該容置室之間相通有至少一通孔，藉此構成該容置室的真空狀態，該真空狀態可以減少熔融過程中孔洞的產生，亦能避免大氣水氣的影響。
其他目的、優點和本發明的新穎特性將從以下詳細的描述與相關的附圖更加顯明。
〔本創作〕
10‧‧‧容器
11‧‧‧容置室
12‧‧‧密封墊圈
13‧‧‧玻璃陶瓷片
14‧‧‧真空抽取室
15‧‧‧通孔
20‧‧‧電極極片
21‧‧‧網狀溝槽
30‧‧‧電解質片
第1圖係本發明之容器設備之立體圖。
第2圖係本發明之電極極片製程之步驟示意圖。
第3圖係本發明之電解質片製程之步驟示意圖(一)。
第4圖係本發明之電解質片製程之步驟示意圖(二)。
第5圖係本發明之電極極片堆疊之示意圖。
為使 貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如後：
先請由第1圖連續至第5圖所示觀之，一種熱電池之電極極片製程，步驟一：使用容器10盛裝複合顆粒粉末，並以第一次雷射完全熔融該複合顆粒粉末而形成一電極極片20，再進一步說明，該容器10形成有一容置室11，並以該容置室11盛放該複合顆粒粉末進行雷射熱融，即能形成該容置室11形狀的該電極極片20，又該容器10於該容置室11外周緣設置有一密封墊圈12，並由該密封墊圈12配合有一玻璃陶瓷片13形成對該容置室11的緊密蓋合，且該容置室11下方形成有一真空抽取室14，另該真空抽取室14與該容置室11之間相通有至少一通孔15，藉此構成該容置室11的真空狀態，該真空狀態可以減少熔融過程中孔洞的產生，亦能避免大氣水氣的影響。
步驟二：以第二次雷射對該電極極片20表面進行網狀掃描，使該電極極片20表面形成有網狀溝槽21，而該網狀溝槽21可為方格狀或菱格狀，另該網狀溝槽21於溝槽之間的間距為0.2mm。
步驟三：將電解質粉末平鋪於該電極極片20表面，由於該電極極片20可視為提供平鋪的基台，因此可大幅降低該電解質粉末的厚 度，又該電解質粉末(電解質片30)使用的材料為金屬鹽類之共晶混合物，且該電解質粉末(電解質片30)的材料能更進一步使用氯化鋰/氯化鉀/二氧化矽(LiCl/KCl/SiO2)的共晶混合物。
步驟四：以第三次雷射完全熔融該電解質粉末，即以該容器10之容置室11盛放該電解質粉末進行雷射熱融，並透過該網狀溝槽21控制液相電解質的流動範圍，即能於該電極極片20上均勻凝固一薄型電解質片30，進而形成該容置室11形狀的該電極極片20與電解質片30，又該電解質粉末添加有0.1wt%的三氧化二鐵(Fe2O3)，藉此幫助該電解質粉末對雷射能量的吸收，而該凝固於該電極極片20上的電解質片30厚度為0.2mm，其中，該第一次雷射、第二次雷射及第三次雷射皆是利用一種選擇性雷射熔融(Selective Laser Melting,SLM)技術進行，形成該電極極片20與該電解質片30的完全熔融(full melting)，以及該電極極片20表面的液相燒結(liquid-state sintering，LPS)，該第三次雷射的掃描功率大於該第一次雷射，且該第一次電射的掃描功率大於該第二次雷射，又該第一次雷射、第二次雷射及第三次雷射的掃描功率介於0.1W至5W之間，且該掃描速率介於1mm/s至10mm/s之間，當第一次、第二次及第三次雷射的掃描功率愈大或速率愈慢時，該雷射產生的熱融能量愈大，且該功率與速率可視使用材料不同、厚度不同進行調整。
再進一步配合第1圖至第5圖說明其效益，該電極極片20能為正極極片或負極極片，該正極的電極極片20使用的材料為硫化物，且該正極的電極極片20的材料進一步揭露為二硫化鐵(FeS2)或二硫化鈷(CoS2)，又該負極的電極極片20使用的材料為鹼金屬或鹼土金屬，且該負 極的電極極片20的材料進一步揭露為鋰鋁(LiAl)、鋰矽(LiSi)或鋰硼(LiB)，本創作透過選擇性雷射熔融(Selective Laser Melting,SLM)技術進行製程加工，其主要特徵為該電極極片20表面另以雷射加工有網狀溝槽21，藉此能再以雷射熔融於該電極極片20表面形成有電解質片30，由於該電解質片30是建置於該電極極片20上，使該電解質片30能最薄化的製成薄片，並能順序堆疊該正、負極的電極極片20，使複數堆疊的該電極極片20之間皆間隔有電解質片30，在相同大小的熱電池體積下，進而極大化該正、負電極體積，使該熱電池的電流量獲得提升，再者，該複合顆粒粉末是將混合的材料依據熱融溫度研磨為不同大小的顆粒，該較小粒徑的顆粒容易熱融形成流動，並用於黏著與填充該較大粒徑且未完全熱融之顆粒，藉此提高該電極極板的結構強度，而該複合顆粒粉末的粒徑大小係依據材料不同與需求不同進行調整，又該複合顆粒粉末置入於固定形狀的該容器10之容置室11中，並以該選擇性雷射熔融(Selective Laser Melting,SLM)進行第一次雷射，就能以雷射掃描路徑成型有指定形狀之電極極片20，該成型方式可生產各樣形狀之電極極片20，進而可改變該熱電池之整體形狀，俾以提高其適用性。
綜上所述，本發明確實已達突破性之結構設計，而具有改良之發明內容，同時又能夠達到產業上之利用性與進步性，且本發明未見於任何刊物，亦具新穎性，當符合專利法相關法條之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請 鈞局審查委員授予合法專利權，至為感禱。
唯以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍；即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化 與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (10)

  1. 一種熱電池之電極極片製程，其步驟為：步驟一：使用容器盛裝複合顆粒粉末，並以第一次雷射完全熔融該複合顆粒粉末而形成一電極極片；步驟二：以第二次雷射對該電極極片表面進行網狀掃描，使該電極極片表面形成有網狀溝槽；步驟三：將電解質粉末平鋪於該電極極片表面；以及步驟四：以第三次雷射完全熔融該電解質粉末，並透過該網狀溝槽控制液相電解質的流動範圍，即能於該電極極片上均勻凝固一薄型電解質片。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之熱電池之電極極片製程，其中，該電極極片能為正極極片或負極極片，並能順序堆疊該正、負極的電極極片，使複數堆疊的該電極極片之間皆間隔有電解質片，進而極大化該正、負電極體積。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之熱電池之電極極片製程，其中，該正極的電極極片使用的材料為硫化物，且該負極的電極極片使用的材料為鹼金屬或鹼土金屬，而該電解質片使用的材料為金屬鹽類之共晶混合物。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述之熱電池之電極極片製程，其中，該正極的電極極片的材料為二硫化鐵(FeS2)或二硫化鈷(CoS2)，且該負極的電極極片的材料為鋰鋁(LiAl)、鋰矽(LiSi)或鋰硼(LiB)，而該電解質片的材料為氯化鋰/氯化鉀/二氧化矽(LiCl/KCl/SiO2)的共晶混合物。
  5. 根據申請專利範圍第1項或第4項所述之熱電池之電極極片製程，其中，該電解質粉末添加有0.1wt%的三氧化二鐵(Fe2O3)，藉此幫助該電解質粉 末對雷射能量的吸收，而該凝固於該電極極片上的電解質片厚度為0.2mm。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之熱電池之電極極片製程，其中，該第一次雷射、第二次雷射及第三次雷射皆是利用一種選擇性雷射熔融(Selective Laser Melting,SLM)技術進行，形成該電極極片與該電解質片的完全熔融(full melting)，以及該電極極片表面的液相燒結(liquid-state sintering，LPS)。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述之熱電池之電極極片製程，其中，該第三次雷射的掃描功率大於該第一次雷射，且該第一次電射的掃描功率大於該第二次雷射。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述之熱電池之電極極片製程，其中，該第一次雷射、第二次雷射及第三次雷射的掃描功率介於0.1W至5W之間，且該掃描速率介於1mm/s至10mm/s之間。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述之熱電池之電極極片製程，其中，該容器形成有一容置室，並以該容置室盛放該複合顆粒粉末與電解質粉末進行雷射熱融，並以雷射掃描路徑決定該電極極片與電解質片的形狀。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述之熱電池之電極極片製程，其中，該容器於該容置室外周緣設置有一密封墊圈，並由該密封墊圈配合有一玻璃陶瓷片形成對該容置室的緊密蓋合，且該容置室下方形成有一真空抽取室，又該真空抽取室與該容置室之間相通有至少一通孔，藉此構成該容置室的真空狀態。
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