TWI652849B - 鋰電池 - Google Patents
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Abstract
一種鋰電池，其包含：多個氧化石墨烯量子點，其中該些氧化石墨烯量子點的一平均尺寸係介於2奈米至9奈米之間。
Description
本發明係關於一種電池，特別是關於一種鋰電池。
近年來，鋰電池廣泛的應用在各種電子產品、電動汽機車或儲能裝置中。因此許多研究的焦點是放在提升鋰電池的效能、能量密度以及安全性。
然而，對於現有的鋰電池的電力性質仍具有改善空間，因此有必要提供一種鋰電池，以進一步改善現有的鋰電池。
本發明之一目的在於提供一種鋰電池，其係包含具有特定平均尺寸範圍的多個氧化石墨烯量子點，藉以提升鋰電池的性能。
為達上述之目的，本發明提供一種鋰電池，其包含：多個氧化石墨烯量子點，其中該些氧化石墨烯量子點的一平均尺寸係介於2奈米至9奈米之間。
在本發明之一實施例中，更包含：一中空殼體；一正極，設置於該中空殼體內；及一負極，設置於該中空殼體內。
在本發明之一實施例中，該正極包含該些氧化石墨烯量子點。
在本發明之一實施例中，該負極包含該些氧化石墨烯量子點。
在本發明之一實施例中，更包含：一隔離膜，設置於該正極與該負極之間；及一液態電解質，填充於該正極與該隔離膜之間以及該負極與該隔離膜之間，其中該液態電解質中包含
一鋰離子成分。
在本發明之一實施例中，該液態電解質包含該些氧化石墨烯量子點。
在本發明之一實施例中，該隔離膜包含該些氧化石墨烯量子點。
在本發明之一實施例中，更包含一膠態電解質，設置於該正極與該負極之間。
在本發明之一實施例中，該膠態電解質包含該些氧化石墨烯量子點。
在本發明之一實施例中，該膠態電解質包含：85至95重量份的丙烯腈-乙酸乙烯酯聚合物；7.5至12.5重量份的聚甲基丙烯酸甲酯；0.05至1重量份的該些氧化石墨烯量子點；及20至70重量份的一液態電解質，其中該液態電解質的材質包含一鋰離子。
20‧‧‧鋰電池
21‧‧‧中空殼體
22‧‧‧正極
23‧‧‧負極
24‧‧‧液態電解質
25‧‧‧隔離膜
26‧‧‧氧化石墨烯量子點
30‧‧‧鋰電池
31‧‧‧中空殼體
32‧‧‧負極
33‧‧‧正極
34‧‧‧膠態電解質
37‧‧‧錫片
38‧‧‧簧片
41‧‧‧團聚粒子
42‧‧‧正電離子
43‧‧‧負電離子
44‧‧‧液態電解質
45‧‧‧高分子絲
46‧‧‧氧化石墨烯量子點
47‧‧‧膠態電解質
第1A圖：液態電解質中鋰離子的化學位移的實驗數據圖。
第1B圖：未添加氧化石墨烯量子點的膠態電解質中鋰離子的化學位移的實驗數據圖。
第1C圖：添加有氧化石墨烯量子點(平均尺寸為11奈米)的膠態電解質中鋰離子的化學位移的實驗數據圖。
第1D圖：添加有氧化石墨烯量子點(平均尺寸為7奈米)的膠態電解質中鋰離子的化學位移的實驗數據圖。
第1E圖：添加有氧化石墨烯量子點(平均尺寸約為3奈米)的膠態電解質中鋰離子的化學位移的實驗數據圖。
第2圖：本發明一實施例之鋰電池的示意圖。
第3圖：本發明另一實施例之鋰電池的示意圖。
第4A圖係未添加氧化石墨烯量子點的液態電解質中正電離子與負電離子的示意圖。
第4B圖係添加氧化石墨烯量子點的膠態電解質中正電離子與負電離子的示意圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
首先要說明的是，本發明是透過在鋰電池內加入多個氧化石墨烯量子點，以改善鋰電池的電力性質。具體而言，一般鋰電池的正極材料例如為鋰鈷氧化物(LiCoO2)，負極材料例如為石墨，並且在正極材料與負極材料之間設有電解質(例如LiPF6)，以使電解質中的正電離子(例如Li+)可在電池放電時從鄰近該負極材料處移動至該正極材料處。然而，為了增加充電及/或放電速率，一種方法是使電解質中的負電離子(PF6 -)不移動或減少移動。在本發明的一實施例中，透過加入該些氧化石墨烯量子點以使電解質中的負電離子(PF6 -)不移動或減少移動，進而提升鋰電池的電力性質。
請參照第1A至1E圖，第1A圖係液態電解質中鋰離子的化學位移(chemical shift)的實驗數據圖；第1B圖係未添加氧化石墨烯量子點的膠態電解質中鋰離子的化學位移的實驗數據圖；第1C圖係添加有氧化石墨烯量子點(平均尺寸約為11奈米)的膠態電解質中鋰離子的化學位移的實驗數據圖；第1D圖係添加有氧化石墨烯量子點(平均尺寸約為7奈米)的膠態電解質中鋰離子的化學位移的實驗數據圖；及第1E圖係添加有氧化石墨烯量子點(平均尺寸約為3奈米)的膠態電解質中鋰離子的化學位移的實驗數據圖。一般而言，化學位移(Chemical shift)是指有機分子中，
質子所受到的屏蔽效應程度不同導致在核磁共振譜上所產生的吸收峰位置不同的現象。在實際應用中，通常用四甲基矽烷((CH3)4Si)作為參照物，將其吸收峰的位置設為0ppm。因此，待測物質的測量結果可能為正數或負數。
續言之，當測量結果的峰值在0ppm的位置越高時，則表示電解質中的正電離子與負電離子的團聚情況越少。通常在這種情況下，即表示電解質中的負電離子(PF6 -)不移動或減少移動。因此，從第1A至1E圖可知，膠態電解質相對於液態電解質而言，對於該團聚情況有較好的改善效果；此外，加入氧化石墨烯量子點(例如平均尺寸為3或7奈米)的膠態電解質相對於未加入氧化石墨烯量子點的膠態電解質而言，對於該團聚情況有更進一步的改善效果。由此可見，在鋰電池中加入該些氧化石墨烯量子點，確實具有改善鋰電池的電力性質的效果。值得一提的是，雖然在後續的實施例中僅描述在膠態電解質加入該些氧化石墨烯量子點，但實際上在鋰電池中的其他部分(例如正極、負極、液態電解質或隔離層)加入該些氧化石墨烯量子點亦具有相同或相似的效果。
本發明一實施例提出一種鋰電池20，其包含多個氧化石墨烯量子點(graphene oxide quantum dot；GOQD)26，其中該些氧化石墨烯量子點26的一平均尺寸係介於2奈米至9奈米。在一些實施例中，該些氧化石墨烯量子點26的平均尺寸例如係3奈米、4奈米、5奈米、6奈米、7奈米或8奈米，其中當該些氧化石墨烯量子點的平均尺寸越小時，可具有較佳的電力性質改善效果。
在一實施例中，請參照第2圖，第2圖係本發明一實施例之鋰電池20的示意圖。該鋰電池20包含一中空殼體21、一正極22、一負極23、一液態電解質24、一隔離膜25與多個氧化石墨烯量子點26。該中空殼體21主要是盛裝該正極22、該負極23、該液態電解質24、該隔離膜25及/或其他電池構件。在一
實施例中，該正極22可以是鈷酸鋰(LiCoO2)、三元材料(NMC)及磷酸鐵鋰(LiFePO4)中的至少一種。在另一實施例中，該負極23可以是石墨、鋰金屬或其類似物中的至少一種。在又一實施例中，該隔離膜25設置於該正極22與該負極23之間，並且主要是用於避免該正極22與該負極23在直接電性接觸，並且確保液態電解質24中的正電離子與負電離子可以進行傳遞。在另一實施例中，該液態電解質24填充於該正極22與該隔離膜25之間以及該負極23與該隔離膜25之間，該液態電解質24中可包含一鋰離子成分，例如是LiPF6、LiClO4、LiSO4及LiBF4中的至少一種。更具體而言，該液態電解質24是在碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)/碳酸二甲酯(DMC)的電解質系統中溶有1重量百分比的碳酸亞乙烯酯(VC)，並加入上述的鋰離子成分。在一實施例中，該些氧化石墨烯量子點26可以被包含在該正極22、該負極23、該隔離膜25及該液態電解質24中的至少一種，藉以改善該鋰電池20的電力性質，其原理已在上方段落描述，故不再贅述。在一具體範例中，該些氧化石墨烯量子點26佔該正極22的重量百分比係大於0且小於或等於5%(即例如100克的正極22中含有大於0且小於或等於5克的該些氧化石墨烯量子點26)。在另一具體範例中，該些氧化石墨烯量子點26佔該負極23的重量百分比係大於0且小於或等於5%(即例如100克的負極23中含有大於0且小於或等於5克的該些氧化石墨烯量子點26)。在又一具體範例中，該些氧化石墨烯量子點26佔該隔離膜25的重量百分比係大於0且小於或等於2%(即例如100克的隔離膜25中含有大於0且小於或等於2克的該些氧化石墨烯量子點26)。
請參照第3圖，第3圖係本發明另一實施例之鋰電池30的示意圖。在本實施例中，該鋰電池30可包含一上殼體311、一下殼體312、一正極33、一負極32與一膠態電解質34。該上殼體311與該下殼體312可組成一中空殼體31，該中空殼體31可容納該正極33、該負極32與該膠態電解質34。在一實施例中，該
正極33可以是鈷酸鋰(LiCoO2)、三元材料(Li(NixMnyCoz)O2，其中x+y+z=1；Li(NixMnyCoz)O2可簡稱為NMC)及磷酸鐵鋰(LiFePO4)中的至少一種。在另一實施例中，該負極32可以是石墨、鋰金屬或其類似物中的至少一種。在又一實施例中，該膠態電解質34例如包含85至95重量份的丙烯腈-乙酸乙烯酯聚合物(Poly(acrylonitrile-co-vinyl acetate)；PAN-VAC)、7.5至12.5重量份的聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate)；PMMA)；0.05至1重量份的該些氧化石墨烯量子點；及20至70重量份的一液態電解質，其中該液態電解質中包含一鋰離子成分，其中該丙烯腈-乙酸乙烯酯聚合物的化學式可參考下式(I)，其中x例如係90至95之正整數，y例如係5至10之正整數。
在一具體範例中，該膠態電解質34的製作方法例如是將90重量份的丙烯腈-乙酸乙烯酯聚合物、10重量份的聚甲基丙烯酸甲酯與0.2重量份的該些氧化石墨烯量子點進行混合，並且透過靜電紡絲(Electrospinning)方法製造成一高分子薄膜。之後，使該高分子薄膜吸附一液態電解質(例如可使用第2圖中的液態電解質24)，以形成該膠態電解質34。在一實施例中，該高分子薄膜所吸附的液態電解質係介於20至70重量份之間。詳細而言，丙烯腈-乙酸乙烯酯聚合物的優點至少包含高離子溶解能力、高化學穩定性、熱穩定性、促進聚合物的膨脹度(swelling)與促進離子運輸等；另外，聚甲基丙烯酸甲酯的優點至少包含改善電極-電解質的界面處的接觸。因此，使用上述的材料製備該膠態電解質34可進一步改善鋰電池的電力性質。另外要提到的是，透過在該膠態電解質34中加入特定尺寸範圍的氧化石墨烯量子點，可再大幅提升鋰電池的電力性質，具體實施例可參考後面描述實施例1至2
與比較例1至3。
在一實施例中，該些氧化石墨烯量子點亦可被包含於該正極33或該負極32中，並且亦具有改善鋰電池的電力性質的效果。在另一實施例中，該鋰電池30的具體結構可更包含一簧片38與一錫片37，例如該鋰電池30中的各個構件依序組裝排列為該上殼體311、該簧片38、該錫片37、該負極32、該膠態電解質34與該正極33。在另一實施例中，該些氧化石墨烯量子點亦可被包含於該正極33及該負極32中的至少一種中。
具體而言，使用膠態電解質34的鋰電池30的優點之一在於，可避免或減少使用液態電解質的習知鋰電池所產生的漏液問題。另一方面，本發明一實施例之鋰電池30由於包含有該些氧化石墨烯量子點，因此也具有較良好的電力性質(相對於未加入氧化石墨烯量子點的傳統鋰電池)。
但要再次提到的是，本發明的至少一目的是在於透過加入該些氧化石墨烯量子點於鋰電池中，藉以提升該鋰電池的電力性質。因此，不論是使用膠態電解質的鋰電池或是使用液態電解質的鋰電池，該些氧化石墨烯量子點可提升這些鋰電池的電力性質。
以下列舉數個實施例與數個比較例的鋰電池的分析比較，以說明具有特定平均尺寸範圍的多個氧化石墨烯量子點確實具有提升這些鋰電池的電力性質的效果。
實施例1
提供一上殼體、一下殼體、一正極、一負極、具有多個氧化石墨烯量子點的一膠態電解質，將該正極、該負極與該膠態電解質放入該上殼體與該下殼體所形成一中空殼體中，以形成實施例1的鋰電池，其中該正極係磷酸鐵鋰(LiFePO4)，該負極係鋰。另外，該膠態電解質係透過上述的靜電紡絲方法製成一高分子薄膜，之後浸泡於液態電解質中而製成。該膠態電解質包含90重量份的丙烯腈-乙酸乙烯酯聚合物、10重量份的聚甲基丙烯
酸甲酯；0.2重量份的該些氧化石墨烯量子點；及20重量份的液態電解質，其中該些氧化石墨烯量子點的一平均尺寸係約為7.24奈米。
實施例2
提供一上殼體、一下殼體、一正極、一負極、具有多個氧化石墨烯量子點的一膠態電解質，將該正極、該負極與該膠態電解質放入該上殼體與該下殼體所形成一中空殼體中，以形成實施例1的鋰電池，其中該正極係磷酸鐵鋰(LiFePO4)，該負極係鋰。另外，該膠態電解質係透過上述的靜電紡絲方法製成一高分子薄膜，之後浸泡於液態電解質中而製成。該膠態電解質包含90重量份的丙烯腈-乙酸乙烯酯聚合物、10重量份的聚甲基丙烯酸甲酯；0.2重量份的該些氧化石墨烯量子點；及70重量份的液態電解質，其中該些氧化石墨烯量子點的一平均尺寸係約為2.84奈米。
比較例1
提供一中空殼體、一正極、一負極、一液態電解質與一隔離膜。將該正極、該負極、該液態電解質與該隔離膜放入該中空殼體中，以形成比較例1的鋰電池，其中該正極係磷酸鐵鋰(LiFePO4)、該負極係鋰、該液態電解質係在碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)/碳酸二甲酯(DMC)的電解質系統中溶有1重量百分比的碳酸亞乙烯酯(VC)，並加入LiPF6。
比較例2
提供一上殼體、一下殼體、一正極、一負極、不含氧化石墨烯量子點的一膠態電解質，將該正極、該負極與該膠態電解質放入該上殼體與該下殼體所形成一中空殼體中，以形成比較例2的鋰電池，其中該正極係磷酸鐵鋰(LiFePO4)，該負極係鋰。另外，該膠態電解質係透過上述的靜電紡絲方法製成一高分子薄膜，之後浸泡於液態電解質中而製成。該膠態電解質包含90重量份的丙烯腈-乙酸乙烯酯聚合物、10重量份的聚甲基丙烯酸甲酯及
20重量份的液態電解質。
比較例3
提供一上殼體、一下殼體、一正極、一負極、具有多個氧化石墨烯量子點的一膠態電解質，將該正極、該負極與該膠態電解質放入該上殼體與該下殼體所形成一中空殼體中，以形成比較例3的鋰電池，其中該正極係磷酸鐵鋰(LiFePO4)，該負極係鋰。另外，該膠態電解質係透過上述的靜電紡絲方法製成一高分子薄膜，之後浸泡於液態電解質中而製成。該膠態電解質包含90重量份的丙烯腈-乙酸乙烯酯聚合物、10重量份的聚甲基丙烯酸甲酯；0.2重量份的該些氧化石墨烯量子點；及70重量份的液態電解質，其中該些氧化石墨烯量子點的一平均尺寸係約為10.77奈米。
以下將對實施例1至2與比較例1至3的鋰電池進行電力性質的分析。
首先，將上述的實施例1至2與比較例1至3的鋰電池進行導電離子(Ionic Conductivity Measurement)測量、以15C-rate放電後剩餘克容量與500次電池循環壽命的分析，其中測量結果參照下表1。
從上表1可知，當鋰電池使用特定平均尺寸範圍的
多個氧化石墨烯量子點時(例如實施例1與2)，確實具有改善鋰電池的電力性質的效果。例如，相對於比較例1至3，實施例1與2的鋰電池具有較高的導電離子度、較高的剩餘克容量以及較高的電池循環壽命。而實施例1與2具有電力性質的改善效果的原理已在上方段落描述，故不再贅述。
請一併參照第4A與4B圖，第4A圖係未添加氧化石墨烯量子點的液態電解質44中正電離子42與負電離子43的示意圖；及第4B圖係添加氧化石墨烯量子點46的膠態電解質47中正電離子42與負電離子43的示意圖。在第4A圖中可知，液態電解質44中的正電離子42容易與負電離子43形成一團聚粒子41產生團聚效果，因此進而導致較慢的充電及/或放電效果。另一方面，本發明一實施例是通過前述的靜電紡絲方法製成一高分子薄膜(具有多條高分子絲45，且該些高分子絲45連接有多個氧化石墨烯量子點46)，之後浸泡於液態電解質44中而製成膠態電解質47。該膠態電解質47中正電離子42與負電離子43可如第4B圖所示。具體而言，負電離子43受到氧化石墨烯量子點46的吸引或牽制而不移動或減少移動，因此產生較少的團聚粒子41，故具有氧化石墨烯量子點46的鋰電池具有較佳的電力性質(相對於未加入氧化石墨烯量子點46的傳統鋰電池)。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (6)
- 一種鋰電池，其包含：一中空殼體；一正極，設置於該中空殼體內；一負極，設置於該中空殼體內；一隔離膜，設置於該正極與該負極之間；一液態電解質，填充於該正極與該隔離膜之間以及該負極與該隔離膜之間，其中該液態電解質中包含一鋰離子成分；以及多個氧化石墨烯量子點，其中該些氧化石墨烯量子點的一平均尺寸係介於2奈米至9奈米之間，以及該液態電解質包含該些氧化石墨烯量子點。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋰電池，其中該正極包含該些氧化石墨烯量子點。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋰電池，其中該負極包含該些氧化石墨烯量子點。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋰電池，其中該隔離膜包含該些氧化石墨烯量子點。
- 一種鋰電池，其包含：一中空殼體；一正極，設置於該中空殼體內；一負極，設置於該中空殼體內；一膠態電解質，設置於該正極與該負極之間；以及多個氧化石墨烯量子點，其中該些氧化石墨烯量子點的一 平均尺寸係介於2奈米至9奈米之間，以及該膠態電解質包含該些氧化石墨烯量子點。
- 如申請專利範圍第5項所述之鋰電池，其中該膠態電解質包含：85至95重量份的丙烯腈-乙酸乙烯酯聚合物；7.5至12.5重量份的聚甲基丙烯酸甲酯；0.05至1重量份的該些氧化石墨烯量子點；及20至70重量份的一液態電解質，其中該液態電解質中包含一鋰離子成分。
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