TWI679795B - 導電極板及其製備方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種導電極板之製備方法，其包含混合碳化粉末與高分子材料、金屬材料或氧化鉛中之其一以形成混合物；以及以定量的壓力加壓該混合物以獲得一導電極板，其中該碳化粉末係以植物性材料、有機排泄物或其組合在750~1100℃下無氧燒結製成。

Description

導電極板及其製備方法

本發明係為一種導電極板及其製備方法，尤指一種利用農業副產物製備之導電極板及其製備方法。

現今科技發達，人們對於攜帶型電子裝置的需求越趨普及，為使攜帶型電子裝置可以重複充電的方式補充電力，攜帶型電子裝置所裝配的電池幾乎是以可充電的鋰離子電池、鉛酸電池、燃料電池極板及導電板體作為其電力來源。傳統上用於鉛酸電池以及燃料電池極板的電極板的方法是將天然石墨提煉後磨成粉末狀，接著經加壓壓製或塗佈壓製成形而獲得；或是將非多孔材料之導電碳材與高分子材料混合後加壓燒結而獲得。然而利用天然石墨製成之導電極板具有怕水的缺點，而以非多孔材料之導電碳材製成之導電極板，因其表面形態需要更多的高分子材料及更高的壓力壓製才能有固定強度的結構，因此其內電阻較高。因此現已開發出利用多孔碳性材料製備導電極板之方法，其將橡膠、油氣等相關石油產物再次經過高溫裂解製程，形成多孔性材料之後再與高分子材料混合，最後將混合物加壓燒結製成導電極板。此種方法能減少塑料黏合劑，使得導電極板的內阻減少以獲得內電阻較低之導電極板。然而，以此種方法的成本較高且在製作過程中需使用強酸和強氧化劑，且會產生例如戴 奧辛之有毒氣體，對環境危害甚大。

因此，為改善上述之缺點，本發明係發明出一種利用植物材料、有機排泄物或其組合之農業副產物製備之導電極板及其製備方法。

為改善上述習知之缺點，本發明主要係對植物性材料、有機排泄物或其組合之農業副產物進行相關處理後，保留植物原有的多孔特性以取代現有之石化轉換多孔結構材料，進以降低成本且改善環境汙染的影響。

為達上揭之目的者，本發明提供一種導電極板的製備方法，其包括：混合碳化粉末與高分子材料、金屬材料或氧化鉛中之其一以形成混合物；以及以定量的壓力加壓該混合物以獲得導電極板，其中碳化粉末係以植物性材料、有機排泄物或其組合之農業副產物在750~1100℃下無氧燒結製成，其中金屬材料係選自於由銀(Ag)、銅(Cu)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鎂(Mg)、鈦(Ti)、鎳(Ni)所組成之群組中之其一或其任意組合，且高分子材料選自於由聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚苯乙烯(PS)所組成之群組中之其一或其任意組合。

較佳地，當與高分子材料混合時，方法進一步包含在加壓混合物後，以約220℃至280℃的溫度燒結經加壓之該混合物以形成導電極板。

較佳地，碳化粉末與高分子材料的重量比例為3：2~3：1。

較佳地，高分子材料為聚丙烯酸酯。

較佳地，與金屬材料混合時，方法進一步包含在加壓混合物後，以約500℃至650℃的溫度燒結經加壓之該混合物以形成導電極板。

較佳地，碳化粉末與金屬材料的重量比例為4：1~10：1。

較佳地，當與氧化鉛混合時，碳化粉末與氧化鉛的重量比例為1： 99~2：23。

較佳地，混合物係塗佈在鉛網板後加壓以形成導電極板。

較佳地，植物性材料可選自於由米糠、太空包、蘆葦、桔梗、木薯、甘蔗渣、棕梠殼、茶梗、椰子殼、咖啡渣、水中浮萍以及廢木所組成之群組中之其一或其任意組合。

較佳地，有機排泄物可選自於由牛糞、雞糞、豬糞以及沼渣所組成之群組中之其一或其任意組合。

本發明另外提供一種導電極板，其係由如上所述之方法製成。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文茲配合圖示列舉具體實施例。

S101~S105、S201~S205、S301~S305‧‧‧步驟

第1圖係依據本發明一實施例之導電極板之製備方法的流程圖。

第2圖係依據本發明另一實施例之導電極板之製備方法的流程圖。

第3圖係依據本發明又一實施例之導電極板之製備方法的流程圖。

第4圖係本發明實施例之碳化粉末與傳統碳材的比較示意圖。

第5圖係依據本發明一實施例之導電極板的照片。

第6圖係依據本發明一實施例之導電極板的照片。

為方便了解本發明之內容，以及所能達成之功效，茲配合圖式列舉具體實施例，詳細說明本發明的實施例如下： 第1圖係依據本發明一實施例之導電極板之製備方法的流程圖。如圖所示，此導電極板之製備方法包含混合碳化粉末與高分子材料以形成一混合物的步驟S101、加壓該混合物以形成一胚體的步驟S103以及以約220℃至280℃的溫度燒結該胚體以形成導電極板的步驟S105。

其中步驟S101中的碳化粉末係以植物性材料、有機排泄物或其組合等農業副產物在約750℃至1100℃的溫度下無氧燒結後研磨製成。植物性材料可為米糠、太空包(菇類)、蘆葦、桔梗、木薯、甘蔗渣、棕梠殼、茶梗、椰子殼、咖啡渣、水中浮萍、廢木等材料，且植物性材料並非僅限定為一種而已，意即植物性材料可為例如椰子殼、咖啡渣、米糠及太空包之組合、米糠、木薯及甘蔗渣之組合等。有機排泄物可為牛糞、雞糞、豬糞、沼渣等，且有機排泄物並非僅限定為一種而已，意即有機排泄物可為例如牛糞、沼渣、牛糞及沼渣之組合等。在另一實施例中，也可對植物性材料及有機排泄物之組合進行無氧燒結，植物性材料及有機排泄物之組合可為例如椰子殼及沼渣之組合、米糠及沼渣之組合等。

由於植物性材料及有機排泄物常伴隨著揮發物質以及水分，為了避免這類物質的干擾，在對植物性材料及/或有機排泄物進行無氧燒結程序之前需先對植物性材料及/或有機排泄物進行乾燥處理。乾燥處理可採用日曬乾燥、紅外線乾燥、熱風乾燥、真空乾燥或微波乾燥等方法，以有效乾燥植物性材料及/或有機排泄物。乾燥後之植物性材料及/或有機排泄物可於750℃至1100℃的溫度範圍內，更佳地則於850℃至1000℃的溫度範圍內進行2~16小時的恆溫無氧燒結。此時乾燥後之植物性材料及/或有機排泄物中的氧、氫以及其他不純物都會因為高溫而散失，最終僅剩高含量的碳。藉由調整加熱溫度以及時間將可改 變碳的含量。於750℃至1100℃的溫度範圍之溫度燒結時，所得之碳化粉末的碳含量可高達96~98%以上及石墨化硬碳結構，若以低於750℃的溫度進行無氧燒結，則可能導致燒結成品中的碳含量過低且非石墨結構，若以高於1100℃的溫度進行無氧燒結，則可能導致能秏增加。於無氧燒結製成過後，將燒結成品依需求研磨，以利混合及互相混合填空粉末與粉末中間之空位，進而完成碳化粉末的製備。舉例而言，燒結成品可被研磨成D50為0.1~2μm、5~18μm或0.15~0.5mm之粉末。

在步驟S101中將上述碳化粉末與高分子材料混合，使其中碳化粉末與高分子材料的重量比例為3：2~3：1。高分子材料選自於由聚丙烯酸酯、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)所組成之群組中之其一或其任意組合。聚丙烯酸酯的非限制性實例包含但不限於聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate),PMMA)、聚甲基丙烯酸乙酯(poly(ethyl methacrylate),PEMA)、聚甲基丙烯酸丙酯(poly(propyl methacrylate))、聚甲基丙烯酸異丙酯(poly(isopropyl methacrylate),PIPMA)、聚甲基丙烯酸丁酯(poly(butyl methacrylate),PBMA)、聚丙烯酸甲酯(poly(methyl acrylate),PMA)、聚丙烯酸乙酯(poly(ethyl acrylate),PEA)等。在一較佳實施例中，聚丙烯酸酯為PMMA。

接著在步驟S103中，以每平方公分20~60公斤之定量壓力加壓步驟S101中所得之混合物以獲得一胚體，在此步驟中若使用過大的壓力將導致設備成本的增加。最後在步驟S105中，以約220℃至280℃的溫度在不須保護氣體的情況下，燒結步驟S103中所得之胚體以形成導電極板，其中燒結溫度較佳地可為250~270℃。當以220℃至280℃的溫度對胚體進行燒結時，可使形成之導電極板具有防水特性佳、好的塑性佳、高結合強度、強度硬化之優點，高於此溫 度有脆化問題。依據本發明實施例之導電極板之製備方法可製成具有內電阻為0.5~25Ω的導電極板，其中內電阻的高低可藉由調整高分子材料的量來調整，且製得之導電極板可做成低溫型的碳棒或導電極板等。

第2圖係依據本發明另一實施例之導電極板之製備方法的流程圖。如圖所示，此導電極板之製備方法包含混合碳化粉末與金屬材料以形成一混合物的步驟S201、加壓該混合物以形成一胚體的步驟S203以及以約500℃至650℃的溫度燒結該胚體以形成導電極板的步驟S205。步驟S201中的碳化粉末係以與步驟S101中的碳化粉末相同之材料以及製程製得。

在步驟S201中將上述碳化粉末與金屬材料混合，使其中碳化粉末與金屬材料的重量比例為4：1~10：1。金屬材料的例子包含但不限於銀(Ag)、銅(Cu)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鎂(Mg)、鈦(Ti)、鎳(Ni)或低溫金屬材料(即低融點材料)。金屬材料較佳地為鋁、銀、銅或鉛，最佳為鋁。

接著在步驟S203中，以每平方公分20~40公斤的定量壓力加壓混合物以獲得一胚體，在此步驟中若使用過大的壓力將導致設備成本的增加。最後在步驟S205中，以約500℃至650℃的溫度燒結步驟S203中所得之胚體以形成導電極板，其中燒結溫度較佳地可為500~600℃。當以500℃至650℃的溫度對胚體進行燒結時，可使形成之導電極板具有防水特性佳、易後加工處理、高結合強度、強度硬化之優點，高於此溫度有能秏增加成本問題。依據本發明實施例之導電極板之製備方法可製成具有內電阻為0.1~10Ω的導電極板，其中內電阻的高低可藉由調整金屬材料的量來調整，且製得之導電極板可做成高溫型的碳棒、導電板或合金板等。

第3圖係依據本發明又一實施例之導電極板之製備方法的流程 圖。如圖所示，此導電極板之製備方法包含混合碳化粉末與氧化鉛以形成一混合物的步驟S301、將混合物塗佈於鉛網板的步驟S303、加壓塗佈有混合物的鉛網板以形成導電極板的步驟S305。步驟S301中的碳化粉末係以與步驟S101中的碳化粉末相同之材料以及製程製得，且在步驟S301中碳化粉末與氧化鉛的重量比例為1：99~2：23。

步驟S303中所用之鉛網板可為傳統上用於製造鉛酸電池時所用之鉛網板，且可使用習知之任何塗佈方法以將得自步驟S301的混合物塗佈於鉛網板的各表面上。塗佈方法的實例包含但不限於網版印刷、模注成形、刮塗成型等方式。接著在步驟S305中，以定量的壓力加壓塗佈有混合物的鉛網板以形成導電極板。依據本實施例方法製得之導電及板具有平整度高、不易龜裂、增加吸附量之優勢，且當該導電極板用於鉛電池時，可成功在-20℃提高2%的電容量。

依據本發明實施例之導電極板的製備方法保留植物原有的多孔特性以取代現有之石化轉換多孔結構材料，在製造過程中不會產生空氣汙染，排放之氣體可以收集成醋液，回到農業使用，從而可降低成本且改善環境汙染的影響。除此之外，參照第4圖，第4圖係本發明實施例之碳化粉末與傳統碳材的比較示意圖，其中第4圖的(a)部分為本發明實施例之碳化粉末與以斜線表示之高分子材料或金屬材料混合後之示意圖，第4圖的(b)部分為傳統碳材與以斜線表示之高分子材料或金屬材料混合後之示意圖。由第4圖可以看出，本發明實施例之碳化粉末具有不規則之形狀，因此與具有規則形狀之傳統碳材相比，其彼此間接觸之部分提高，有助於降低形成之導電極版之內電阻。據此，利用第1圖以及第2圖所示之導電極板的製備方法所製得之導電極板的內電阻可達到作為燃 料電池之雙極板使用之需求。利用第3圖所示之導電極板的製備方法所製得之導電極板可用作為鉛酸電池之鉛極板，且可改善傳統鉛極板因低溫特性造成的因為電池極、電解液之問題，使得鉛電池在低溫時無法有效放電之缺點。

第5圖係依據第1圖所示之製備方法製備之導電極板的照片，其內電阻為10.3Ω。

第6圖係依據第3圖所示之製備方法製備之導電極板的照片。

下文中提供更進一步的實例以更加詳細地解釋本發明的優點。

實例1

將所得之碳化粉末與PMMA以3：2~3：1的重量比例混合後，以定量的壓力加壓以形成胚體。接著以約250~270℃的溫度燒結胚體以形成導電極板。

比較例1

除了利用與實例1相同的碳化粉末與PET以3：2~3：1的重量比例混合以外，以與實例1相同之方式形成比較導電極板。

比較例2

除了利用與實例1相同的碳化粉末與EVA以3：2~3：1的重量比例混合以外，以與實例1相同之方式形成比較導電極板。

比較例3

除了利用180~220℃的溫度燒結胚體以外，以與實例1相同之方式形成比較導電極板。

比較例4

除了利用280~320℃的溫度燒結胚體以外，以與實例1相同之方式 形成比較導電極板。

接著測試各導電極板之內電阻，所得之結果如下表1所示。

由表1可以看出，相較於比較例1至4的導電極板，實例1的導電極板具有較低之內電阻。導電極板之內電阻會因為高分子材料的選擇而變化，且燒結胚體之溫度亦會對導電極板之內電阻產生影響。

實例2

將與實例1相同之碳化粉末與鋁(Al)以4：1~10：1的重量比例混合後，以定量的壓力加壓以形成胚體。接著以約500~600℃的溫度燒結胚體以形成導電極板。

比較例5

除了利用與實例1相同之碳化粉末以及鐵(Fe)以4：1~10：1的重量比例混合以外，以與實例2相同之方式形成比較導電極板。

比較例6

除了利用與實例1相同的碳化粉末以及鋰(Li)以4：1~10：1的重量比例混合以外，以與實例2相同之方式形成比較導電極板。

比較例7

除了利用400~500℃的溫度燒結胚體以外，以與實例2相同之方式形成比較導電極板。

比較例8

除了利用650~750℃的溫度燒結胚體以外，以與實例2相同之方式形成比較導電極板。

接著測試各導電極板之內電阻，所得之結果如下表2所示。

由表2可以看出，即使係利用相同之碳化粉末，導電極板之內電阻會受碳化粉末與金屬材料之混合比例以及燒結胚體之溫度影響，相較於比較例5至8的導電極板，實例2的導電極板具有較低之內電阻。

實例3

將1~8g的與實例1相同之碳化粉末與92~99g的氧化鉛混合後，以刮塗將混合物塗佈於鉛網板上，接著以刮板平壓定型整平厚度的加壓以形成導電極板。

比較例9

除了僅利用100g的氧化鉛混合以外，以與實例3相同之方式製得之導電極板。

比較例10

除了利用10g的與實例1相同的碳化粉末以及90g的氧化鉛混合以外，以與實例3相同之方式製得之導電極板。

接著測試各導電極板之電容量，所得之結果如下表3所示。

由表3可以看出，利用碳化粉末與氧化鉛混合製成之導電極板相較於僅使用氧化鉛的傳統導電及板具有較佳之電性能。這是因為本發明實施例之碳化粉末為植物多孔碳材，其具有較佳之含水量，故可提高電容量，然而當碳化粉末的比例過高時，製得之導電極板可能具有容易龜裂之缺點。

根據以上各實例以及比較例可以看出，依據本發明的導電極板的製備方法所製備之導電極板不但可降低成本、改善環境汙染的影響還具有較佳之電特性。

惟，以上所述者，僅為本發明之最佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍。故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所做之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (7)

1. 一種導電極板的製備方法，其包括：混合一碳化粉末與一高分子材料、一金屬材料或氧化鉛中之其一以形成一混合物；以及以定量的壓力加壓該混合物以獲得一導電極板，其中該碳化粉末係以一植物性材料、一有機排泄物或其組合在750~1100℃下無氧燒結製成，其碳含量高達96~98%以上，且該金屬材料係選自於由銀(Ag)、銅(Cu)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鎂(Mg)、鈦(Ti)、鎳(Ni)所組成之群組中之其一或其任意組合，且該高分子材料選自於由聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚苯乙烯所組成之群組中之其一或其任意組合，其中當該混合物係由該碳化粉末係與該高分子材料混合形成時，該碳化粉末與該高分子材料的重量比例為3：2~3：1，當該混合物係由該碳化粉末係與該金屬材料混合形成時，該碳化粉末與該金屬材料的重量比例為8：2~10：1，且不含8：2，且當該混合物係由該碳化粉末係與氧化鉛混合形成時，該碳化粉末與氧化鉛的重量比例為1：99~2：23。
2. 如申請專利範圍第1項所述之導電極板的製備方法，其中當與該高分子材料混合時，該方法進一步包含在加壓該混合物後，以約220℃至280℃的溫度燒結經加壓之該混合物以形成該導電極板。
3. 如申請專利範圍第2項所述之導電極板的製備方法，其中該高分子材料為聚丙烯酸酯。
4. 如申請專利範圍第1項所述之導電極板的製備方法，其中當與該金屬材料混合時，該方法進一步包含在加壓該混合物後，以約500℃至650℃的溫度燒結經加壓之該混合物以形成該導電極板。
5. 如申請專利範圍第1項所述之導電極板的製備方法，其中當與氧化鉛混合時，該方法進一步包含將該混合物係塗佈在鉛網板後加壓以形成該導電極板。
6. 如申請專利範圍第1項所述之導電極板的製備方法，其中該植物性材料係選自於由米糠、太空包、蘆葦、桔梗、木薯、甘蔗渣、棕梠殼、茶梗、椰子殼、咖啡渣、水中浮萍以及廢木所組成之群組中之其一或其任意組合，且該有機排泄物係選自於由牛糞、雞糞、豬糞以及沼渣所組成之群組中之其一或其任意組合。
7. 一種導電極板，其係由如申請專利範圍第1項至第6項中之任一項所述之方法製成。