TWI736211B - 石墨烯熱電池結構 - Google Patents

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姚培智
許沛清
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大陸商烯美科技（深圳）有限公司
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Abstract

本發明係提供一種石墨烯熱電池結構，包括：一殼體；一蓋體；一對端子；一激發元件；一引燃元件；一電池堆，該電池堆包含多個單體電池，該每一單體電池包括一負電極片、一電解質片與一正電極片，該每一負電極片係由一鋰化石墨烯電極構成，該每一鋰化石墨烯電極係由一多孔石墨烯基材進行鋰化程序形成並具有多個孔隙且在其石墨烯之層與層間有間隙，讓多個鋰離子藉由充塞於該等孔隙中之電解質，嵌入其石墨烯層與層間之間隙，藉此，能提高以該每一鋰化石墨烯電極作為負電極片的石墨烯熱電池輸出功率，並使電極機械強度更強，導熱性更好，導電性更佳。

Description

石墨烯熱電池結構
本發明係有關於一種熱電池結構，尤指一種利用負電極片由一鋰化石墨烯電極構成之石墨烯熱電池結構。
熱電池(thermal battery)主要為軍事用途，如飛彈之引信點火，也應用在車輛電池失效時之緊急啟動引擎之一次用電源，特別在天寒地凍時；此係因熱電池以固體作為電解質之固體電池，可長久存放，具有不會因放置一段時間放電而失去蓄電量的優點。熱電池之熱源片被瞬間點燃後，產生一定溫度，電解質轉為液態，使電池產生動力。
熱電池之負電級，現有技術中常用的負電極材料有LiAl、LiSi合金等，這些負電極各有其特點，不過仍有尋求使熱電池輸出功率更高，使電極機械強度更強，導熱性更好，導電性更佳的需求。
緣此，本發明人有鑒於此，即著手研發構思其解決方案，希望能開發出一種新的負極材料以導入熱電池結構，能達到以上之需求，遂經多時之構思而有本發明之產生。
本發明之目的係在提供一種石墨烯熱電池結構，可達到熱電池輸出功率更高，使電極機械強度更強，導熱性更好，導電性更佳的需求者。
本發明為了達成上述目的，其所採用之技術手段包括有：一殼體；
一蓋體，其係覆蓋該殼體，並與該殼體形成有一內部空間； 一對端子，係連通該內部空間並穿出該蓋體，作為該石墨烯熱電池被活化時需要輸入電力的端子，與作為該石墨烯熱電池被活化後需要輸出電力的端子；一激發元件，該激發元件係設置於該內部空間，且與該對端子電性連接；一引燃元件，該引燃元件係設置於該內部空間內，且鄰近該激發元件，其係作為當該石墨烯熱電池被活化需要熱量時，由該激發元件點燃用；以及一電池堆，其係設置於該內部空間內，與該對端子電性連接，並且鄰近該引燃元件，該電池堆包含多個單體電池，該每一單體電池包括一負電極片、一電解質片與一正電極片，該每一負電極片係由一鋰化石墨烯電極構成，該每一鋰化石墨烯電極係由一具有多個孔隙之多孔隙石墨烯基材進行鋰化程序形成，該多孔隙石墨烯基材係包括有多層石墨烯；其中，該每一鋰化石墨烯電極其具有多個孔隙且在其石墨烯之層與層間有間隙，使該電解質片引燃加熱液化後之電解質並充塞於該等孔隙中，多個鋰離子藉由充塞於該多個孔隙中之該電解質，嵌入該石墨烯層與層間之間隙，故能提高以該每一鋰化石墨烯電極作為負電極片的石墨烯熱電池輸出功率。
前述構成，其中該多孔隙石墨烯基材係由一具有多個孔隙之多孔隙基材，與該多孔隙基材之該等孔隙之週邊附有一高純度多孔石墨烯層構成。
前述構成，其中該多孔隙基材係選自以下其中之一：多孔隙碳材基材、多孔隙石墨、多孔隙金屬基材，但本發明並不限於此。
前述構成，其中該每一單體電池更包括一熱片，該每一熱片係提供每一單體電池之熱量。
前述構成，其中該一對端子係兼為點燃該引燃元件之該激發元件，而取代或作為該激發元件之設置。
前述構成，其中該電池堆之周圍係設置一保溫層，該保溫層係用以減少該石墨烯熱電池之熱量流失，俾延長該石墨烯熱電池的工作時間。
前述構成，其中該保溫層係選自以下其中之一：天然雲母、 人造雲母、矽酸鋁纖維、石棉紙與隔熱材料，但本發明並不限於此。
茲為使 貴審查委員對本發明之技術、方法特徵及所達成之功效更有進一步之了解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：
205:孔隙
200:石墨烯熱電池
210:殼體
220:蓋體
230:端子
240:激發元件
250:電池堆
260:單體電池
261:負電極片
262:電解質片
263:正電極片
264:熱片
266:多孔隙石墨烯基材
267:多孔隙基材
268:高純度多孔石墨烯層
270:保溫層
280:內部空間
290:引燃元件
第1圖為本發明石墨烯熱電池之結構示意圖。
第2圖為本發明之單體電池之結構示意圖。
第3圖為本發明之多孔隙基材之示意圖。
第3-1圖為本發明之多孔隙基材之局部放大圖。
第3-2圖為本發明之多孔隙石墨烯基材之局部放大圖。
第4圖為本發明之單體電池之另一實施例結構示意圖。
請參閱第1-4圖，為本發明石墨烯熱電池結構之較佳實施例，該些圖式均為用以便利說明之示意圖，其僅以示意方式說明本發明之基本結構，且所顯示之構成繪製並未限定相同於實際實施時之形狀及尺寸比例，其實際實施時之形狀及尺寸比例乃為一種選擇性之設計。
如第1圖所示，本發明係提供一種石墨烯熱電池200結構，其包括：
一殼體210，其係作為該石墨烯熱電池200的外殼結構；
一蓋體220，其係覆蓋該殼體210，並與該殼體形成有一內部空間280；
一對端子230，其係連通該內部空間並穿出該蓋體220，作為該石墨烯熱電池200被活化時需要輸入電力的端子230，與作為該石墨烯熱電池200被活化後需要輸出電力的端子230；
一激發元件240，該激發元件240係設置於該內部空間280，且與該對端子230電性連接；
一引燃元件290，該引燃元件290係設置於該內部空間280內，且鄰近該激發元件240，其係作為當該石墨烯熱電池200被活化需要熱量時，由該激發元件240點燃用；以及
一電池堆250，其係設置於該內部空間280內，與該對端子230電性連接，並且鄰近該引燃元件290，該電池堆250包含多個單體電池260。
如第2圖所示，該每一單體電池260包括一負電極片261、一電解質片262與一正電極片263，該每一負電極片261係由一鋰化石墨烯電極構成，該每一鋰化石墨烯電極係由一具有多個孔隙之多孔隙石墨烯基材266進行鋰化程序而形成，該多孔隙石墨烯基材266係包括有多層石墨烯。
其中，該每一鋰化石墨烯電極其具有多個孔隙且在其石墨烯層與層間有間隙，使該電解質片262引燃加熱液化後之電解質充塞於該等孔隙中，多個鋰離子藉由充塞於該多個孔隙中之電解質，嵌入其石墨烯層與層間之間隙，故能提高以該每一鋰化石墨烯電極作為負電極片的石墨烯熱電池200輸出功率。
此外，本案以鋰化石墨烯電極，作為石墨烯熱電池200之單體電池260之負電極片261，代替現有技術中以Li/Si作為熱電池之負電極，如此本案之負電極片261，除了提高石墨烯熱電池200輸出功率外，也具有使負電極片261機械強度更強，導熱性更好，導電性更佳的優點。
其中，前述每一鋰化石墨烯電極係由一具有多個孔隙之多孔隙石墨烯基材266進行鋰化程序形成，且在該多孔隙石墨烯基材266其石墨烯之層與層間有間隙，該電解質並充塞於該等孔隙中，其鋰化是指多個鋰離子藉由充塞於該等孔隙中之電解質，嵌入其石墨烯層與層間之間隙，方便當其為負電極時，放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入之反應，本發明其鋰化的方式並不限定，現有的鋰化方式都可適用。
如第3-1、3-2圖所示，其中，該多孔隙石墨烯基材266係由一具有多個孔隙205之多孔隙基材267，與該多孔隙基材267之該等孔隙205之週邊附有一高純度多孔石墨烯層268構成。如第3圖所示，其為該多孔隙基材267 之示意圖；如第3-1圖，其為該多孔隙基材267之局部放大圖，顯示該多孔隙基材267內有無數個孔隙205；如第3-2圖，其為該多孔隙石墨烯基材266之局部放大圖，顯示該多孔隙石墨烯基材266之多個孔隙205之週邊附有一高純度多孔石墨烯層268。
在一多孔隙基材267之多個孔隙205之週邊形成一高純度多孔石墨烯層268的方法，於本發明中並不限定，包含機械剝離法(mechanical exfoliation)、磊晶成長法(Epitaxial growth)、化學氣相沈積法(chemical vapor deposition,CVD)、化學剝離法(chemical exfoliation)、電化學剝離法(electrochemical exfoliation)及雷射照射聚醯亞胺(Polyimide，簡稱PI)形成多孔石墨烯(Laser induced grapheme)等方法都可。
其中，該多孔隙基材267係可選自以下其中之一：多孔隙碳材基材、多孔隙石墨、多孔隙金屬基材，但本發明並不限於此，只要是具有多個孔隙的基材，能將多孔隙特徵維持到後續形成單體電池260之負電極片261即可，如此可提高石墨烯熱電池200的輸出功率。
其中，該一對端子230係可兼為點燃該引燃元件290之激發元件240，而取代或作為該激發元件240之設置。
如第4圖所示，其中該每一單體電池260更包括一熱片264，該每一熱片264係提供每一單體電池260之熱量。
其中，該電池堆250之周圍係設置一保溫層270，該保溫層270係用以減少該石墨烯熱電池200之熱量流失，俾延長該石墨烯熱電池200的工作時間。
其中，該保溫層270係可選自以下其中之一：天然雲母、人造雲母、矽酸鋁纖維、石棉紙與隔熱材料，但本發明並不限於此，只要具有保溫隔熱效果之材料皆可。
本發明石墨烯熱電池結構藉由前述構成設計，以鋰化石墨烯電極，作為石墨烯熱電池200之單體電池260之負電極片261，能提高石墨烯熱電池200輸出功率外，也具有機械強度更強，導熱性更強，導電性更好的 優點，使本發明之應用達到極佳經濟效益性。
綜上所述，本發明確實為一相當優異之創思，爰依法提出發明專利申請；惟上述說明之內容，僅為本發明之較佳實施例而已，舉凡依本發明之技術手段所延伸之變化，理應落入本發明之專利申請範圍。
260:單體電池
261:負電極片
262:電解質片
263:正電極片

Claims (6)

  1. 一種石墨烯熱電池結構，其包括：一殼體；一蓋體，其係覆蓋該殼體，並與該殼體形成有一內部空間；一對端子，係連通該內部空間並穿出該蓋體，作為該石墨烯熱電池被活化時需要輸入電力的端子，與作為該石墨烯熱電池被活化後需要輸出電力的端子；一激發元件，該激發元件係設置於該內部空間，且與該對端子電性連接；一引燃元件，該引燃元件係設置於該內部空間內，且鄰近該激發元件，其係作為當該石墨烯熱電池被活化需要熱量時，由該激發元件點燃用；以及一電池堆，其係設置於該內部空間內，與該對端子電性連接，並且鄰近該引燃元件，該電池堆包含多個單體電池，該每一單體電池包括一負電極片、一電解質片與一正電極片，該每一負電極片係由一鋰化石墨烯電極構成，該每一鋰化石墨烯電極係由一具有多個孔隙之多孔隙石墨烯基材進行鋰化程序形成，該多孔隙石墨烯基材係包括有多層石墨烯；其中，該多孔隙石墨烯基材係由一具有多個孔隙之多孔隙基材，與該多孔隙基材之該等孔隙之週邊附有一高純度多孔石墨烯層構成；其中，該每一鋰化石墨烯電極其因具有多個孔隙且在其石墨烯之層與層間有間隙，使該電解質片引燃加熱液化後之電解質並充塞於該等孔隙中，多個鋰離子藉由充塞於該多個孔隙中之該電解質，嵌入該石墨烯層與層間之間隙，故能提高以該每一鋰化石墨烯電極作為負電極片的石墨烯熱電池輸出功率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之一種石墨烯熱電池結構，其中該多孔隙基材係選自以下其中之一：多孔隙碳材基材、多孔隙石墨、多孔隙金屬基材。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之一種石墨烯熱電池結構，其中該每一單體電池更包括一熱片，該每一熱片係提供每一單體電池之熱量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之一種石墨烯熱電池結構，其中該一對端子係兼為點燃該引燃元件之該激發元件，而取代或作為該激發元件之設置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之一種石墨烯熱電池結構，其中該電池堆之周圍係設置一保溫層，該保溫層係用以減少該石墨烯熱電池之熱量流失，俾延長該石墨烯熱電池的工作時間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之一種石墨烯熱電池結構，其中該保溫層係選自以下其中之一：天然雲母、人造雲母、矽酸鋁纖維、石棉紙與隔熱材料。
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