TWI790095B - 鋁電池的負極結構 - Google Patents

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Abstract

一種鋁電池的負極結構，包括鋁箔以及塗層。塗層設置於鋁箔上。塗層的材料包括高比表面積碳材料，且高比表面積材料的比表面積範圍介於500m 2/g至3000m 2/g之間。

Description

鋁電池的負極結構
本發明是有關於一種鋁電池，且特別是有關於一種鋁電池的負極結構。
鋁電池是一種以金屬鋁箔為負極的新型電化學儲能元件，具有安全性好及成本低等優點，而鋁電池的負極往往會考慮到許多因素進行改良與設計。
舉例而言，在鋁電池中，由於鋁箔負極在充電時會進行電化學沉積反應，而沉積的過程中因為電子分佈不均勻而長出如同樹枝狀尖銳的結晶並沿電場方向生長(稱為枝晶現象)，進而有可能刺穿隔離膜並觸碰正極端，造成鋁電池之短路減少其壽命。
本發明提供一種鋁電池的負極結構，其可以改善枝晶現象對鋁電池所產生的不良影響，進而讓鋁電池於壽命上獲得顯著提升。
本發明的一種鋁電池的負極結構，包括鋁箔以及塗層。塗層設置於鋁箔上。塗層的材料包括高比表面積碳材料，且高比表面積材料的比表面積範圍介於500m 2/g(平方米/克)至3000 m 2/g之間。
在本發明的一實施例中，上述的高比表面積碳材料包括活性碳。
在本發明的一實施例中，上述的塗層的材料更包括導電材料。
在本發明的一實施例中，上述的導電材料包括導電碳黑、科琴黑(KJ black)、奈米碳管、石墨烯、乙炔黑或其組合。
在本發明的一實施例中，上述的導電材料在所述塗層中的摻雜比例介於2wt%(重量百分比)至50wt%之間。
在本發明的一實施例中，上述的塗層的材料更包括黏結材料。
在本發明的一實施例中，上述的黏結材料包括纖維素或橡膠。
在本發明的一實施例中，上述的塗層的厚度介於10微米(μm)至100微米之間。
在本發明的一實施例中，上述的鋁電池的負極結構適用於軟包型鋁電池。
在本發明的一實施例中，上述的塗層直接塗佈於鋁箔上。
基於上述，本發明的鋁電池的負極結構藉由在鋁箔上設置包括高比表面積碳材料的塗層，以在鋁箔表面提供許多成核點，使枝晶能在鋁箔表面以較慢的速度均勻的生長，如此一來，可以改善枝晶現象對鋁電池所產生的不良影響，進而讓鋁電池於壽命上獲得顯著提升。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
為了使本發明之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例作為本發明確實能夠據以實施的範例。為明確說明，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解的是，這些實務上的細節不應用被以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。
除非另有定義，本文使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。
圖1是依照本發明的一實施例的鋁電池的負極結構的部分剖面示意圖。圖2A是比較實例與比較例於壽命的結果示意圖。圖2B是比較實例與比較例於最高電量的結果示意圖。
請參考圖1、圖2A與圖2B，本實施例的一種鋁電池的負極結構100包括鋁箔110以及塗層120，其中塗層120設置於鋁箔110上。進一步而言，塗層120的材料包括高比表面積碳材料，且高比表面積材料的比表面積範圍介於500m 2/g至3000m 2/g之間(例如是1000m 2/g、1300m 2/g、1500m 2/g、1700m 2/g、2000m 2/g、2500m 2/g或上述500m 2/g至3000m 2/g內的任一數值)。據此，本實施例的鋁電池的負極結構100藉由在鋁箔110上設置包括高比表面積碳材料的塗層120，以在鋁箔110表面提供許多成核點，使枝晶10能在鋁箔110表面以較慢的速度均勻的生長(如圖1A所示枝晶10均勻地成長在鋁箔110上)，如此一來，可以改善枝晶現象對鋁電池所產生的不良影響，進而讓鋁電池於壽命上獲得顯著提升。
進一步而言，高比表面積碳材料可以提供充足的反應位點，使負極鍍鋁能力提升，因此本實施例的鋁箔110表面有許多孔洞結構可使電解液中的活性物質(如Al 2Cl 7 -、AlCl 4 -)沉積鋁讓鍍鋁層均勻，以改善鋁箔表面因為成核點不足而快速累積枝晶的問題。
在一些實施例中，高比表面積碳材料包括活性碳，因此本實施例透過在鋁箔110表面直接塗佈高孔洞性之活性碳材料作為鋁電池中的負極(陽極)集流體材料，藉由高比表面積的特性，在鋁箔110表面提供許多成核點，使活性物質能在孔洞結構中進行溶鍍鋁反應，均勻形成鍍鋁層，大幅改善習知電池因僅使用金屬箔材作為負極集流體所常見的因成核點不足，使枝晶快速生長刺穿隔離膜與正極接觸導致電池短路的問題，因此可以讓鋁電池於壽命上獲得顯著提升，但本發明不限於此。
在一些實施例中，塗層120的材料更包括導電材料，以有效降低電化學阻抗，使鍍鋁反應能大量進行，提升鋁電池中活性物質的利用率，增加鋁電池的放電容量，如此一來，可以進一步有效解決鋁電池因為鍍鋁枝晶導致的壽命表現不佳的問題，舉例而言，導電材料可以包括導電碳黑、科琴黑、奈米碳管、石墨烯、乙炔黑或其組合。
進一步而言，塗層120可以是以漿料形式塗佈在鋁箔110表面，製程簡單易於規模化生產。此外，導電材料可以是摻雜於漿料內，藉由摻雜固定比例的導電材料於漿料內，利用導電材料高導電且粒徑較小的特性，於鋁箔110與均勻分散結構，以在鋁箔110與高比表面積碳材料間形成鏈式導電結構，提高表面的電子導電率，使電子更容易從鋁箔110(集流體)傳遞於高比表面積碳材料表面。此外，表面導電度提升可使鍍鋁反應大量產生，讓電解液中活性物質利用度更進一步獲得提升，進而在最高電量上具有良好地表現。
在一些實施例中，導電材料在塗層120中的摻雜比例可以介於2wt%至50wt%之間(例如是2wt%、5wt%、10wt%、30wt%、50wt%或上述2wt%至50wt%內的任一數值)，但本發明不限於此，導電材料為可選地添加至塗層120中，換句話說，塗層120中亦可以不添加導電材料。
在一些實施例中，會於前述漿料內加入黏結材料，以使漿料塗佈後可以確實地黏附於鋁箔110表面上，因此塗層120的材料更包括黏結材料，其中黏結材料可以包括纖維素或橡膠，舉例而言，纖維素可以為羧甲基纖維素或羥乙基纖維素或甲基纖維素或羥丙基甲基纖維素，而橡膠可以為丁苯橡膠或聚丙烯酸或聚乙烯醇但本發明不限於此，黏結材料可以使用任何適宜的具有黏結特性的材料。
在一些實施例中，塗層120的厚度介於10微米至100微米之間(例如是10微米、30微米、50微米、70微米、100微米或上述10微米至100微米內的任一數值)，以具有較佳的改善效果，但本發明不限於此。
在一些實施例中，鋁電池的負極結構100適用於軟包型鋁電池，其中軟包型鋁電池可以使用離子液體電解液，但本發明不限於此，鋁電池的負極結構100也可以適用於其他適宜的鋁電池類型。
下文將參照實例1及比較例1，更具體地描述本發明的功效。此外，雖然描述了以下實例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細節以及流程等等。因此，不應由下文所述之實例1對本發明作出限制性地解釋。
＜實例1＞
實例1的鋁電池的負極結構為鋁箔及設置於其上的塗層，其中塗層使用的高比表面積碳材料為活性碳，比表面積為1500m 2/g且鋁電池為軟包型鋁電池。
＜比較例1＞
比較例1的鋁電池的負極結構為鋁箔(不設置塗層)，鋁電池亦為軟包型鋁電池。
在此，鋁電池其他未說明的組成與規格應是本發明所屬領域的普通技術人員可以依據任何涵蓋包含在隨附申請專利範圍的精神及範圍內的內容所得。
圖2A與圖2B是以充電電壓在1伏特(V)至2.6伏特之間，4C充放電速率為條件分別進行壽命與最高電量的測試，從圖2A與圖2B的結果顯示，相較於比較例1，實例1於壽命與最高電量上都有顯著的提升。
綜上所述，本發明的鋁電池的負極結構藉由在鋁箔上設置包括高比表面積碳材料的塗層，以在鋁箔表面提供許多成核點，使枝晶能在鋁箔表面以較慢的速度均勻的生長，如此一來，可以改善枝晶現象對鋁電池所產生的不良影響，進而讓鋁電池於壽命上獲得顯著提升。
雖然本發明已以實施例揭露如上，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。
10:枝晶 100:鋁電池的負極結構 110:鋁箔 120:塗層
圖1是依照本發明的一實施例的鋁電池的負極結構的部分剖面示意圖。 圖2A是比較實例與比較例於壽命的結果示意圖。 圖2B是比較實例與比較例於最高電量的結果示意圖。
10:枝晶
100:鋁電池的負極結構
110:鋁箔
120:塗層

Claims (9)

  1. 一種鋁電池的負極結構，包括：鋁箔；以及塗層，設置於所述鋁箔上，其中所述塗層的材料包括高比表面積碳材料，所述高比表面積材料的比表面積範圍介於500m2/g至3000m2/g之間，且所述塗層直接塗佈於所述鋁箔上。
  2. 如請求項1所述的鋁電池的負極結構，其中所述高比表面積碳材料包括活性碳。
  3. 如請求項1所述的鋁電池的負極結構，其中所述塗層的材料更包括導電材料。
  4. 如請求項3所述的鋁電池的負極結構，其中所述導電材料包括導電碳黑、科琴黑、奈米碳管、石墨烯、乙炔黑或其組合。
  5. 如請求項3所述的鋁電池的負極結構，其中所述導電材料在所述塗層中的摻雜比例介於2wt%至50wt%之間。
  6. 如請求項1所述的鋁電池的負極結構，其中所述塗層的材料更包括黏結材料。
  7. 如請求項6所述的鋁電池的負極結構，其中所述黏結材料包括纖維素或橡膠。
  8. 如請求項1所述的鋁電池的負極結構，其中所述塗層的厚度介於10微米至100微米之間。
  9. 如請求項1所述的鋁電池的負極結構，其中所述鋁電池的負極結構適用於軟包型鋁電池。
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