TWI818441B

TWI818441B - 鋁陰極二次電池

Info

Publication number: TWI818441B
Application number: TW111105838A
Authority: TW
Inventors: 曾登熙; 康騰元; 曾仕豪
Original assignee: 曾登熙; 康騰元; 曾仕豪
Priority date: 2022-02-17
Filing date: 2022-02-17
Publication date: 2023-10-11
Also published as: TW202335333A

Abstract

本發明為一種鋁陰極二次電池(Creation of Metal Aluminum Secondary Battery)，在一封裝有電解液的容器中設有以預先設定間距配置的至少一陰極材及至少一陽極材；其中，該電解液為含有鋁鹽的離子液體，各該陰極材含有金屬鋁，各該陽極材至少含有碳系材料或醌類化合物；首先對各該陰、陽極材分別連接外部正、負極電荷，使各該陰極材游離出的鋁離子透過電解液遷入陽極材進行充電反應，完成充電後可由該些自該陽極材釋出鋁離子透過電解液還原至陰極材進行放電反應，並可藉由該些鋁離子在陰、陽極材之間反覆遷入、還原達到反覆進行充電、放電的效果，為符合當今世界各國節能減碳、減少污染、綠能環保之訴求。

Description

鋁陰極二次電池

本發明係有關一種可反覆進行充電、放電反應的二次電池，特別是指一種原料取得相對容易，原料成本相對低廉，以及使用時相對更為安全、可靠的鋁陰極二次電池(Creation of Metal Aluminum Secondary Battery)。

按，二次電池是指可充電再重複使用的電池，其一樣是經過化學能轉換成電能，且可以藉由充電的方式，將電能重新轉化成化學能，便可讓電池再次使用，而使用的次數通常隨著材料與設計有其差異性。

已知的二次電池，材料特性區分主要有：如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰系電池等；其中，鋰系電池又分鋰鎳電池、鋰鈷電池、鋰錳電池、鋰鈦電池、鋰鐵電池等。

然而，目前市面上流通的各式二次電池均存在著不同程度的隱憂；例如，鉛酸電池雖然安全性較高，但能量密度低、體積大又笨重等缺點；鋰系電池雖然好用但成本太高，而且面臨礦源枯竭，所以價格只會越來越高，況且使用上的安全性較有疑慮(安全性差)，高溫時會有爆炸或是電容量下降的問題，對使用者而言存在極大的威脅。

另外，一些較不常見的二次電池，例如，空氣電池則普遍存在著電解液容易碳酸化，導致電池整體性能下降的缺點；太陽能電池則有能量密度低，能量來源不穩定，夜間無法使用及容易受地點與氣候影響，無法提供穩定電力；燃料型電池則普遍存在著啟動時間長，電解液具毒性、容易洩漏腐蝕等問題。

有鑑於此，本發明之主要目的，即在提供一種原料取得相對容易，原料成本相對低廉，以及使用時相對更為安全、可靠的二次電池，且為符合當今世界各國節能減碳、減少污染、綠能環保潮流的政策。

為了達到上述目的，本發明提供一種鋁陰極二次電池，在一封裝有電解液的容器中設有以預先設定間距配置的至少一陰極材及至少一陽極材；其特徵在於：該電解液為含有鋁鹽的離子液體，各該陰極材含有金屬鋁，各該陽極材含有碳系材料、醌類化合物其中之一或其組合；首先對各該陰、陽極材分別連接外部正、負極電荷，使各該陰極材游離出的鋁離子透過電解液遷入陽極材進行充電反應，完成充電後可再由該些自陽極材釋出鋁離子透過電解液還原至陰極材進行放電反應，並可藉由該些鋁離子在陰、陽極材之間反覆遷入、還原達到反覆進行充電、放電的效果。

依據上述技術特徵，該鋁陰極二次電池在該容器內封裝有一陰極材、一陽極材、一隔離材，該陰極材、陽極材及隔離材以捲繞呈一圓柱狀電芯的結構型態呈現。

依據上述技術特徵，該容器為一在其頂部設有至少一安全釋壓閥的密封狀容器，在該容器內封裝有複數陰、陽極材及隔離材，該些陰、陽極材呈交錯堆疊，且由各該隔離材襯設在該相鄰的陰、陽極材之間，該容器上設有一與各該陰極材電氣連接的正極樁頭、一與各該陽極材電氣連接的負極樁頭。

依據上述技術特徵，該容器頂部設有一電解液裝填孔，該至少一安全釋壓閥以將該電解液裝填孔封塞的型態設在該容器頂部。

依據上述技術特徵，各該陰極材為一具有預先設定厚度的鋁板。

依據上述技術特徵，各該陰極材為一具有預先設定厚度的鋁合金板，該鋁合金板由鋁與包括鎂、矽、鈧、鈦、錳、鋅、鈮其中之一項金屬或多項金屬所構成。

依據上述技術特徵，各該陽極材包括一具有預先設定厚度的鎳集流板，在該鎳集流板表面塗覆碳系材料，該碳系材料由石墨(Graphite)、石墨烯(Graphene)及二氧化矽(Silica)、增稠劑(HEMC)等混合而成。

依據上述技術特徵，各該陽極材包括一具有預先設定厚度的鉛集流板，在該鉛集流板表面塗覆醌類化合物，該醌類化合物由包括苯醌(Benzoquinone)、蒽醌(Anthraquinone)、萘醌(Naphthoquinones)、菲醌(Phenanthrenequinone)其中之一或多項組合後再加入導電劑(Acetylene black)、增稠劑(HEMC)等混合而成。

依據上述技術特徵，各該隔離材以一吸水玻璃纖維棉墊(Absorbent fiberglass mat)的結構型態呈現。

依據上述技術特徵，該電解液為由1-丁基-3-甲基咪唑氯化物(1-butyl-3-methylimidazolium Chloride)與至少一種鋁鹽混合而成的離子液體；該些鋁鹽可以為聚氯化鋁(polyaluminium chloride)、無水三氯化鋁(Aluminum trichloride anhydrous)或偏鋁酸鈉(Sodium metaaluminate)其中之一。

今與傳統習見二次電池相較，本發明所揭露的鋁陰極二次電池原料取得相對容易，且原料成本相對低廉；使用時，不致有高溫時可能爆炸或是電容量下降之虞，相對較為安全可靠，且可獲致相對較長的使用壽命，尤其正符合當今世界各國節能減碳、減少污染地球之綠能環保產品，實為具有新穎性、進步性又實用性之創作！

10:容器

11:正極樁頭

12:負極樁頭

13:電解液裝填孔

20:電解液

30:陰極材

40:陽極材

41:鎳集流板

411:貫穿孔

42:鉛集流板

421:貫穿孔

50:隔離材

60:安全釋壓閥

[圖1]本發明鋁陰極二次電池基本架構示意圖。

[圖2]以箭頭表示本發明進行充電反應時鋁離子移動狀態。

[圖3]以箭頭表示本發明進行放電反應時鋁離子移動狀態。

[圖4]本發明一種可能實施的鋁陰極二次電池外觀示意圖。

[圖5]本發明鋁陰極二次電池結構分解示意圖。

[圖6]本發明當中鎳集流板外觀示意圖。

[圖7]本發明當中鉛集流板外觀示意圖。

本發明主要提供一種原料取得相對容易，原料成本相對低廉，以及使用時相對更為安全、可靠的鋁陰極二次電池，如[圖1]所示，本發明之鋁陰極二次電池，在一封裝有電解液20的容器10中設有以預先設定間距配置的至少一陰極材30及至少一陽極材40；其特徵在於：該電解液20為含有鋁鹽的離子液體，各該陰極材30含有金屬鋁，各該陽極材40含有碳系材料或醌類化合物；實施時，該電解液20可以為由1-丁基-3-甲基咪唑氯化物(1-butyl-3-methylimidazolium Chloride)與至少一種鋁鹽混合而成的離子液體，該些鋁鹽可以為聚氯化鋁(polyaluminium chloride)、無水三氯化鋁(Aluminum trichloride anhydrous)或偏鋁酸鈉(Sodium metaaluminate)，可依照鋁陰極二次電池之使用特性，如動力型(須高功率輸出)、儲能型(穩定輸出)，單劑混合使用，或是兩劑混合使用，或是多劑混合使用。

上述該至少一陰極材30，可以為含有金屬鋁的板片，以浸入該電解液20的型態封裝在該容器10中；實施時，各該陰極材30為一具有預先設定厚度的鋁板，或是為一具有預先設定厚度的鋁合金板，該鋁合金板可以由鋁與包括鎂、矽、鈧、鈦、錳、鋅、鈮其中之一項金屬或多項金屬所構成。

上述該至少一陽極材40，可以為至少含有碳系材料或醌類化合物的板片，以浸入該電解液20的型態封裝在該容器10中；實施時，該碳系材料可以由石墨(Graphite)、石墨烯(Graphene)及二氧化矽(Silica)、增稠劑混合而成；該醌類化合物可以由包括苯醌(Benzoquinone)、蒽醌(Anthraquinone)、萘醌(Naphthoquinones)、菲醌(Phenanthrenequinone)其中之一或多項組合後再加入導電劑、增稠劑混合而成；實施時，該導電劑可以為乙炔黑(Acetylene black)，該增稠劑可以為羥乙基甲基纖維素(HEMC)。

請同時配合[圖2]所示，首先對各該陰、陽極材30、40分別連接外部正、負極電荷，使各該陰極材30游離出的鋁離子透過電解液20遷入陽極材40進行充電反應，完成充電後可如[圖3]所示，由該些自陽極材40釋出鋁離子透過電解液20還原至陰極材30進行放電反應，並可藉由該些鋁離子在陰、陽極材30、40之間反覆遷入、還原達到反覆進行充電、放電的效果。

本發明鋁陰極二次電池，實施時，該些陰極材、陽極材及隔離材可以採用捲繞呈一圓柱狀電芯的結構型態呈現；或如[圖5]所示，採用呈一堆疊狀電芯的結構型態呈現。

該至少一隔離材50，主要襯設在該相鄰的陰、陽極材30、40之間，用來使該些電解液20以半固態的形態存在該相鄰的陰、陽極材30、40之間；該至少一隔離材50必須是一種可以耐酸鹼，主要用來抑制陰陽極短路發生，且備有極強大的吸附能力。

上述實施例中，各該隔離材50以一吸水玻璃纖維棉墊(Absorbent fiberglass mat)的結構型態呈現為佳，能夠有效的吸附大量的電解液20，讓該些電解液20以半固態的形式存在該相鄰的陰、陽極材30、40之間，且又能讓鋁離子能夠輕易穿透。

如[圖4]及[圖5]所示，本發明在該些陰、陽極材30、40及隔離材50呈一堆疊狀電芯的實施樣態下，該容器10可以為一在其頂部設有至少一安全釋壓閥60的密封狀容器，在該容器10內封裝有複數陰、陽極材30、40及隔離材50，該些陰、陽極材30、40呈交錯堆疊，且由各該隔離材50襯設在該相鄰的陰、陽極材30、40之間，該容器10上設有一與各該陰極材30電氣連接的正極樁頭11、一與各該陽極材40電氣連接的負極樁頭12。

上揭實施例中，該容器10頂部可進一步設有一電解液裝填孔13，該至少一安全釋壓閥60則以將該電解液裝填孔13封塞的型態設在該容器10頂部；當整體鋁陰極二次電池處於高負荷工作的狀態，或是處在快速充電狀態，或是環境溫度急遽變化及電芯異常的時候，該容器10內部壓力可能會升高。

例如，當該容器10內部壓力達到2.5~3psi時，該安全釋壓閥60可自動開啟以釋放該容器10內部壓力，當該容器10內部壓力下降到2~1.5psi時，該安全釋壓閥60則會自動關閉，以確保整體鋁陰極二次電池的安全無虞。

本發明在各該陽極材40至少含有碳系材料的實施樣態下，各該陽極材40包括一具有預先設定厚度的鎳集流板41(如[圖6]所示)，在該鎳集流板41表面塗覆碳系材料，該鎳集流板41可以由鎳板帶沖壓成型，厚度可以在0.1mm到1mm之間或更厚，且該鎳集流板41以設有複數貫穿孔411為佳。

本發明在各該陽極材40至少含有醌類化合物的實施樣態下，各該陽極材40包括一具有預先設定厚度的鉛集流板42(如[圖7]所示)，在該鉛集流板42表面塗覆醌類化合物，該鉛集流板42可以由鉛板帶沖壓成型，厚度可以在0.6mm到1.5mm之間或更厚，同樣的該鉛集流板42以設有複數貫穿孔421為佳。

與傳統習見二次電池相較，本發明所揭露的鋁陰極二次電池原料取得相對容易，且原料成本相對低廉；使用時，不致有高溫時可能爆炸或是電容量下降之虞，相對較為安全可靠，且可獲致相對較長的使用壽命。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之揭示而作各種不背離本案創作精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。