TWI831408B - 鉛碳擠壓方法、鉛碳極片組及鉛碳電池 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種鉛碳擠壓成型的方法，其包括第一疊料步驟及第一擠壓步驟，通過擠壓由鉛材與碳材疊合而成之鉛碳三明治以獲得鉛碳極片，過程中無須加壓環境或加熱鉛材、碳材，於常溫下可以達到量產鉛碳極片，所生產之鉛碳極片增進了鉛碳電池對於不穩定電流、電壓的耐受性，並可耐受高次數循環充放電，具有低成本、低耗損、高電容的應用潛力。

Description

鉛碳擠壓方法、鉛碳極片組及鉛碳電池
本發明關於一種電極片的製備方法，尤其關於複合鉛、碳材料以製備電極片之方法，其製備之電極片更進一步涉及電極片組及鉛碳電池的實質應用。
現今石化燃料價格高漲，且供應短缺，各類能源的使用成本皆大幅提高；在通盤考量能源價格以及環境議題，再生能源成為主要大國的核心發展項目，例如風電、潮汐、太陽能發電等，均為現有技術中高速發展的領域。
然而，再生能源快速發展之下，能源的儲存與分配，成了該領域發展步調的關鍵決定因子；前述再生能源仰賴自然界提供的風能、潮汐能、太陽能，均受到氣候或即時的環境因子所影響；舉例來說，習知的太陽能發電係利用太陽能板將光能轉換成電能，再將電能儲存於蓄電池中，然而一般太陽能光電系統使用的蓄電池容易受到太陽光強弱不同所造成電壓不穩定影響，使得蓄電池利用太陽能板達到飽和充電的時間不穩定，而反覆的不飽和充放電容易造成電池的損壞，並縮短其使用壽命。
除了前述再生能源的儲電網所需，產業應用上對於能耐受不穩定電壓及不飽和充放電狀態的蓄電池有著同樣的需求，例如混合動力車的蓄電池， 利用行車其間的動力轉換發電為現今混合動力車常見的技術手段，如再生能源受到天候因素造成的不穩定發電影響一般，混合動力車在行車期間受到路況影響而使得行車動力供給不穩定，同樣使得蓄電池面臨電壓不穩的耗損壓力。
另一方面，車輛啟停電池也面臨相似的問題，例如常見的「12伏啟停系統」，由引擎不斷啟動而引起的電壓波動，對啟停電池產生相當大的耗損壓力，係由於引擎啟動期間由電池輸送到啟動器的大電流(高達數百甚或1000安培以上)，其消耗導致12伏啟停系統容易因電壓下降而面臨持續的電壓波動，從而折損電池壽命，導致電池需時常替換，造成電動車輛的耗材成本增加；是以，面臨前述議題，亟需能夠耐受不穩定電壓以及高次數循環充放電之新世代蓄電池或電能儲存裝置。
針對上述議題，本發明提供一種鉛碳擠壓成型的方法，其包括第一疊料步驟及第一擠壓步驟，其中該第一疊料步驟包括放置一第一碳材於一第一鉛材及一第二鉛材之間以獲得一第一鉛碳三明治；該第一擠壓步驟包括於一第一擠壓單元及一第二擠壓單元之間擠壓該第一鉛碳三明治，以使該第一鉛材及該第二鉛材與該碳材結合，獲得一第一鉛碳極片，其中，該第一鉛碳三明治具有一第一厚度d1，該第一鉛碳極片具有一第二厚度d2，該d1與該d2之比例小於10：1。
如前所述之方法，其中，該第一鉛材之一面與該第一碳材接觸形成一第一接合面，另一面為一第一受壓面，與該第一擠壓單元物理接觸；該第二鉛材之一面相對於該第一鉛材與該第一碳材接觸形成一第二接合面，另一面為一第二受壓面，與該第二擠壓單元物理接觸，其中，該第一鉛碳三明治之該第一 受壓面與該第二受壓面之間距為該第一厚度d1，該第一鉛碳極片之該第一受壓面與該第二受壓面之間距為該第二厚度d2。
如前所述之方法，其中，該第一接合面之鉛碳含量比為1：(0.01至1.0)，該第二接合面之鉛碳含量比為1：(0.01至1.0)。
如前所述之方法，其中，該第一擠壓單元及該第二擠壓單元之間形成一工作間距，其中，該第一厚度d1與該工作間距之比例為(1至35)：1。
如前所述之方法，其中，該第一碳材係一碳纖維織物，其係由選自於活性碳、竹炭及木炭所組成群組之材料所織成。
如前所述之方法，其中，該方法進一步包括一第一加熱步驟(H1)，其於該疊料步驟(S1)之前，加熱該第一鉛材(11)、該第二鉛材(12)及該第一碳材(13)至一第一溫度，其中該第一溫度介於室溫及鉛熔點之間。
如前所述之方法，其中，該第一擠壓單元為一第一滾輪，該第二擠壓單元為一第二滾輪，該第一滾輪與該第二滾輪以一滾動速率沿各自軸心相對滾動，以使該第一厚度d1壓縮為該第二厚度d2；較佳地，d1：d2為(3至6.5)：1。
如前所述之方法，其進一步包括一第二疊料步驟及一第二擠壓步驟，其中該第二疊料步驟包括放置一第二碳材於該第一鉛碳三明治及一第三鉛材之間以獲得一第二鉛碳三明治；該第二擠壓步驟包括於該第一擠壓單元及該第二擠壓單元之間擠壓該第二鉛碳三明治，以使該第三鉛材及該第二碳材與該第一鉛碳三明治結合，獲得一第二鉛碳極片，其中，該第二鉛碳三明治具有一第三厚度d3，該第二鉛碳極片具有一第四厚度d4，該d3與該d4之比例小於10：1。
另一方面，本發明在前述鉛碳極片的基礎上，進一步提供一種鉛碳極片組，其包括至少一如前所述方法製成之鉛碳極片。
再一方面，本發明提供一種鉛碳電池，其包括一電解液、一陽極片組、及一陰極片組，其中，該陽極片組浸泡於該電解液中，電連接至一陽極， 其包括如前所述之電極片組；該陰極片組浸泡於該電解液中，電連接至一陰極，其包括如前所述之電極片組。
本發明提供的方法不僅環境友善，製程簡易，且省去熱處理製程，並可依據使用者所需調整擠壓鉛碳成型之溫度；此外，其製造環境毋須額外加壓空氣，節能減碳並減少對於作業人員的危害；此外，鉛材或碳材不需前處理，降低有機溶劑的排放，減輕環境壓力；本發明所提供的鉛碳極片可做為超級電容，可適應循環快速充放電中容易遭遇的電流及電壓波動，並可耐受多次循環，其庫倫效率、放電深度表現穩定，電池折損率低，不僅適用於再生能源的儲電設施，也能在車輛產業中解決現有電池耗損快的問題。
S1:第一疊料步驟
141:第三接合面
S2:第一擠壓步驟
142:第四接合面
S3:第二疊料步驟
151:第三受壓面
S4:第二擠壓步驟
R1:第一滾輪
1:第一鉛碳極片
R2:第二滾輪
2:第二鉛碳極片
P1:第一施壓點
11:第一鉛材
P2:第二施壓點
12:第二鉛材
Ax1:第一軸心
13:第一碳材
Ax2:第二軸心
14:第二碳材
H1:第一加熱步驟
15:第三鉛材
H2:第二加熱步驟
31:第一擠壓單元
C:鉛碳極片組
32:第二擠壓單元
Ba:鉛碳電池
100:第一鉛碳三明治
E:電解液
101:第二鉛碳三明治
An:陽極
111:第一受壓面
Ac:陽極片組
131:第一接合面
Ca:陰極
132:第二接合面
Cc:陰極片組
121:第二受壓面
圖1A係一流程圖，說明鉛碳擠壓成型的方法；圖1B係第一鉛碳三明治之結構示意圖；圖1C係第一鉛碳極片之結構示意圖；圖1D係說明滾輪擠壓鉛碳成型之示例性架構；圖2A係一流程圖，說明鉛碳擠壓成型的方法之另一實施態樣；圖2B係第二鉛碳三明治之結構示意圖；圖2C係第二鉛碳極片之結構示意圖；圖2D係說明滾輪擠壓鉛碳成型之另一示例性架構；圖3A係疊合至少二第一鉛碳極片之結構示意圖；圖3B係第二鉛碳極片另一實施例之結構示意圖；圖4係鉛碳極片縱剖面電顯圖；圖5係本發明提供之電極片組側視組合示意圖；圖6係本發明提供之電池側視組合示意圖；圖7A至7C係比較例1至3之鉛碳極片外觀圖；圖8A係實施例3之鉛碳極片剖面電顯圖，展示鉛材與碳材之接合面；圖8B係實施例6之鉛碳極片外觀圖；圖9A至9C係實驗例1之充放電測試記錄圖；及圖10A至10C係實驗例2之充放電測試記錄圖。
以下列舉實施例配合圖式說明本發明之技術內涵，然並不以實施例限制本發明之實施方式，舉凡不脫本發明精神之方法、材料、結構等範疇，均在本發明的保護範圍之內。
本發明之一實施態樣係提供一種鉛碳擠壓成型的方法，其包括第一疊料步驟(S1)及第一擠壓步驟(S2)；請參閱圖1A至1D，該第一疊料步驟(S1)包含放置一第一碳材(13)於一第一鉛材(11)及一第二鉛材(12)之間以獲得一第一鉛碳三明治(100)；該第一擠壓步驟(S2)包含於一第一擠壓單元(31)及一第二擠壓單元(32)之間擠壓該第一鉛碳三明治(100)，以使該第一鉛材(11)及該第二鉛材(12)與該第一碳材(13)結合，獲得一第一鉛碳極片(1)。
於本實施態樣中，鉛碳之間的接合面以及鉛材與擠壓單元之間的受壓面，在具體量化後獲悉其鉛碳含量比以及受壓面之間的距離，前述參數對於該第一鉛碳極片(1)於電池應用中的電容、導電性以及電池壽命等功能方面具有深刻的影響；具體來說，該第一鉛材(11)之一面與該第一碳材(13)接觸形成一第一接合面(131)，另一面為一第一受壓面(111)，與該第一擠壓單元(31)物理接觸；該第二鉛材(12)之一面相對於該第一鉛材(11)與該第一碳材(13)接觸形成一第二接合面(132)，另一面為一第二受壓面(121)，與該第二擠壓單元(32)物理接觸；其中，該第一接合面(131)及該第二接合面(132)之鉛碳含量比為1：(0.01至1.0)，較佳為1：(0.03至0.5)。
具體而言，所述鉛碳含量比係鉛碳原子數比，其係分別計算鉛材所含之鉛原子數及碳材所含之碳原子數後所得之比值；如表1A所示，其列舉了製程1至8等多個示例之中，鉛材所含之鉛原子數與碳材所含之碳原子數及其比例，於該些示例中，鉛碳原子數比例為1：(0.07至0.39)。
Figure 111138319-A0305-02-0008-1
於本實施態樣中，部分實施例說明了，該第一鉛材(11)、該第二鉛材(13)及該第一碳材(12)之接合亦受到其鉛、碳體積比例所影響；具體地，該第一鉛材(11)及該第二鉛材(13)的總體積(VPb)與該第一碳材(12)之總體積(VC)之比例為1：(0.01至1.0)，較佳為1：(0.03至0.8)；如表1B所列舉製程1至8等示例性實施例之鉛材體積與碳材體積及其比例，於該些示例中，鉛材與碳材之比例VPb：VC介於1：(0.05至0.56)。
Figure 111138319-A0305-02-0008-2
作為實施例，該第一擠壓單元(31)及該第二擠壓單元(32)之間形成一工作間距(w)，其小於或等於該第一受壓面(111)至該第二受壓面(121)之距離，即為該第一鉛碳三明治之第一厚度d1，於該擠壓步驟(S2)中，該第一擠壓單元(31)及該第二擠壓單元(32)分別於該第一受壓面(111)及該第二受壓面(121)上施予向量相對之擠壓力，具體由該工作間距(w)所界定，其中，該工作間距(w)為0.1至2.0 公分，較佳為0.01至0.1公分；該第一鉛碳三明治受擠壓力作用後形成該第一鉛碳極片(1)，其具有一第二厚度d2，該d2小於該d1，其較佳比例為d1：d2小於10：1，更佳為(3至6.5)：1；如表1C所示，其列舉了製程1至7等多個示例之鉛碳材料之數量比例、鉛碳三明治之第一厚度d1以及經由擠壓後第二厚度d2之具體數據，於該些示例中，第一厚度d1與第二厚度d2之比例介於(3.50至6.39)：1。
Figure 111138319-A0305-02-0009-3
於特定的實施例中，該第一擠壓單元(31)為一第一滾輪(R1)，該第二擠壓單元(32)為一第二滾輪(R2)，該第一滾輪(R1)與該第二滾輪(R2)以一滾動速率r沿各自軸心相對滾動，其中，為使生產之鉛碳極片品質穩定，設定該工作間距(w)於0.01至2.0公分之範圍，較佳為0.01至0.1公分，並設定該滾動速率為0.2至25rpm，俾使d1與d2之比例得穩定介於前述比例範圍之間；請參閱圖1D，其具體說明了本實施態樣中該方法之一較佳實施例，簡言之，該第一鉛碳三明治(100)自該第一滾輪(R1)及該第二滾輪(R2)之間所形成的工作間距(w)一端往另一端移動，其移動之動力來自於該第一滾輪(R1)及該第二滾輪(R2)的相對運動，其中該第一滾輪(R1)之圓周上一第一施壓點(P1)沿著一第一軸心(Ax1)以一第一固定半徑(r1)朝該第一鉛碳三明治(100)移動，相對地，該第二滾輪(R2)之圓周上一第二施壓點(P2)沿著一第二軸心(Ax2)以一第二固定半徑(r2)朝該第二鉛碳三明治(100)移動；其中，該第一固定半徑(r1)與該第二固定半徑(r2)之比例為1：1；當該 第一施壓點(P1)及該第二施壓點(P2)分別移動至該第一受壓面(111)及該第二受壓面(121)上時，對該第一鉛碳三明治(100)施加一擠壓力，使其厚度改變並完成鉛材與碳材之接合。
於本實施態樣中，較佳地，該第一厚度d1與該工作間距(w)之比例介於(1至35)：1，更佳為(4至30)：1；如表2所示，其列舉製程8至14等多個示例，用以說明本實施態樣中鉛碳材料之數量比例、鉛碳三明治之第一厚度d1以及壓合該些鉛碳三明治之工作間距(w)，於該些示例中，第一厚度d1與工作間距(w)之比例介於(4.7至29)：1。
Figure 111138319-A0305-02-0010-4
為了進一步驗證依據上述方法壓制而得鉛碳極片，具有良好的鉛碳結合性，該第一鉛碳極片(1)進一步經由剝離強度測試，其可承受15至29公斤之剝離力；一般而言，剝離強度測試通常用於測量材料的粘合強度，習知剝離強度測試係以180度之分離角度以分離粘合材料，用以測試粘合線上每單位寬度之平均載荷，廣泛用於如薄膜、生物材料、牙科材料、醫療包裝等粘合強度；用於該第一鉛碳極片(1)之鉛碳結合性測試，具體來說，係以剝離力測試器分別朝相反方向牽引該第一鉛材(11)及該第二鉛材(13)，用以測試該第一鉛材(11)或該第二鉛材(13)自該第一碳材(12)剝離所需要的力量強度。
於本實施態樣中，為了具體增加鉛碳極片之電容量，以對應後端電池之需求，該方法進一步包括第二疊料步驟(S3)及第二擠壓步驟(S4)；請參閱圖2A，其中該第二疊料步驟(S3)包含放置一第二碳材(14)於該第一鉛碳三明治(100)及一第三鉛材(15)之間以獲得一第二鉛碳三明治(101)；該第二擠壓步驟(S4)包含於該第一擠壓單元(31)及該第二擠壓單元(32)之間擠壓該第二鉛碳三明治(101)，以使該第三鉛材(15)及該第二碳材(14)與該第一鉛碳三明治(100)結合，獲得一第二鉛碳極片(2)，其具有鉛-碳-鉛-碳-鉛之結構層理，從而增加鉛碳極片之總體厚度，以對應電池容量需求增加電極片厚度，但不僅限於此；在該些實施例中，該第二碳材(14)之一面與該第一鉛材(11)或該第二鉛材(12)接觸形成一第三接合面(141)，及相對於該第三接合面(141)與該第三鉛材(15)接觸之第四接合面(142)，該第三鉛材(15)與該第四接合面(142)相對之一側為一第三受壓面(151)，其中，該第三接合面(141)及該第四接合面(142)之鉛碳含量比為1：(0.01至1.0)，較佳為1：(0.03至0.5)，更佳為1：(0.07至0.3)。
該第二鉛碳三明治(101)具有一第三厚度d3，該第二鉛碳極片(2)具有一第四厚度d4，在該擠壓力的作用下，使該d4小於該d3，其中d3：d4較佳比例小於10：1，更佳地為(5至9)：1；於多個實施例中，為使生產之鉛碳極片品質穩定，設定該工作間距(w)於0.1至2.0公分之範圍，較佳為0.01至0.1公分，並設定該滾動速率為0.2至25rpm，俾使d3與d4之比例得穩定介於前述比例範圍之間。
在部分實施例中，該第二疊料步驟(S3)包括疊合至少二如前所述之第一鉛碳極片(1)，其中，該些第一鉛碳極片(1)以鉛材面相互接觸並形成一層疊結構；請參閱圖3A，其具體呈現了二如前所述之第一鉛碳極片(1)相互結合之結構，再請參閱圖3B，於該第二擠壓步驟(S4)實施後形成之第二鉛碳極片(2)，其具有鉛-碳-鉛-碳-鉛之結構層理。
於本實施態樣中，該方法可選擇地在室溫下執行，亦可以在加熱條件下執行；需注意的是，有別於熔融鉛浸潤碳材的方式，加熱溫度不高於鉛的熔點327.5℃，將溫度提高到50至270℃，較佳為60至170℃，更佳為110至150℃，在半鎔融鉛保有鉛材原本形狀的狀態下，與碳材接合；如圖4所示，為本實施態樣之一實施例，由鉛碳極片的縱剖面可以具體看到鉛材包覆碳材纖維，其間緊密接合並無空隙；更具體地，可以是加熱鉛碳三明治、第一擠壓單元及第二擠壓單元，也可以是加熱第一擠壓單元及第二擠壓單元，也可以是僅僅加熱鉛碳三明治，只要是可以令鉛碳三明治達到所需溫度，促使鉛材轉變為半鎔融狀態者均可達到本發明所預期的效果。
為了實現前述的加熱目的，請繼續參閱圖1A及2A，該方法進一步包括一第一加熱步驟(H1)、一第二加熱步驟(H2)或其組合，其中該第一加熱步驟(H1)包含於該疊料步驟(S1)之前，加熱該第一鉛材(11)、該第二鉛材(12)及該第一碳材(13)至一第一溫度；該第二加熱步驟(H2)包含於該擠壓步驟(S2)之前，加熱該第一鉛碳三明治(100)、及/或該第一擠壓單元(31)與該第二擠壓單元(32)至一第二溫度，其中該第二溫度等於或不等於該第一溫度；具體地，該第一溫度介於60至170℃，較佳為110至150℃；該第二溫度介於60至170℃，較佳為110至150℃。
於本實施方式中，所謂碳材為一碳纖維織物，例如碳布，其可以是編織布或無紡布，具體可舉例如活性碳、竹炭或木炭材料所織成；具體實施上，可採用來自不同生產商所生產之碳纖維布，例如英國Chemviron Carbon所生產之活性碳纖維織物(ECF)、台灣塑膠工業股份有限公司所生產之一般工程補強用碳纖布(PCF)；由於本發明所提供的方法，可選擇地在常溫或加熱條件下實施，前述碳布毋須進一步經過其他化學處理，例如化學氧化處理(chemical oxidation，Cox)、加熱氧化處理(heat oxidation in air，Aox)或電漿氧化處理(plasma oxidation treatment，POX)；本發明利用鉛材、碳材異質材料結合，並將鉛材與碳材緊密地 結合在一起，所形成的鉛碳接面具有高電化學穩定度，通過低溫擠壓的方式即可達到鉛材滲入碳纖編織結構縫隙於碳纖為周邊形成完整的包覆結構，使得鉛碳接面緻密，通過碳纖維織物中由碳纖交織形成的導電網絡，不僅提高鉛碳極片的導電度及其電容量，且碳材料在充放電過程中不與電解液發生電化學反應；傳統鉛酸電池在充放電過程中產生硫酸鉛，硫酸鉛的堆積不僅導致電極片的導電度下降，更使其電容量下降，導致其庫倫效率降低，減損電池壽命；碳材料不與電解液發生電化學反應，一方面減緩了硫酸鉛的堆積，一方面更由於碳纖維於電極片內部交織形成導電網絡，不僅保持了電極片的導電度，更大幅度的提升電極片導電度，低阻抗使得電極片同樣不容易產熱，能量於放電中充分釋放，使其多次循環充放電後仍可維持庫倫效率接近100%。
在前述鉛碳極片之基礎上，本發明也進一步運用於實現一種鉛碳極片組(C)，如圖5所示，其說明該鉛碳極片組(C)之多個實施方式，該鉛碳極片組(C)包括至少一如前所述方法製成之第一鉛碳極片(1)、第二鉛碳極片(2)或其組合。
基於前述之鉛碳極片及/或鉛碳極片組，本發明進一步地用以實現一種鉛碳電池(Ba)，請參閱圖6，該鉛碳電池(Ba)包括一電解液(E)；一陽極片組(Ac)，浸泡於該電解液，電連接至一陽極(An)，其包括如前所述之電極片組(C)；及一陰極片組(Cc)，浸泡於該電解液(E)，電連接至一陰極(Ca)，其包括如前所述之電極片組(C)；其中，電解液並無特別限制，合適的電解液有硫酸溶液。
以下列舉數個實施例及實驗例說明本發明之具體實施及所達到的技術功效，但非用以限制本發明所涵蓋的權利範圍。
比較例1
準備2片純鉛片，其尺寸為長13公分、寬9公分、厚度0.11公分，及10片碳布，其尺寸為長7公分、寬7公分、厚度0.03公分，其中鉛碳體積比為1：0.6； 於上滾輪及下滾輪表面塗布石墨脫模劑；放置碳布於純鉛片之間形成鉛碳三明治；加熱滾輪至100℃並調整滾輪間軸距至0.1公分；設置滾動速度為1.2rpm；放置鉛碳三明治至滾輪之間並擠壓該鉛碳三明治，請參閱圖7A，比較例1無法形成鉛碳極片，其中圓框標示了鉛碳無法結合成型。
比較例2
準備2片純鉛片，其尺寸為長13公分、寬9公分、厚度0.11公分，及2片碳布，其尺寸為長7公分、寬7公分、厚度0.03公分；於上滾輪及下滾輪表面塗布石墨脫模劑；放置碳布於純鉛片之間形成鉛碳三明治；加熱滾輪至180℃並調整滾輪間軸距至0.045公分；設置滾動速度為1.2rpm；放置鉛碳三明治至滾輪之間並擠壓該鉛碳三明治以形成鉛碳極片；請參閱圖7B，比較例2無法形成鉛碳極片，其中圓框標示處為裸露之碳材，顯示鉛材表面有破損。
比較例3
準備2片純鉛片，其尺寸為長13公分、寬9公分、厚度0.11公分，及2片碳布，其尺寸為長7公分、寬7公分、厚度0.03公分；於上滾輪及下滾輪表面塗布石墨脫模劑；放置碳布於純鉛片之間形成鉛碳三明治；加熱滾輪至50℃並調整滾輪間軸距至0.045公分；設置滾動速度為1.2rpm；放置鉛碳三明治至滾輪之間並擠壓該鉛碳三明治以形成鉛碳極片；請參閱圖7C，比較例3無法形成鉛碳極片，其中圓框標示處有不均勻之裂口，顯示鉛碳結合並不均勻。
實施例1
準備兩片純鉛片，其尺寸為長17公分、寬11公分、厚度0.11公分，及2塊碳布，其中該些碳布個別尺寸為長11公分、寬8公分、厚度0.025公分；於上滾輪及下滾輪表面塗布石墨脫模劑；放置碳布於純鉛片之間形成鉛碳三明治；加熱滾輪至110℃並調整滾輪間軸距至0.06公分；設置滾動速度為0.6rpm；放置鉛碳三明治至滾輪之間並擠壓該鉛碳三明治以形成鉛碳極片；自滾輪上移除鉛 碳極片並裁切鉛碳極片為長6.6公分、寬3.7公分之極片，並具有一2.0公分長之極耳；接著，以丙酮清洗極片。
實施例2
準備2片純鉛片，其為長17公分、寬11公分、厚度0.11公分，及2塊碳布，其中該些碳布個別尺寸長11公分、寬8公分、厚度0.025公分；純鉛片先以清洗、拋光、加熱及乾燥進行前處理；於上滾輪及下滾輪表面塗布石墨脫膜劑；將碳布放置於純鉛片之間以形成鉛碳三明治，該鉛碳三明治之排列方式為鉛-碳-碳-鉛；加熱滾輪至150℃並調整滾輪間軸距為0.11公分；設定滾動速度0.6rpm；放置該鉛碳三明治於滾輪之間並擠壓以0.6rpm之滾動速度，獲得1號鉛碳極片；將1號鉛碳極片自滾輪上移除，並重複前述步驟完成2號鉛碳極片；將1號鉛碳極片放置於2號鉛碳極片上以形成電極片三明治；維持滾輪溫度於150℃、軸距0.11公分；設定滾動速度為0.6rpm；將該電極片三明治置於滾輪之間並擠壓該電極片三明治以滾動速度0.6rpm，獲得3號鉛碳電極片，其具有厚度0.1公分；該3號鉛碳電極片之結構依序為鉛-碳-碳-鉛-碳-碳-鉛，並展現了高電容量與快速充放電的效能。
實施例3
準備2片純鉛片，其尺寸為長17公分、寬11公分，及5片碳布，其尺寸為長11公分、寬8公分；於上滾輪及下滾輪表面塗布石墨脫模劑；放置碳布於純鉛片之間形成鉛碳三明治；加熱滾輪至110℃並調整滾輪間軸距至0.06公分；設置滾動速度為0.6rpm；放置鉛碳三明治至滾輪之間並擠壓該鉛碳三明治以形成鉛碳極片；自滾輪上移除鉛碳極片並裁切鉛碳極片為長6.6公分、寬3.7公分之極片，並具有2.0公分長之極耳；接著，以丙酮清洗極片；請參閱圖8A，其為實施例3所製備之鉛碳極片其鉛碳剖面放大圖，由圖8A可見鉛碳緊密結合，且碳纖維束保留完整。
實施例4
取依實施例1所製作之鉛碳極片組成碳鉛電池LCFNR4-2，鉛碳電池LCFNR4-2具有一陽極、一陰極，並加入56.3毫升之硫酸溶液作為電解液，此陽極以導線焊接方式連接一陽極片組，此陽極片組設置於硫酸溶液中，並具有4片如實施例1所製作之鉛碳極片；此陰極以導線焊接方式連接一陰極片組，此陰極片組設置於硫酸溶液中，並具有5片如實施例1所製作之鉛碳極片。
實施例5
取依實施例2及實施例3所製作之鉛碳極片組成碳鉛電池LCFN25-2，其具有一陽極、一陰極，並加入40.4毫升之硫酸溶液作為電解液，此陽極以導線焊接方式連接一陽極片組，此陽極片組設置於硫酸溶液中，並具有6片如實施例2所製作之鉛碳極片；此陰極以導線焊接方式連接一陰極片組，此陰極片組設置於硫酸溶液中，並具有7片如實施例3所製作之鉛碳極片。
實施例6
準備2片純鉛片，其尺寸為長13公分、寬9公分、厚度0.11公分，及4片碳布，其尺寸為長7公分、寬7公分、厚度0.03公分；於上滾輪及下滾輪表面塗布石墨脫模劑；放置碳布於純鉛片之間形成鉛碳三明治；加熱滾輪至100℃並調整滾輪間軸距至0.01公分；設置滾動速度為1.2rpm；放置鉛碳三明治至滾輪之間並擠壓該鉛碳三明治以形成鉛碳極片；自滾輪上移除鉛碳極片，請參閱圖8B，實施例6可形成鉛碳極片，但如圓框所標示，其鉛材表面有皺褶凹凸不平，表示鉛碳結合成型，但成型效果與實施例1或實施例2相比較差。
實驗例1
以定電流充放電之方式針對實施例4及之鉛碳電池LCFNR4-2進行飽和及不飽和循環充放電測試；請參閱圖9A，以定電流1.2安培(A)、定電壓2.4伏特(V)持續充電2小時後，再以定電流3.6安培、截止電壓1.5伏特放電， 總共循環充放電達260次；由圖9A至9B可見，隨著充放電循環次數增加，LCFNR4-2的庫倫效率(充電容量/放電容量，%)穩定維持在100%上下，且電容量由1至30次循環中的0.3安培小時(Ah)，隨著循環次數增加逐步成長至230至260次循環的0.6安培小時；再看到圖9C，其記錄前述循環充放電之放電深度(Depth of discharge，DoD)，由圖9C的趨勢可見，隨著充放電循環次數的增加，其放電深度穩定的維持在100%左右。
實驗例2
實施例5之鉛碳電池LCFN25_2進行快速充放電及電池壽命測試，如圖10A至10C所示，共執行850次循環，請參閱下表3，其說明實驗例2中循環充放電測試之條件，共有兩階段分別以不同的電壓及電流進行充放電。
由圖10A至10C可見，在經過不同電壓的循環充放電達193次後，以定電流進行總共656次循環充放電，不論其庫倫效率、放電深度均維持在一穩定的水平，顯示了其可耐受在電壓變動的充電條件下循環充放電，並且在後續充放電中維持穩定的庫倫效率與放電深度。
Figure 111138319-A0305-02-0017-5
本發明所提供的方法相當的環境友善，其於擠壓後不需再進行熱處理，且在擠壓鉛碳極片成形的過程中，可選地設定溫度於室溫至270℃；此外，毋須加壓工作環境，節省能源並保證了作業人員的工作安全；鉛材或碳材的前處理亦可以簡化或省略，減少了有機溶劑所造成的汙染；僅使用擠壓的手段複合鉛碳材料，相較於以穿透或塗佈等方式將鉛材料結合至碳材上，更具優勢；此外， 本發明亦可選地加熱擠壓單元或鉛材料來增進鉛材料與碳材料之間的接合效果；本發明所提供的鉛碳極片可以做為超級電容，並可適應1至5C的快速充放電的工作條件，且在電壓變動的充放電條件下，仍可耐受多次循環充放電，並在後續的定電流充放電中庫倫效率、放電深度表現穩定，電池耐受性強，可預期使用壽命長。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1:第一鉛碳極片
100:第一鉛碳三明治
R1:第一滾輪
R2:第二滾輪
31:第一擠壓單元
32:第二擠壓單元
Ax1:第一軸心
Ax2:第二軸心
r1:第一固定半徑
r2:第二固定半徑

Claims (6)

  1. 一種鉛碳擠壓成型的方法，其包括：第一疊料步驟：放置一第一碳材於一第一鉛材及一第二鉛材之間以獲得一第一鉛碳三明治，其中，該第一鉛材包括純鉛片，該第二鉛材包括純鉛片，該第一碳材係一碳纖維織物，其係由選自於活性碳、竹炭及木炭所組成群組之材料所織成；及第一擠壓步驟：於一第一擠壓單元及一第二擠壓單元之間擠壓該第一鉛碳三明治，以使該第一鉛材及該第二鉛材與該第一碳材結合，獲得一第一鉛碳極片，其中，於第一擠壓步驟前，該方法更包括加熱該第一擠壓單元及該第二擠壓單元到60至170℃但不為100℃及150℃。
  2. 如請求項1所述之方法，其中，該第一鉛碳三明治具有一第一厚度d1，該第一鉛碳極片具有一第二厚度d2，該第一鉛材之一面與該第一碳材接觸形成一第一接合面，另一面為一第一受壓面，與該第一擠壓單元物理接觸；該第二鉛材之一面相對於該第一鉛材與該第一碳材接觸形成一第二接合面，另一面為一第二受壓面，與該第二擠壓單元物理接觸，其中，該第一鉛碳三明治之該第一受壓面與該第二受壓面之間距為該第一厚度d1，該第一鉛碳極片之該第一受壓面與該第二受壓面之間距為該第二厚度d2，該第一厚度d1與該第二厚度d2之比例為(3至6.5)：1。
  3. 如請求項2所述之方法，其中，該第一接合面之鉛碳原子數比為1：0.07至1：0.39，該第二接合面之鉛碳原子數比為1：0.07至1：0.39。
  4. 如請求項1所述之方法，其中，於第一擠壓步驟前，該方法包括加熱該第一擠壓單元及該第二擠壓單元到60℃、110℃或170℃。
  5. 一種鉛碳極片組，其包括至少一如請求項1至4任一項所述方法製成之鉛碳極片。
  6. 一種鉛碳電池，其包括：一電解液；一陽極片組，浸泡於該電解液，電連接至一陽極，其包括如請求項5所述之鉛碳極片組；及一陰極片組，浸泡於該電解液，電連接至一陰極，其包括如請求項5所述之鉛碳極片組。
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