TWI843384B - 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，包括金屬基板以及多個凸塊。多個凸塊設置於金屬基板的第一表面上。多個凸塊的尺寸範圍介於5微米到500微米之間。

Description

鋁電池的負極結構
本發明是有關於一種負極結構，且特別是有關於一種鋁電池的負極結構。
一般而言，鋁電池由正極、負極、隔離膜、及電解液所組成，其中在不斷充放電的過程中，電解液會透過氧化還原，在負極上產生電化學反應(電化學沉積)，因此如何增加鋁電池的電解液在負極上的反應能力，提升其性能表現為本領域技術人員亟欲發展的目標。
本發明提供一種鋁電池的負極結構，其可以增加電解液在負極上的反應能力，進而提升鋁電池的性能表現。
本發明的一種鋁電池的負極結構，包括金屬基板以及多個凸塊。多個凸塊設置於金屬基板的第一表面上。多個凸塊的尺寸範圍介於5微米(micrometer, µm)到500微米之間。
在本發明的一實施例中，上述的金屬基板的材料包括鋁、鎳、銅、鈦、錫、鋅、不鏽鋼或其合金。
在本發明的一實施例中，上述的多個凸塊的材料包括鋁、鎳、銅、鈦、錫、鋅、不鏽鋼或其合金。
在本發明的一實施例中，上述的多個凸塊包括圓形柱狀體、多邊形柱狀體或其組合。
在本發明的一實施例中，上述的多個凸塊的排列方式包括陣列排列、規則交錯排列或不規則排列。
在本發明的一實施例中，上述的金屬基板的厚度範圍介於10微米至500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更包括多個孔洞。每一孔洞由金屬基板的第一表面貫穿至第二表面。
在本發明的一實施例中，上述的多個孔洞的尺寸範圍介於10微米至500微米之間。
在本發明的一實施例中，上述的多個孔洞圍繞多個凸塊設置。
在本發明的一實施例中，上述的多個孔洞包括圓形孔洞、多邊形孔洞或其組合。
基於上述，本發明對鋁電池的負極結構表面進行特殊結構設計，藉由多個凸塊的應用，使電解液與負極結構的接觸反應面積變多，如此一來，可以增加電解液在負極上的反應能力，進而提升鋁電池的性能表現。
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理解，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。
參照本實施例之圖式以更全面地闡述本發明。然而，本發明亦可以各種不同的形式體現，而不應限於本文中所述之實施例。圖式中的層或區域的厚度、尺寸或大小會為了清楚起見而放大。相同或相似之參考號碼表示相同或相似之元件，以下段落將不再一一贅述。
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。
在以下詳細描述中，為了說明而非限制，闡述揭示特定細節之示例性實施例以提供對本發明之各種原理之透徹理解。然而，本領域一般技術者將顯而易見的是，得益於本揭示案，可在脫離本文所揭示特定細節的其他實施例中實踐本發明。此外，可省略對熟知裝置、方法及材料之描述以免模糊對本發明之各種原理之描述。
除非另有說明，本說明書中用於數值範圍界定之術語「介於」，旨在涵蓋等於所述端點值以及所述端點值之間的範圍，例如尺寸範圍介於第一數值到第二數值之間，係指尺寸範圍可以涵蓋第一數值、第二數值與第一數值到第二數值之間的任何數值。
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立體示意圖。圖2是依照本發明的另一實施例的鋁電池的負極結構的部分立體示意圖。圖3是圖2的俯視示意圖。圖4是比較實例與比較例於電量表現上的結果示意圖。
請參考圖1，本實施例的鋁電池的負極結構100包括金屬基板110以及多個凸塊120，其中金屬基板110具有相對的第一表面111與第二表面112。此外，多個凸塊120設置於第一表面111上，其中多個凸塊120的尺寸範圍介於5微米到500微米之間。據此，本實施例對鋁電池的負極結構100表面進行特殊結構設計，藉由多個凸塊120的應用，使電解液與負極結構100的接觸反應面積變多，如此一來，可以增加電解液在負極上的反應能力，進而提升鋁電池的性能表現。在此，相較於電解液不會與電極發生反應而無須提升電解液與電極接觸面積的一般電池(如鋰電池)而言，由於鋁電池的電解液會參與電池運作時的氧化還原反應，並在電極上進行電化學沉積，因此負極結構的設計將會響電解液流動、擴散、補充至負極表面的能力，進而影響電池的氧化還原反應，因此本發明所述的技術功效非為前述一般電池(如鋰電池)可達到之技術效果。此外，前述電解液可以是任何適宜可以應用於鋁電池上的離子液體(如EMIC、BMIC等)，本發明不加以限制。
進一步而言，當負極結構無法提供給電解液足夠的反應空間順利進行電化學反應時，此時電化學反應則容易轉移至隔膜中進行，造成隔膜的金屬沉積，進而導通正負極造成電池短路，影響電池的壽命與性能。因此藉由本實施例的凸塊120的應用可以在鋁電池的負極結構100上提供給電解液足夠的反應空間，以順利進行電化學反應，同時可以減緩隔離膜中金屬沉積的問題，延長鋁電池電量與性能，但本發明不限於此。
在一些實施例中，使用本實施例的凸塊120設計可以提升至少30%的接觸面積，但本發明不限於此。
在本實施例中，如圖1所示，凸塊120為多邊形柱狀體(方形柱狀體)，因此前述尺寸可以是對應方形柱狀體的長、寬、高的數值而言，也就是說，在本實施例中，凸塊120的長、寬、高的數值範圍皆會介於5微米到500微米之間，但本發明不限於此，在其他未繪示的實施例中，凸塊亦可以是圓形柱狀體、或其他多邊形柱狀體的態樣，如菱形柱狀體、六角形柱狀體，其中圓形柱狀體可以是直徑與高度的數值範圍皆會介於5微米到500微米之間，多邊形柱狀體可以是各邊長與高度的數值範圍皆會介於5微米到500微米之間。在此，多個凸塊120可以視為單一形狀，但本發明不限於此，在未繪示的實施例中，多個凸塊120可以包括不同形狀的柱狀體，因此多個凸塊120可以包括圓形柱狀體、多邊形柱狀體或其組合。
在一些實施例中，多個凸塊120的尺寸亦可以相同或不同，其中多個凸塊120尺寸相同時具有一致性，因此可以極大化所提升的接觸反應面積，但本發明不限於此。
在一些實施例中，多個凸塊120的排列方式包括陣列排列、規則交錯排列或不規則排列，舉例而言，如圖1所示，多個凸塊120呈現陣列排列，但本發明不限於此。
在一些實施例中，金屬基板110的材料包括鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈦(Ti)、錫(Sn)、鋅(Zn)、不鏽鋼或其合金，而多個凸塊120的材料包括鋁、鎳、銅、鈦、錫、鋅、不鏽鋼或其合金，其中金屬基板110與多個凸塊120的材料可以相同或不同，本發明不加以限制。
在一些實施例中，多個凸塊120可以是藉由電鍍或電鑄技術形成於金屬基板110上，因此多個凸塊120可以與金屬基板110直接接觸，但本發明不限於此，多個凸塊120亦可以藉由其他適宜的方式所形成。
此外，當鋁電池中使用黏度較高的電解液時，由於電解液本身不易流動與擴散，因此在提升前述接觸反應面積的同時，還需要進一步改善負極結構100補充電解液的能力，以及電解液在負極結構100中流動的能力，因此當鋁電池中使用黏度較高的電解液時，可以如圖2的負極結構200所示，更包括多個孔洞230，其中每一孔洞230由第一表面111貫穿至第二表面112，因此藉由孔洞230所形成的網狀結構可以幫助電解液穿過電極提升流通性，維持負極結構200補充電解液的速度，進一步鋁電池的性能表現。
在一些實施例中，由於孔洞230完全貫穿金屬基板110，因此孔洞230的深度可以是等於金屬基板110的厚度，其中金屬基板110的厚度範圍可以介於10微米至500微米之間，但本發明不限於此。
在一些實施例中，多個孔洞230的尺寸範圍介於10微米至500微米之間，其中孔洞230包括圓形孔洞、多邊形孔洞(本實施例為方形孔洞，未繪示的實施例中亦可以為菱形孔洞或六角形孔洞等)或其組合。在此，關於孔洞230的尺寸與形狀之定義類似於凸塊120，舉例而言，方形孔洞的尺寸即為長與寬之數值，於此不再贅述。
在一些實施例中，多個孔洞230圍繞多個凸塊120設置，但本發明不限於此。
在一些實施例中，圖2的結構可以是藉由鎳基板一體成型所形成的電鑄鎳篩網，但本發明不限於此。
應說明的是，孔洞230為可選地，當選用的電解液黏性較低時，負極結構可以只包括多個凸塊120而不包括多個孔洞230。此外，上述內容中，鋁電池其他未說明的組成(如正極、負極及/或隔離膜)與配置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，於此不再贅述。
下文將參照實施例1、實施例2及比較例1，更具體地描述本發明的鋁電池的負極結構應用於鋁電池上的功效。此外，雖然描述了以下實施例1與實施例2，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，不應由下文所述之實施例對本發明作出限制性地解釋。
＜比較例1＞
首先，使用鋁箔進行裁切，得到負極(厚度0.05毫米(mm)，尺寸15毫米×25毫米)，且在鎳箔(厚度0.03毫米，尺寸15毫米×25毫米)上塗佈石墨漿料，得到正極。接著，依照負極、正極的順序排列，置入富含電解液(氯化鋁/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓，其中莫耳比為1.8:1)的電解池中，得到比較例1的鋁電池。
＜實施例1＞
根據比較例1所述鋁電池的製備方式進行，差異在於，將負極的鋁箔替換成鋁箔鍍鎳凸塊(鋁基板上鍍鎳凸塊)，其中凸塊的長、寬、高皆為40微米，得到實施例1的鋁電池。
＜實施例2＞
根據比較例1所述鋁電池的製備方式進行，差異在於，將負極替換成同時具有孔洞與凸塊結構的三維電鑄鎳篩網，其中電鑄鎳篩網厚度為40微米，鎳篩網的孔洞尺寸為40微米，孔洞深度為40微米(穿透整個鎳基板)，凸塊的長、寬、高皆40微米，得到實施例2的鋁電池。
測試實施例1、實施例2及比較例1的電量表現，使用BioLogic之電化學工作站 (BioLogic BCS-815)對實施例1、實施例2及比較例1所得的鋁電池進行充放電測試，以4C的充放電速率測量最大放電量，其結果詳如圖1所示。由圖1的結果可以得到以下結論：透過在金屬基板表面增加凸塊設計，可以提升負極結構的反應面積，並有效提升負極結構的反應能力，進而提高鋁離子電池的電量。此外，透過實施例1與比較例1相比，其負極結構的反應性能(電量)可提升至7倍，而透過實施例2與比較例1相比，當負極結構為同時具備凸塊結構與孔洞結構的金屬網狀材質時，此時電解液可以從孔洞結構中進出、流動，同時有高的反應面積，電解液擴散、流動、補充的能力不會被結構抑制，此時相較於比較例1，實施例2的電量可提升至11倍，亦即當負極結構上增加凸塊設計時已可以有效提升負極結構的反應能力，而當負極結構進一步增加孔洞設計時又可以更大幅地提升負極結構的反應能力。
綜上所述，本發明對鋁電池的負極結構表面進行特殊結構設計，藉由多個凸塊的應用，使電解液與負極結構的接觸反應面積變多，如此一來，可以增加電解液在負極上的反應能力，進而提升鋁電池的性能表現。
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。
100、200:負極結構
110:金屬基板
111:第一表面
112:第二表面
120:凸塊
230:孔洞
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立體示意圖。 圖2是依照本發明的另一實施例的鋁電池的負極結構的部分立體示意圖。 圖3是圖2的俯視示意圖。 圖4是比較實例與比較例於電量表現上的結果示意圖。
100:負極結構
110:金屬基板
111:第一表面
112:第二表面
120:凸塊

Claims (8)

  1. 一種鋁電池的負極結構，包括：金屬基板，具有相對的第一表面與第二表面，其中所述金屬基板的材料包括鋁、鎳、銅、鈦、錫、鋅、不鏽鋼或其合金；以及多個凸塊，設置於所述第一表面上，其中所述多個凸塊的尺寸範圍介於5微米到500微米之間，且所述多個凸塊的材料包括鋁、鎳、銅、鈦、錫、鋅、不鏽鋼或其合金。
  2. 如請求項1所述的鋁電池的負極結構，其中所述多個凸塊包括圓形柱狀體、多邊形柱狀體或其組合。
  3. 如請求項1所述的鋁電池的負極結構，其中所述多個凸塊的排列方式包括陣列排列、規則交錯排列或不規則排列。
  4. 如請求項1所述的鋁電池的負極結構，其中所述金屬基板的厚度範圍介於10微米至500微米之間。
  5. 如請求項1所述的鋁電池的負極結構，更包括多個孔洞，其中每一所述孔洞由所述第一表面貫穿至所述第二表面。
  6. 如請求項5所述的鋁電池的負極結構，其中所述多個孔洞的尺寸範圍介於10微米至500微米之間。
  7. 如請求項5所述的鋁電池的負極結構，其中所述多個孔洞圍繞所述多個凸塊設置。
  8. 如請求項5所述的鋁電池的負極結構，其中所述多個孔洞包括圓形孔洞、多邊形孔洞或其組合。
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