CN102237199A

CN102237199A - 电储存装置、电储存装置的电极组及其制造方法

Info

Publication number: CN102237199A
Application number: CN2010101520908A
Authority: CN
Inventors: 谢培焕; 陈敏华
Original assignee: Metal Industries Research and Development Centre
Current assignee: Metal Industries Research and Development Centre
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-11-09

Abstract

一种电储存装置的电极组的制造方法，将一导电粉体材料混合物设置于一模板及一集电板间，使该导电粉体材料混合物成型为一表面具有数个凸部的初胚，再于脱模后对该初胚进行加热，使该初胚于该集电板的表面固化形成一电极。而所制造的电极组包含：一集电板及一电极；该电极包含一底部及数个凸出部，该底部的一侧设置于该集电板的表面，该底部的另一侧延伸形成该数个凸出部，且二相邻的凸出部之间形成一间距。该电储存装置包含一壳体；一电解液设置于该壳体内；二该电极组分别浸置于该电解液中；及一隔板设置于该壳体内且介于该二电极组之间。

Description

电储存装置、电储存装置的电极组及其制造方法

技术领域

本发明关于一种电储存装置、电储存装置的电极组及其制造方法，尤指一种增加电极有效表面积且于电极内提供体积膨胀的缓冲空间的电储存装置、电储存装置的电极组及其制造方法。

背景技术

请参照图1所示，目前电储存装置，例如锂离子二次电池或者电双层电容器，皆包含有一壳体91、二电极组92、92’、一隔板93及一电解液94。该二电极组92、92’分别为一正极及一负极，且设置于该壳体91内，并通过与导线连接而延伸至该壳体91外；该二电极组92、92’分别包含有一集电板921、921’及一电极922、922’，该电极922、922’分别设置于该集电板921、921’的表面，且该电极922、922’通常以粉体材料制成；该隔板93以多孔性高分子材料制成，且设置于该二电极组92、92’之间，以避免该二电极组92、92’因相触而造成短路；该电解液94填充于该壳体91内，以作为离子传导的媒介。

上述电储存装置的充放电原理因电储存装置种类不同而有所差异。以电双层电容器为例，该电极922、922’(固体层)与电解液94(液体层)之间将形成一极小厚度的界面，且正负电荷将分布于该界面中，而该界面被称为电双层(Electric Double Layer)。于电双层电容器中，该电极922、922’皆以石墨性碳材制成。当该电储存装置外接电压时，正负电荷会在该界面中呈现相对排列，而形成双电荷层现象，此时该二电极922、922’间的系统类似于二次电池的充电过程。而当该电双层电容器外接电器时，双电荷层中原先所累积的电荷便会往该电解液94中移动，产生电荷中和，并释放出能量，此时该二电极922、922’间的系统类似于二次电池的放电过程。

对上述电双层电容器而言，该现有电极922、922’的粉体材料的量越多，则其蓄电量愈高，然而该电极922、922’的涂布厚度愈厚，该电解液94的扩散阻力愈大，不易进入该现有电极922、922’中，造成电荷分布不均，且有部分的粉体材料无法被有效利用产生反应，因而造成蓄电量不易提升的缺点。

再且，该电极922、922’吸附电解液94中的离子团后，将会造成体积膨胀变大，而该电极922、922’仅为单层结构，并无缓冲空间，因此，该些体积的膨胀变化容易使该电极922、922’及电双层电容器产生变形而破损，造成使用上的安全性疑虑。基于上述原因，其有必要进一步改良上述现有电储存装置及其电极组。

发明内容

本发明目的是改良上述缺点，以提供一种电储存装置的电极组及其制造方法，以增加电极有效表面积。

本发明次一目的是提供一种电储存装置的电极组，以于电极内提供体积膨胀的缓冲空间。

本发明再一目的是提供一种电储存装置的电极组的制造方法，以制作具有较大有效表面积的电极。

本发明又一目的是提供一种电储存装置，包含上述电极组，以降低电解液的扩散阻力。

根据本发明的电储存装置的电极组，包含：一集电板，以导电材料制成；及一电极，包含一底部及数个凸出部，该底部的一侧结合于该集电板，该底部的另一侧延伸形成该数个凸出部，且二相邻的凸出部之间具有一间距。

根据本发明的电储存装置的电极组的制造方法，包含：一成型步骤，提供一模板，且该模板的模面形成有数个并列的凸模部，且相邻的凸模部之间具有一模间距，并将一导电粉体材料混合物设置于该模板及一集电板之间，使得该导电粉体材料混合物于该模板及集电板之间成型为一初胚，且该初胚的表面形成有数个凸部；一脱模步骤，将该模板移除；及一定型步骤，对该初胚进行加热，使该初胚于该集电板的表面固化形成一电极。

根据本发明的电储存装置，包含一壳体；一电解液，设置于该壳体内；二电极组，分别浸置于该电解液中，各该电极组分别包含一集电板及一电极，该集电板以导电材料制成，该电极包含一底部及数个凸出部，该底部的一侧设置于该集电板的表面，该底部的另一侧延伸形成该数个凸出部，且二相邻的凸出部之间具有一间距；及一隔板，设置于该壳体内，且介于该二电极组之间。

本发明的有益效果在于：

本发明的电极组的电极由该底部表面延伸形成该数个凸出部，可有效增加该电极的表面积；该数个凸出部之间所形成的空间使该电解液可容易渗入该电极内部，进而降低该电解液于该电极内的扩散阻力。因此，本发明的电极组若为增加蓄电量而增加该导电粉体材料的涂布厚度，也不会因电解液的扩散阻力愈大，而造成蓄电量不易提升的缺点。本发明的电极的各个凸出部之间所形成的空间也可作为体积膨胀的缓冲空间，减少该电极组及整体电双层电容器因膨胀所产生的破裂情形，进而提升该电双层电容器的使用寿命及安全性。

附图说明

图1：现有电储存装置的剖视图。

图2：本发明的电储存装置的电极组的制造方法的流程图。

图3：本发明第一实施例的电储存装置的电极组的制造方法的成型步骤示意图。

图4：本发明第一实施例的电储存装置的电极组的制造方法的压模示意图。

图5：本发明的电储存装置的电极组的剖视图。

图6：本发明第二实施例的电储存装置的电极组的制造方法的成型步骤示意图。

图7：本发明第二实施例的电储存装置的电极组的制造方法的压模示意图。

图8：本发明第二实施例的电储存装置的电极组的制造方法的定型步骤示意图。

图9：本发明的电储存装置的剖视图。

主要元件符号说明：

1 模板 11 凸模部 2导电粉体材料混合物

21 凸部 3 集电板 4电极 41底部

42 凸出部 5 壳体 6隔板 7电解液

d 间距 91 壳体 92电极组 92’电极组

921 集电板 921’集电板 922电极 922’电极

93 隔板 94 电解液

具体实施方式

为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

请参照图2所示，本发明的电储存装置的电极组制造方法包含一成型步骤S1、一脱模步骤S2及一定型步骤S3。

请参照图2至4所示，本发明的成型步骤S1提供一模板1，且该模板1的模面形成有数个并列的凸模部11，且相邻的凸模部11之间具有一模间距，并将一导电粉体材料混合物2设置于该模板1及一集电板3之间，使得该导电粉体材料混合物2于该模板1及集电板3之间成型为一初胚，且该初胚的表面形成有数个凸部21。更详言之，本发明第一实施例的成型步骤S1先于该集电板3上涂布一层导电粉体材料混合物2。本第一实施例中，该导电粉体材料混合物2的涂布厚度可选择为50至400μm，再以该模板1压盖该导电粉体材料混合物2，使得该导电粉体材料混合物2成型于该模板1及集电板3之间。该模板1可选择以铝、铜、不锈钢、镍、钛或由上述金属所构成的合金制成。该模板1的内模面形成有数个凸模部11，该等凸模部11概呈并列或阵列方式排列，且该两相邻的凸模部11之间形成有该模间距，该凸模部11的高度及该模间距可依需求进行设计。该导电粉体材料混合物2由导电粉体材料及分散剂共同混合形成糊状物；该集电板3可选择以铜或铝等金属材质制成。本实施例先将该导电粉体材料混合物2均匀的涂布于该集电板3的表面，接着，再以该模板1对该导电粉体材料混合物2进行压模，由于该数个凸模部11的顶压，使得该糊状的导电粉体材料混合物2受压堆挤而填满该数个凸模部11之间的空间。其中，于压模过程中因压挤而溢出集电板3外的导电粉体材料混合物2较佳进行刮除，以维持边缘的平整性。如此，便完成对该导电粉体材料混合物2的成型，而形成该初胚，且该初胚将形成与该模板1相对应的互补形状，而对应形成数个凸部21，且该数个凸部21对应位于该模间距内。

其中，上述的导电粉体材料可依据电储存装置以及正极或负极的种类进行选择，例如，若该电极组应用于电双层电容器(EDLC，ElectricDouble Layer Capacitor)，则不论作为正极或负极，该导电粉体材料皆可选择为石墨性碳材；若该电极组应用于锂离子二次电池(Lithium Battery)，则作为正极的导电粉体材料可选择为锂的氧化物，例如锂钴氧化物(LiCoO₂)、锂锰氧化物(LiMn₂O₄)或锂镍氧化物(LiNiO₂)，而作为负极的导电粉体材料可选择为石墨性碳材，例如活性碳或将聚丙烯酸腈(Polyacrylonitrile)、酚树脂等原料纤维于高温碳化所获得的碳材。而该分散剂可选择为聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)等氟化物高分子，或者聚乙烯醇(PVA)或聚乙二醇(PEG)等长链或交链结构的高分子等分散剂，用以分散该些导电粉体材料。该分散剂与粉体材料的调配重量比例(分散剂/粉体材料)为0.1～10。

请参照图2、4及5所示，本发明第一实施例的电极组制造方法的脱模步骤S2将该模板1移除。

请参照图2及5所示，本发明第一实施例的电极组制造方法的定型步骤S3对该初胚进行加热，使该初胚于该集电板3的表面固化形成电极4。更详言之，本实施例对该导电粉体材料混合物2所形成的初胚进行加热，以蒸除(evaporate)导电粉体材料混合物2中的分散剂，使该初胚固化形成电极4；其中，可选择以烘烤方式，且于90℃～250℃之间对该导电粉体材料混合物2进行加热，加热时间可选择为15～90分钟。至此，便可完成本发明第一实施例的电极组的制造方法，并获得由该集电板3及电极4所共同形成的电极组。

请参照图2、6及7所示，本发明第二实施例的电极组制造方法的成型步骤S1相同提供一模板1，且该模板1的模面形成有数个凸模部11，该等凸模部11概呈并列或阵列方式排列，且相邻的凸模部11之间具有一模间距，再将一导电粉体材料混合物2设置于该模板1及一集电板3之间，使得该导电粉体材料混合物2于该模板1及集电板3之间成型为一初胚，且该初胚的表面形成有数个凸部21。更详言之，本第二实施例的成型步骤S 1先架设该模板1及集电板3，使得于该模板1及集电板3之间固定保持有一间隙a；接着再于该模板1及集电板3之间注入该导电粉体材料混合物2，直至该导电粉体材料混合物2充满该模板1与该集电板3之间，同时充满该些凸模部11之间的空间，以形成位于该模板1及集电板3之间的初胚。举例而言，本实施例由该间隙a的一侧，例如，于图7中由该间隙a的右侧注入该导电粉体材料混合物2，较佳于该间隙a的另一侧以泵或马达进行抽吸，以帮助该导电粉体材料混合物2的流动及填充。如此，便可完成对该导电粉体材料混合物2的成型。其中，该导电粉体材料混合物2及集电板3的材质选择与第一实施例相同，于此不再赘述。

请参照图2、7及8所示，本发明第二实施例的电极组制造方法的脱模步骤S2将该模板1移除。

请参照图2及8所示，本发明第二实施例的电极组制造方法的定型步骤S3对该初胚进行加热，使该初胚于该集电板3的表面固化形成电极4。至此，便可获得由该集电板3及电极4所共同形成的电极组。

请参照图4及8所示，通过上述制造方法，仅需以该模板1对该导电粉体材料混合物2进行成型以形成该初胚，并脱模加热，便可制作出本发明的电极组。此外，如上述仅需对该电极4的导电粉体材料进行适当选择，本发明的电极组便可应用于锂离子二次电池或电双层电容器的正负极。本发明的电极组包含一集电板3及一电极4，该电极4设置于该集电板3的表面。

请参照图4及8所示，本发明的集电板3可选择以具导电性的铝箔或铜箔制成，以导通电路。

请参照图4及8所示，本发明的电极4包含一底部41及数个凸出部42，该底部41的一侧结合于该集电板3，该底部41的另一侧延伸形成有该数个凸出部42，该底部41的高度为30至150μm；该数个凸出部42可为等高或不等高，且该凸出部42的高度选择为10至250μm；该凸出部42的宽度可选择为等宽或不等宽，且该凸出部42的宽度选择为0.2至10μm；二相邻的凸出部42之间具有一间距d，该些间距d可选择为等间距或不等间距，且该间距d可选择为0.2至20μm，可依该电极4的尺寸需求调整该模板1的样式，以对应形成所需的凸出部42的高度或间距，举例而言，本实施例选择设置等高、等宽、等间距及概呈并列或阵列方式排列的凸出部42，该凸出部42的高度选择为35μm，宽度选择为5μm，间距d选择为5μm。借此，通过该数个凸出部42的设置，便可大幅增加该电极4的表面积。

请参照图9所示，其是使用本发明的电极组的电储存装置，该电储存装置包含一壳体5、二组本发明的电极组、一隔板6及一电解液7。该二电极组如上述包含该集电板3及电极4，且该电极4包含一底部41及数个凸出部42，该二电极组设置于该壳体5内，分别用以作为正负极，且较佳以导线连接延伸至该壳体5外；该隔板6选择以绝缘多孔性高分子材料制成，该隔板6设置于该壳体5内，且介于该二电极组之间，以隔开该二电极组；该电解液7填充于该壳体5内，使得该二电极组皆可完全浸于该电解液7中，该电解液7可选择为硫酸(H₂SO₄)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化钙(Ca(OH)₂)、碳酸丙烯酯(PC，propylenecarbonate)、碳酸乙烯酯(Ethylene carbonate)、二甲基碳酸(Dimethylcarbonate)或乙腈(AN，acetonitrile)等溶液，或者将四乙基氟硼酸铵盐(Et₄NBF₄，tetraethyl ammonium tetrafluoroborate)或四乙基磷四氟硼化物(Et₄PBF₄，tetraethyl phosphonium tetrafluoroborate)等的四级铵盐类[PH₄]+(phosphonium)溶于水中作为该电解液7使用。

请参照图9所示，由于本发明的电极组的电极4由该底部41表面延伸形成该数个凸出部42，可有效增加该电极4的表面积。因此，不论于该电储存装置外接电压进行充电，或者外接电器进行放电时，该数个凸出部42之间所形成的空间使该电解液7可容易渗入该电极4内部，进而降低该电解液于该电极4内的扩散阻力。因此，本发明的电极组若为增加蓄电量而增加该导电粉体材料的涂布厚度，也不会因电解液7的扩散阻力愈大，而造成蓄电量不易提升的缺点。

再且，若应用于电双层电容器，即使该电极4因吸附电解液7内的离子团而产生体积膨胀的现象，本发明的电极4的各个凸出部42之间所形成的空间也可作为体积膨胀的缓冲空间，减少该电极组及整体电双层电容器因膨胀所产生的破裂情形，进而提升该电双层电容器的使用寿命及安全性。

本发明提供一种电储存装置的电极组及其制造方法，以达到增加电极有效表面积的功效。

本发明提供一种电储存装置的电极组，且该数个凸出部42之间的空间可以作为电极4因吸附离子团所造成的体积膨胀的缓冲空间。

本发明提供一种电储存装置的电极组的制造方法，以一模板1及一集电板3共同使该导电粉体材料混合物2成型后，进行加热定型，以制作该具有较大有效表面积的电极4。

本发明提供一种电储存装置，使该电极4形成数个凸出部42，以增加电极4有效表面积，并降低电解液7的扩散阻力。

Claims

1.一种电储存装置的电极组，其特征在于包含：

一个集电板，以导电材料制成；及

一个电极，包含一个底部及数个凸出部，该底部的一侧设置于该集电板的表面，该底部的另一侧延伸形成该数个凸出部，且两个相邻的凸出部之间具有一个间距。

2.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部为等高。

3.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部为不等高。

4.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部之间为等间距。

5.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部之间为不等间距。

6.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部为等宽。

7.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部为不等宽。

8.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部呈并列或阵列方式排列。

9.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部的高度为10μm～250μm。

10.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部之间的间距为0.2μm～20μm。

11.依权利要求1所述的电储存装置的电极组，其特征在于，该数个凸出部的宽度为0.2μm～10μm。

12.一种电储存装置的电极组的制造方法，其特征在于包含：

一个成型步骤，提供一个模板，且该模板的模面形成有数个并列的凸模部，且相邻的凸模部之间具有一个模间距，再将一个导电粉体材料混合物设置于该模板及一个集电板间，使得该导电粉体材料混合物于该模板及集电板之间成型为一个初胚，且该初胚的表面形成有数个凸部；

一个脱模步骤，将该模板移除；及

一个定型步骤，对该初胚进行加热，使该初胚于该集电板的表面固化形成一个电极。

13.依权利要求12所述的电储存装置的电极组的制造方法，其特征在于，该成型步骤中，先于该集电板上涂布该导电粉体材料混合物，再以该模板压盖该导电粉体材料混合物。

14.依权利要求12所述的电储存装置的电极组的制造方法，其特征在于，该成型步骤中，先使该模板及集电板之间固定保持有一个间隙，并于该模板及集电板之间注入该导电粉体材料混合物，直至该导电粉体材料混合物充满该模板与该集电板之间。

15.依权利要求14所述的电储存装置的电极组的制造方法，其特征在于，该成型步骤中，由该间隙的一侧注入该导电粉体材料混合物。

16.依权利要求12所述的电储存装置的电极组的制造方法，其特征在于，该定型步骤中，该加热的温度为90℃～250℃。

17.依权利要求12所述的电储存装置的电极组的制造方法，其特征在于，该定型步骤中，该加热的时间为15分钟～90分钟。

18.依权利要求12所述的电储存装置的电极组的制造方法，其特征在于，该成型步骤中，导电粉体材料混合物以导电粉体材料与分散剂共同混合而成。

19.一种电储存装置，其特征在于包含：

一个壳体；

一个电解液，设置于该壳体内；

两个电极组，分别浸置于该电解液中，各该电极组分别包含一个集电板及一个电极，该集电板以导电材料制成，该电极包含一个底部及数个凸出部，该底部的一侧设置于该集电板的表面，该底部的另一例延伸形成该数个凸出部，且两个相邻的凸出部之间具有一个间距；及

一个隔板，设置于该壳体内，且介于该两个电极组之间。

20.依权利要求19所述的电储存装置，其特征在于，该电解液为硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、二甲基碳酸或乙腈溶液。

21.依权利要求19所述的电储存装置，其特征在于，该电解液为四级铵盐类的水溶液。

22.依权利要求21所述的电储存装置，其特征在于，该电解液为四乙基氟硼酸铵盐或四乙基磷四氟硼化物水溶液。

23.依权利要求19所述的电储存装置，其特征在于，该隔板以多孔性高分子材料制成。

24.依权利要求19所述的电储存装置，其特征在于，该数个凸出部为等高或不等高。

25.依权利要求19所述的电储存装置，其特征在于，该数个凸出部之间为等间距或不等间距。

26.依权利要求19所述的电储存装置，其特征在于，该数个凸出部为等宽或不等宽。

27.依权利要求19所述的电储存装置，其特征在于，该数个凸出部呈并列或阵列方式排列。

28.依权利要求19所述的电储存装置，其特征在于，该数个凸出部的高度为10μm～250μm。

29.依权利要求19所述的电储存装置，其特征在于，该数个凸出部之间的间距为0.2μm～20μm。

30.依权利要求19所述的电储存装置，其特征在于，该数个凸出部的宽度为0.2μm～10μm。