TWI462381B - 高性能電流收集裝置 - Google Patents

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Description

高性能電流收集裝置
本發明係有關於一種電流收集板，尤指一種高性能電流收集板。
在傳統製做電化學元件之能源貯存裝置中，大部分電極板都有使用電流收集板來做為傳遞電流用，市場上直流收集板有很多種如鋁、銅、鈦箔...等，而傳統技術製造電極方法是將活性物質之漿料添加黏著劑(binder)，再將漿料披覆在電流收集板上再經乾燥而得活物層(14)。其中因電流收集板金屬表面易氧化，較為親水性，而活物層因含有有機的黏著劑屬於親油性，製作電極的過程中，由於二者之間的極性不同，易造成活物層與電流收集板之間的貼合性變差，在進行充放電時，界面之間產生了很大的界面阻抗而造成能量損失。另一方面，長時間的使用下，容易造成活物層的剝落，減少電池壽命。
目前解決該等問題的技術在於在電流收集板上利用化學方式披覆一層碳材料，一方面去除表面的氧化層，增加導電度，另一方面形成的碳層為親油性，增加與活物層的貼合性。先前技術WO 2004/087984 A1，在鋁板上先披覆一層有機物，再進行化學氣相沈積，一方面裂解有機物，另一方面增加碳含量，形成具有碳鋁合金之貼和碳層。
職是之故，本案發明人鑑於習知技術之缺失，乃經悉心試驗與研究並一本鍥而不捨之創作精神，終創作出本發明『高性能電流收集板』，利用碳氮薄膜做為取代純碳層，可以更增加導電度，同時在碳氮薄膜的造型上做設計，進一步增加與活物層的貼合性。
本發明是係供一種高性能電流收集板，以增加導電度及活物層之貼合性。根據本發明的主要目的，提供一種電流收集板，包括一電流傳導元件；以及一含碳混合物薄膜，形成於該電流傳導元件上。
較佳者，依據上述構想之電流收集板，其中該電流傳導元件為一金屬片。
較佳者，依據上述構想之電流收集板，其中該金屬片之材質為鋁箔。
較佳者，依據上述構想之電流收集板，其中該含碳混合物為一碳氮薄膜。
較佳者，依據上述構想之電流收集板，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例係介於0.05~0.5。
較佳者，依據上述構想之電流收集板，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例較佳為0.1~0.2。
較佳者，依據上述構想之電流收集板，其中該碳氮薄膜上具有複數棒狀突出。
較佳者，依據上述構想之電流收集板，其中該棒狀突出之長度介於0.01~0.05微米。
較佳者，依據上述構想之電流收集板，其中該碳氮薄膜之厚度為0.01~2.0微米。
較佳者，依據上述構想之電流收集板，更包括一活物層形成於該含碳混合物之上。
根據本發明的另一主要目的，提供一種電化學元件電極，具有一電流收集板，該電流收集板包括一金屬片；以及一碳氮薄膜，形成於該金屬片上。
較佳者，依據上述構想之電化學元件電極，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例係介於0.05~0.5。
較佳者，依據上述構想之電化學元件電極，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例較佳為0.1~0.2。
較佳者，依據上述構想之電化學元件電極，其中該碳氮薄膜上具有複數棒狀突出。
根據本發明的又一主要目的，提供一種電流收集板之製造方法，其步驟包括：提供一金屬片；以及於該金屬片上形成一碳氮薄膜。
較佳者，依據上述構想之方法，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例係介於0.05~0.5。
較佳者，依據上述構想之方法，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例較佳為0.1~0.2。
較佳者，依據上述構想之方法，其中該金屬片之材質為鋁箔。
較佳者，依據上述構想之方法，其中該碳氮薄膜是在500至600℃之間，以甲烷及氨氣之4:1流量之混合氣體，反應形成的。
較佳者，依據上述構想之方法，其中該碳氮薄膜上具有複數棒狀突出。
較佳者，依據上述構想之方法，其中該棒狀突出之長度介於0.01~0.05微米。
較佳者，依據上述構想之方法，其中該碳氮薄膜之厚度為0.01~2.0微米。
本發明將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本發明之實施並非可由下列實施例而被限制其實施型態。
請參閱第一圖，其係包含本發明之高性能電流收集板之電極的較佳實施例示意圖。本發明之高性能電流收集板包括金屬片12與碳氮薄膜13。在此電流收集板中，碳氮薄膜13形成在金屬片12之上，且具有多個棒狀突出物15。活物層14形成在碳氮薄膜13之上，成為完整電極11，且藉由碳氮薄膜13的棒狀突出物15增加與碳氮薄膜13接觸面積及貼合強度。除此之外，碳氮薄膜13的棒狀突出物15還可以進一步在活物層中形成高導電通路，增加電流流動的速率，並減少電阻值。
一般電流收集板皆採用鋁箔來當作金屬電極。在本發明中，取厚度100μm的蝕刻鋁箔，以甲烷(CH4 )及氨氣(NH3 )之混合氣體作為反應氣體，用4:1的流量進行反應，在500至600℃之間下反應二十小時，在鋁箔上形成碳氮膜。反應完畢後，進行元素分析，得知C:N含量比為1:0.15，並經電流顯微鏡觀察證實該鍍覆層表面具棒狀突出物，其長約0.01~0.05微米，直徑為0.001微米。
比較例則是以純甲烷為鍍膜氣體，在相同溫度經過相同時間，在相同的鋁箔上形成一純碳膜的鍍覆。
最後將活物層塗佈在該以上二電流收集板上，形成電池電極。活物層的組成為85%磷酸鐵鋰(LiFePO4 )，5%石墨片，2%碳黑與7%黏著劑。
接下來，分別對本發明之高性能電流收集板與比較例進行電化學性能測試與比較。充放電時是以鋰箔片作為對極。
表一顯示在常溫下測試不同充放電速度下之電容量。
表二顯示利用交流阻抗儀測得之高頻串聯阻抗值之比較結果，其中使用本發明之高性能電流收集板的電容具有較低的阻抗。
由上述之比較結果充份証實，本發明之高性能電流收集板確實較已知使用純碳膜改良之電流收集板具有更高的電容量，以及更低的電阻值。
此外，碳氮膜形成的方式有許多種。其一如實施例所述，利用含碳、氮的化學物質同時在金屬片12上進行反應，一次形成含碳氮的鍍膜。其二為如比較例的方式先鍍上一層碳膜，隨後將該碳膜與含氮之化學物質進行反應，將純碳膜轉換成碳氮膜。鍍膜的方式可以使用氣相沈積法或裂解法可以，亦可使用電漿反應技術進行。
綜上所述，本發明不但可以增加活物層與電流收集板之間的接觸面積，以加強活物層的貼附強度，同時為電流創造出高導電之通路，以降低電阻值，進一步達到比習知技術更佳的高電容與低電阻之效果，更符合使用便利與實用的特性。實屬難能之創新設計，深具產業價值，爰依法提出申請。
本創作得由熟悉技藝之人任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
11．．．電極
12．．．金屬板
13．．．碳氮層
14．．．活物層
15．．．棒狀突出
第一圖：其係包含本發明之高性能電流收集板之電極的較佳實施例示意圖。
11．．．電極
12．．．金屬板
13．．．碳氮層
14．．．活物層
15．．．棒狀突出

Claims (22)

  1. 一種電流收集板，包括：一電流傳導元件；以及一碳氮薄膜，形成於該電流傳導元件上，其中該碳氮薄膜上具有複數棒狀突出。
  2. 如申請專利範圍第1項之電流收集板，其中該電流傳導元件為一金屬片。
  3. 如申請專利範圍第2項之電流收集板，其中該金屬片之材質為鋁箔。
  4. 如申請專利範圍第3項之電流收集板，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例係介於0.05~0.5。
  5. 如申請專利範圍第4項之電流收集板，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例較佳為0.1~0.2。
  6. 如申請專利範圍第1項之電流收集板，其中該棒狀突出之長度介於0.01~0.05微米。
  7. 如申請專利範圍第1項之電流收集板，其中該碳氮薄膜之厚度為0.01~2.0微米。
  8. 一種電化學元件電極，具有一電流收集板，該電流收集板包括：一金屬片；以及一碳氮薄膜，形成於該金屬片上，其中該碳氮薄膜上具有複數棒狀突出。
  9. 如申請專利範圍第8項之電化學元件電極，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例係介於0.05~0.5。
  10. 如申請專利範圍第9項之電化學元件電極，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例較佳為0.1~0.2。
  11. 如申請專利範圍第8項之電化學元件電極，其中該碳氮薄膜之厚度為0.01~2.0微米。
  12. 如申請專利範圍第8項之電化學元件電極，其中該棒狀突出之長度介於0.01~0.05微米。
  13. 如申請專利範圍第8項之電化學元件電極，其中該金屬片之材質為鋁箔。
  14. 如申請專利範圍第8項之電化學元件電極，其中該電流收集板更包括一活物層形成於該碳氮薄膜之上。
  15. 一種電流收集板之製造方法，其步驟包括：提供一金屬片；以及於該金屬片上形成一碳氮薄膜，其中該碳氮薄膜上具有複數棒狀突出。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例係介於0.05~0.5。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該碳氮薄膜中氮碳之莫爾比例較佳為0.1~0.2。
  18. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該金屬片之材質為鋁箔。
  19. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該碳氮薄膜是在500與600℃之間，以甲烷及氨氣之4：1流量之混合氣體，反應形成的。
  20. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該棒狀突出之長度介於0.01~0.05微米。
  21. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該碳氮薄膜之厚度為0.01~2.0微米。
  22. 如申請專利範圍第15項之方法，更包括於該碳氮薄膜之上形 成一活物層。
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