TWI533497B - Current collection layer structure - Google Patents

Description

電流收集層結構

本發明涉及一種電流收集層結構，尤其是包含石墨烯導電層。

單層石墨，又稱為石墨烯(graphene)，是一種由單層碳原子以石墨鍵(sp2)緊密堆積成二維蜂窩狀的晶格結構，因此僅有一個碳原子的厚度，石墨鍵為共價鍵與金屬鍵的複合鍵，可說是絕緣體與導電體的天作之合。2004年英國曼徹斯特大學Andre Geim與Konstantin Novoselov成功利用膠帶剝離石墨的方式，證實可得到單層之石墨烯，並獲得2010年之諾貝爾物理獎。

石墨烯是目前世界上最薄也是最堅硬的材料，導熱係數高於奈米碳管與金剛石，常溫下其電子遷移率亦比奈米碳管或矽晶體高，電阻率比銅或銀更低，是目前世界上電阻率最小的材料，這些獨特的電荷機械性質使得加入石墨烯的複合材料更多功能化，不但表現出優異的力學及電學性能，還具有優良的加工性能，為複合材料提供了更廣闊的應用領域。但是結構完整的石墨烯是由不含任何不穩定鍵的苯六元環組合而成的二維晶體，化學穩定性高，其表面呈惰性狀態，與其他介質(如溶劑等)相互作用較弱，且石墨烯的片與片之間存在較強的凡得瓦力，容易產生團聚，使其難溶於水以及其他常用的有機溶劑，更難與其他材料摻混形成複合材料，因而大大限制了石墨烯的進一步研究與應用，過去多以其他石墨類或碳類材料作為複合材料應用。

美國專利US20120237782揭露一種碳塗佈層鋁箔片的製備方法，係將碳原子以電漿的方式沉積於金屬鋁箔之上，此碳塗佈層使得鋁箔片之機械顯著的增加，另外用於電容器上，電子導電度以及功率密度有所改善。

美國專利US20130171517揭露一種石墨烯塗佈層於金屬箔片的製備方法，係將1~10層厚的石磨烯分散於具有揮發性的溶劑中，如：有機溶劑或水，形成0.05wt%~5wt%的石墨烯漿料，其石墨烯薄膜以含浸方式塗布於金屬箔片上，其塗布厚度為0.8um~5μm，再放置室溫或加熱方式乾燥此石墨烯電流收集層。由於石墨材料與金屬材料先天差異極大，親合性不佳，因此石墨烯對於金屬箔片的附著性較差，兩者之介面反而會形成電阻層，再者以含浸方式製備其石墨烯電流收集層，對於塗布的厚度，其均一性較難調控。因此，此專利在製備石墨烯塗布層金屬箔片上，其具有實行之困難性。

因此，應用石墨烯特有的導電性能來取代一般的碳塗佈層，進而應用於現有的電化學產品上，實質上需要解決的問題在於各材料之間的親合與接著特性，才能發揮石墨烯預期之效果。

本發明的主要目的在於提供一種電流收集層結構，該電流收集層結構包含金屬箔基層及石墨烯導電層，石墨烯導電層厚度為2~5μm，且電阻值小於1Ω-cm；石墨烯導電層包含複數個石墨烯片，以及一高分子黏結劑，該高分子黏結劑用以將該等石墨烯片粘著於該金屬箔基層之上，並且將該等石墨烯片相互黏接，且該高分子黏結劑佔石墨烯導電層的重量百分比0.01wt%至10wt%。

本發明藉由高分子黏結劑的添加，使石墨烯片與金屬箔片之間連接，並增加石墨烯片堆疊區塊間的連接，增加了整 體電流收集層結構之附著強度，形成完整的導電網路，且該高分子黏著劑係與電化學元件內活性物質之黏結劑完全相容，使電化學元件之活性物質與石墨烯導電層緊密結合，將兩者之接觸電阻降至最低，大幅提昇電化學元件性能，從而能將本發明的電流收集層結構應用於各種電池、電容器中。

1‧‧‧電流收集層結構

10‧‧‧金屬箔基層

20‧‧‧石墨烯導電層

第一圖為本發明電流收集層結構的剖面示意圖。

以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參閱第一圖，本發明電流收集層結構的剖面示意圖。如第一圖所示，本發明電流收集層結構1包含一金屬箔基層10及一石墨烯導電層20，該金屬箔基層係選自鋁箔、銅箔、鈦箔、鎳箔之任一者。石墨烯導電層20設置在該金屬箔基層10的至少一表面上，厚度為0.1~5μm，且電阻值小於1Ω-cm；石墨烯導電層20包含複數個石墨烯片，以及一高分子黏結劑，該高分子黏結劑用以將該等石墨烯片粘著於該金屬箔基層10之上，並且將該等石墨烯片相互黏接，且該高分子黏結劑與石墨烯導電層20的重量百分比為0.01wt%至10wt%。

該石墨烯片呈片狀，厚度為1~50nm，且平面橫向尺寸為1um~50μm。該高分子黏結劑係選自選自聚偏氟乙烯、聚對苯二甲酸乙烯酯、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯醯胺、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四甘醇二丙烯酸酯、聚醯亞胺、醋酸纖維素、醋酸丁酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、乙基纖維素、氰乙基纖維素、氰乙基聚乙烯醇及羧甲基纖維素的至少其中之一，且該高分子黏結劑與電池的電解液接觸 後，形成為膠態。

以下以實際的實驗示例，來說明本發明電流收集層結構的製作方法。首先，將石墨烯片放入N-甲基吡咯烷酮(N-methyl pyrrolidinone，NMP)溶劑中，再加入聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride，PVDF)作為高分子黏結劑，接著球磨數小時，而製成石墨烯之漿料。再將石墨烯漿料噴塗於以鋁箔做成的金屬箔基層，並烘乾充分使N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶劑揮發後，形成石墨烯導電層，而完成電流收集層結構，再以四點探針量測電阻值。

以下實驗示例1-5的差異乃在於石墨烯電流收集層中添加聚偏氟乙烯的量不同，以及該石墨烯導電層之噴塗厚度的不同，其實驗結果如表1所示。

另外，該石墨烯導電層與該金屬箔基層，經由3M型號600和610膠帶進行百格測試結果，該石墨烯導電層對於該金屬箔片附著強度≧4B。

本發明的特點在於，藉由高分子黏結劑的添加，使石墨烯片與金屬箔片之間連接，並增加石墨烯片堆疊區塊間的連接，增加了整體電流收集層結構之附著強度，形成一完整之導電網路。另外，就電化學部分，該高分子黏著劑係與 電化學元件內活性物質之黏結劑完全相容，使電化學元件之活性物質與石墨烯導電層緊密結合，將兩者之接觸電阻降至最低，大幅提昇電化學元件性能。從而，能夠應用於各種電池、電容器中。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

1‧‧‧電流收集層結構

10‧‧‧金屬箔基層

20‧‧‧石墨烯導電層

Claims (7)

1. 一種電流收集層結構，包含：一金屬箔基層；以及一石墨烯導電層，設置在該金屬箔基層的至少一表面上，且該石墨烯導電層包含複數個石墨烯片，以及一高分子黏結劑，該高分子黏結劑用以將該等石墨烯片粘著於該金屬箔基層上，並且將該等石墨烯片相互黏接，其中該等石墨烯片呈片狀，厚度為1~50nm，且平面橫向尺寸為1μm~50μm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電流收集層結構，其中該金屬箔基層係選自鋁箔、銅箔、鈦箔以及鎳箔的至少其中之一。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電流收集層結構，其中該高分子黏結劑係選自選自聚偏氟乙烯、聚對苯二甲酸乙烯酯、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯醯胺、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四甘醇二丙烯酸酯、聚醯亞胺、醋酸纖維素、醋酸丁酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、乙基纖維素、氰乙基纖維素、氰乙基聚乙烯醇及羧甲基纖維素的至少其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電流收集層結構，該高分子黏結劑與該石墨烯導電層之重量比為0.01wt%至10wt%之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電流收集層結構，其中石墨烯導電層之厚度介於0.1-5μm之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電流收集層結構，其中石墨烯導電層之電阻值小於1Ω-cm。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電流收集層結構，其中該石墨烯導電層對於該金屬箔片附著強度京百格試驗的結果≧4B。