專利名稱：電池電極制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種電池電極的制作方法，特別是一種以鐵為主要成分的電池電極制作方法。
背景技術(shù)：
一般鎳鐵電池的結(jié)構(gòu)其負極使用鐵粉、正極使用氫氧化鎳，而電解液一般為氫氧化鉀水溶液，中間再以隔離膜分開兩電極。在過去，由于鎳鐵電池的鐵電極容量不高，使得整體電池能量密度僅約50Wh/kg，功率密度也僅約100W/kg，再加上自放電效應(yīng)較大，因此在70年代之后鎳鐵電池漸漸被鉛酸電池、鋰電池等其它電池所取代。然而，鎳鐵電池相較于其它電池而言仍具有循環(huán)壽命極長(> lOOOcycle)、耐過度充電與過度放電、原料充足、 無污染問題等優(yōu)點。在公知技術(shù)中，Jackovitz等人曾在1982提出U. S. Pat. 4356101提到在700°C的溫度下，利用氫氣還原以硫酸鐵為前驅(qū)物所燒制的氧化鐵，而獲得放電量高達620mAh/g的活性鐵粉，但并未說明此為實際可循環(huán)的電容量或第一次的放電容量。Huang 2007年的研究文獻亦指出，利用化學(xué)還原的納米鐵微粒做為鐵電極材料，在不添加任何導(dǎo)電添加劑與活化劑的狀況下，提供200mA/g-Fe電流，其電容量可達510mAh/g-Fe。顯示納米鐵微粒的高表面積比的確有效提高了鐵原子的利用率。然而，納米鐵電極的電容量與傳統(tǒng)電池電極的電容量不同的是，納米鐵電極的電容量會隨著充放電循環(huán)的次數(shù)而衰減(請參考圖1)。 從微結(jié)構(gòu)的觀察中發(fā)現(xiàn)，由于納米鐵微粒在充放電的過程中，其粒徑快速增大使其表面積隨的減少，而粒徑增大的原因在于充電時，鐵原子再結(jié)晶成鐵微粒，同時，由于系統(tǒng)有往熱力學(xué)穩(wěn)定的方向移動的趨勢，為了使粒子的表面能降低，粒子遂逐漸長大。經(jīng)由X光繞射圖 (X-ray diffraction, XRD)分析的結(jié)果可看出，納米鐵微粒的結(jié)晶性隨著充放電循環(huán)而越來越明顯，顯示了納米鐵微粒的確有重新結(jié)晶的現(xiàn)象，而使原來呈現(xiàn)幾乎非晶態(tài)的粒子逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶良好的狀態(tài)。由于鎳鐵電池的鐵電極仍存在著上述種種的缺點，因此亟需提出一種具有更好的充放電循環(huán)特性以及大電流放電的電池電極，以解決當(dāng)前鎳鐵電池的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種電池電極制作方法，以克服背景技術(shù)中所述的缺點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的電池電極材料制作方法，包含提供一還原劑；提供一導(dǎo)電助劑，該導(dǎo)電助劑系選自由金屬鹽類、金屬微粒、金屬化合物及含碳導(dǎo)電物質(zhì)所組成的群組其中的一；提供一含鐵離子溶液，并將該導(dǎo)電助劑加入該含鐵離子溶液形成第一混合溶液；將第一混合溶液與還原劑混合形成第二混合溶液，其中該導(dǎo)電助劑及該含鐵離子系經(jīng)該還原劑還原形成一復(fù)合微粒，該復(fù)合微粒包含有一鐵微粒；
自該第二混合溶液分離出該復(fù)合微粒；提供一黏結(jié)劑，將該復(fù)合微粒與該黏結(jié)劑混合后形成一涂料，以及；將該涂料涂布于一金屬網(wǎng)以制成電極。所述的電池電極材料制作方法，其中，該還原劑為一硼氫化鉀水溶液或一硼氫化鈉水溶液。所述的電池電極材料制作方法，其中，該金屬鹽類選自由鈷、鎳、銅、錫、銻、鉍、銦、 金、鉛、鎘所構(gòu)成的群組其中之一。所述的電池電極材料制作方法，其中，該金屬微粒及該金屬化物選自由鈷、鎳、銅、 錫、銻、鉍、銦、金、鉛、鎘、鈦所構(gòu)成的群組其中之一。所述的電池電極材料制作方法，其中，該含碳導(dǎo)電物質(zhì)為碳黑、納米碳管或石墨。所述的電池電極材料制作方法，其中，該含鐵離子溶液選自由硫酸鐵O^eSO4)溶液、硝酸鐵(Fe(NO3)3)溶液，及氯化鐵(FeCl3)溶液所組成的群組其中之一。所述的電池電極材料制作方法，其中，該鐵微粒的粒徑為納米等級。所述的電池電極材料制作方法，其中，該復(fù)合微粒的粒徑為IOOnm 200nm。所述的電池電極材料制作方法，其中該，黏結(jié)劑為鐵氟龍。所述的電池電極材料制作方法，其中，加入一緩蝕劑，該緩蝕劑選自由鉬酸鹽、磷酸鹽、有機磷化合物、硅酸鹽、鉻酸鹽、具極性基團的長碳鏈有機化合物、界面活性劑所構(gòu)成的群組其中之一。本發(fā)明的效果是1)可使以鐵為主要成分的電極有更好的充放電循環(huán)特性。2)可制作具有大電流放電的電池電極。


圖1是公知技術(shù)的納米鐵電極的電容量與充放電循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖。圖2是本發(fā)明的第一較佳實施例的制作方法流程圖。圖3是本發(fā)明所提供的納米尺寸含鐵復(fù)合微粒電極的第一次放電曲線。圖4是本發(fā)明所提供的納米尺寸含鐵復(fù)合微粒電極與純鐵微粒電極的充放電循環(huán)次數(shù)比較圖。圖5是本發(fā)明所提供的納米尺寸含鐵復(fù)合微粒電極的大電流放電曲線圖。圖6是本發(fā)明所提供的納米尺寸含鐵復(fù)合微粒的電子顯微鏡照片。
具體實施例方式本發(fā)明的電池電極材料制作方法，包含提供還原劑、提供導(dǎo)電助劑、提供含鐵離子溶液，并將導(dǎo)電助劑加入含鐵離子溶液中形成第一混合溶液，再將第一混合溶液與還原劑混合形成第二混合溶液，接著利用磁鐵自第二混合溶液中分離出至少含有一種導(dǎo)電材質(zhì)的復(fù)合微粒，再以黏結(jié)劑將復(fù)合微粒混合形成涂料，并將涂料涂布于金屬網(wǎng)。由于本發(fā)明公開了一種電池電極材料制作方法，其中所利用物理及化學(xué)原理，已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所能明了，故以下文中的說明，不再作完整描述。同時，以下文中所對照的附圖是表達與本發(fā)明特征有關(guān)的示意，并未亦不需要依據(jù)實際情形完整繪制，合先敘明。
請參閱圖2，是本發(fā)明電池電極材料制作方法的第一較佳實施例，包含提供還原劑；提供導(dǎo)電助劑，導(dǎo)電助劑包含有金屬鹽類、金屬微粒、金屬化合物或含碳導(dǎo)電物質(zhì)等其中之一；提供含鐵離子溶液，并將該導(dǎo)電助劑加入含鐵離子溶液形成第一混合溶液；將第一混合溶液與還原劑混合形成第二混合溶液，其中導(dǎo)電助劑及含鐵離子經(jīng)還原劑還原形成復(fù)合微粒，復(fù)合微粒包含有鐵微粒；自第二混合溶液分離出復(fù)合微粒；提供黏結(jié)劑，并將復(fù)合微粒與黏結(jié)劑混合后形成涂料，以及將涂料涂布于金屬網(wǎng)以制成電極。上述實施例中，還原劑是由硼氫化鈉(NaBH4)或硼氫化鉀(KBH4)等強還原劑與純水所構(gòu)成所構(gòu)成，但不僅限于此。導(dǎo)電助劑所包含的金屬鹽類可為鈷、鎳、銅、錫、銻、鉍、銦、 金、鉛、鎘等溶液，或直接加入極為細小的粉狀、絲狀或薄片狀等的金屬微?；蚴墙饘倩衔?。金屬微粒舉例而言，是由純金屬原子所集結(jié)而成的微粒結(jié)構(gòu)，其可進一步形成粉狀、絲狀或薄片狀的型態(tài)。金屬化合物舉例而言，是指金屬的氧化物或氮化物等。又，含碳物質(zhì)可為碳黑、石墨或納米碳管。此外，實施例中所提的含鐵離子溶液為硫酸鐵(FeSO4)、硝酸鐵(Fe (NO3) 3)、氯化鐵(FeCl3)等的可溶性鐵化合物的溶液。黏結(jié)劑的成分為鐵氟龍。另外，在上述實施例中，可進一步加入緩蝕劑，緩蝕劑的種類包含了鉬酸鹽、磷酸鹽、有機磷化合物、硅酸鹽、鉻酸鹽、具極性基團的長碳鏈有機化合物、界面活性劑等，可藉由多種機制達到延緩鐵電極自放電的效果。再者，上述實施例中，由于主要是以化學(xué)還原沉淀的方法制作，而此方法所產(chǎn)生的復(fù)合微粒的粒徑相當(dāng)微小，其中鐵微粒可達納米尺寸等級，且可使導(dǎo)電助劑與具活性的鐵微粒緊密結(jié)合另外，由于大量的異質(zhì)細微顆粒均勻的散布在電極中，成為充電時溶解在結(jié)晶的鐵優(yōu)先成核的位置，可有效避免粒徑的增加，使電池電極具有良好的充放電特性及較大電流的放電量。請參考圖3，以本發(fā)明所述的電極制作方法所產(chǎn)生的的復(fù)合鐵微粒材料，在第一次放電時可幾乎放出理論值電量(第一階段理論960mAh/g)，第二次充放電循環(huán)后原始的復(fù)合鐵微粒經(jīng)歷溶解再結(jié)晶，第一階段放電量下降到400至600Ah/g-Fe，兩階段電容量合計約800mAh/g-Fe，而之后可循環(huán)電容量維持穩(wěn)定，此放電值高于現(xiàn)用儲氫合金的 300 士20mAh/g。請接著參考圖4，在經(jīng)過40次充放電循環(huán)后電量尚可維持約90%。請繼續(xù)參考圖5，此電極材料以電流3200mA/g放電電壓僅比100mA/g放電低了約0. 06V,顯見其大電流放電能力良好，遠優(yōu)于過去的鐵電極材料。請參考圖6，是由電子顯微鏡觀察復(fù)合鐵微粒粒徑為100-200納米。本發(fā)明將進一步由下面的實驗來作說明，但并非用以限定本發(fā)明申請的權(quán)利范圍。實例首先將0. 1摩爾的硼氫化鈉(sodium borohydride ；NaBH4)溶于100毫升的純水做為還原劑，再將100毫升含有0. 025摩爾的七水合硫酸鐵(FeSO4 · 7H20)與0. 0025摩爾至 0. 05摩爾的金屬鹽類或微細導(dǎo)電材料的混和溶液緩慢與還原劑混合，使金屬鹽類或微細導(dǎo)電材料及硫酸鐵共同進行還原反應(yīng)形成由導(dǎo)電材料與鐵所組成的復(fù)合微粒，其中金屬鹽類可為鈷、鎳、銅、錫、銻、鉍、銦、銀、金、鉛或鎘等金屬所形成的金屬鹽，微細的導(dǎo)電材料可為金屬粉、金屬絲、金屬薄片、碳黑、納米碳管或石墨。還原完成后經(jīng)由多次純水清洗，并用磁鐵分離以獲得鐵與導(dǎo)電材料共同組成的復(fù)合微粒，于此鐵與導(dǎo)電材料共同組成的復(fù)合微粒中加入重量百分比10%的四氟乙烯(鐵氟龍，PTFE)作為黏結(jié)劑后調(diào)成漿料，并將此漿料涂于集電網(wǎng)制成電極。 以上所述僅為本發(fā)明較佳實施例而已，并非用以限定本發(fā)明的權(quán)利范圍；同時以上的描述對于本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可明了與實施，因此其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含于申請的權(quán)利要求范圍。
權(quán)利要求
1.一種電池電極材料制作方法，包含提供一還原劑；提供一導(dǎo)電助劑，該導(dǎo)電助劑系選自由金屬鹽類、金屬微粒、金屬化合物及含碳導(dǎo)電物質(zhì)所組成的群組其中的一；提供一含鐵離子溶液，并將該導(dǎo)電助劑加入該含鐵離子溶液形成第一混合溶液；將第一混合溶液與還原劑混合形成第二混合溶液，其中該導(dǎo)電助劑及該含鐵離子系經(jīng)該還原劑還原形成一復(fù)合微粒，該復(fù)合微粒包含有一鐵微粒；自該第二混合溶液分離出該復(fù)合微粒；提供一黏結(jié)劑，將該復(fù)合微粒與該黏結(jié)劑混合后形成一涂料，以及；將該涂料涂布于一金屬網(wǎng)以制成電極。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電極材料制作方法，其中，該還原劑為一硼氫化鉀水溶液或一硼氫化鈉水溶液。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電極材料制作方法，其中，該金屬鹽類選自由鈷、鎳、銅、 錫、銻、鉍、銦、金、鉛、鎘所構(gòu)成的群組其中之一。
4.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電極材料制作方法，其中，該金屬微粒及該金屬化物選自由鈷、鎳、銅、錫、銻、鉍、銦、金、鉛、鎘、鈦所構(gòu)成的群組其中之一。
5.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電極材料制作方法，其中，該含碳導(dǎo)電物質(zhì)為碳黑、納米碳管或石墨。
6.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電極材料制作方法，其中，該含鐵離子溶液選自由硫酸鐵溶液、硝酸鐵溶液，及氯化鐵溶液所組成的群組其中之一。
7.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電極材料制作方法，其中，該鐵微粒的粒徑為納米等級。
8.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電極材料制作方法，其中，該復(fù)合微粒的粒徑為IOOnm 200nm。
9.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電極材料制作方法，其中該，黏結(jié)劑為鐵氟龍。
10.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電極材料制作方法，其中，加入一緩蝕劑，該緩蝕劑選自由鉬酸鹽、磷酸鹽、有機磷化合物、硅酸鹽、鉻酸鹽、具極性基團的長碳鏈有機化合物、界面活性劑所構(gòu)成的群組其中之一。
全文摘要
一種電池電極材料制作方法，包含提供還原劑、提供導(dǎo)電助劑，導(dǎo)電助劑系選自由金屬鹽類、金屬微粒、金屬化合物及含碳導(dǎo)電物質(zhì)所組成的群組其中的一；提供含鐵離子溶液，并將導(dǎo)電助劑加入含鐵離子溶液形成第一混合溶液；將第一混合溶液與還原劑混合形成第二混合溶液，其中導(dǎo)電助劑及含鐵離子系經(jīng)還原劑還原形成復(fù)合微粒，復(fù)合微粒包含有鐵微粒；自第二混合溶液分離出復(fù)合微粒；提供黏結(jié)劑，將復(fù)合微粒與該黏結(jié)劑混合后形成涂料，以及將涂料涂布于金屬網(wǎng)以制成電極。
文檔編號H01M4/38GK102299305SQ201010214629
公開日2011年12月28日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者周更生, 高振裕 申請人:周更生