本發(fā)明是關(guān)于一種制作方法,尤指一種得讓碳材與鉛材穩(wěn)定接合的制作方法,并得使此種鉛碳接合結(jié)構(gòu)作為鉛碳電極片,且可進(jìn)一步經(jīng)導(dǎo)線焊接而作為鉛碳電池的電極片。
背景技術(shù):
電力儲存是電源管理與推升再生能源廣泛使用的關(guān)鍵技術(shù)。ㄧ般而言,電力的儲存可分為物理與電化學(xué)方式兩種,而在兼具快速充放電與高儲能容量的需求下,電化學(xué)電池成為微電網(wǎng)儲能的優(yōu)先選擇。
在電化學(xué)電池領(lǐng)域中,蓬勃發(fā)展的復(fù)合式鉛碳電池,也就是傳統(tǒng)鉛酸電池與非對稱超級電容的組合,是一種有可能達(dá)到真正符合經(jīng)濟(jì)效益的電力儲存方式。其中,傳統(tǒng)鉛酸電池所結(jié)合的具快速充放電功能的超級電容,能在快速率部分充電(highratepartialstateofcharge,hrpsoc)過程中,抑制電池負(fù)極(鉛板)硫化反應(yīng)的發(fā)生,大大降低每次充放電時所需的電池成本。所謂硫化效應(yīng),就是負(fù)極上的固態(tài)金屬鉛(pb(s)),在氧化的過程中與硫酸溶液中的亞硫酸根離子(hso4–(aq)),發(fā)生反應(yīng)而轉(zhuǎn)換成不導(dǎo)電的固態(tài)硫酸鉛(pbso4(s))。在深度放電或是在hrpsoc情況下,硫酸鉛容易結(jié)晶生長,隨著不導(dǎo)電的硫酸鉛晶粒逐漸覆蓋鉛電極的表面,而逆向的還原反應(yīng)就因?qū)щ姴患讯鵁o法將所有的硫酸鉛還原成金屬鉛,因而降低電池儲能效能與縮短使用壽命。
目前一種改善負(fù)極硫化的方法是在鉛電極上添加碳材來增加硫酸鉛與導(dǎo)電碳材的接觸面積。這個方法能將鉛酸電池的壽命提升;然而,由于碳材粉體之間須分別經(jīng)高壓(約400mpa)與高溫(約950℃)兩道步驟,且需使用特殊微孔隙結(jié)構(gòu)的碳材先驅(qū)物才能接合成導(dǎo)電塊材,因此一般制程所形成的碳材的結(jié)構(gòu)相當(dāng)松散,也就是說鉛電極的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨著碳材添加量的增加而減少,因此碳材的添加比例有一定的限制。
另外,這種復(fù)合式鉛碳電池在制作上,將傳統(tǒng)鉛酸電池在負(fù)極電極上的鉛電池膏以高比面積孔隙的碳材電容膏作一部份或全部取代。也就是說,這種復(fù)合式鉛碳電池的制作可以經(jīng)由高度工業(yè)化的傳統(tǒng)鉛酸電池制程來完成,因此具有低制作成本的特點。再加上鉛酸電池本身所原具有的極高穩(wěn)定度(即低維護(hù)成本),以及高循環(huán)充放電效率(~75%)的特性,復(fù)合式鉛碳電池可作為一種實現(xiàn)最低成本的微電網(wǎng)級儲能設(shè)備。
雖然傳統(tǒng)鉛酸電池與非對稱超級電容的結(jié)合,能提供低成本的電力儲存,但因為負(fù)極極板同時存在碳材與鉛板兩種無法相互結(jié)合的材料,導(dǎo)致電池負(fù)極的鉛碳接面上較易因發(fā)生電極接面腐蝕等現(xiàn)象,而降低電池的使用效能與壽命。
因此,一個能讓碳材與鉛材有效接合的方法,對于制備復(fù)合式鉛碳電池的電極片以及進(jìn)一步形成復(fù)合式鉛碳電池,即對于實現(xiàn)復(fù)合式鉛碳電池的量產(chǎn)開發(fā)目標(biāo),占有一個很重要的地位。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的主要目的,在于提供一種鉛碳接合的制作方法,其為了提升鉛碳接面的接合特性,采用氧化的方式產(chǎn)生氧化鉛作為媒介,改變了接合面的化學(xué)特性,使碳材以及鉛材得以穩(wěn)定接合。
本發(fā)明的另一目的,在于提供一種鉛碳接合的制作方法,其利用碳材本身結(jié)構(gòu)中,與碳相接的氧基作為氧化反應(yīng)的氧原子來源基礎(chǔ),因此氧化過程得以在無氧下進(jìn)行,大幅降低因溫度過高而使碳材在氧化過程中燃燒損毀的可能性。
本發(fā)明的再一目的,在于提供一種鉛碳接合的制作方法,其可使用附著有鎢材的碳材作為原料,進(jìn)而在升溫后使碳材的表面形成碳化鎢,再利用鉛材與碳化鎢的穩(wěn)定結(jié)合特性而使鉛材達(dá)到被固定的效果。
本發(fā)明的更一目的,在于提供一種鉛碳電極片的結(jié)構(gòu),其可透過前述的方法制作,使其結(jié)構(gòu)得透過氧化鉛或碳化鎢而穩(wěn)定固定碳材以及鉛材。
本發(fā)明的又一目的,在于提供一種鉛碳電極片的結(jié)構(gòu),其可應(yīng)用前述的鉛碳電極片作為鉛碳電池的電極組的一部分,其可利用導(dǎo)線焊接的方式使鉛碳電池片與作為負(fù)極的鉛碳電極片相連接。
為了達(dá)到上述的目的,本發(fā)明揭示了一種鉛碳接合的制作方法,其包含步驟:提供一碳材以及一鉛材,該碳材的一第一表面與該鉛材相接觸,該碳材的結(jié)構(gòu)包含與碳相接的多個氧基;加熱該碳材以及該鉛材至一第一溫度,使該些氧基部分脫離該碳材的碳,而與該鉛材結(jié)合,使部分的該鉛材形成氧化鉛;以及冷卻該碳材以及該鉛材,該鉛材形成該氧化鉛的部分與氧基已部分脫離的該碳材的該第一表面相結(jié)合。
又于另一種鉛碳接合的制作方法中,其則包含步驟:提供一碳材以及一鉛材,該碳材的一第一表面部分附著有鎢材,且該碳材的第一表面與該鎢材與該鉛材相接觸;加熱該碳材以及該鉛材至一第二溫度,使該碳材于該第一表面形成碳化鎢;以及冷卻該碳材以及該鉛材,該鉛材與該碳化鎢接觸而結(jié)合于該碳材的該第一表面。
而于相對應(yīng)實用物品的結(jié)構(gòu)上,本發(fā)明則揭示了一種鉛碳電極片的結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)包含:一碳材;以及一鉛材,其設(shè)置于該碳材的一第一表面之上,并于與該第一表面接觸的一鉛材表面包含氧化鉛或碳化鎢。以及一種鉛碳電池的結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)包含:一鉛酸電池電極組,其包含一正極組以及一負(fù)極組;以及一鉛碳電池片,其設(shè)置于該鉛酸電池中,并以導(dǎo)線焊接方式與該鉛酸電池電極組的該負(fù)極組相連接。
附圖說明
圖1:其為本發(fā)明的一較佳實施例的制作方法的步驟流程圖;
圖2:其為本發(fā)明的一較佳實施例的接合結(jié)構(gòu)示意圖,用以表示碳材與鉛材的界面層為氧化鉛;
圖3a:其為本發(fā)明的一較佳實施例的電子顯微鏡圖,用以揭示原始碳材形貌;
圖3b:其為本發(fā)明的一較佳實施例的電子顯微鏡圖,用以揭示接口層為氧化鉛的碳鉛接合實作;
圖4:其為本發(fā)明的另一較佳實施例的制作方法的步驟流程圖;
圖5:其為本發(fā)明的另一較佳實施例的接合結(jié)構(gòu)示意圖,用以表示碳材與鉛材的界面層為碳化鎢;
圖6:其為本發(fā)明的一較佳實施例的電子顯微鏡圖,用以揭示接口層為碳化鎢的碳鉛接合實作;
圖7a~7b:其為本發(fā)明應(yīng)用為鉛碳電極片的結(jié)構(gòu)示意圖,分別用以表示接口層為氧化鉛以及碳化鎢;以及
圖8:其為本發(fā)明一較佳實施例使用具有氧化鉛接口層的鉛碳布電極片作為鉛酸電池的負(fù)極組的效能測試結(jié)果(循環(huán)伏安圖譜)。
【圖號對照說明】
11碳材
110第一表面
12鉛材
120氧化鉛
121第一焊接點
122第二焊接點
13碳化鎢
g1群組一
g2群組二
s1~s6步驟
具體實施方式
為了使本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征及所達(dá)成的功效有更進(jìn)一步的了解與認(rèn)識,特用較佳的實施例及配合詳細(xì)的說明,說明如下:
請參考圖1,本發(fā)明所揭示的鉛碳接合的制作方法包含步驟:
步驟s1:提供一碳材以及一鉛材,該碳材的一第一表面與該鉛材相接觸,該碳材的結(jié)構(gòu)包含與碳相接的多個氧基;
步驟s2:加熱該碳材以及該鉛材至一第一溫度,使該些氧基部分脫離該碳材的碳,而與該鉛材結(jié)合,使部分的該鉛材形成氧化鉛;以及
步驟s3:冷卻該碳材以及該鉛材,該鉛材形成該氧化鉛的部分與氧基已部分脫離的該碳材的該第一表面相結(jié)合。
上述的步驟的目的在于讓氧化鉛得以透過鉛材與碳材上的氧基結(jié)合而形成。請一并參考圖2,其加熱后的鉛碳接合結(jié)構(gòu)示意圖;如圖所示,碳材11具有第一表面110,此第一表面110用以與鉛材12接觸。惟考慮到鉛本身與碳材11之間因表面張力的影響而缺乏結(jié)合能力(液態(tài)鉛的表面張力(470mn/m)遠(yuǎn)大于碳材本身的表面張力(100~200mj/m2),因此熔化的鉛液會在碳材上形成聚集體,無法形成緊密的金屬披覆層,導(dǎo)致鉛碳接面容易遭受腐蝕),因此需要透過氧化鉛120作為接口層,使碳材11與鉛材12接合后不會任意脫離。于此,氧化鉛120的功能在于濕潤碳材11,而其發(fā)生潤濕作用的原理在于氧化鉛120的表面張力(132mn/m)小于或接近碳材11本身的表面張力(100~200mj/m2),因此所形成的氧化鉛120接口層可以潤濕碳材,將金屬態(tài)的鉛材12與碳材11緊密地結(jié)合在一起,形成高電化學(xué)穩(wěn)定度的鉛碳接面。
本發(fā)明于一較佳實施例中,作為接口層的氧化鉛120的形成是藉由加熱碳材11以及鉛材12。當(dāng)加溫達(dá)到一第一溫度時,鉛材12會熔融為液體,而在碳材11本身因制作所必然殘留的微量氧基當(dāng)中,部分的氧基會從碳材11的碳原子脫離,導(dǎo)致熔融的鉛材12被這些脫離的氧基氧化為氧化鉛120。進(jìn)一步而言,氧化鉛120是鉛材12受到來自于碳材11一端的氧基影響而氧化,因此氧化鉛120只會以薄膜的形式形成于碳材11以及鉛材12之間,而不會使鉛材12全部形成氧化鉛120或是在鉛材12的其他表面形成氧化鉛120。
上述的第一溫度為氧基自碳材的碳原子部分脫離的溫度,其會因碳材于氧基脫離位置的碳氧結(jié)構(gòu)類型不同而在溫度高低上有所差異,例如羧基(-cooh)中的氧基為373~673k,酯基(rcoor')與碳酸酯基(rocoor)中的氧基為463~923k,羥基(roh)中的氧基為873~973k,?;?rco-)、羰基(rcor')、醛基(rcho)、醚基(ror')、氫過氧基(rooh)與過氧基(roor)等含氧基中的氧基為973~1253k。本發(fā)明所設(shè)定的第一溫度可基于所使用的碳材具有不同類型的碳氧結(jié)構(gòu)而在制程中提供不同程度的加熱標(biāo)準(zhǔn),以落實讓部分氧基脫離而使部分金屬鉛氧化形成氧化鉛的目的。
本發(fā)明所使用的碳材可為碳布、活性碳、竹炭或木炭,其以包含多個介孔隙或微孔隙為結(jié)構(gòu)上的特征。介孔隙指碳材的單體間的孔隙,例如由碳纖維所編織而成的碳布中,其在各個碳纖維或碳纖維束之間即具有大量的介孔隙;而又如活性碳材料,其活性碳顆粒單體本身就具有大量的微孔隙。在本發(fā)明一較佳實施例中,當(dāng)前述的第一溫度高于鉛材的熔融溫度時,可于步驟s2中更包含一步驟s21為:加壓于該鉛材,使熔融的該鉛材進(jìn)入該些介孔隙或微孔隙。在此較佳實施例中,熔融而成液態(tài)的金屬鉛可因高壓力而被推擠入碳材的介孔隙或微孔隙當(dāng)中,從而大幅提升碳材與鉛材的接觸面積;同時,來自于碳材的氧基仍會氧化與其所相鄰的熔融鉛材,進(jìn)而讓碳材與鉛材之間形成氧化鉛為接口層。
又在本發(fā)明的一較佳實施例中,步驟s2在無氧環(huán)境中進(jìn)行,以隔絕來自空氣中的氧對氧化鉛的形成造成影響,特別是本發(fā)明為了能利用到碳材本身所具備的微量氧基,經(jīng)加熱所提高到的第一溫度原則上都會超過碳材的燃點,因此若不在無氧環(huán)境中進(jìn)行步驟s2,則有可能會造成碳材本身在過程中燃?xì)?。上述無氧環(huán)境可透過多次循環(huán)抽氣的方法清除反應(yīng)腔室中的殘余氣體,再回填惰性氣體的方式而達(dá)成。
請參考第3圖,其為透過二次電子影像對本發(fā)明一較佳實施例的成果檢視,其3a圖顯示碳纖維的原始結(jié)構(gòu),3b圖顯示金屬鉛完全包覆碳纖維而形成致密的鉛碳接面,意即氧化鉛成功形成接口層而接合鉛材與碳材。
請參考圖4,本發(fā)明于另一較佳實施例中,鉛碳接合的制作方法則包含步驟:
步驟s4:提供一碳材以及一鉛材,該碳材的一第一表面部分附著有鎢材,且該碳材的第一表面的該鎢材與該鉛材相接觸;
步驟s5:加熱該碳材以及該鉛材至一第二溫度,使該碳材于該第一表面形成碳化鎢;以及
步驟s6:冷卻該碳材以及該鉛材,該鉛材與該碳化鎢接觸而結(jié)合于該碳材的該第一表面。
請一并參考圖5,在此較佳實施例中,進(jìn)一步使用鎢材作為媒介,此鎢材于加熱步驟前預(yù)先存在于碳材11以及鉛材12之間,其在步驟s5的加熱過程中因受熱而形成碳化鎢13。碳化鎢13在此較佳實施例中的功能如同前述較佳實施例的氧化鉛,其可作為碳材11以及鉛材12的接口層,并利用碳化鎢13對兩者的結(jié)合能力而達(dá)到固定鉛材12與碳材11的目的。在此較佳實施例中,第二溫度為碳化鎢13的形成溫度,且由于第二溫度亦高過鉛材12的熔融溫度,故可于步驟s5中更包含一步驟s51為:加壓于該鉛材,使熔融的該鉛材進(jìn)入該些介孔隙或微孔隙。換句話說,熔融而成液態(tài)的金屬鉛可因高壓力而被推擠入碳材11的介孔隙或微孔隙當(dāng)中,從而大幅提升碳材11與鉛材12的接觸面積;同時,來自于碳材11仍會與鎢材形成碳化鎢13,形成介于碳材11以及鉛材12之間的接口層。
請參考圖6,其為透過二次電子影像對本發(fā)明一較佳實施例的成果檢視,其顯示含有碳化鎢接口層的金屬鉛緊密包覆碳纖維而形成致密的鉛碳接面,意即碳化鎢成功形成接口層而接合鉛材與碳材。
請參考圖7a,其為本發(fā)明應(yīng)用為一種鉛碳電極片的結(jié)構(gòu)示意圖;如圖所示,其包含碳材11以及鉛材12,且鉛材12設(shè)置于碳材11的第一表面110之上,并于與第一表面110接觸的鉛材表面包含氧化鉛120。此外,鉛材12另具有第一焊接點121以及第二焊接點122分別相鄰于碳材11的邊緣,分別用以焊接于鉛碳電池的電極接點。而若是透過碳化鎢13做為接口層,則可具備類似的鉛碳電極片結(jié)構(gòu),如圖7b所示。
基于前述的鉛碳電極片,本發(fā)明也可進(jìn)一步運用于實現(xiàn)一種鉛碳電池的結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)包含:一鉛酸電池電極組,其包含一正極組以及一負(fù)極組;以及一鉛碳電池片,其設(shè)置于該鉛酸電池中,并以導(dǎo)線焊接方式與該鉛酸電池電極組的該負(fù)極組相連接。換言的,本發(fā)明所揭示的碳鉛接合的碳鉛電極片可應(yīng)用于鉛酸電池的負(fù)極組。而使用本發(fā)明作為鉛酸電池負(fù)極組的優(yōu)勢相當(dāng)明顯,以使用碳布作為碳材為例,鉛碳布電極片除了大面積、高比表面積與良好導(dǎo)電度外,還有重量輕、體積小以及可撓性等特殊機(jī)械性質(zhì)。
請參考圖8,其為本發(fā)明一較佳實施例使用具有氧化鉛接口層的鉛碳布電極片作為鉛酸電池的負(fù)極組的效能測試結(jié)果(循環(huán)伏安圖譜)。如圖所示,其中的群組一g1為測試第一天施加循環(huán)電位100次的結(jié)果,再對照14天后的群組二g2所施加循環(huán)電位100次的結(jié)果,可知本發(fā)明所揭示的碳鉛電極片無論是在連續(xù)工作環(huán)境或是長時間的穩(wěn)定性,都能展現(xiàn)極佳的電化學(xué)穩(wěn)定度。
綜上所述,本發(fā)明確實揭示了一種鉛碳接合的制作方法、鉛碳電極片的結(jié)構(gòu)以及鉛碳電池的結(jié)構(gòu),其從制備鉛碳電池的動機(jī)出發(fā),考慮到碳材與鉛材本身因表面張力的差異而導(dǎo)致無法有效結(jié)合,從而提出一種新穎的制作方法以及結(jié)構(gòu),利用氧化鉛或是碳化鎢作為接口層,讓碳鉛得以實現(xiàn)接合,并進(jìn)一步得制作為碳鉛電極片以及應(yīng)用為碳鉛電池。在兼顧到制程的獨特性、可靠性,以及成品的效能穩(wěn)定性,本發(fā)明無疑為一種極具實用價值的鉛碳接合的制作方法、鉛碳電極片的結(jié)構(gòu)以及鉛碳電池的結(jié)構(gòu)。
上文僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并非用來限定本發(fā)明實施的范圍,凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所述的形狀、構(gòu)造、特征及精神所為的均等變化與修飾,均應(yīng)包括于本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。