專利名稱：有機(jī)負(fù)電極以及具有該有機(jī)負(fù)電極的電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
有機(jī)負(fù)電極以及具有該有機(jī)負(fù)電極的電池
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請請求于2008年12月M日遞交的美國專利申請第12/344,211號以及于 2008年5月16日遞交的臺灣專利申請第97118207號的在先權(quán)益。以上兩件專利文獻(xiàn)的全部內(nèi)容在此作為參考引用引入本申請。本實用新型涉及一種負(fù)電極以及具有該負(fù)電極的電池，特別涉及一種有機(jī)負(fù)電極以及具有該有機(jī)負(fù)電極的電池。
背景技術(shù)：
近年來，陸續(xù)出現(xiàn)了移動電話、手提式攝影機(jī)、筆記本電腦、數(shù)字相機(jī)、PDA、CD player等輕便型電子機(jī)器，并謀求其小型及輕量化，而伴隨此，作為可攜帶之輕便電源-電池也同樣受到關(guān)注。電池種類包括干電池、堿性電池、鎳氫電池與鋰電池等。下面將簡單介紹常見電池的負(fù)極材料。日常使用的干電池大多是鋅錳電池，也叫碳鋅電池。它的構(gòu)造是負(fù)極為鋅制的圓筒，做成筒狀的目的是用來儲存電解液等化學(xué)藥品。在鋰電池的負(fù)極材料部分，能量密度最大的鋰金屬則是因安全性的顧慮，在鋰離子電池之負(fù)極材料市場幾乎已不被商品化的電池所使用，因此鋰電池的負(fù)極材料主要是以石墨系碳材(graphite)與非石墨碳材(如焦碳系，coke) 二種為主。對于鎳氫電池而言，負(fù)極儲氫合金為影響鎳氫電池性能之關(guān)鍵所在，其主要構(gòu)成為兩大類金屬共同熔煉所得。基本上，儲氫合金要作為一個良好的電極材料，主要應(yīng)具備之特性如下1.在使用溫度及低壓限制下有良好的吸放氫能力；2.具優(yōu)良的電化學(xué)反應(yīng)觸媒能力；以及3.較好的抗氧化及抗腐蝕性能。在合金制作時，各元素成分的比例對電池質(zhì)量有絕對性之影響，如Ni、Co、Mn、Al、 Cr等元素組成，多用以改進(jìn)合金性能，而合金粒徑需控制在100 μ m下。目前合金粉碎的方法乃采用吸氫后體積膨脹，放氫后自然粉碎的方式。再藉由溫度與壓力控制獲得所需之粒徑分布。為了增加儲氫合金之導(dǎo)電度，最后產(chǎn)品常添加碳粉。而表面以化學(xué)方法包覆銅處理則對材料之循環(huán)有良好之改善。對于燃料電池而言，在多孔質(zhì)的正負(fù)電極之間布滿電解質(zhì)，正極上所供應(yīng)的是空氣(氧氣)、負(fù)極則是氫氣。在燃料電池之中，電解質(zhì)是被作為電子的過濾器(Filter)來使用。不論是新型強(qiáng)調(diào)環(huán)保的碳鋅電池、堿性電池及二次電池，在工藝上還是會使用少量的汞或其他重金屬(如鈷)等，而且在原料及工藝上使用具污染性的物質(zhì)，對環(huán)境以及人體都具有較大危害。目前應(yīng)用廣泛的鋰電池屬不穩(wěn)定的電化學(xué)裝置，若制作過程、封裝不當(dāng)、運(yùn)作于低負(fù)載，都可能會引起爆炸。因此需要多重復(fù)雜的保護(hù)機(jī)制，比如包括保護(hù)電路、排氣孔、隔離膜等，其中保護(hù)電路用于防止過充、過放、超載、過熱；排氣孔用于避免電池內(nèi)部壓強(qiáng)過大； 隔離膜具有較高的抗穿刺強(qiáng)度，以防止內(nèi)部短路，且在電池內(nèi)部溫度過高時還能融化，阻止鋰離子通過，阻滯電池反應(yīng)，升高內(nèi)阻(至業(yè)Ω )。鋰電池的正極(如=LihCoO2)、負(fù)極(LixC)主要原料鋰礦越來越少，使其價格快速上漲。鋰電池在溫度稍高之室外或環(huán)境之下效能與壽命皆開始快速降減。鎳鎘電池或鎳氫電池因具有記憶效應(yīng)，很容易因充放電不良，而造成可用容量降低。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種有機(jī)負(fù)電極以及具有該有機(jī)負(fù)電極的電池。為解決上述問題，本實用新型實施例提供了一種有機(jī)負(fù)電極，包括第一材料層， 包括導(dǎo)電材料；第二材料層，由高聚體溶液形成，設(shè)置在第一材料層上；以及第三材料層， 包括葉綠素，形成在第二材料層上。根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例，葉綠素為葉綠素a、葉綠素b、葉綠素Cl、葉綠素 c2、葉綠素d、及葉綠素e中的一種或多種。根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例，有機(jī)負(fù)電極還包括附加材料，附加材料包括金屬屑，附加材料設(shè)于第二材料層上。根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例，有機(jī)負(fù)電極還包括第四材料層，第四材料層包括有機(jī)隔離膜，第四材料層設(shè)于第三材料層上。根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例，第一材料層、第二材料層或第三材料層呈膜片狀。本實用新型還提供了一種有機(jī)負(fù)電極，包括第一材料層，包括導(dǎo)電材料；以及第二材料層，由加入葉綠素之高聚體溶液形成，設(shè)置在第一材料層上。本實用新型還提供了一種電池，該電極具有如上文所述的有機(jī)負(fù)電極。本實用新型實施例的有機(jī)負(fù)電極以及具有該有機(jī)負(fù)電極的電池利用第三材料中的葉綠素即可進(jìn)行儲氫，并具有低電極電阻、較高電容量的優(yōu)異特性，制造該有機(jī)負(fù)電極的工藝簡單且成本低廉。亦即，在電池之氧化還原反應(yīng)中，當(dāng)葉綠素因其中之鎂離子脫離而形成脫鎂葉綠素(pheophytin)之際，出缺鎂的部份即能結(jié)合兩個氫離子，故能儲氫。此外， 由于采用天然的環(huán)保物質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池中的污染成分，用完即使丟棄也不會對環(huán)境造成污染，環(huán)保程度遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)電池以及太陽能電池。

圖1是本實用新型的有機(jī)負(fù)電極第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型的有機(jī)負(fù)電極第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型的有機(jī)負(fù)電極第三實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是制造本實用新型第一實施例有機(jī)負(fù)電極的方法的流程圖；圖5是制造本實用新型第二實施例有機(jī)負(fù)電極的方法的流程圖；以及圖6是制造本實用新型第三實施例有機(jī)負(fù)電極的方法的流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1是本實用新型的有機(jī)負(fù)電極第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實用新型實施例提供了一種有機(jī)負(fù)電極10，包括第一材料層11、第二材料層12以及第三材料層 13。第二材料層12形成在第一材料層11上，第三材料層13形成在第二材料層12上。第三材料亦可成為第二材料之一部份而達(dá)到同樣的功效。其中，第一材料層11包括導(dǎo)電材料。導(dǎo)電材料可以是金屬、金屬化合物或?qū)щ姼叻肿硬牧?。金屬可以選自鋁和/或(and/or)金。金屬化合物可以選自一氧化錳、氧化鋅和氧化鎂中的一種或多種。導(dǎo)電高分子材料選自雜環(huán)或芳香族雜環(huán)化合物。根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例，導(dǎo)電材料選自以下化合物中的一種或多種聚乙炔、聚芳香烴乙烯、聚噻吩、聚苯胺、聚泌咯、聚吡咯和上述化合物的衍生物。第二材料層12由高聚體溶液形成，且第二材料層12設(shè)置在第一材料層11上。高聚體溶液具有黏合作用，能因此附著并調(diào)制第一材料層之物理及化學(xué)特性，使得第三材料層13更黏附于第一材料層11。此外，高聚體溶液的導(dǎo)電度為50-250mS/cm。高聚體溶液可以包括硼、鎂、鋁、鈣、錳及鋅元素之一種或數(shù)種。高聚體溶液用于調(diào)制第一材料層11的功函數(shù)，以使正負(fù)電極間之電位差能達(dá)致所欲之伏特數(shù)，如1. 5V。高聚體溶液可以由金屬離子與各類酸根離子的化合物、高聚體及溶劑按比例調(diào)配而成。金屬離子與各類酸根離子的化合物、高聚體及溶劑的濃度含量皆在0. 1-10摩爾/升間。高聚體可以為葡萄糖的高聚體。葡萄糖的高聚體可以為植物淀粉，例如為馬鈴薯淀粉、 菱角淀粉、玉米淀粉、地瓜粉、蓮藕淀粉、芥末粉和葛根粉中的一種或多種。金屬離子與各類酸根離子的化合物可以為碳酸鈣。金屬離子與各類酸根離子的化合物可以為天然植物化學(xué)成分。天然植物化學(xué)成分包括木脂素類、低聚糖、多糖、黃酮類、環(huán)烯醚萜類、脂肪酸、東莨菪內(nèi)酯、兒茶素、β谷固醇、虎刺素和生物堿類，其共通特性為在感應(yīng)耦合電漿質(zhì)譜儀(ICP/ MS, induction-coupled plasma mass spectroscopy)的兀素分析下皆富含(> 1 μ g/ml, 即每毫升大于1微克)硼、鎂、鋁鈣、錳及鋅元素之一種或數(shù)種。溶劑可以為水。高聚體溶液的PH值優(yōu)選為5. 5-8。高聚體溶液還可以包括維生素及葉綠素，例如維生素D。第三材料層13包括葉綠素，且第三材料層13形成在第二材料層12上。葉綠素可以為葉綠素a、葉綠素b、葉綠素Cl、葉綠素c2、葉綠素d及葉綠素e中的一種或多種。葉綠素可以為粉末狀或液狀。所采用的葉綠素已去除葉綠素氧化酶。第三材料亦可成為第二材料之一部份而達(dá)到同樣的功效?？梢詫⒌谝徊牧蠈?1、第二材料層12或第三材料層13制造成膜片狀，制造成膜片狀的目的包括提高葉綠素的使用量，增大接觸面積以提高電池的反應(yīng)面積等。還可以通過任何已知技術(shù)提高葉綠素的使用量，增大接觸面積以提高電池的反應(yīng)面積等。第三材料亦可成為第二材料之一部份而達(dá)到同樣的功效。根據(jù)本實施例的有機(jī)負(fù)電極在電池中工作時，負(fù)電極材料中的葉綠素之反應(yīng)中心會因接收光線或遇到電解液或與正電極導(dǎo)通而傳送出電子，電子移動到電池正極，而在正負(fù)極之間形成電位差。進(jìn)而經(jīng)由導(dǎo)線及負(fù)載導(dǎo)通正負(fù)極之后，形成持續(xù)電流。圖2是本實用新型的有機(jī)負(fù)電極第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，有機(jī)負(fù)電極20包括第一材料層21、第二材料層22、第三材料層23以及附加材料M。其中，第一材料層21、第二材料層22及第三材料層23的具體材料及結(jié)構(gòu)分別與第一實施例中第一材料層11、第二材料層12及第三材料層13的材料及結(jié)構(gòu)相同，此處不再贅述。附加材料M設(shè)于第二材料層22與第三材料層23之間，附加材料M包括金屬屑，其可以通過噴灑平鋪于第三材料層23與第二材料層22的結(jié)合面上，也可以單獨(dú)形成一材料層。金屬屑具有增強(qiáng)電極導(dǎo)電能力的作用。其機(jī)制主要為減緩負(fù)電極最外層至電池內(nèi)部物質(zhì)間之功函數(shù)變化率(work function gradient)，使電荷之移動度(mobility) 變大，移動變?nèi)菀?；以及增加主要電池化學(xué)反應(yīng)外之側(cè)反應(yīng)(side reaction)，以增加電流量。前者為，例如，當(dāng)電池負(fù)端最外層的物理電極(collector)為鋁時，為使其與化學(xué)負(fù)極 (chemical negative electrode)其中之他成份在功函數(shù)上平滑的銜接，可以利用此加入之金屬屑(如，鋁合金，鎂等)作為其間之功函數(shù)階梯媒介。后者為，例如，加入鋅的金屬屑， 可使其與電池內(nèi)部之葉綠素間另外形成一個旁支電池(側(cè)反應(yīng))，提供額外的電流量。金屬屑可以選自以下一個或多個元素族的元素11族、III族和VII族。其中，II 族之元素可以選自以下元素的一種或多種鎂、鈣和鋅。III族之元素可以選自硼和/或鋁。 VII族之元素可以選自錳和/或鐵。金屬屑重量為有機(jī)負(fù)電極重量的-25%。金屬屑的重量可以為0. 5g 12g。圖3是本實用新型的有機(jī)負(fù)電極第三實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，有機(jī)負(fù)電極30包括第一材料層31、第二材料層32、第三材料層33、附加材料34以及第四材料層 35。其中，第一材料層31、第二材料層32、第三材料層33及附加材料34的具體材料及結(jié)構(gòu)與第二實施例中第一材料層21、第二材料層22及第三材料層23的材料及結(jié)構(gòu)相同，此處不再贅述。第三材料亦可成為第二材料之一部份而達(dá)到同樣的功效。第四材料層35包括有機(jī)隔離膜，第四材料層35設(shè)于第二材料層32與第三材料層 33之間。有機(jī)隔離膜為吸附了有機(jī)或無機(jī)鹽類水溶液的高纖維材質(zhì)。高纖維材質(zhì)可以為紙類，紙類包括玻璃紙、棉紙、宣紙及絹紙等。高纖維材質(zhì)孔隙大小優(yōu)選為0. 01 μ m 1cm。 有機(jī)或無機(jī)鹽類水溶液的導(dǎo)電度為10mS/Cm-500mS/Cm。有機(jī)或無機(jī)鹽類為非含鋰的鹽類。 此有機(jī)或無機(jī)鹽類選自包含以下離子化合物中的一種或多種碘化鈉和氯化鈉?？梢詫⑷缟蠈嵤├@得的有機(jī)負(fù)電極用于制備電池。本實用新型還提供了具有如上實施例所獲得的有機(jī)負(fù)電極的電池。圖4是制造本實用新型第一實施例有機(jī)負(fù)電極的方法的流程圖。如圖4所示，該方法包括以下步驟步驟Sl 將第一材料層11制造成第一膜片；步驟S2 利用第二材料層12在第一膜片上形成第二膜片；步驟S3 將第三材料層13平鋪于第二膜片上形成第三膜片。或?qū)ㄈ~綠素的第三材料置于形成第二膜片之材料中。圖5是制造本實用新型第二實施例有機(jī)負(fù)電極的方法的流程圖。如圖5所示，該方法包括以下步驟步驟S21 將第一材料層21制造成第一膜片；步驟S22 利用第二材料層22在第一膜片上形成第二膜片；步驟S23 將附加材料M設(shè)置于第二膜片上；[0055]步驟S24 將第三材料層23平鋪于第二膜片上形成第三膜片。圖6是制造本實用新型第三實施例有機(jī)負(fù)電極的方法的流程圖。如圖6所示，該方法包括以下步驟步驟S31 將第一材料層31制造成第一膜片；步驟S32 利用第二材料層32在第一膜片上形成第二膜片；步驟S33 將附加材料34設(shè)置于第二膜片上；步驟S34 將第四材料層35平鋪于第二膜片上；步驟S35 將第三材料層33平鋪于第四材料層35上形成第三膜片。如上所述方法中，可以通過任何已知技術(shù)將第三材料層形成在第二材料層上，例如當(dāng)?shù)谌牧蠟榉勰顣r將第三材料層通過壓制的方式在第二膜片上形成第三膜片；當(dāng)?shù)谌牧蠟橐籂顣r將第三材料層通過涂布的方式在第二膜片上形成第三膜片。第三材料亦可成為第二材料之一部份而達(dá)到同樣的功效。如上所述方法中，可以通過任何已知技術(shù)將附加材料施用于第二膜片上。例如通過將附加材料(如金屬屑)摻雜于第二膜片中來完成。如上所述方法中，步驟S1、S21及S31進(jìn)一步包括通過任何已知技術(shù)將第一膜片打磨制造出粗糙面。第一膜片的面積可以為5cmX5cm或5cmX10cm或lOcmXIOcm。如上所述方法中，在步驟S2、S22及S32中，將第二材料層涂布在第一膜片上，然后將涂布有第二材料層的第一膜片放入烘箱烤干以使得第二材料層形成的第二膜片附著于第一膜片上。例如，可以通過在第一膜片上涂布約0. 5mm厚度的第二材料層，然后放入 100°C的烘箱中烤干(約6分鐘)來完成。本實用新型實施例的有機(jī)負(fù)電極以及具有該有機(jī)負(fù)電極的電池利用第三材料中的葉綠素即可進(jìn)行儲氫，并具有低電極電阻、較高電容量的優(yōu)異特性，制造該有機(jī)負(fù)電極的工藝簡單且成本低廉。亦即，在電池之氧化還原反應(yīng)中，當(dāng)葉綠素因其中之鎂離子脫離而形成脫鎂葉綠素(pheophytin)之際，出缺鎂的部份即能結(jié)合兩個氫離子，故能儲氫。此外， 由于采用天然的環(huán)保物質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池中的污染成分，用完即使丟棄也不會對環(huán)境造成污染，環(huán)保程度遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)電池以及太陽能電池。需要指出的是，在本實用新型一實施例中提到的“第一”、“第二”等用語僅是根據(jù)需要采用的文字符號，在實務(wù)中并不限于此，并且該文字符號可以互換使用。在上述實施例中，僅對本實用新型進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下對本實用新型進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求1.一種有機(jī)負(fù)電極，其特征在于，所述有機(jī)負(fù)電極包括 第一材料層，包括導(dǎo)電材料；第二材料層，由高聚體溶液形成，設(shè)置在所述第一材料層上；以及第三材料層，包括葉綠素，形成在所述第二材料層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)負(fù)電極，其特征在于，所述有機(jī)負(fù)電極還包括附加材料， 所述附加材料包括金屬屑，所述附加材料設(shè)于所述第二材料層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)負(fù)電極，其特征在于，所述有機(jī)負(fù)電極還包括第四材料層，所述第四材料層包括有機(jī)隔離膜，所述第四材料層設(shè)于所述第三材料層上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)負(fù)電極，其特征在于，所述第一材料層、所述第二材料層或所述第三材料層呈膜片狀。
5.一種電池，其特征在于，所述電池包括根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的有機(jī)負(fù)電
專利摘要本實用新型實施例提供了一種有機(jī)負(fù)電極，包括第一材料層，包括導(dǎo)電材料；第二材料層，由高聚體溶液形成，設(shè)置在第一材料層上；以及第三材料層，包括葉綠素，形成在第二材料層上。第三材料亦可成為第二材料之一部份而達(dá)到同樣的功效。本實用新型實施例還提供了具有該有機(jī)負(fù)電極的電池。本實用新型實施例的有機(jī)負(fù)電極以及具有該有機(jī)負(fù)電極的電池利用葉綠素即可進(jìn)行儲氫，并具有低電極電阻、較高電容量的優(yōu)異特性，制造該有機(jī)負(fù)電極的工藝簡單且成本低廉，此外由于采用天然的環(huán)保物質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池中的污染成分，用完即使丟棄也不會對環(huán)境造成污染，環(huán)保程度遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)電池以及太陽能電池。
文檔編號H01M14/00GK202004120SQ20102065635
公開日2011年10月5日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者廖重賓 申請人:依諾特生物能量控股公司