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TWI645603B - 電極、其製造方法及包含其之裝置 - Google Patents

電極、其製造方法及包含其之裝置 Download PDF

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TWI645603B
TWI645603B TW106133111A TW106133111A TWI645603B TW I645603 B TWI645603 B TW I645603B TW 106133111 A TW106133111 A TW 106133111A TW 106133111 A TW106133111 A TW 106133111A TW I645603 B TWI645603 B TW I645603B
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黃廷位
江建志
吳俊星
張文昇
楊昌中
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

本發明提供一種電極及包含其之裝置。該電極包含一金屬網狀結構；以及一活性材料網狀結構，且該金屬網狀結構係設置於該活性材料網狀結構內，其中該金屬網狀結構與該活性材料網狀結構的重量比係0.5至155。

Description

電極、其製造方法及包含其之裝置
本發明關於一種電極及包含其之裝置。
鋁在地球上蘊藏量非常豐富，以鋁作為材料的電子裝置具有較低的成本。此外，與單電子轉移子的鋰離子電池相比可提供較高的能量儲存容量。再者，由於鋁具有低可燃性及電子氧化還原性質，大幅提昇鋁離子電池在使用上的安全性。
儘管有著上述理論優點，然而為滿足實際商業化應用的需求，鋁離子電池的效能(例如低放電電壓、以及電容量)仍需被進一步的提昇。
鋁離子電池的電容量與電池中電極的石墨含量呈正比。傳統以發泡石墨作為電極的鋁離子電池，由於其在高充放電流下導電率不足以及集流處接觸點不佳等缺點，使得該鋁離子電池之電池效能不佳。此外，由於純發泡石墨較脆，使得該材料不易進行加工。
在此背景下，產生對開發本揭露之實施例的需求。
根據本發明實施例，本發明提供一種電極，例如為金屬離子電池之正電極。該電極包含一金屬網狀結構；以及一活性材 料網狀結構，且該金屬網狀結構係設置於該活性材料網狀結構內，其中該金屬網狀結構與該活性材料網狀結構的重量比係0.5至155。
根據本發明其他實施例，本發明提供一種電極的製造方法。該方法包含提供一金屬網狀結構；以及，沉積一活性材料於該金屬網狀結構的表面，得到該電極，其中該金屬網狀結構與該活性材料網狀結構的重量比係0.5至155。
根據本發明其他實施例，本發明提供一種裝置，例如為金屬離子電池、或電容器。該裝置包含：一第一電極，其中該第一電極係本申請案所述電極；一第一隔離膜；以及，一第二電極，其中該第一隔離膜設置於該第一電極與該第二電極之間。
2‧‧‧區域
12‧‧‧金屬網狀結構
13‧‧‧孔洞
14‧‧‧活性材料網狀結構
15‧‧‧孔隙
50‧‧‧方法
52、54、56‧‧‧步驟
100‧‧‧電極
101‧‧‧第一電極
102‧‧‧第一隔離膜
103‧‧‧第二電極
105‧‧‧電解質
200‧‧‧裝置
T‧‧‧厚度
第1圖為本發明實施例所述電極之示意圖。
第2圖為本發明第1圖所述電極其區域2的透視示意圖。
第3-4圖為本發明其他實施例所述電極之透視示意圖。
第5圖為本發明實施例所述電極製造方法的流程圖。
第6圖為本發明某些實施例所述裝置的示意圖。
第7圖係顯示為本發明實施例1至5及比較例1所述鋁離子電池其循環穩定性測試結果。
第8圖係顯示為本發明實施例6至9所述鋁離子電池其循環穩定性測試結果。
第9圖係顯示為本發明實施例10至13所述鋁離子電池其循環穩定性測試結果。
第10圖係顯示為本發明實施例14至17所述鋁離子電池其循環穩定性測試結果。
第11圖係顯示為本發明實施例18所述鋁離子電池其循環穩定性測試結果。
第12圖係顯示為本發明實施例19及20所述鋁離子電池其循環穩定性測試結果。
本發明提供一種電極(例如為一金屬離子電池之正極)及包含其之裝置(例如金屬離子電池)。藉由沉積一活性材料於一金屬網狀結構的表面，得到具有活性材料網狀結構的電極。由於在該電極的活性材料網狀結構中設置了金屬材料，因此可提高該電極的導電性以及提高活性材料網狀結構的柔軟性。此外，可進一步對該金屬網狀結構進行蝕刻，移除活性材料網狀結構內部份的金屬，以形成複數的空隙於該活性材料網狀結構內。如此一來，使得電池中的電解液可更容易經由該空隙潤濕活性材料，提昇活性材料的使用率，以增加包含電極之裝置的電容量，並提昇總發電量。另一方面，覆蓋於該金屬網狀結構的活性材料網狀結構可為不連續的，以提高電解液潤濕效果。
請參照第1圖，係為本發明一實施例所述電極10的示意圖，該電極10可具有一厚度T介於100nm至10mm之間。請參照第2圖，係為第1圖所述電極10其區域2的示意圖。如第2圖所示，該電極10係包含一金屬網狀結構12、以及一活性材料網狀結構14，其中該金屬網狀結構12係設置於該活性材料網狀結構14內。換言之，該 活性材料網狀結構14係包覆該金屬網狀結構12。仍請參照第2圖，該金屬網狀結構12具有類似海綿的構形，因此使得包覆該金屬網狀結構12的該活性材料網狀結構14同樣具有類似海綿的構形。如此一來，複數之孔洞13係以三維方式分散於活性材料網狀結構14的四周。此外，該金屬網狀結構與該活性材料網狀結構的重量比約為0.5至155，例如約為1.6至155。
根據本發明實施例，該金屬網狀結構12可為一發泡金屬材料，其材質可為發泡鎳、發泡鐵、發泡銅、發泡鈦、或發泡合金(例如：含鎳合金、含鐵合金、含銅合金、或含鈦合金)所形成。根據本發明實施例，該金屬網狀結構12可為發泡鎳、發泡鎳合金、或發泡不銹鋼。
根據本發明實施例，該活性材料網狀結構之材質可為具插層之活性材料、或具插層之活性材料的團聚物。舉例來說，該活性材料網狀結構之材質可為石墨、層狀雙氫氧化物(layered double hydroxide)、層狀氧化物、層狀硫族化合物(layered chalcogenide)、或上述材料之組合。根據本發明某些實施例，該電極之單位面積活性材料含量可介於約0.2mg/cm2至20mg/cm2之間。
根據本發明實施例，該活性材料網狀結構14為一連續的結構，如第2圖所示。另一方面，請參照第3圖，該活性材料網狀結構14可為一不連續的結構，並露出部份金屬網狀結構12表面。當該活性材料網狀結構14為一不連續的結構時，該金屬網狀結構被該活性材料網狀結構所覆蓋的面積可佔該金屬網狀結構總面積約1%至95%，以提高電解液潤濕該活性材料網狀結構14的效果。
根據本發明實施例，部份該金屬網狀結構12可進一步被移除，使得複數之空隙15設置於該活性材料網狀結構14內，如第4圖所示。根據本發明實施例，其中該空隙15與該金屬網狀結構12之體積比可介於約99至1之間。如此一來，電池中的電解液可更容易經由該空隙15潤濕活性材料，提昇活性材料的使用率，以增加包含電極之裝置的電容量，並提昇總發電量。該空隙與該金屬網狀結構之體積比可藉由量測該金屬網狀結構在進行蝕刻前後的重量換算得知。舉例來說，該金屬網狀結構在進行蝕刻前具有一重量W0，而該金屬網狀結構在進行蝕刻後具有一重量W1，則空隙15與該金屬網狀結構12之體積比Rv可藉由下公式計算得出：Rv=(W0-W1)/W1
根據本發明實施例，本發明亦提供上述電極的製造方法。第5圖係為一製造流程圖，用以說明本發明一實施例所述電極的製造方法50。可被了解的是，除了製造流程圖所述的步驟外，可以有其他額外的步驟實施於該方法50之前、後、或是穿插於該方法50中。
本發明所述電極的製造方法的起始步驟52係提供一金屬網狀結構。接著，藉由一沉積製程(例如：化學氣相沉積法(chemical vapor deposition))形成一活性材料於該金屬網狀結構的表面(步驟54)，得到該電極。根據本發明實施例，該沉積製程可在一真空高溫爐管中進行活性材料網狀結構的成長(成長溫度可介於約800~1200℃之間)。舉例來說，若該活性材料網狀結構為石墨時，可通入甲烷作為反應氣體，並可選擇性通入氬氣及氫氣作為傳輸氣 體。在沉積製程時，亦可藉由增加或減少反應時間來控制所得之活性材料網狀結構為一連續或非連續結構。根據本發明實施例，在步驟54後，亦可進一步對該電極進行一濕蝕刻製程，以移除部份金屬網狀結構，形成複數之空隙(步驟56)。一般來說，當所成長的活性材料單位面積克數較高時(例如高於1.5mg/cm2)，可對該金屬網狀結構進行該濕蝕刻製程，以形成利於電解液滲入的孔隙。舉例來說，若該金屬網狀結構為發泡鎳時，可以氯化鐵水溶液或鹽酸(HCl)作為蝕刻液，將上述電極浸泡於於蝕刻液中，並依據浸泡時間長短來控制金屬網狀結構的蝕刻程度。在進行蝕刻後可利用去離子水(DI water)將殘留在電極上的蝕刻液去除，並進行烘乾。
根據本發明實施例，本發明亦提供一種裝置，例如為金屬離子電池、或電容器。請參照第6圖，該裝置200包含：一第一電極101、一第一隔離膜102、以及一第二電極103，其中第一電極101係為本發明所述電極，且該第一隔離膜102設置於該第一電極101與該第二電極103之間。該裝置200亦包含電解質105，其設置於該第一電極101與該第二電極103之間。該裝置200可為充電式之二次電池，但本發明亦涵蓋一次電池。
根據本發明實施例，更包括一第三電極及一第二隔離膜，其中該第二隔離膜設置於該第一電極與該第三電極之間。第一電極設置於第二電極與第三電極之間。
根據本發明實施例，該裝置200可為鋁離子電池，但本發明其他實施例亦涵蓋其它類型之金屬離子電池。該第二電極103包含鋁，諸如非合金形式之鋁或鋁合金。此外，適合作為該第 二電極103的材料可包含以下的一者或多者：鹼金屬(例如，鋰、鉀、鈉等)、鹼土金屬(例如，鎂、鈣等)、過渡金屬(例如，鋅、鐵、鎳、鈷等)、主族金屬(main group metal)或類金屬(metalloid)(例如，鋁、矽、錫等)及前述元素中之兩者或兩者以上的金屬合金(例如，鋁合金)。
第一隔離膜102可避免第一電極101直接接觸該第二電極103導致短路，且電解質105支持陰離子在第一電極101處之可逆的遷入及遷出，並支持鋁在第二電極103處之可逆的沉積及溶解(stripping)。根據本揭露實施例，電解質包含離子液體。此外，該電解質為離子液體及金屬鹵化物的混合物。舉例來說，該離子液體可為氯化膽鹼(choline chloride)、乙醯氯化膽鹼(ethylchlorine chloride)、鹼金族鹵化物(alkali halide)、烷基咪唑鎓鹽(alkylimidazolium salt)、烷基吡啶鎓鹽(alkylpyridinium salt)、烷基氟吡唑鎓鹽(alkylfluoropyrazolium salt)、烷基三唑鎓鹽(alkyltriazolium salt)、芳烷銨鹽(aralkylammonium salt)、烷基烷氧基銨鹽(alkylalkoxyammonium salt)、芳烷鏻鹽(aralkylphosphonium salt)、芳烷鋶鹽(aralkylsulfonium salt)、或其混合物。該金屬鹵化物可為鹵化鋁。金屬鹵化物與離子液體之莫耳比大於或等於約1.1、或大於或等於約1.2，例如為1.5或1.8。該金屬鹵化物(例如氯化鋁)與離子液體(例如氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓)之莫耳比可大於或等於約1.2，例如介於約1.2至1.8之間。根據本揭露其他實施例，電解質可為特定溶液及金屬鹵化物的混合物，該特定溶液可為尿素(urea)、N-甲基脲(N-methylurea)、二甲基亞碸(dimethyl sulfoxide)、二甲基 碸(methylsulfonylmethane)、或上述的混合。金屬鹵化物與該特定溶液之莫耳比大於或等於約1.1，例如介於約1.2至1.8之間。可對離子液體電解質進行摻雜(或添加添加劑)以提高電導率且降低黏度，或可以其他方式變更離子液體電解質以得到有利於金屬之可逆電沉積的組合物。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例及比較實施例，作詳細說明如下：
實施例1：
首先，提供一鎳發泡板(尺寸為70mm×70mm、厚度為0.2mm、孔隙率為90%)。接著，接該鎳發泡板放入一真空高溫爐管中，並通入甲烷，並配合氬氣及氫氣當傳輸氣體，於900至1100℃下成長石墨於鎳發泡板上，並控制單位面積石墨含量為1.78mg/cm2，並計算出鎳與石墨的重量比為10.3：1。接著，回復至室溫後，將成長石墨的鎳發泡板置於一蝕刻液(氯化鐵(FeCl3)水溶液、濃度為5%)中，以對鎳發泡板進行蝕刻以移除部份的鎳，蝕刻出鎳金屬孔洞出來。控制蝕刻時間，直到鎳與石墨的重量比至0.63。最後，以去離子水(DI water)清洗殘留的蝕刻液，並在80℃下烘乾去除去離子水，得到石墨電極。
接著，提供一厚度為0.03mm之鋁箔(由Alfa Aesar製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為70mm×70mm)。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman))，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、鋁電極順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓 (1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比值約為1.3)，得到鋁離子電池(1)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例1所得之鋁離子電池(1)之電池效能(量測條件為：以分別以不同電流(1000mA/g、3000mA/g、5000mA/g)進行放電測試)，結果如第7圖及表1所示。
實施例2：
實施例2如實施例1所述的方式進行，蝕刻後鎳與石墨的重量比為1.32，得到鋁離子電池(2)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例2所得之鋁離子電池(2)之電池效能，結果如第7圖及表1所示。
實施例3：
實施例3如實施例1所述的方式進行，蝕刻後鎳與石墨的重量比為1.63，得到鋁離子電池(3)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例3所得之鋁離子電池(3)之電池效能，結果如第7圖及表1所示。
實施例4：
實施例4如實施例1所述的方式進行，蝕刻後鎳與石墨的重量比為2.66，得到鋁離子電池(4)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例4所得之鋁離子電池(4)之電池效能，結果如第7圖及表1所示。
實施例5：
實施例5如實施例1所述的方式進行，蝕刻後鎳與石墨 的重量比為4.99，得到鋁離子電池(5)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例5所得之鋁離子電池(5)之電池效能，結果如第7圖及表1所示。
比較例1：
比較例1如實施例1所述的方式進行，將鎳完全移除(即鎳與石墨的重量比降低至0)，得到鋁離子電池(6)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測比較例1所得之鋁離子電池(6)之電池效能，結果如第7圖及表1所示。
實施例6：
實施例6如實施例1所述的方式進行，蝕刻後鎳與石墨的重量比為5.7，得到鋁離子電池(7)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例6所得之鋁離子電池(7)之電池效能，結果如第8圖及表1所示。
實施例7：
實施例7如實施例1所述的方式進行，蝕刻後鎳與石墨的重量比為8.3，得到鋁離子電池(8)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例7所得之鋁離子電池(8)之電池效能，結果如第8圖及表1所示。
實施例8：
實施例8如實施例1所述的方式進行，並控制單位面積石墨含量，蝕刻後鎳與石墨的重量比為31，得到鋁離子電池(9)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例8所得之鋁離子電池(9)之電池效能，結果如第8圖及表1所示。
實施例9：
實施例9如實施例1所述的方式進行，並控制單位面積石墨含量，蝕刻後鎳與石墨的重量比為155，得到鋁離子電池(10)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例9所得之鋁離子電池(10)之電池效能，結果如第8圖及表1所示。
由表1及第7及8圖可得知，當石墨內部未留金屬(即比較例1，鎳與石墨重量比0)時，在高充放電時克電容量效果不佳。反觀實施例1至9，當石墨內部留有發泡鎳時，電池性質明顯提昇。此外，當鎳與石墨重量比提昇至約1.6或以上時，在不同電流密度 的比電容量差值明顯收斂，這表示殘留鎳金屬增加樣品的導電性而使本案碳電極在高電流密度充放電下仍保有較高克電容量。
實施例10
首先，提供一鎳發泡板(尺寸為70mm×70mm、厚度為0.2mm、孔隙率為90%)。接著，接該鎳發泡板放入一真空高溫爐管中，並通入甲烷，並配合氬氣及氫氣當傳輸氣體，於900至1100℃下成長石墨於鎳發泡板上，並控制單位面積石墨含量為2mg/cm2，並計算出鎳與石墨的重量比為8.9，得到石墨電極(未進行蝕刻)。
接著，提供一厚度為0.03mm之鋁箔(由Alfa Aesar製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為70mm×70mm)。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、鋁電極順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比值約為1.3)，得到鋁離子電池(11)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例10所得之鋁離子電池(11)之電池效能(量測條件為：以分別以不同電流(1000mA/g、3000mA/g、5000mA/g)進行放電測試)，結果如第9圖所示。
實施例11
提供一鎳發泡板(尺寸為70mm×70mm、厚度為0.2mm、孔隙率為90%)。接著，接該鎳發泡板放入一真空高溫爐管中，並通入甲烷，並配合氬氣及氫氣當傳輸氣體，於900至1100℃ 下成長石墨於鎳發泡板上，並控制單位面積石墨含量為2mg/cm2，並計算出鎳與石墨的重量比為7.78。接著，進一步蝕刻所得之石墨電極，即鎳與石墨的重量比由7.78降低至4.67(40%的鎳被移除)，得到石墨電極。
接著，提供一厚度為0.03mm之鋁箔(由Alfa Aesar製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為70mm×70mm)。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、鋁電極順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比值約為1.3)，得到鋁離子電池(12)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例11所得之鋁離子電池(12)之電池效能，結果如第9圖所示。
實施例12
提供一鎳發泡板(尺寸為70mm×70mm、厚度為0.2mm、孔隙率為90%)。接著，接該鎳發泡板放入一真空高溫爐管中，並通入甲烷，並配合氬氣及氫氣當傳輸氣體，於900至1100℃下成長石墨於鎳發泡板上，並控制單位面積石墨含量為2mg/cm2，並計算出鎳與石墨的重量比為7.85。接著，進一步蝕刻所得之石墨電極，即鎳與石墨的重量比由7.85降低至2.67(66%的鎳被移除)，得到石墨電極。
接著，提供一厚度為0.03mm之鋁箔(由Alfa Aesar製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為70mm×70mm)。接著，提 供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、鋁電極順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比值約為1.3)，得到鋁離子電池(13)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例12所得之鋁離子電池(13)之電池效能，結果如第9圖所示。
實施例13
提供一鎳發泡板(尺寸為70mm×70mm、厚度為0.2mm、孔隙率為90%)。接著，接該鎳發泡板放入一真空高溫爐管中，並通入甲烷，並配合氬氣及氫氣當傳輸氣體，於900至1100℃下成長石墨於鎳發泡板上，並控制單位面積石墨含量為2mg/cm2，並計算出鎳與石墨的重量比為7.64。接著，進一步蝕刻所得之石墨電極，即鎳與石墨的重量比由7.64降低至1.3(83%的鎳被移除)，得到石墨電極。
接著，提供一厚度為0.03mm之鋁箔(由Alfa Aesar製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為70mm×70mm)。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、鋁電極順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比值約為1.3)，得到鋁離子電池(14)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例13所 得之鋁離子電池(14)之電池效能，結果如第9圖所示。
實施例14
首先，提供一鎳發泡板(尺寸為70mm×70mm、厚度為0.2mm、孔隙率為90%)。接著，接該鎳發泡板放入一真空高溫爐管中，並通入甲烷，並配合氬氣及氫氣當傳輸氣體，於900至1100℃下成長石墨於鎳發泡板上，並控制單位面積石墨含量為1.53mg/cm2，並計算出鎳與石墨的重量比為10，得到石墨電極(未進行蝕刻)。
接著，提供一厚度為0.03mm之鋁箔(由Alfa Aesar製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為70mm×70mm)。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、鋁電極順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比值約為1.3)，得到鋁離子電池(15)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例14所得之鋁離子電池(15)之電池效能(量測條件為：以分別以不同電流(1000mA/g、3000mA/g、5000mA/g)進行放電測試)，結果如第10圖所示。
實施例15
提供一鎳發泡板(尺寸為70mm×70mm、厚度為0.2mm、孔隙率為90%)。接著，接該鎳發泡板放入一真空高溫爐管中，並通入甲烷，並配合氬氣及氫氣當傳輸氣體，於900至1100℃ 下成長石墨於鎳發泡板上，並控制單位面積石墨含量為1.53mg/cm2，並計算出鎳與石墨的重量比為10.21。接著，進一步蝕刻所得之石墨電極，即鎳與石墨的重量比由10.21降低至4.9(52%的鎳被移除)，得到石墨電極。
接著，提供一厚度為0.03mm之鋁箔(由Alfa Aesar製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為70mm×70mm)。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、鋁電極順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比值約為1.3)，得到鋁離子電池(16)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例15所得之鋁離子電池(16)之電池效能，結果如第10圖所示。
實施例16
提供一鎳發泡板(尺寸為70mm×70mm、厚度為0.2mm、孔隙率為90%)。接著，接該鎳發泡板放入一真空高溫爐管中，並通入甲烷，並配合氬氣及氫氣當傳輸氣體，於900至1100℃下成長石墨於鎳發泡板上，並控制單位面積石墨含量為1.53mg/cm2，並計算出鎳與石墨的重量比為9.64。接著，進一步蝕刻所得之石墨電極，即鎳與石墨的重量比由9.64降低至2.7(72%的鎳被移除)，得到石墨電極。
接著，提供一厚度為0.03mm之鋁箔(由Alfa Aesar製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為70mm×70mm)。接著，提 供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、鋁電極順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比值約為1.3)，得到鋁離子電池(17)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例16所得之鋁離子電池(17)之電池效能，結果如第10圖所示。
實施例17
提供一鎳發泡板(尺寸為70mm×70mm、厚度為0.2mm、孔隙率為90%)。接著，接該鎳發泡板放入一真空高溫爐管中，並通入甲烷，並配合氬氣及氫氣當傳輸氣體，於900至1100℃下成長石墨於鎳發泡板上，並控制單位面積石墨含量為1.53mg/cm2，並計算出鎳與石墨的重量比為10。接著，進一步蝕刻所得之石墨電極，即鎳與石墨的重量比由10降低至1.6(84%的鎳被移除)，得到石墨電極。
接著，提供一厚度為0.03mm之鋁箔(由Alfa Aesar製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為70mm×70mm)。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、鋁電極順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比值約為1.3)，得到鋁離子電池(18)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例17所 得之鋁離子電池(18)之電池效能，結果如第10圖所示。
由第9及10圖可得知，當單位面積石墨含量超過1.5mg/cm2時，以蝕刻去除部份鎳發泡板後，電解液可藉由該空隙與石墨接觸，確實可增加電解液對於石墨的濕潤性。
實施例18：
首先，提供一鎳發泡板(尺寸為70mm×70mm、厚度為0.2mm、孔隙率為90%)。接著，接該鎳發泡板放入一真空高溫爐管中，並通入甲烷，並配合氬氣及氫氣當傳輸氣體，於900至1100℃下成長石墨於鎳發泡板上，並控制單位面積石墨含量為1.78mg/cm2，並計算出鎳與石墨的重量比為8.58。接著，回復至室溫後，將表面成長石墨的鎳發泡板置於一蝕刻液(氯化鐵(FeCl3)水溶液、濃度為5%)中，以對鎳發泡板進行蝕刻以移除部份的鎳。控制蝕刻時間，直到鎳與石墨的重量比至1.63(約81%的鎳被移除)。最後，以去離子水(DI water)清洗殘留的蝕刻液，並在80℃下烘乾去除去離子水，得到石墨電極。
接著，提供一厚度為0.03mm之鋁箔(由Alfa Aesar製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為70mm×70mm)。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、鋁電極順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比值約為1.3)，得到鋁離子電池(19)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例18所 得之鋁離子電池(19)之電池效能(量測條件為：以分別以不同電流(1000mA/g、3000mA/g、5000mA/g)進行放電測試)，結果如第11圖所示。
由第11圖可知，當單位面積石墨含量超過1.7mg/cm2，蝕刻移除81%的金屬，可使電池在高充放電仍具高克電容量及良好的好導電性。
實施例19
首先，提供一鎳發泡板(尺寸為70mm×70mm、厚度為0.2mm、孔隙率為90%)。接著，接該鎳發泡板放入一真空高溫爐管中，並通入甲烷，並配合氬氣及氫氣當傳輸氣體，於900至1100℃下成長石墨於鎳發泡板上，並控制單位面積石墨含量為1.42mg/cm2，並計算出鎳與石墨的重量比為10.7，得到石墨電極(未進行蝕刻)。
接著，提供一厚度為0.03mm之鋁箔(由Alfa Aesar製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為70mm×70mm)。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、鋁電極順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比值約為1.3)，得到鋁離子電池(20)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例19所得之鋁離子電池(20)之電池效能(量測條件為：以分別以不同電流(1000mA/g、3000mA/g、5000mA/g)進行放電測試)，結果如第12圖 所示。
實施例20
實施例20如實施例19所述的方式進行，除了進一步蝕刻所得之石墨電極，即鎳與石墨的重量比由10.7降低至4.75(56%的鎳被移除)，得到鋁離子電池(21)。
接著，使用電池充放電儀(購自新威)量測實施例20所得之鋁離子電池(21)之電池效能，結果如第12圖所示。
由第12圖可得知，當單位面積石墨含量小於1.5mg/cm2時，由於石墨成長量少，導致不連續的石墨層形成於鎳發泡板上，此時以蝕刻去除部份鎳發泡板對於電池性能的提昇並不明顯。
雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (14)

  1. 一種電極，包含：一金屬網狀結構；一活性材料網狀結構，且該金屬網狀結構係設置於該活性材料網狀結構內，其中該金屬網狀結構與該活性材料網狀結構的重量比係0.5至155；以及複數之空隙，設置於該活性材料網狀結構內，其中該空隙與該金屬網狀結構之體積比係99至1之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該金屬網狀結構係發泡金屬。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電極，其中該發泡金屬係發泡鎳、發泡鐵、發泡銅、發泡鈦、發泡鈷、或上述材料之發泡合金。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該活性材料網狀結構係石墨、或具插層之活性材料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該電極之厚度係100nm至10mm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該活性材料網狀結構係為一連續的結構。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電極，其中該活性材料網狀結構係為一不連續的結構。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電極，其中該金屬網狀結構被該活性材料網狀結構所覆蓋的面積佔該金屬網狀結構總面積的1%至95%。
  9. 一種電極的製造方法，包含：提供一金屬網狀結構；以及沉積一活性材料於該金屬網狀結構的表面，得到如申請專利範圍第1項所述電極，其中該金屬網狀結構與該活性材料網狀結構的重量比係0.5至155。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電極的製造方法，更包含：對該電極進行一濕蝕刻，以移除部份金屬網狀結構，形成複數之空隙。
  11. 一種裝置，包含：一第一電極，其中該第一電極係申請專利範圍第1項所述之電極；一第一隔離膜；一第二電極，其中該第一隔離膜設置於該第一電極與該第二電極之間；以及一電解質，設置於該第一電極與該第二電極之間。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該電解質為一離子液體及一金屬鹵化物的混合物，其中該離子液體係氯化膽鹼、乙醯氯化膽鹼、鹼金族鹵化物、烷基咪唑鎓鹽、烷基吡啶鎓鹽、烷基氟吡唑鎓鹽、烷基三唑鎓鹽、芳烷銨鹽、烷基烷氧基銨鹽、芳烷鏻鹽、芳烷鋶鹽、或其混合物。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該電解質為一溶液及一金屬鹵化物的混合物，其中該溶液係尿素、N-甲基脲、二甲基亞碸、二甲基碸、或上述的混合。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，更包括一第三電極及一第二隔離膜，其中該第二隔離膜設置於該第一電極與該第三電極之間。
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