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TWI770796B - 導電結構與電池 - Google Patents

導電結構與電池 Download PDF

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TWI770796B
TWI770796B TW110103522A TW110103522A TWI770796B TW I770796 B TWI770796 B TW I770796B TW 110103522 A TW110103522 A TW 110103522A TW 110103522 A TW110103522 A TW 110103522A TW I770796 B TWI770796 B TW I770796B
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conductive
layer
graphene
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魏松煙
鄭嘉晉
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優材科技有限公司
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

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Abstract

本發明公開一種導電結構及包括該導電結構的電池。導電結構包括一金屬基體、一第一導電層、一石墨烯層以及一第二導電層。第一導電層設置於金屬基體，第一導電層包括多個奈米碳管。石墨烯層設置於金屬基體與第一導電層之間。第二導電層設置於第一導電層，且第二導電層的材料位於該些奈米碳管之間的間隙。本發明除了具有極佳的導電性外，還可提高電池的能量密度。

Description

導電結構與電池
本發明關於一種導電結構，特別關於一種應用於電池正極的導電結構與電池。
鋰離子電池是目前電動車，乃至於時下絕大多數電子產品中最常用的電池種類，它從1970年誕生至今將近半個世紀了，其優勢是能量密度高、循環使用壽命長。市面上出現的六類鋰電池分別是鈦酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳和鎳鈷鋁鋰電池(鎳鈷錳和鎳鈷鋁鋰電池可稱為三元鋰電池)。從能量密度和安全性綜合來看，綜合性能較好的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池已成為了目前電動車動力電池的主流。
目前鋰電池主要是按照正極材料的不同來分類，因為負極材料(主要以碳材料為主)對電池能量密度的影響不大，所以現在主要是通過不斷改進正極材料來提升電池的性能。在習知技術中，正極材料一般是以錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)、或鎳鈷鋰(LiNiCOO2)等為主要材料，並在正極活性物質中再加入導電劑(例如碳黑)，並塗覆在金屬基體(例如鋁)上。
本發明的目的為提供一種應用於電池正極的導電結構與包括該導電結構的電池。本發明的導電結構除了具有極佳的導電性外，還可提高電池的能量密度。
本發明提出一種導電結構，包括一金屬基體、一第一導電層、一石墨烯層以及一第二導電層。第一導電層設置於金屬基體，第一導電層包括多個奈 米碳管；石墨烯層設置於金屬基體與第一導電層之間；第二導電層設置於第一導電層，且第二導電層的材料位於該些奈米碳管之間的間隙。
在一實施例中，金屬基體的材料包括鋁。
在一實施例中，第二導電層的材料更覆蓋第一導電層遠離石墨烯層的表面。
在一實施例中，石墨烯層至少覆蓋金屬基體的部份表面。
在一實施例中，該些奈米碳管的軸向方向垂直於石墨烯層的表面。
在一實施例中，該些奈米碳管的軸向方向垂直於石墨烯層及金屬基體的表面。
在一實施例中，第二導電層的材料包括石墨烯、人造石墨、天然石墨、碳黑(Carbon black)、導電金屬粒子、或其組合。
在一實施例中，導電金屬粒子的材料包括銀、銅、金、鋁、或鉑，或其組合。
在一實施例中，導電結構可應用於鋰電池的正極。
本發明還提出一種電池，包括一正極及一負極，負極與正極對應設置；其中，正極包括上述實施例的導電結構。
承上所述，在本發明的導電結構與包括該導電結構的電池中，第一導電層設置於金屬基體，並包括多個奈米碳管；石墨烯層設置於金屬基體與第一導電層之間；第二導電層設置於第一導電層，且第二導電層的材料位於第一導電層的該些奈米碳管之間的間隙。藉此，本發明並不以碳黑做為導電劑，而是以第一導電層(包括奈米碳管)、石墨烯層及第二導電層(例如包括石墨烯)作為金屬基體的導電劑，由於第一導電層、石墨烯層及第二導電層皆具有極佳的導電性，因此可使導電結構也具有相當好的導電性而可應用於電池的正極，藉此提升電池的能量密度。
1,1a:導電結構
11:金屬基體
111:表面
12:第一導電層
121:奈米碳管
13:石墨烯層
14:第二導電層
圖1為本發明一實施例的導電結構的示意圖。
圖2為本發明另一實施例的導電結構的示意圖。
以下將參照相關圖式，說明依本發明一些實施例之應用於電池正極的導電結構與包括該導電結構的電池，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
本發明的導電結構可應用於鋰電池的正極，除了具有極佳的導電性外，還可提高鋰電池的能量密度。
圖1為本發明一實施例的導電結構的示意圖。如圖1所示，本實施例的導電結構1包括一金屬基體11、一第一導電層12、一石墨烯層13以及一第二導電層14。
金屬基體11例如但不限於高電導率的金屬片或金屬箔，其材料可例如但不限於包括鋁。
第一導電層12設置於金屬基體11，並包括多個奈米碳管121。而石墨烯層13設置於金屬基體11與第一導電層12之間。於此，石墨烯層13係設置於金屬基體11的表面111，使第一導電層12可透過石墨烯層13間接設置於金屬基體11上。本實施例的石墨烯層13包括多個石墨烯微片，其位於金屬基體11與第一導電層12之間，且石墨烯層13至少可覆蓋金屬基體11的部份表面111。具體來說，石墨烯層13可全面性地覆蓋在金屬基體11的表面111，或是團聚成島狀且彼此分離地覆蓋在金屬基體11的部分表面111。本實施例的石墨烯層13是以全面性地覆蓋在金屬基體11的表面111為例。因此，第一導電層12之該些奈米碳管121的軸向方向是垂直於石墨烯層13的表面。
在一些實施例中，如果石墨烯層13是團聚成島狀且彼此分離地覆蓋在金屬基體11的部分表面111的話，則有部分的奈米碳管121的軸向方向垂直於石墨烯層13，但另一部分的奈米碳管121的軸向方向則垂直於材料例如是鋁的金屬基體11的表面111。另外，如果石墨烯層13覆蓋在金屬基體11的部分表面111，且金屬基體11的材料是銅的話，則奈米碳管121只會成長在石墨烯層13(即軸向 方向垂直於石墨烯層13)，並不會成長在銅材料的金屬基體11，視金屬基體11的材料及石墨烯層13的覆蓋率來決定奈米碳管121之軸向方向的垂直方式。
在一些實施例中，前述的石墨烯微片的厚度可大於等於0.3奈米(nm)，且小於等於3奈米(0.3nm
Figure 110103522-A0305-02-0006-1
厚度
Figure 110103522-A0305-02-0006-2
3nm)，而各石墨烯微片的片徑(即最大寬度)可大於等於1微米，且小於等於30微米(1μm
Figure 110103522-A0305-02-0006-3
片徑
Figure 110103522-A0305-02-0006-4
30μm)。
第二導電層14設置於第一導電層12，且第二導電層14的材料位於第一導電層12之該些奈米碳管121之間的間隙。第二導電層14的材料可例如但不限於包括石墨烯、人造石墨、天然石墨、碳黑、導電金屬粒子、或其組合。而導電金屬粒子的材料包括銀、銅、金、鋁、或鉑，或其組合，並不限制。本實施例之第二導電層14的材料例如是以石墨烯為例。具體來說，可將石墨烯微片與溶劑(例如但不限於水)均勻混合後形成漿料，並將具有流動性的漿料以例如塗佈、印刷、或其他適當的方式設置在第一導電層12上，使第二導電層14的材料填入奈米碳管121之間的間隙(較佳者為填滿所有間隙)，待乾燥(去除溶劑)、固化後形成第二導電層14，藉此提高導電性。當然，因製程或其他因素，奈米碳管121之間的間隙可能無法被第二導電層14的材料(石墨烯)完全填滿。
承上，在習知技術中，是以碳黑作為金屬基體11的導電劑，但在本實施例的導電結構1中，第一導電層12設置於金屬基體11，並包括多個奈米碳管121，石墨烯層13設置於金屬基體11與第一導電層12之間，第二導電層14設置於第一導電層12，且第二導電層14的材料位於第一導電層12之該些奈米碳管121之間的間隙。藉此，本實施例並不以碳黑作為導電劑，而是以第一導電層12(包括奈米碳管121)、石墨烯層13及第二導電層14(例如包括石墨烯)作為金屬基體11的導電劑，由於第一導電層12、石墨烯層13及第二導電層14皆具有極佳的導電性，因此可使導電結構1也具有相當好的導電性而可應用於鋰電池的正極，藉此提升鋰電池的能量密度。
請參照圖2所示，其為本發明另一實施例的導電結構的示意圖。如圖2所示，本實施例的導電結構1a與前述實施例的導電結構1其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，本實施例的導電結構1a的第二導電層14的 材料除了填滿奈米碳管121之間的間隙外，還覆蓋第一導電層12遠離石墨烯層13的表面(即覆蓋第一導電層12的表面)。
此外，本發明還提出一種電池，其可包括兩個電極：正極及與該正極對應設置的負極。其中，正極可包括上述的導電結構1或1a，或其變化態樣，具體技術內容請參照上述，在此不再多作說明。前述的電池例如但不限於鈦酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳、或鎳鈷鋁等鋰電池。
綜上所述，在本發明的導電結構與包括該導電結構的電池中，第一導電層設置於金屬基體，並包括多個奈米碳管；石墨烯層設置於金屬基體與第一導電層之間；第二導電層設置於第一導電層，且第二導電層的材料位於第一導電層的該些奈米碳管之間的間隙。藉此，本發明並不以碳黑作為導電劑，而是以第一導電層(包括奈米碳管)、石墨烯層及第二導電層(例如包括石墨烯)作為金屬基體的導電劑，由於第一導電層、石墨烯層及第二導電層皆具有極佳的導電性，因此可使導電結構也具有相當好的導電性而可應用於電池的正極，藉此提升電池的能量密度。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1:導電結構
11:金屬基體
111:表面
12:第一導電層
121:奈米碳管
13:石墨烯層
14:第二導電層

Claims (9)

  1. 一種導電結構，包括：一金屬基體；一第一導電層，設置於該金屬基體，該第一導電層包括多個奈米碳管；一石墨烯層，設置於該金屬基體與該第一導電層之間；以及一第二導電層，設置於該第一導電層，且該第二導電層的材料位於該些奈米碳管之間的間隙；其中，該第二導電層的材料更覆蓋該第一導電層遠離該石墨烯層的表面。
  2. 如請求項1所述的導電結構，其中該金屬基體的材料包括鋁。
  3. 如請求項1所述的導電結構，其中該石墨烯層至少覆蓋該金屬基體的部份表面。
  4. 如請求項1所述的導電結構，其中該些奈米碳管的軸向方向垂直於該石墨烯層的表面。
  5. 如請求項1所述的導電結構，其中該些奈米碳管的軸向方向垂直於該石墨烯層及該金屬基體的表面。
  6. 如請求項1所述的導電結構，其中該第二導電層的材料包括石墨烯、人造石墨、天然石墨、碳黑、導電金屬粒子、或其組合。
  7. 如請求項6所述的導電結構，其中該導電金屬粒子的材料包括銀、銅、金、鋁、或鉑，或其組合。
  8. 如請求項1所述的導電結構，其應用於鋰電池的正極。
  9. 一種電池，包括一正極及一負極，該負極與該正極對應設置；其中，該正極包括如請求項1至7中任一項所述的導電結構。
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