本發(fā)明關(guān)于一種電極的復(fù)合材料，尤指一種超級電容的電極單元的復(fù)合材料。本發(fā)明亦關(guān)于一種由復(fù)合材料制作電極單元的方法。本發(fā)明另外關(guān)于一種包括該電極單元的超級電容。

背景技術(shù)：

超級電容是一種特殊型態(tài)的儲能裝置，由于其高速充/放電與高電流/功率輸出的能力而漸受歡迎。超級電容的超級電容單元10的典型構(gòu)造如圖1示意圖所示，其包括陽極11、陰極12、隔離部13、以及電解質(zhì)14。陽極11、陰極12均由多孔活性碳所制，故具有相對較大的面積。隔離部13位于陽極11、陰極12之間，以作為隔離用途。電解質(zhì)為溶液型態(tài)，使陽極11、陰極12、隔離部13含浸其中。當(dāng)連續(xù)施加電壓時，陽極11、陰極12帶不同極性的電，離子會被電極表面所吸附并累積。當(dāng)后來停止供電時，陰離子和陽離子會分別從陽極和陰極釋放出來。同時，陽極11、陰極12間的電壓會因自放電效應(yīng)而遞減。

較諸傳統(tǒng)電解電容，超級電容因多孔碳材所具有的大的總表面積而具有高電荷儲存量。一個超級電容的電荷儲存量可高達一傳統(tǒng)電解電容的千倍之多。另外，與傳統(tǒng)進行電極的電化學(xué)轉(zhuǎn)換的鋰離子電池不同的是，超級電容的電荷儲存以物理吸附方式進行。因此，超級電容具有遠高于一個鋰離子電池的充放電速度，適用于需要高電流高功率輸出的電子裝置。

如上所述，超級電容的工作原理物理性吸附離子到電極上，于連續(xù)電壓供應(yīng)下進行充電。一旦電壓供應(yīng)中斷，電極處的電荷便消失，陽離子與陰離子會從電極脫附。接著，電極間的電壓會遞減形成自放電。已知漏電流與自放電有關(guān)，漏電流會降低超級電容的電荷儲存量。另一方面，漏電流愈大愈需要更多的電力來維持電壓，使得超級電容的電性表現(xiàn)變差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目標(biāo)之一在于降低漏電流，即使電壓供應(yīng)中斷也能延長離子在電極上的停留時間。換言之，本發(fā)明目標(biāo)之一為增進超級電容的電荷儲存能力，并改善超級電容的效能。

本發(fā)明的第一方面關(guān)于一種電極單元的復(fù)合材料，包括：一多孔電極材料，包括多孔粒子，占該復(fù)合材料的50～95wt％；一駐極材料，分布于該多孔電極材料的多孔粒子間，用以將電荷留在該電極單元上，占該復(fù)合材料的0～15wt％，但不為0；一黏結(jié)材料，將該等多孔粒子黏結(jié)在一起，并將該駐極材料與該多孔電極材料接合，占該復(fù)合材料的0～15wt％，但不為0；以及一導(dǎo)電輔助劑，用以加強該電極單元的導(dǎo)電性，占該復(fù)合材料的0～30wt％，但不為0。

較佳者，該多孔電極材料占該復(fù)合材料的60～90wt％，該駐極材料占該復(fù)合材料的1～10wt％，該導(dǎo)電輔助劑占該復(fù)合材料的1～25wt％。更佳者，該駐極材料占該復(fù)合材料的5wt％。

在一實施例中，該黏結(jié)材料包括一分散劑及/或一黏著劑。

本發(fā)明的另一方面關(guān)于一種超級電容，包括一陽極單元以及一陰極單元，其中至少該陽極單元與該陰極單元之一包括：一集電材料，電連接至一電壓源；以及上述的復(fù)合材料，施加至該集電材料上，用以保留帶電電荷。

在一實施例中，該超級電容另外包括一電解質(zhì)與一隔離部，其中該隔離部位于該陽極單元與該陰極單元間，且該陽極單元與該陰極單元與該電解質(zhì)接觸。

本發(fā)明的又一方面關(guān)于一種利用一復(fù)合材料制作一電極單元的方法，包括下列步驟：將一導(dǎo)電輔助劑黏結(jié)至一多孔電極材料上；將一駐極材料黏結(jié)至該多孔電極材料上；以及將該多孔電極材料加至一集電材料上，在該復(fù)合材料中，該多孔電極材料的比例為該復(fù)合材料的50～95wt％；該駐極材料的比例為該復(fù)合材料的0～15wt％，但不為0；且該導(dǎo)電輔助劑的比例為該復(fù)合材料的0～30wt％，但不為0；該復(fù)合材料另包括一黏結(jié)材料，其比例為該復(fù)合材料的0～15wt％之間，但不為0。請注意上述步驟的執(zhí)行不限于前述順序，亦可依實際設(shè)計所需來執(zhí)行這些步驟。

在一實施例中，該多孔電極材料于該導(dǎo)電輔助劑與該駐極材料以該黏結(jié)材料黏結(jié)至該多孔電極材料上之后一起加至該集電材料上。例如，將該多孔電極材料與該駐極材料混合得到一經(jīng)該駐極材料改質(zhì)的活化多孔電極材料，接著與該導(dǎo)電輔助劑及該黏結(jié)材料混合。

在一實施例中，該駐極材料黏結(jié)至該多孔電極材料利用涂布、噴灑、含浸、與混煉中之一、或一種以上前述方法的組合。

在一實施例中，該導(dǎo)電輔助劑于該多孔電極材料加至該集電材料上之前黏結(jié)至該多孔電極材料上，而該駐極材料于該多孔電極材料加至該集電材料上之后黏結(jié)至該多孔電極材料上。

附圖說明

圖1，為現(xiàn)有超級電容中的一個超級電容單元的示意圖；

圖2A，為本發(fā)明一超級電容實施例的超級電容單元的示意圖； 以及

圖2B，為圖2A所示超級電容單元的復(fù)合材料的示意圖。

【符號說明】

10 超級電容單元

11 陽極

12 陰極

13 隔離部

14 電解質(zhì)

20 超級電容單元

21 陽極

22 陰極

23 隔離部

24 電解質(zhì)

251 多孔電極材料

252 導(dǎo)電集電材

253 駐極材料

254 線

具體實施方式

請參閱圖2A，其示意呈現(xiàn)本發(fā)明一超級電容實施例的超級電容單元。該超級電容單元20包括一陽極21、一陰極22、一隔離部23、以及一電解質(zhì)24。該陽極21、陰極22均藉由將一多孔電極材料251加至一導(dǎo)電集電材252上而構(gòu)成。該隔離部23位于陽極21、陰極22之間，以作為隔離用途。本實施例的電解質(zhì)24為溶液型態(tài)，使陽極21、陰極22、隔離部23含浸其中。當(dāng)連續(xù)施加電壓V時，陽極21、陰極22帶不同極性的電，離子會被電極表面所吸附并累積。當(dāng)后來停止供給電壓V時，陰離子和陽離子會分別從陽極和陰極釋放出來。同時，陽極21、陰極22間的電壓會因自放電效應(yīng)而遞減。根據(jù)本發(fā)明，該多孔電極材料251經(jīng)一駐極材料253改質(zhì)，以助于極化電荷的停留。隨著保留電荷能力的改善，可減少漏電流，增進超級電容的電荷儲存能力，并改善超級電容的效能。該多孔電極材料251與駐極材料253的結(jié)合如圖2B所示，并將于以下詳細說明。

請參考圖2B所示的實施例，該多孔電極材料251以眾多粒子的方式提供，而該駐極材料253分布在該多孔電極材料251的粒子之間。特定來說，該駐極材料253被黏結(jié)在該多孔電極材料251的粒子的外表面上，以及粒子所具有孔洞的內(nèi)部表面上。該駐極材料253黏結(jié)至該多孔電極材料251上的黏結(jié)方式可有多樣變化，視實際需求與條件而定。例如，黏結(jié)方式可以包括涂布、噴灑、含浸、與混煉中之一、或一種以上前述方法的組合。須注意者為上述黏結(jié)方式僅舉例說明，實際上應(yīng)依駐極材料253與多孔電極材料251的各種條件加以選擇。另外亦可使用一種以上的駐極材料253及/或一種以上的多孔電極材料251，并采用一種或一種以上適合的黏結(jié)方式來進行黏結(jié)。

該駐極材料253黏結(jié)至該多孔電極材料251上的黏結(jié)效果較佳透過使用一黏結(jié)材料進一步加強，該黏結(jié)材料可包括一分散劑及/或一黏著劑。另外較佳將該駐極材料253與該多孔電極材料251分散在該分散劑中進行黏結(jié)處理。該黏著劑可與該分散劑并用以增強黏結(jié)效果，不過對具有某些材料特性的駐極材料253與該多孔電極材料251而言，亦可僅使用分散劑或僅使用黏著劑，便足以進行黏結(jié)。圖2B中的線254示意表達出改質(zhì)后多孔電極材料251在黏著劑及/或分散劑存在下的黏結(jié)狀況。

除了導(dǎo)電集電材、多孔電極材料、駐極材料、分散劑、以及黏著劑之外，該電極單元的復(fù)合材料較佳另外包括一導(dǎo)電輔助劑，以幫助超級電容的工作。這些材料的種類和比例如下所述。

多種不同的多孔電極材料均可用于本發(fā)明電極單元的復(fù)合材料中。多孔碳材是目前較佳的選擇，但視實際需求與條件，亦可使用其他有機或無機多孔材料。該多孔碳材可選擇的實例包括活性碳及其衍生物、納米碳管及其衍生物、石墨烯及其衍生物、微晶碳C60及其衍生物、與碳纖維及其衍生物中之一，或一個以上前述成分的混合物。該多孔電極材料在該復(fù)合材料中的重量比為約50wt％～95wt％，較佳60wt％～90wt％。該導(dǎo)電輔助劑的可選擇實例包括導(dǎo)電碳黑、石墨、碳纖維、以及前述成分的衍生物中之一，或一個以上前述成分的混合物。該導(dǎo)電輔助劑在該復(fù)合材料中的重量比為約0～30wt％，但不為0，較佳為1～25wt％。該黏結(jié)材料在該復(fù)合材料中的重量比為約0～15wt％，但不為0，其中，該分散劑的可選擇實例包括聚丙烯酸及其衍生物、聚乙烯醇及其衍生物、甲基纖維素及其衍生物、羧酸甲基纖維素及其衍生物、硅藻酸及其衍生物、聚偏二氟乙烯及其衍生物、與壓克力樹脂及其衍生物中之一，或一個以上前述成分的混合物。該分散劑在該復(fù)合材料中的重量比為約0～15wt％，較佳為1wt％～10wt％。該黏著劑的可選擇實例包括聚丙烯樹脂及其衍生物、聚苯乙烯-丁二烯樹脂及其衍生物、壓克力樹脂及其衍生物、與聚四氟乙烯及其衍生物中之一，或一個以上前述成分的混合物。該黏著劑在該復(fù)合材料中的重量比為約0～15wt％，較佳為1wt％～10wt％。該分散劑與該黏著劑可同時存在組合中，亦可僅使用其中之一。該駐極材料的可選擇實例包括丙烯及其衍生物、聚碳酸酯及其衍生物、氟系樹脂及其衍生物、聚酯及其衍生物、與聚對苯二甲酸乙二酯及其衍生物中之一，或一個以上前述成分的混合物。該駐極材料在該復(fù)合材料中的重量比少于15wt％，但不為0，較佳少于10wt％，更佳約5wt％。

此處舉例說明該電極單元復(fù)合材料的制備實例，以及該電極單元的制作和測試。該等成分添加的順序以及組合該等成分以形成復(fù)合材料的方式會依實際需求與條件而有所變化。

在實例1中，將87克活性碳多孔電極材料(日本Kuraray公司產(chǎn)品編號YP-80)、8克導(dǎo)電碳黑導(dǎo)電輔助劑(美國Cabot公司產(chǎn)品編號XC72)、2克羧酸甲基纖維素鈉(sodium carboxymethyl cellulose)分散劑(美國Ashland化學(xué)品公司)、以及3克黏著劑(日本JSR公司產(chǎn)品編號102A)與300克去離子水混合，混合均勻后涂布至集電鋁箔上制成電極基材。將干燥后的電極基材含浸于5wt％聚碳酸酯/二甲基乙酰胺溶液(polycarbonate in dimethyl acetamide)駐極材料中約60秒，經(jīng)干燥后完成電極單元的制作。將一對干燥電極單元含浸于電解液，如1M TEMABF₄/AN(triethylmethylammonium tetrafluoroborate/acetonitrile；四氟硼酸三乙基甲基銨/乙腈)中，并于攝氏65度下連續(xù)供給電壓(Ag/Ag⁺＝+0.4V)2小時，以進行包括上述所得電極單元的超級電容的效果測試。量測漏電流的結(jié)果顯示漏電流從0.16μA降至0.14μA。另外，于攝氏65度下連續(xù)供給電壓(Ag/Ag⁺＝-2.5V)2小時，量測漏電流的結(jié)果顯示漏電流從0.4μA降至0.35μA。

在實例2中，將65克活性碳多孔電極材料(日本Kuraray公司產(chǎn)品編號YP-80)、25克導(dǎo)電碳黑導(dǎo)電輔助劑(美國Cabot公司產(chǎn)品編號XC72)、4克羧酸甲基纖維素鈉(sodium carboxymethyl cellulose)分散劑(美國Ashland化學(xué)品公司)、以及6克黏著劑(日本JSR公司產(chǎn)品編號102A)與300克去離子水混合，混合均勻后涂布至集電鋁箔上制成電極基材。將5wt％聚偏氟乙烯-聚六氟丙烯/丙酮(polyvinylidenefluoride-polyhexafluoropropylene in acetone)溶液所構(gòu)成的駐極材料均勻噴灑至干燥后的電極基材上，經(jīng)干燥后完成電極單元的制作。將一對干燥電極單元含浸于電解液，如1M TEMABF₄/AN(triethylmethylammonium tetrafluoroborate/acetonitrile；四氟硼酸三乙基甲基銨/乙腈)中，并于攝氏65度下連續(xù)供給電壓(Ag/Ag⁺＝+0.4V)2小時，以進行包括上述所得電極單元的超級電容的效果測試。量測漏電流的結(jié)果顯示漏電流從0.16μA降至0.13μA。另外，于攝氏65度下連續(xù)供給電壓(Ag/Ag⁺＝-2.5V)2小時，量測漏電流的結(jié)果顯示漏電流從0.4μA降至0.35μA。

在實例3中，將100克活性碳多孔電極材料(日本Kuraray公司產(chǎn)品編號YP-80)和5克聚丙烯塑膠粒駐極材料混合均勻后于攝氏240度下進行混煉，以得到經(jīng)駐極材料改質(zhì)的活化碳電極材料。再將80克改質(zhì)后活化碳電極材料、10克導(dǎo)電碳黑導(dǎo)電輔助劑(美國Cabot公司產(chǎn)品編號XC72)、5克羧酸甲基纖維素鈉(sodium carboxymethyl cellulose)分散劑(美國Ashland化學(xué)品公司)、以及5克黏著劑(日本JSR公司產(chǎn)品編號102A)與300克去離子水混合，混合均勻后涂布至集電鋁箔上，干燥后制得電極單元。將一對干燥電極單元含浸于電解液，如1M TEMABF₄/AN(triethylmethylammonium tetrafluoroborate/acetonitrile；四氟硼酸三乙基甲基銨/乙腈)中，并于攝氏65度下連續(xù)供給電壓(Ag/Ag⁺＝+0.4V)2小時，以進行包括上述所得電極單元的超級電容的效果測試。量測漏電流的結(jié)果顯示漏電流從0.16μA降至0.14μA。另外，于攝氏65度下連續(xù)供給電壓(Ag/Ag⁺＝-2.5V)2小時，量測漏電流的結(jié)果顯示漏電流從0.4μA降至0.34μA。

在實例4中，將90克活性碳多孔電極材料(日本Kuraray公司產(chǎn)品編號YP-80)、5克導(dǎo)電碳黑導(dǎo)電輔助劑(美國Cabot公司產(chǎn)品編號XC72)、4克羧酸甲基纖維素鈉(sodium carboxymethyl cellulose)分散劑(美國Ashland化學(xué)品公司)、以及1克黏著劑(日本JSR公司產(chǎn)品編號102A)與300克去離子水混合，混合均勻后涂布至集電鋁箔上制成電極基材。將干燥后的電極基材含浸于1wt％聚碳酸酯/二甲基乙酰胺溶液(polycarbonate in dimethyl acetamide)駐極材料中約60秒，經(jīng)干燥后完成電極單元的制作。將一對干燥電極單元含浸于電解液，如1M TEMABF₄/AN(triethylmethylammonium tetrafluoroborate/acetonitrile；四氟硼酸三乙基甲基銨/乙腈)中，并于攝氏65度下連續(xù)供給電壓(Ag/Ag⁺＝+0.4V)2小時，以進行包括上述所得電極單元的超級電容的效果測試。量測漏電流的結(jié)果顯示漏電流從0.16μA降至0.15μA。另外，于攝氏65度下連續(xù)供給電壓(Ag/Ag⁺＝-2.5V)2小時，量測漏電流的結(jié)果顯示漏電流從0.4μA降至0.38μA。

在實例5中，將87克活性碳多孔電極材料(日本Kuraray公司產(chǎn)品編號YP-80)、8克導(dǎo)電碳黑導(dǎo)電輔助劑(美國Cabot公司產(chǎn)品編號XC72)、5克羧酸甲基纖維素鈉(sodium carboxymethyl cellulose)分散劑(美國Hercules化學(xué)品公司)與300克去離子水混合，混合均勻后涂布至集電鋁箔上制成電極基材。將干燥后的電極基材含浸于5wt％聚碳酸酯/二甲基乙酰胺溶液(polycarbonate in dimethyl acetamide)駐極材料中約60秒，經(jīng)干燥后完成電極單元的制作。將一對干燥電極單元含浸于電解液，如1M TEMABF₄/AN(triethylmethylammonium tetrafluoroborate/acetonitrile；四氟硼酸三乙基甲基銨/乙腈)中，并于攝氏65度下連續(xù)供給電壓(Ag/Ag⁺＝+0.4V)2小時，以進行包括上述所得電極單元的超級電容的效果測試。量測漏電流的結(jié)果顯示漏電流從0.16μA降至0.14μA。另外，于攝氏65度下連續(xù)供給電壓(Ag/Ag⁺＝-2.5V)2小時，量測漏電流的結(jié)果顯示漏電流從0.4μA降至0.37μA。

在每一前述實施例中，于同一超級電容單元中僅使用一種駐極材料。在特定需求與條件下也可以使用一種以上的駐極材料。用于本發(fā)明中的駐極材料本身并不一定要帶電，但應(yīng)該具有吸引或保留空間電荷的特性。

從上述實例可知，可使用任一上述本發(fā)明改良超級電容單元來改善漏電流。換言之，根據(jù)本發(fā)明改良的超級電容單元應(yīng)用至超級電容中時，可改善電荷保留能力，并促進超級電容的電性效能。

須注意者為根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料除了應(yīng)用至超級電容的電極之外，亦可使用于其他需要于極化表面上保留極化電荷的應(yīng)用中。

雖然本發(fā)明已以實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許之更動與潤飾，故本發(fā)明之保護范圍當(dāng)視后附之申請專利范圍所界定者為準(zhǔn)。此外，本說明書中無法一一列舉出各組成材料中的各種不同比例組合的可行實施例，但熟習(xí)此技藝之人士根據(jù)本發(fā)明所揭露的實施例以及本發(fā)明所揭露的各組成材料比例范圍，即可完成本發(fā)明的技術(shù)以及所欲達成的目的，因此，本發(fā)明之保護范圍完整涵蓋后附之申請專利范圍所界定的材料組成與比例范圍。