电解质组合物和电池制造技术

本发明专利技术提供一种电解质组合物和电池，此电解质组合物包含石墨烯。本发明专利技术的电解质组合物适用于电池，可改良电池生命周期；且本发明专利技术的电解质组合物应用方式简单，相较于其它将碳材料添加至电池的现有技术更为符合成本效益。本发明专利技术能有效改善电池效能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电解质组合物和电池，尤其涉及一种适用于电池的含石墨烯电解 质组合物。
技术介绍
一般而言，电池可分为化学电池及物理电池，其中化学电池可再分为一次电池 (Primary Cell)、二次电池及燃料电池。 二次电池又称为可充电电池，可通过施加电流充电或再充电，产生相对于放电或 使用时的逆化学反应。一般的二次电池包含镍金属氢化物电池（NiMH;镍氢电池）、铅酸电 池及锂离子电池。铅酸电池虽是最古老的二次电池，但基于可靠度佳、低制造及购买成本低 与再生速率高，仍然极受欢迎。 传统铅酸电池包含负电极（金属铅）、正电极（二氧化铅）及电解质（稀硫酸）， 放电时化学反应如下： 负电极反应： Pb (s) +SO42 (aq) - PbSO4 (s) +2e ; 正电极反应： PbO2 (s) +SO广(aq) +4H.+2e-- PbSO 4 (s) +2H20。 当铅酸电池放电时，电子由负电极释出，所产生的铅离子（Pb2+)随即与硫酸根离 子（SO 42O反应形成不可溶的硫酸铅（PbSO4)结晶吸附在负电极表面上。在正电极处，来自 外部电路的电子将PbO 2还原成Pb 2+，Pb2+也会与SO 42-反应而形成PbSO 4结晶吸附在正电极 表面上。施加相反电压时，发生逆化学反应使电池再充电。 然而，实际上，在再充电循环期间，形成在电极上的硫酸铅无法完全转化为铅离子 及硫酸根离子，因此，电解质中可用的硫酸根离子量将逐渐降低。再者，当深层放电或快速 充放电导致粗糙的硫酸铅团簇形成时，此问题将变得更为严重。这些残留的硫酸铅使电极 冷却速率降低并减少Pb及Pb〇 2i极的有效面积，从而降低了电池容量及生命周期。水汽 损耗是另一问题，水汽损耗发生在电解质溶液中的水因电池深层放电或快速充电而电解或 因电池中所累积的热而蒸发时。水汽损耗将使得硫酸铅更难溶解；而水电解所产生的氧及 氢对电池的安全性产生危害。再者，硫酸浓度梯度的存在增加电池的内部电阻且降低离子 的迀移性，因而对电池效能产生不利影响。 因此，如何有效改善上述问题一直是此领域的重要议题。 已有多种电池添加物被用来改善上述问题，特别是碳材料添加物，例如碳黑、活 性碳、纳米碳管及石墨烯。举例言之，CN102201575揭示一种硫酸铅-石墨烯复合电极材 料及包含该材料的负电池极膏；CN101719563揭示一种石墨烯被添加至负电极的铅酸电 池；US20120328940A1揭示一种纳米碳管或石墨烯用作电极添加物的用途；CN1505186及 US2005181282揭示将纳米碳管用于铅酸电池的阳极或阴极。据信，在电极中使用纳米碳管 和/或石墨烯可改善铅酸电池的性质。
中已对上述碳材料，特别是纳米碳管及石墨烯，用在电池的电极中做了 很多努力，然而，其仍无法有效改善硫酸电解质浓度梯度效应所产生的极化问题。再者， 以碳材料制备改良电极的现有方法，必须使用较高含量的碳材料（基于铅膏总重量计约 5wt%的碳材料）且一般包含复杂的制备步骤，从而该等现有方法成本较高。因此，此技术 领域仍需要一种更为便利且便宜的技术方案提供具改良效能的电池。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种电解质组合物和电池，用于解决上述问题。 本专利技术的一目的在于提供一种电解质组合物，该电解质组合物包括石墨烯。 本专利技术的另一目的在于提供一种包含该电解质组合物的电池。 本专利技术通过在电解质组合物中添加石墨稀，能有效改善电池效能。【附图说明】 图1显示使用现有电解质溶液及本专利技术电解质组合物的单元电池于充/放电循环 后的电容量变化。 图2为使用现有电解质溶液及本专利技术电解质组合物的单元电池的正、负电极的扫 描电子显微镜影像图。 图3显示含不同浓度石墨烯的电解质组合物的单元电池于充/放电循环后的电容 量变化。【具体实施方式】 为便于理解本文所陈述的揭示内容，兹于下文中定义若干术语。 术语"约"意谓如由本领域技术人员所测定的特定值的可接受误差，误差范围视如 何量测或测定该值而定。 根据本专利技术的一实施态样，本专利技术提供一种含石墨烯电解质组合物。 石墨烯为碳的二维、结晶同素异形物。石墨烯中的碳原子在一规则、Sp2键结的六 角结构中紧密堆叠。石墨烯包含单层石墨烯及多层石墨烯。单层石墨烯指具有π键的碳 分子的单原子层薄片。 本专利技术专利技术人发现在电池的电解质组合物中添加石墨烯，能有效改善电池效能， 尤其是铅酸电池。相较于纳米碳管，石墨烯具有较佳的导热性、导电性及比表面积等特性， 较易溶解在水性溶液中且适合大规模生产。本专利技术专利技术人进一步发现石墨烯因具有较佳的 导热性及导电性，当应用于电解质组合物时，可有效降低电池操作期间的水汽损耗，从而可 改善电池效能。此外，将石墨烯添加至含硫酸的电解质组合物中可有效降低硫酸浓度梯度， 从而增加硫酸根离子的迀移性，减少因硫酸浓度梯度所造成的内电阻，进一步改善电池效 能；再者，石墨烯的高比表面积与降低硫酸浓度梯度可降低形成于铅酸电池电极上的硫酸 铅团簇的尺寸，因而可改善电极性质。 根据本专利技术的另一实施态样，本专利技术提供一种电解质组合物，其包含：（1)水、 (2)硫酸及（3)石墨烯。在本专利技术中，石墨烯以基于电解质组合物总重量计约0.0 Olwt % 至约1?1:%的量存在，较佳以约0.003￥1:%至约0.2￥1:%的量存在，更佳以约0.005￥1:%至 约0.1 wt %的量存在。当石墨稀含量过量（>lwt % )有可能造成短路，当石墨稀含量不足 (〈O.OOlwt% )时，电解液浓度分布不均，易造成极化现象，将使电解质组合物的电阻增加， 不利于电池效能。较佳地，本专利技术的电解质组合物的比重为约1. 12至约1. 28。 电解质组合物中硫酸含量并无特殊限制，可为任何本专利技术所属
技术人员 所知的任何适当用量，或可为本专利技术所属
技术人员可视需要调整的。根据本专利技术 一实施态样，电解质组合物中硫酸含量以电解质组合物总重量计为约l〇wt%至约75wt%， 较佳为约12wt%至约45wt%，更佳为约15wt%至约40wt%。 本专利技术专利技术人发现将石墨烯添加至电解质组合物中可显著地降低电解质组合物 的电阻。现有电解质组合物通常具有超过600Ω的电阻值，而本专利技术的电解质组合物具有 不大于600Ω的电阻值，电阻值的下降，使得电解液在快速充电与深循环放电运作时，能提 升电容量效率，因而能提升电池效能，较优选的电阻值范围是100Ω至600Ω。 可用于本专利技术的石墨稀可通过任何适当方法制备，例如，机械剥离法（mechanical exfoliation)、嘉晶成长法（epitaxial growth)、化学气相沉积法（chemical vapor deposition, CVD)、液相剥离法（liquid phase exfoliation)及高温炉碳化法（high temperature furnace carbonization)等现有方法。在上述现有方法中，块材石墨稀（bulk graphite)的液相剥离法被认为是可使用化学实验室设备并获得高品质单层石墨烯的可量 产化方法。 本专利技术的石墨烯较佳为薄石墨烯片或板。当石墨烯尺寸过大时，由于飘浮力不足， 易造成沉淀，造成局部短路情本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电解质组合物，其特征在于，包含石墨烯。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：吴定原，张育维，
申请(专利权)人：长兴材料工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71