在以铅为基础的基材上形成铅碳化合物界面层的方法技术

本案提供一种在以铅为基础的基材上形成铅碳化合物界面层的方法，其中所述基材具有表面，包含下列步骤：将酸性溶液、碳材料与含铅材料接触，以形成含碳材料的铅酸盐前驱物；以及使所述铅酸盐前驱物中的离子态所述铅还原，藉此于所述表面上与所述碳材料接触的范围内形成所述铅碳化合物界面层。

Method of forming lead carbon interface layer on lead based substrate

【技术实现步骤摘要】
在以铅为基础的基材上形成铅碳化合物界面层的方法
本专利技术是关于一种形成界面层的方法，尤指一种形成铅碳化合物界面层的方法。
技术介绍
电力储存是电源管理与推升再生能源广泛使用的关键技术。一般而言，电力的储存可分为物理与电化学方式两种，而在兼具快速充放电与高储能容量的需求下，电化学电池成为微电网储能的优先选择。在电化学电池领域中，蓬勃发展的复合式铅碳电池，也就是传统铅酸电池与非对称超级电容的组合，是一种有可能达到真正符合经济效益的电力储存方式。其中，传统铅酸电池所结合的具有快速充放电功能的超级电容，能在快速率部分充电(highratepartialstateofcharge，HRPSoC)过程中，抑制电池负极(铅板)硫化反应的发生，大大降低每次充放电时所需的电池成本。所谓硫化效应，就是负极上的固态金属铅(Pb(s))，在氧化的过程中与硫酸溶液中的亚硫酸根离子(HSO4-(aq))，发生反应而转换成不导电的固态硫酸铅(PbSO4(s))。在深度放电或是在HRPSoC情况下，硫酸铅容易结晶生长，随着不导电的硫酸铅晶粒逐渐覆盖铅电极的表面，而逆向的还原反应就因导电不佳而无法将所有的硫酸铅还原成金属铅，因而降低电池储能效能与缩短使用寿命。目前一种改善负极硫化的方法是在铅电极上添加碳材料来增加硫酸铅与导电碳材料的接触面积。这个方法能将铅酸电池的寿命提升；然而，由于碳材料粉体之间须分别经高压(约400MPa)与高温(约950℃)两道步骤，且需使用特殊微孔隙结构的碳材料先驱物才能接合成导电块材，因此一般制程所形成的碳材料的结构相当松散，也就是说铅电极的结构强度随着碳材料添加量的增加而减少，因此碳材料的添加比例有一定的限制。另外，这种复合式铅碳电池在制作上，是将传统铅酸电池在负极电极上的铅电池膏以高比面积孔隙的碳材料电容膏作一部分或全部取代。也就是说，这种复合式铅碳电池的制作可以经由高度工业化的传统铅酸电池制程来完成，因此具有低制作成本的特点。再加上铅酸电池本身原具有的极高稳定度(低维护成本)，以及高循环充放电效率(ˉ75％)的特性，复合式铅碳电池可作为一种实现最低成本的微电网级储能设备。虽然传统铅酸电池与非对称超级电容的结合，能提供低成本的电力储存，但因为负极极板同时存在碳材料与铅板两种无法相互接合的材料，导致电池负极的铅碳接面上较易因发生电极接面腐蚀等现象，而降低电池的使用效能与寿命。因此，一个能让碳材料与铅材有效接合的方法，对于制备复合式铅碳电池的电极以及进一步形成复合式铅碳电池，即对于实现复合式铅碳电池的量产开发目标，占有一个很重要的地位。过去对于铅和碳材不易接合的问题，虽然可以藉由耦合剂如钛、钯和铂等贵重金属或其氧化物才能接合，但是这些金属耦合剂成本相当高，仍不利于电极的生产。爰是之故，申请人有鉴于已知技术的缺失，专利技术出本案「形成铅碳化合物界面层的方法」，以改善上述缺失。
技术实现思路
本案的一方面是提供一种在以铅为基础的基材上形成铅碳化合物界面层的方法，其中所述基材具有表面，包含下列步骤：将酸性溶液、碳材料与含铅材料接触，以形成含碳材料的铅酸盐前驱物；以及使所述铅酸盐前驱物中的离子态所述铅还原，藉此于所述表面上与所述碳材料接触的范围内形成所述铅碳化合物界面层。附图说明图1为本专利技术的一种在以金属为基础的基材的表面上形成金属碳化合物界面层的方法的一个实施例的示意流程图。图2A-2E为本专利技术的第一实施例中在以金属为基础的基材的表面上形成金属碳化合物界面层的方法的基材截面示意图。图3为本专利技术的第一实施例中在以金属为基础的基材的表面上形成金属与碳界面层的方法的流程图。图4A-4C为本专利技术的第二实施例中在以金属为基础的基材的表面上形成金属碳化合物界面层的方法的基材截面示意图。图5为本专利技术的第二实施例中在以金属为基础的基材的表面上形成金属与碳界面层的方法的流程图。图6A-6C为本专利技术的第三实施例中在以金属为基础的基材的表面上形成金属碳化合物界面层的方法的基材截面示意图。图7为本专利技术的第三实施例中在以金属为基础的基材的表面上形成金属碳化合物界面层的方法的流程图。图8为本专利技术的以铅/GO化合物界面层制成电极的CV曲线图。图9A-9D为本专利技术的以铅/GO化合物界面层制成的电极经400次循环伏安测试后，电极表面具有和不具有铅/GO化合物界面层的交界处的SEM照片。图10为本专利技术的以铅/GO化合物界面层区域的EDS分析图。图11为本专利技术的铅/GO电池与铅电池的能量密度随充放电次数增加而变化的曲线图。图12为本专利技术的采用不同热处理温度的铅片所制成的电极第一圈的CV曲线图。图13为本专利技术的使用板栅制成的电极的不同圈数的CV曲线图。图14为本专利技术的板栅/GO化合物界面层制成电极的CV图。具体实施方式本专利技术将藉由下述实施例并配合图式，作进一步的详细说明。值得一提的是，本专利技术下列实施例的叙述仅用于说明和描述，并非用来限制本专利技术至任何所公开的精确形式或数据。本专利技术的具有铅碳化合物界面层的材料，可应用于包括(但不限于)铅酸电池之类的酸性电池所使用的电极。例如，正极的材料为二氧化铅，而负极的材料为铅。图1为本专利技术的一种在以铅为基础的基材的表面上形成铅碳化合物界面层的方法的一个实施例的示意流程图。如图1所示，本专利技术提供一种在以铅为基础的基材的表面上形成铅碳化合物界面层的方法，包含步骤S11以及S12。步骤S11为将酸性溶液、碳材料与含铅材料接触，以形成含碳材料的铅酸盐前驱物，其中所述酸性溶液包含酸及溶剂，所述酸选自硝酸、醋酸或其组合、所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、乙二醇、液氨、联氨或其组合，所述碳材料选自碳黑、氧化后的碳黑、活性碳、氧化后的活性碳、石墨烯、氧化石墨烯或其组合，所述含铅材料包含铅、铅锡合金或铅钙锡合金，所述含碳材料的铅酸盐前驱物为硝酸铅或醋酸铅。步骤S12为使所述铅酸盐前驱物中的离子态的所述铅还原，藉此于所述表面上与所述碳材料接触的范围内形成所述铅碳化物界面层。其中，所述还原的方式包括热处理或加入还原剂，所述热处理的温度范围约在该铅酸盐前驱物还原温度之上。适合的还原剂为甲醛、乙二酸、乙二醇、硼氢化钠、硼氢化钾、氯化亚锡、次磷酸、次磷酸钠、硫代硫酸钠或联氨。例如当所述含碳材料的铅酸盐前驱物为硝酸铅，以及所述含碳材料为氧化石墨烯时，所述硝酸铅中的铅离子被还原成铅，藉此于所述表面上与所述碳材料(例如氧化石墨烯)接触的范围内形成由铅/氧化石墨烯复合材所组成的铅碳化合物界面层。较佳的实施例为所述碳材必须可以均匀分散在所述酸性溶液的溶剂中，否则在还原过程中跟铅表面较难紧密结合。此外，当水作为溶剂时，碳材上需有亲水性的官能基，例如氧官能基或含有界面活性剂的Na离子；当例如乙二醇等极性溶剂作为溶剂时，则所述碳材不需要这些官能基，因为氧化石墨烯具有极性，可以跟所述极性溶剂相混合。其中所述步骤S11以及S12还可以采取至少以下三种不同实施例的方法来进行，如图2A-2E本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在以铅为基础的基材上形成铅碳化合物界面层的方法，其中所述基材具有表面，包含下列步骤：/n将酸性溶液、碳材料与含铅材料接触，以形成含碳材料的铅酸盐前驱物；以及/n使所述铅酸盐前驱物中的离子态所述铅还原，藉此于所述表面上与所述碳材料接触的范围内形成所述铅碳化合物界面层。/n

【技术特征摘要】
1.一种在以铅为基础的基材上形成铅碳化合物界面层的方法，其中所述基材具有表面，包含下列步骤：
将酸性溶液、碳材料与含铅材料接触，以形成含碳材料的铅酸盐前驱物；以及
使所述铅酸盐前驱物中的离子态所述铅还原，藉此于所述表面上与所述碳材料接触的范围内形成所述铅碳化合物界面层。


2.如权利要求1所述的方法，其中将所述酸、碳材料与含铅材料接触的步骤，选自方法一、方法二及方法三其中之一：
所述方法一包含下列步骤：
将所述碳材料与所述溶剂混合，以形成第一界面活化剂溶液；
将酸性溶液施加于所述表面；以及
将所述第一界面活化剂溶液施加于所述被酸性溶液施加的所述表面；
所述方法二包含下列步骤：
将所述酸性溶液与碳材料混合，以形成第二界面活化剂溶液；以及
将所述第二界面活化剂溶液施加于所述表面；以及
所述方法三包含下列步骤：
将所述酸性溶液、所述碳材料与所述含铅材料同时混合，以形成第三界面活化剂溶液；以及
将所述第三界面活化剂溶液施加于所述表面。


3.如权利要求2所述的方法，其中将所述第一界面活化剂溶液施加于所述被酸性溶液施加的所述表面、将所述第二界面活化剂溶液施加于所述表面、将所...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋凯逸，曾怡仁，詹雅雯，林敬修，王柏舜，陈俊能，谢淑惠，
申请(专利权)人：谢淑惠，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71