具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明是关于一种碳基材电极结构，特别是关于一种具复数层自组装修饰膜的碳 基材电池负极结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 锂离子电池的发展在很大的程度上取决于高性能正、负极材料的开发与应用。目 前实用的中间相碳微球材料（MCMB)的制备成本偏高。而天然和人造石墨方面，为了降低初 期不可逆电容量和提升循环寿命，需要以浙青类芳烃化合物材料进行表面改质，制备过程 中需要1300°C以上的高温下实施碳化，其中，原材料（浙青类芳烃化合物）价格波动大，以 及高温碳化下所产生的环境污染与能源大量消耗，皆不是长久永续经营的方向。
[0003] 另外尚有专利使用其不同的水溶性高分子聚丙烯酸PAA(polyacrylicacid)或羧 甲基纤维素钠CMC(CarboxymethylCelluloseSodium)，分别作为包覆材料或替代楽料配制 中的黏着剂。在比较单一水性高分子与此专利技术部分，如同上面所述，以单一高分子PAA 或CMC包覆的均匀性和降低锂离子不可逆的效率较差。另外若是将此单一PAA材料应用于 浆料配制中的黏着剂方面，配制出来的浆料其悬浮能力较差，需要再搭配其他的增稠剂，以 避免其活性颗粒发生沉降而影响其浆料的均匀性，另外产生出来的极片偏脆偏硬，不利于 电极片后续卷绕制程加工。其原因在于若是要针对负极材料做表面修饰，其分子量较低则 会有较好的包覆效果（更容易渗入微孔中）。但相反地，若是要应用于浆料中的黏着剂，则 分子量较高则会有较好的悬浮性和分散性。
[0004] 另一方面，现有的碳基材表面改质制程，大多使用有机溶剂来调制欲进行 包覆的高分子溶液。虽然可以在制备过程中，得到均匀分散的效果，但是，不仅在制 备过程中，会产生许多有机废料，所使用的有机溶剂也溶液产生挥发性有机化合物 (volatileorganiccompounds,V0C)也容易产生环保问题，甚至对操作者造成伤害。
[0005] 有鉴于此，开发可有效增加表面镀层与碳基材的间的接合性和均匀性，进而大幅 降低锂离子电池初期的不可逆电容量、提高充放电的功率与循环寿命的碳基材电极结构， 同时开发可有效降低对操作者与环境造成伤害的制备方法，是一项相当值得产业重视的课 题。
【发明内容】
[0006] 鉴于上述的发明背景中，为了符合产业上的要求，本发明提供一种具复数层自组 装修饰膜的碳基材电池负极结构及其制备方法，上述具复数层自组装修饰膜的碳基材电池 负极结构，不仅制程简易、成本便宜，更具有可大幅降低电池初期不可逆电容量与延长电池 的循环寿命等优越性能，更好的是，上述制备方法可适用于水性浆料配制的制程，进而可同 时兼具环保与有效提升产业竞争力的效果。
[0007] 本发明的一目的在于提供一种具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构及 其制备方法，藉由采用复数层有机高分子对碳基材进行表面改质，以提升有机高分子表面 镀层与碳基材之间的接合性和均匀性，进而大幅降低使用此一表面改质后的碳基材作为电 极的电池的初期不可逆电容量。
[0008] 本发明的另一目的在于提供一种具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构 及其制备方法，藉由采用复数层有机高分子对碳基材进行表面改质，以减少充放电期间碳 基材电池负极结构的体积变化所造成的结构破坏与剥落现象，进而更加延长使用此一表面 改质后的碳基材作为电极的电池的循环寿命。
[0009] 本发明的又一目的在于提供一种具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构 及其制备方法，藉由采用水溶性有机高分子的水性浆料制程，来制备上述具复数层自组装 修饰膜的碳基材电池负极结构，进而可达到有效降低操作者与环境受挥发性有机化合物伤 害的目标。
[0010] 根据以上所述的目的，本发明揭示了一种具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负 极结构及其制备方法。上述具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构包含第一修饰膜 位于碳基材上、与第二修饰膜位于上述第一修饰膜上。其中上述第一修饰膜包含第一有机 高分子。上述第一有机高分子具有第一电性，且上述第一有机高分子可以是一水溶性高分 子。其中上述第二修饰膜包含第二有机高分子。上述第二有机高分子具有第二电性，其中， 上述第二电性与第一电性相反。上述第二有机高分子可以是一水溶性高分子。
[0011] 在根据本说明书的一较佳范例中，上述具复数层自组装修饰膜的 碳基材电池负极结构的第一有机高分子可以是选自下列群组中之一：聚 四级胺盐（poly-Quaternaryammoniumsalt)、阴离子交换树脂或聚合物 (anion-exchangeresinorpolymer)。在根据本说明书的一较佳范例中，上述具复数层自组 装修饰膜的碳基材电池负极结构的第二有机高分子可以是选自下列群组中之一：具有磺酸 基（sulfonicacidgroup)的高分子、具有碳酸基（carboxylicacidgroup)的高分子、阳离子 交换树脂或聚合物（cation-exchangeresinorpolymer)。
[0012] 在根据本说明书的一较佳范例中，上述具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极 结构的第一修饰膜可以更包含一第三有机高分子。上述第三有机高分子的平均分子量约为 2, 000到200, 000。在根据本说明书的一较佳范例中，上述第三有机高分子可以是聚乙烯醇 (polyvinylalcohol;PVA)。根据本范例，上述第三有机高分子可以有助于提升后续制程中 的导电材料的分散性，从而可进一步改善最终电池产品的充放电效率。
[0013] 在根据本说明书的一较佳范例中，上述具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极 结构的第二修饰膜可以更包含一第四有机高分子。上述第四有机高分子的平均分子量约为 2, 000到200, 000。在根据本说明书的一较佳范例中，上述第四有机高分子可以是聚乙烯醇 (polyvinylalcohol;PVA)。根据本范例，上述第四有机高分子可以有助于提升后续制程中 的导电材料的分散性，从而可进一步改善最终电池产品的充放电效率。
[0014] 在根据本说明书的一较佳范例中，上述具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极 结构的制备方法包含提供一第一有机高分子溶液、混合碳基材与上述第一高分子溶液、进 行第一干燥程序以形成第一修饰膜于碳基材上、混合上述具第一修饰膜的碳基材与第二有 机高分子溶液、以及进行第二干燥程序以形成第二修饰膜于碳基材上。
[0015] 在根据本说明书的一较佳范例中，上述具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极 结构的制备方法中的第一有机高分子溶液与上述的第二有机高分子溶液可以是水溶液。
[0016] 在根据本说明书的一较佳范例中，上述具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极 结构的制备方法中的第一有机高分子溶液包含第一有机高分子。上述第一有机高分子具有 第一电性，且上述第一有机高分子可以是一水溶性高分子。其中上述第二高分子溶液包含 第二有机高分子。上述第二有机高分子具有第二电性，上述第二电性与第一电性相反。上 述第二有机高分子可以是一水溶性高分子。
[0017] 在根据本说明书的一较佳范例中，上述具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极 结构的制备方法中的第一有机高分子溶液可以更包含第三有机高分子。上述第三有机高分 子的平均分子量约为2, 000到200, 000。根据本说明书，上述第三有机高分子有助于提升后 续制程中的导电材料的分散性，从而可进一步改善最终电池产品的充放电效率。
[0018] 在根据本说明书的一较佳范例中，上述具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极 结构的制备方法中的第二有机高分子溶液可以更包含第四有机高分子。上述第四有机高分 子的平均分子量约为2, 000到200, 000。根据本说明书，上述第四有机高分子有助于提升后 续制程中的导电材料的分散性，从而可进一步改善最终电池产品的充放电效率。
【附图说明】
[0019] 图1是根据本说明书的具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构的示意图。
[0020] 图2是一根据本说明书的具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构的制备 方法的流程示意图。
[0021] 图3是一根据本说明书的具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构的扫描 式电子显微镜（ScanningElectronMicroscopy)照片。
[0022] 图4是根据本说明书的具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构与石墨基 材负极结构（Pristine)不同倍率的循环充放电容量和循环寿命比较图。
[0023] 图5是根据本说明书的具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构与石墨基 材负极结构（Pristine)的循环充放电容量和循环寿命比较图。
[0024] 图号说明：
[0025] 12〇碳基材
[0026] 140第一修饰膜
[0027] 160第二修饰膜
[0028] 210配制第一有机高分子溶液的步骤
[0029] 220混合碳基材与上述第一高分子溶液的步骤
[0030] 230进行第一干燥程序以形成第一修饰膜于碳基材上的步骤
[0031] 240混合上述具第一修饰膜的碳基材与第二有机高分子溶液的步骤
[0032] 250进行第二干燥程序以形成第二修饰膜于碳基材上的步骤。
【具体实施方式】
[0033] 本发明的一实施例揭露一种具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构。图 1是一根据本实施例的具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构的示意图。如图1 所示，上述具复数层自组装修饰膜的碳基材电池负极结构包含一碳基材120、第一修饰膜 140、与第二修饰膜160。上述第一修饰膜140位于上述碳基材120之上，上述第二修饰膜 160位于上述第一修饰层140之上。上述的碳基材120可以是选自下列之一或其组合：天 然石墨（naturegraphite)、人造石墨（artificialgraphite)、中间相碳微球（MCMB)、软碳 (softcarbon)、硬碳（hardcarbon) 〇
[0034] 上述第一修饰膜140的组成包含一第一有机高分子。上述第一有机高分子具有 第一电性。在根