复合材料、利用它制作电极单元的方法、以及超级电容与流程

本发明关于一种电极的复合材料，尤指一种超级电容的电极单元的复合材料。本发明亦关于一种由复合材料制作电极单元的方法。本发明另外关于一种包括该电极单元的超级电容。

背景技术：

超级电容是一种特殊型态的储能装置，由于其高速充/放电与高电流/功率输出的能力而渐受欢迎。超级电容的超级电容单元10的典型构造如图1示意图所示，其包括阳极11、阴极12、隔离部13、以及电解质14。阳极11、阴极12均由多孔活性碳所制，故具有相对较大的面积。隔离部13位于阳极11、阴极12之间，以作为隔离用途。电解质为溶液型态，使阳极11、阴极12、隔离部13含浸其中。当连续施加电压时，阳极11、阴极12带不同极性的电，离子会被电极表面所吸附并累积。当后来停止供电时，阴离子和阳离子会分别从阳极和阴极释放出来。同时，阳极11、阴极12间的电压会因自放电效应而递减。

较诸传统电解电容，超级电容因多孔碳材所具有的大的总表面积而具有高电荷储存量。一个超级电容的电荷储存量可高达一传统电解电容的千倍之多。另外，与传统进行电极的电化学转换的锂离子电池不同的是，超级电容的电荷储存以物理吸附方式进行。因此，超级电容具有远高于一个锂离子电池的充放电速度，适用于需要高电流高功率输出的电子装置。

如上所述，超级电容的工作原理物理性吸附离子到电极上，于连续电压供应下进行充电。一旦电压供应中断，电极处的电荷便消失，阳离子与阴离子会从电极脱附。接着，电极间的电压会递减形成自放电。已知漏电流与自放电有关，漏电流会降低超级电容的电荷储存量。另一方面，漏电流愈大愈需要更多的电力来维持电压，使得超级电容的电性表现变差。

技术实现要素：

因此，本发明的目标之一在于降低漏电流，即使电压供应中断也能延长离子在电极上的停留时间。换言之，本发明目标之一为增进超级电容的电荷储存能力，并改善超级电容的效能。

本发明的第一方面关于一种电极单元的复合材料，包括：一多孔电极材料，包括多孔粒子，占该复合材料的50～95wt％；一驻极材料，分布于该多孔电极材料的多孔粒子间，用以将电荷留在该电极单元上，占该复合材料的0～15wt％，但不为0；一黏结材料，将该等多孔粒子黏结在一起，并将该驻极材料与该多孔电极材料接合，占该复合材料的0～15wt％，但不为0；以及一导电辅助剂，用以加强该电极单元的导电性，占该复合材料的0～30wt％，但不为0。

较佳者，该多孔电极材料占该复合材料的60～90wt％，该驻极材料占该复合材料的1～10wt％，该导电辅助剂占该复合材料的1～25wt％。更佳者，该驻极材料占该复合材料的5wt％。

在一实施例中，该黏结材料包括一分散剂及/或一黏着剂。

本发明的另一方面关于一种超级电容，包括一阳极单元以及一阴极单元，其中至少该阳极单元与该阴极单元之一包括：一集电材料，电连接至一电压源；以及上述的复合材料，施加至该集电材料上，用以保留带电电荷。

在一实施例中，该超级电容另外包括一电解质与一隔离部，其中该隔离部位于该阳极单元与该阴极单元间，且该阳极单元与该阴极单元与该电解质接触。

本发明的又一方面关于一种利用一复合材料制作一电极单元的方法，包括下列步骤：将一导电辅助剂黏结至一多孔电极材料上；将一驻极材料黏结至该多孔电极材料上；以及将该多孔电极材料加至一集电材料上，在该复合材料中，该多孔电极材料的比例为该复合材料的50～95wt％；该驻极材料的比例为该复合材料的0～15wt％，但不为0；且该导电辅助剂的比例为该复合材料的0～30wt％，但不为0；该复合材料另包括一黏结材料，其比例为该复合材料的0～15wt％之间，但不为0。请注意上述步骤的执行不限于前述顺序，亦可依实际设计所需来执行这些步骤。

在一实施例中，该多孔电极材料于该导电辅助剂与该驻极材料以该黏结材料黏结至该多孔电极材料上之后一起加至该集电材料上。例如，将该多孔电极材料与该驻极材料混合得到一经该驻极材料改质的活化多孔电极材料，接着与该导电辅助剂及该黏结材料混合。

在一实施例中，该驻极材料黏结至该多孔电极材料利用涂布、喷洒、含浸、与混炼中之一、或一种以上前述方法的组合。

在一实施例中，该导电辅助剂于该多孔电极材料加至该集电材料上之前黏结至该多孔电极材料上，而该驻极材料于该多孔电极材料加至该集电材料上之后黏结至该多孔电极材料上。

附图说明

图1，为现有超级电容中的一个超级电容单元的示意图；

图2A，为本发明一超级电容实施例的超级电容单元的示意图； 以及

图2B，为图2A所示超级电容单元的复合材料的示意图。

【符号说明】

10 超级电容单元

11 阳极

12 阴极

13 隔离部

14 电解质

20 超级电容单元

21 阳极

22 阴极

23 隔离部

24 电解质

251 多孔电极材料

252 导电集电材

253 驻极材料

254 线

具体实施方式

请参阅图2A，其示意呈现本发明一超级电容实施例的超级电容单元。该超级电容单元20包括一阳极21、一阴极22、一隔离部23、以及一电解质24。该阳极21、阴极22均藉由将一多孔电极材料251加至一导电集电材252上而构成。该隔离部23位于阳极21、阴极22之间，以作为隔离用途。本实施例的电解质24为溶液型态，使阳极21、阴极22、隔离部23含浸其中。当连续施加电压V时，阳极21、阴极22带不同极性的电，离子会被电极表面所吸附并累积。当后来停止供给电压V时，阴离子和阳离子会分别从阳极和阴极释放出来。同时，阳极21、阴极22间的电压会因自放电效应而递减。根据本发明，该多孔电极材料251经一驻极材料253改质，以助于极化电荷的停留。随着保留电荷能力的改善，可减少漏电流，增进超级电容的电荷储存能力，并改善超级电容的效能。该多孔电极材料251与驻极材料253的结合如图2B所示，并将于以下详细说明。

请参考图2B所示的实施例，该多孔电极材料251以众多粒子的方式提供，而该驻极材料253分布在该多孔电极材料251的粒子之间。特定来说，该驻极材料253被黏结在该多孔电极材料251的粒子的外表面上，以及粒子所具有孔洞的内部表面上。该驻极材料253黏结至该多孔电极材料251上的黏结方式可有多样变化，视实际需求与条件而定。例如，黏结方式可以包括涂布、喷洒、含浸、与混炼中之一、或一种以上前述方法的组合。须注意者为上述黏结方式仅举例说明，实际上应依驻极材料253与多孔电极材料251的各种条件加以选择。另外亦可使用一种以上的驻极材料253及/或一种以上的多孔电极材料251，并采用一种或一种以上适合的黏结方式来进行黏结。

该驻极材料253黏结至该多孔电极材料251上的黏结效果较佳透过使用一黏结材料进一步加强，该黏结材料可包括一分散剂及/或一黏着剂。另外较佳将该驻极材料253与该多孔电极材料251分散在该分散剂中进行黏结处理。该黏着剂可与该分散剂并用以增强黏结效果，不过对具有某些材料特性的驻极材料253与该多孔电极材料251而言，亦可仅使用分散剂或仅使用黏着剂，便足以进行黏结。图2B中的线254示意表达出改质后多孔电极材料251在黏着剂及/或分散剂存在下的黏结状况。

除了导电集电材、多孔电极材料、驻极材料、分散剂、以及黏着剂之外，该电极单元的复合材料较佳另外包括一导电辅助剂，以帮助超级电容的工作。这些材料的种类和比例如下所述。

多种不同的多孔电极材料均可用于本发明电极单元的复合材料中。多孔碳材是目前较佳的选择，但视实际需求与条件，亦可使用其他有机或无机多孔材料。该多孔碳材可选择的实例包括活性碳及其衍生物、纳米碳管及其衍生物、石墨烯及其衍生物、微晶碳C60及其衍生物、与碳纤维及其衍生物中之一，或一个以上前述成分的混合物。该多孔电极材料在该复合材料中的重量比为约50wt％～95wt％，较佳60wt％～90wt％。该导电辅助剂的可选择实例包括导电碳黑、石墨、碳纤维、以及前述成分的衍生物中之一，或一个以上前述成分的混合物。该导电辅助剂在该复合材料中的重量比为约0～30wt％，但不为0，较佳为1～25wt％。该黏结材料在该复合材料中的重量比为约0～15wt％，但不为0，其中，该分散剂的可选择实例包括聚丙烯酸及其衍生物、聚乙烯醇及其衍生物、甲基纤维素及其衍生物、羧酸甲基纤维素及其衍生物、硅藻酸及其衍生物、聚偏二氟乙烯及其衍生物、与压克力树脂及其衍生物中之一，或一个以上前述成分的混合物。该分散剂在该复合材料中的重量比为约0～15wt％，较佳为1wt％～10wt％。该黏着剂的可选择实例包括聚丙烯树脂及其衍生物、聚苯乙烯-丁二烯树脂及其衍生物、压克力树脂及其衍生物、与聚四氟乙烯及其衍生物中之一，或一个以上前述成分的混合物。该黏着剂在该复合材料中的重量比为约0～15wt％，较佳为1wt％～10wt％。该分散剂与该黏着剂可同时存在组合中，亦可仅使用其中之一。该驻极材料的可选择实例包括丙烯及其衍生物、聚碳酸酯及其衍生物、氟系树脂及其衍生物、聚酯及其衍生物、与聚对苯二甲酸乙二酯及其衍生物中之一，或一个以上前述成分的混合物。该驻极材料在该复合材料中的重量比少于15wt％，但不为0，较佳少于10wt％，更佳约5wt％。

此处举例说明该电极单元复合材料的制备实例，以及该电极单元的制作和测试。该等成分添加的顺序以及组合该等成分以形成复合材料的方式会依实际需求与条件而有所变化。

在实例1中，将87克活性碳多孔电极材料(日本Kuraray公司产品编号YP-80)、8克导电碳黑导电辅助剂(美国Cabot公司产品编号XC72)、2克羧酸甲基纤维素钠(sodium carboxymethyl cellulose)分散剂(美国Ashland化学品公司)、以及3克黏着剂(日本JSR公司产品编号102A)与300克去离子水混合，混合均匀后涂布至集电铝箔上制成电极基材。将干燥后的电极基材含浸于5wt％聚碳酸酯/二甲基乙酰胺溶液(polycarbonate in dimethyl acetamide)驻极材料中约60秒，经干燥后完成电极单元的制作。将一对干燥电极单元含浸于电解液，如1M TEMABF₄/AN(triethylmethylammonium tetrafluoroborate/acetonitrile；四氟硼酸三乙基甲基铵/乙腈)中，并于摄氏65度下连续供给电压(Ag/Ag⁺＝+0.4V)2小时，以进行包括上述所得电极单元的超级电容的效果测试。量测漏电流的结果显示漏电流从0.16μA降至0.14μA。另外，于摄氏65度下连续供给电压(Ag/Ag⁺＝-2.5V)2小时，量测漏电流的结果显示漏电流从0.4μA降至0.35μA。

在实例2中，将65克活性碳多孔电极材料(日本Kuraray公司产品编号YP-80)、25克导电碳黑导电辅助剂(美国Cabot公司产品编号XC72)、4克羧酸甲基纤维素钠(sodium carboxymethyl cellulose)分散剂(美国Ashland化学品公司)、以及6克黏着剂(日本JSR公司产品编号102A)与300克去离子水混合，混合均匀后涂布至集电铝箔上制成电极基材。将5wt％聚偏氟乙烯-聚六氟丙烯/丙酮(polyvinylidenefluoride-polyhexafluoropropylene in acetone)溶液所构成的驻极材料均匀喷洒至干燥后的电极基材上，经干燥后完成电极单元的制作。将一对干燥电极单元含浸于电解液，如1M TEMABF₄/AN(triethylmethylammonium tetrafluoroborate/acetonitrile；四氟硼酸三乙基甲基铵/乙腈)中，并于摄氏65度下连续供给电压(Ag/Ag⁺＝+0.4V)2小时，以进行包括上述所得电极单元的超级电容的效果测试。量测漏电流的结果显示漏电流从0.16μA降至0.13μA。另外，于摄氏65度下连续供给电压(Ag/Ag⁺＝-2.5V)2小时，量测漏电流的结果显示漏电流从0.4μA降至0.35μA。

在实例3中，将100克活性碳多孔电极材料(日本Kuraray公司产品编号YP-80)和5克聚丙烯塑胶粒驻极材料混合均匀后于摄氏240度下进行混炼，以得到经驻极材料改质的活化碳电极材料。再将80克改质后活化碳电极材料、10克导电碳黑导电辅助剂(美国Cabot公司产品编号XC72)、5克羧酸甲基纤维素钠(sodium carboxymethyl cellulose)分散剂(美国Ashland化学品公司)、以及5克黏着剂(日本JSR公司产品编号102A)与300克去离子水混合，混合均匀后涂布至集电铝箔上，干燥后制得电极单元。将一对干燥电极单元含浸于电解液，如1M TEMABF₄/AN(triethylmethylammonium tetrafluoroborate/acetonitrile；四氟硼酸三乙基甲基铵/乙腈)中，并于摄氏65度下连续供给电压(Ag/Ag⁺＝+0.4V)2小时，以进行包括上述所得电极单元的超级电容的效果测试。量测漏电流的结果显示漏电流从0.16μA降至0.14μA。另外，于摄氏65度下连续供给电压(Ag/Ag⁺＝-2.5V)2小时，量测漏电流的结果显示漏电流从0.4μA降至0.34μA。

在实例4中，将90克活性碳多孔电极材料(日本Kuraray公司产品编号YP-80)、5克导电碳黑导电辅助剂(美国Cabot公司产品编号XC72)、4克羧酸甲基纤维素钠(sodium carboxymethyl cellulose)分散剂(美国Ashland化学品公司)、以及1克黏着剂(日本JSR公司产品编号102A)与300克去离子水混合，混合均匀后涂布至集电铝箔上制成电极基材。将干燥后的电极基材含浸于1wt％聚碳酸酯/二甲基乙酰胺溶液(polycarbonate in dimethyl acetamide)驻极材料中约60秒，经干燥后完成电极单元的制作。将一对干燥电极单元含浸于电解液，如1M TEMABF₄/AN(triethylmethylammonium tetrafluoroborate/acetonitrile；四氟硼酸三乙基甲基铵/乙腈)中，并于摄氏65度下连续供给电压(Ag/Ag⁺＝+0.4V)2小时，以进行包括上述所得电极单元的超级电容的效果测试。量测漏电流的结果显示漏电流从0.16μA降至0.15μA。另外，于摄氏65度下连续供给电压(Ag/Ag⁺＝-2.5V)2小时，量测漏电流的结果显示漏电流从0.4μA降至0.38μA。

在实例5中，将87克活性碳多孔电极材料(日本Kuraray公司产品编号YP-80)、8克导电碳黑导电辅助剂(美国Cabot公司产品编号XC72)、5克羧酸甲基纤维素钠(sodium carboxymethyl cellulose)分散剂(美国Hercules化学品公司)与300克去离子水混合，混合均匀后涂布至集电铝箔上制成电极基材。将干燥后的电极基材含浸于5wt％聚碳酸酯/二甲基乙酰胺溶液(polycarbonate in dimethyl acetamide)驻极材料中约60秒，经干燥后完成电极单元的制作。将一对干燥电极单元含浸于电解液，如1M TEMABF₄/AN(triethylmethylammonium tetrafluoroborate/acetonitrile；四氟硼酸三乙基甲基铵/乙腈)中，并于摄氏65度下连续供给电压(Ag/Ag⁺＝+0.4V)2小时，以进行包括上述所得电极单元的超级电容的效果测试。量测漏电流的结果显示漏电流从0.16μA降至0.14μA。另外，于摄氏65度下连续供给电压(Ag/Ag⁺＝-2.5V)2小时，量测漏电流的结果显示漏电流从0.4μA降至0.37μA。

在每一前述实施例中，于同一超级电容单元中仅使用一种驻极材料。在特定需求与条件下也可以使用一种以上的驻极材料。用于本发明中的驻极材料本身并不一定要带电，但应该具有吸引或保留空间电荷的特性。

从上述实例可知，可使用任一上述本发明改良超级电容单元来改善漏电流。换言之，根据本发明改良的超级电容单元应用至超级电容中时，可改善电荷保留能力，并促进超级电容的电性效能。

须注意者为根据本发明的复合材料除了应用至超级电容的电极之外，亦可使用于其他需要于极化表面上保留极化电荷的应用中。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，故本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。此外，本说明书中无法一一列举出各组成材料中的各种不同比例组合的可行实施例，但熟习此技艺之人士根据本发明所揭露的实施例以及本发明所揭露的各组成材料比例范围，即可完成本发明的技术以及所欲达成的目的，因此，本发明之保护范围完整涵盖后附之申请专利范围所界定的材料组成与比例范围。