[发明专利]集电基层制造方法及集电体

说明书

一种集电基层制造方法，是先以PI(Polyimide，聚酰亚胺)膜经贯孔作业与烧结作业制成布设有网孔的人工石墨片，再以大气电浆对该人工石墨片进行表面改质作业，形成具亲水表面的集电基层，将其用作于电池电极的集电体能与电解液直接作用，并藉由人工石墨高导电导热、低膨胀等优异特性，取代传统电池中金属材料的集电体，大幅提高电池效能。

技术领域

本发明有关化学电池的集电材料，特别是一种利用网状人工石墨片作为集电材料的集电基层制造方法，同时涉及应用有该集电基层的集电体。

背景技术

充电电池，又称为二次电池(Secondary Battery)，其中以锂离子电池的应用最广泛，普遍用作于移动电话、平板、笔记本电脑、数字相机等各式携带型电子设备的蓄电、供电源，优点是能多次的充电与放电重复使用，而根据制作材料与工艺上的不同，其充放电的循环次数能达数百甚至两千多次。

一般的锂离子电池，主要组成包含有正极、负极、电解液、隔离膜、载体及安全装置等，正、负极分别具有集电体，并于其上涂布有各自混合的正、负极活性材料，放电时，锂离子能从负极活性材料移出至电解液，再像水进入海绵一样地进入正极活性材料，充电的过程则相反；其中，集电体主要是在电池充放电时作为电子的导体，目前的锂离子电池的集电体多采用导电度高的金属材料，正极集电体多以铝箔为主，而负极集电体多以铜箔为主。

然而，当下的锂离子电池，仍有诸多不足与缺点，如下：

1.依靠金属箔(铜箔、铝箔)来传递电子并储能，材料结合所使用的黏结剂会造成能量的耗损；

2.充放电过程中，锂离子迁徙使温度上升，而金属铜、铝具有不低的热膨胀系数(铜16.5×10^-6/k、铝23.2×10^-6/k)，负荷过大时会造成膨胀变形、甚至有因金属膨胀而破裂的危险；

3.涂布于集电体上的活性材料，如负极常用的石墨粉，在充放电的过程充会因锂离子迁移而有剥落的情形，使电池整体随着充放电的次数增加而电容量衰退，限制了电池循环使用的寿命。

因此，充电电池的改进与提升，一直是本领域研究人员持续努力的课题，本案发明人以其对导电材料的专业与经验，经不断试验，终完成有本发明。

发明内容

本发明的目的，即在提供一种利用网状人工石墨片制成能作为电池电极的集电基层(集电体)的方法。

于是，本发明的集电基层制造方法，是先以PI(Polyimide，聚酰亚胺)膜经贯孔作业与烧结作业制成布设有网孔的人工石墨片，以大气电浆对该人工石墨片进行表面改质作业，使该人工石墨片形成具亲水表面的集电基层，而能与油性、水性电解液作用；藉由高导热、低膨胀的特性，在取代传统金属箔类来传递能量的同时，更弥补了金属箔类特性上的不足，且集电体一体成型的设计，更能避免黏结剂造成的能量耗损，简化传统电极制造复杂繁琐的工序并简化电池的内结构，让电池达到更轻、更薄的发展趋势。

一般而言，人工石墨(碳材)的亲水性差，自然特性通常为疏水，水接触角约为110°-120°，本发明的表面改质作业是利用大气电浆于常温环境、1mm-20mm的距离对人工石墨的表面进行喷射，来进行表面改质的过程，处理后人工石墨表面的水接触角不大于20°，为亲水性，且处理后于大气之中静置72小时，整体表面仍能保有水接触角不大于60°的亲水特性，如此即能亦适用于水性电解液，可大幅提升活化物质的附着性，使其提升产品性能及延长寿命。而水性电解液为环保材料，不仅帮助于环境维护，更能因应未来市场的趋势。

依前述制造方法，PI膜制成人工石墨片的过程中，贯孔作业及烧结作业可无先后之分；其中，贯孔作业是于PI膜(或经烧结的人工石墨片)上贯设孔密度10％-50％、孔径大小0.1mm-1mm的网孔；而烧结作业是使PI膜先阶段性升温至第一温度1000℃-1200℃形成碳化的效果，待完成后再阶段性升温至第二温度2500℃-3000℃，形成石墨化的效果，完成即生成该人工石墨片。