TW202109944A - 碳鉛電池 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種碳鉛電池，其特徵在於：該碳鉛電池之負極係為鉛、活性碳和碳黑相互混合後製成，且活性碳在負極中的添加比率為0.4wt%~1wt%，碳黑在負極中的添加比率為0.7wt%~0.8wt%，而活性碳之粒徑係小於碳黑之粒徑。如此一來，透過在負極同時添加活性碳和碳黑，且添加一定的比例下，就可以增加負極中碳材的接觸面積，使負極在充、放電時可加速鉛的成核及電化學反應性能，進而提升電池之效能。
Description
本發明係屬於電池之領域，尤其是一種將負極成分進行改良以提升電池效能之碳鉛電池。
按，碳鉛電池是一種新型之電容型鉛酸電池，是從傳統的鉛酸電池演進出來的技術，是將鉛酸電池和超級電容器兩者合一，形成化學性與物理性的特性，既發揮了超級電容瞬間大容量充放電的優點，也發揮了鉛酸電池的比能量優勢，且擁有非常好的充放電性能，90分鐘(0.75C)左右就可充滿電，而鉛酸電池若這樣充、放電，壽命只有不到100次循環，並且由於加了碳，因此會減輕負極之硫酸鹽化現象，改善了過去鉛酸電池失效的一個因素，進而延長了鉛酸電池之壽命，總體而言，碳鉛電池性能優於普通鉛酸電池，是一種先進之鉛酸電池，也是鉛酸電池技術發展的主流方向。
然而，現今的碳鉛電池在碳材與硫酸鉛之間的接觸面積依然較小，導致電池之效能仍有進步的空間。
有鑑於此，本發明人感其未臻完善而竭其心智苦心研究，並憑其從事該項產業多年之累積經驗，進而提供一種碳鉛電池，以期可以改善上述習知技術之缺失。
本發明之一目的，旨在提供一種碳鉛電池，以求能提高碳材之接觸面積，進而提升電池的效能。
於是，本發明揭露一種碳鉛電池，其特徵在於：該碳鉛電池之負極活性物質係為鉛、活性碳和碳黑相互混合後製成，且活性碳在負極中的添加比率為0.4wt%~1wt%，碳黑在負極中的添加比率為0.7wt%~0.8wt%，而活性碳之粒徑係小於碳黑之粒徑。
較佳者，活性碳之粒徑為5~8µm，且碳黑之粒徑為25~40nm，而最佳係為30nm。
較佳者，活性碳之振實密度為0.25~0.35g/cm3
，而碳黑之振實密度為0.36~0.46 g/cm3
，而最佳係分別為0.30 g/cm3
及0.39 g/cm3
。
較佳者，活性碳之比表面積為1800~2200m2
/g，而碳黑之比表面積為1300~1550m2
/g。
較佳者，每10.2kg/cm2
活性碳的電阻率為0.474Ω/cm、導電率為2.11S/cm，而每10.2kg/cm2
碳黑的電阻率為0.786Ω/cm、導電率為1.27S/cm。
如此一來，透過在負極同時添加活性碳和碳黑，且添加一定的比例下，就可以增加負極中碳材的接觸面積，使負極在充、放電時可加速鉛的成核及電化學反應性能，進而提升電池之效能。
為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。
本發明所提供之碳鉛電池之負極係為鉛、活性碳和碳黑相互混合後製成，且活性碳在負極中的添加比率為0.4wt%~1wt%，碳黑在負極中的添加比率為0.7wt%~0.8wt%，且活性碳之粒徑係小於碳黑之粒徑，而以下係針對本發明所提供之碳鉛電池的電性進行測試，並同時針對對照組及負極摻有不同碳材的電池一併進行測試，以確認相較於傳統之碳鉛電池來說，本發明是否確實具有優異性。此外，下表1係為實驗測試中所使用到之碳材的詳細資料，其中詳細之數值係為挑選之最佳規格或特性。
表1
| 碳材編號 | 實際材質 | 規格及特性 | ||||
| 粒徑(D50 ) | BET比表面積(m2 /g) | 振實密度(g/cm3 ) | 電阻率@10.2kg/cm2 (Ω/cm) | 導電度@10.2kg/cm2 (S/cm) | ||
| A | 活性碳 | 5~8μm | 1800~2200 | 0.30 | 0.474 | 2.11 |
| B | 活性碳 | 138μm | 472 | 0.22 | 16.044 | 0.06 |
| C | 碳黑 | 30 nm | 1300~1550 | 0.39 | 0.786 | 1.27 |
以下之圖示中，A即代表負極中只添加有編號A碳材之電池樣品，B係代表負極中只添加有編號B碳材之電池樣品，C則代表負極中只添加有編號C碳材之電池樣品，本發明係為標示為A+C之電池樣品，亦即同時添加有編號A碳材和編號C碳材，而對照組係為未添加任何碳材之電池樣品。
請參閱第1圖，其係為本發明電池電性測試之20小時率容量比較圖。如圖所示，本發明(A+C)在A碳材和C碳材皆添加0.4%的時候，20小時率容量係遠高於其他樣品，而且在曲線之大部分區段亦都高於其他樣品，因此可以看出本發明在這樣的碳材比率配比下具有較好之效能。
請參閱第2圖，其係為本發明電池電性測試之5小時率容量比較圖。如圖所示，本發明(A+C) 在A碳材和C碳材皆添加0.8%的時候，5小時率容量係高於其他樣品，而且在所有樣品都低於對照組且與對照組之差距持續加大時，只有本發明能逆勢成長最後在0.8%的時候成功超越對照組，進而使本發明在5小時率容量之測試中展現出良好的效能。
請參閱第3圖，其係為本發明電池電性測試之保留容量在25A之比較圖。如圖所示，本發明(A+C) 在A碳材和C碳材皆添加0.8%的時候，保留容量係高於其他樣品，而且跟單純只有A碳材的電池差距有2.2%，而相較於單純只有C碳材的電池差距則是有8.7%，因此可以看出本發明在此種特別的材質配比下，實具有較好之效能，進而展現出本發明之進步性。
請參閱第4圖，其係為本發明電池電性測試之冷起動電流在650A之比較圖。如圖所示，本發明(A+C) 在A碳材和C碳材皆添加0.8%的時候，冷起動電流係遠高於其他樣品，並且跟單純只有A碳材的電池差距有31.4%，而相較於單純只有C碳材的電池差距則是有27.4%，而且在曲線之後半區段都高於其他樣品，因此可以看出本發明在這樣的碳材比率配比下具有較好之效能。
請參閱第5圖，其係為本發明電池電性測試之高率放電特性比較圖。如圖所示，本發明(A+C) 在A碳材和C碳材皆添加0.8%的時候，高率放電特性係高於其他樣品，並且跟單純只有A碳材的電池差距有48.6%，而相較於單純只有C碳材的電池差距則是有24.8%，而且線型係略呈對數曲線上升，因此可看出本發明在此種特別的材質配比下，實具有較好之效能，進而展現出本發明之進步性及穩定性。
請參閱第6圖，其係為本發明電池電性測試之充電接收性比較圖。如圖所示，本發明(A+C) 在A碳材和C碳材皆添加0.8%的時候，充電接收性係高於其他樣品， 而且本發明與對照組之差距係高於350%以上，以顯現出本發明具有很好的效能，並且跟單純只有A碳材的電池差距有29.1%，而相較於單純只有C碳材的電池差距則是有20.2%，因此可以看出本發明在此種特別的材質配比下，實具有較好之效能，進而展現出本發明之進步性。
總體而言，本發明之電池樣品(A+C)除了於20小時率電容量測試之外，其他如5小時率電容量測試、保留容量測試、冷起動電流測試、高率放電特性測試及充電接收性測試等性能，都優於其他電池樣品之性能，可見將活性碳與碳黑混合作為活性物質之碳材添加物作成之負極，可以將此二種材料之電化學特性優點加成比添加各單一碳材之電化學特性還要好，尤其是在高率充、放電性能方面，而在上面之實驗中可以看出本次研究顯示，添加較高比率(0.8％)比添加較低比率(≦0.4％)碳材之負極活性物質所表現之電化學特性較好，然而實際上在負極添加高比例之碳材係十分困難，通常於總體添加超過2wt%後難度就會大幅提升，甚至於越接近2wt%添加難度也越高，因此綜合實驗及實際限制後，得出本發明之最佳碳材添加比例為活性碳0.6wt%及碳黑0.7wt%，在此碳材配比下，會同時兼顧添加難度及電池效能，以讓電池製程更有效率。
請續參閱附件1至附件4，其係為不同電池樣品之負極SEM圖。如圖所示，由於碳材的導電度及表面(粗糙度)與負極活性物質的電化學反應性能及電容量相關，尤其是高率充、放電性能，而從附件4(本發明)之SEM照片中可以看出將碳材A與碳材C混合後，碳材的表面積及粗糙度便可增加，進而使負極在充、放電時可加速鉛的成核及電化學反應性能，以透過另一種方式展現本發明之進步性。
綜上所述，本發明在提供全新的碳材配比後，確實使新的碳鉛電池具有較好的效能，進而展現出本發明之新穎性和進步性。
惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；故在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。
第1圖，為本發明電池電性測試之20小時率容量比較圖。
第2圖，為本發明電池電性測試之5小時率容量比較圖。
第3圖，為本發明電池電性測試之保留容量在25A之比較圖。
第4圖，為本發明電池電性測試之冷起動電流在650A之比較圖。
第5圖，為本發明電池電性測試之高率放電特性比較圖。
第6圖，為本發明電池電性測試之充電接收性比較圖。
Claims (7)
- 一種碳鉛電池，其特徵在於： 該碳鉛電池之負極係為鉛、活性碳和碳黑相互混合後製成，且活性碳在負極中的添加比率為0.4wt%~1wt%，碳黑在負極中的添加比率為0.7wt%~0.8wt%，而活性碳之粒徑係小於碳黑之粒徑。
- 如申請專利範圍第1項所述之碳鉛電池，其中，活性碳之粒徑為5~8µm，且碳黑之粒徑為25~40nm。
- 如申請專利範圍第2項所述之碳鉛電池，其中，碳黑之粒徑最佳係為30nm。
- 如申請專利範圍第3項所述之碳鉛電池，其中，活性碳之振實密度為0.25~0.35g/cm3 ，而碳黑之振實密度為0.36~0.46 g/cm3 。
- 如申請專利範圍第4項所述之碳鉛電池，其中，活性碳之比表面積為1800~2200m2 /g，而碳黑之比表面積為1300~1550m2 /g。
- 如申請專利範圍第5項所述之碳鉛電池，其中，每10.2kg/cm2 活性碳的電阻率為0.474Ω/cm，而每10.2kg/cm2 碳黑的電阻率為0.786Ω/cm。
- 如申請專利範圍第6項所述之碳鉛電池，其中，每10.2kg/cm2 活性碳的導電率為2.11S/cm，而每10.2kg/cm2 碳黑的導電率為1.27S/cm。
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