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TWI678831B - 電池封包 - Google Patents

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TWI678831B TW103146702A TW103146702A TWI678831B TW I678831 B TWI678831 B TW I678831B TW 103146702 A TW103146702 A TW 103146702A TW 103146702 A TW103146702 A TW 103146702A TW I678831 B TWI678831 B TW I678831B
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Tsung Chi Wang
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Abstract

根據本發明之一特徵，一種電池封包含一第一電極；一第二電極；一位於第一與第二電極之間的介電層及電解材料，該電解材料可以是NaCl或CF6Li等等的材料。

Description

電池封包
本發明係有關於一種電池封包。
目前市面上的電池封包大多是鉛酸電池或者鐵鐵電池，然而，它們需要的充電時間都相當長，因此使用者經常在電池尚未充電完成便取下使用，以致於電池的可供電時間縮短，造成使用上不便。
本發明之目的是為提供一種充電時間較快的電池封包。
根據本發明之一特徵，一種電池封包含一第一電極；一第二電極；一位於第一與第二電極之間的介電層；電解材料，該電解材料可以是NaCl或CF6Li等材料；及一電容器，當該電池封包被充電時該電容器能迅速被充滿電，以致於在充電電源移除時該電容器放電俾對電池繼續充電。
2‧‧‧電池封包
20‧‧‧第一電極
21‧‧‧第二電極
22‧‧‧介電膜
23‧‧‧電解材料
圖一是為本發明之第一較佳實施例之電池封包的示意圖；圖二是為顯示本發明之第二較佳實施例之電池封包的示意結構圖；圖三是為一顯示一使用數個如在圖二中所示之電池封包1之供電系統的示意圖； 圖四是為一顯示一使用數個如在圖二中所示之電池封包1之另一供電系統的示意圖；圖五是為一顯示一使用數個如在圖一中所示之電池封包1之供電系統的示意圖；圖六是為顯示本發明之第二較佳實施例之電池封包1a的示意結構圖；圖七是為正負極之製作的流程圖；圖八是為電容和電池同體形成串聯或並聯同體電池的示意圖；圖九A是為一顯示鋰電池和鈦酸鋇納電容電池做在同一包裝(pack)體或分開pack加上二極體形成充電和放電迴路的示意圖；圖九B是為一顯示在圖九A中所示之二極體兩端是互相對調的示意圖；及圖十至十五是為說明本發明之電池封包之充電特性的示意圖。
在後面之本發明之較佳實施例的詳細說明中，相同或類似的元件是由相同的標號標示，而且它們的詳細描述將會被省略。此外，為了清楚揭示本發明的特徵，於圖式中之元件並非按實際比例描繪。
圖一是為本發明之第一較佳實施例之電池封包2的示意圖。如在圖一中所示，該電池封包2包括由Cu形成的第一電極20與由Al形成的第二 電極21。在第一電極20和第二電極21之間是設有一用於進行離子交換作用的介電層或介電膜22。該電池封包2更可注入液固態電解材料23以進行離子交換或電洞、電子位移等。電解材料23可以是NaCl或CF6Li等液態或固態材料。
該等電極20和21與介電層22的形成是藉由把金屬粉(Al、Cu、C、Ag….等等)混合泥膠印刷而成。介電層(離子交換層)22是以BaTiO3,BaTiAl2O3…等等奈米級或微米級無機粒子粉混合泥膠印在第一電極20和第二電極21之間形成。
第一和第二電極20和21與介電層22形成多層電池體後可以注入電解液(CF6Li,NaCl…等液體)。當然，不注入電解液也是可行的。
在第一和第二電極20和21與中間層22形成多層體(MLCC)，經高溫排膠形成多孔第一和第二電極20和21與中間層電池體後注入或不注入電解液形成完全充放電電池。
應要注意的是，在圖一中所示的結構是為一單層結構，然而，本實施例的電池封包2是可以包含數個疊置的單層結構。即，數個如在圖一中所示的單層結構是被電氣地串聯或並聯或串並聯連接在一起。
圖二是為顯示本發明之第二較佳實施例之電池封包的示意結構圖。
如在圖二中所示，本實施例的電池封包1除了包括在圖一中所示的電池結構之外，更包括一電容器10和一二極體11。
該電池封包1具有一第一電極20和一第二電極21。該電容器10 具有一個電氣連接至該第二電極21的第一電極100和一個電氣連接至該第一電極20的第二電極101。
該二極體11具有一個電氣連接至該電容器10之第二電極101的陽極110和一個電氣連接至該第一電極20的陰極111。
當該電池封包1被充電時，電池封包1的第一電極20與第二電極21是與充電裝置(圖中未示)電氣連接以致於該電容器10與該電池被同時充電。由於電容器10能夠被迅速充電完成，例如，10分鐘，該充電裝置在電容器10充電完成之後即可與該電池封包1斷接，藉此，該電容器10開始放電俾可繼續對該電池充電。如是，電池封包1即可被移動，增加使用便利性。
該等電極20,21可以是金屬薄片，例如銅箔或鋁箔，或者，也可以是包含金屬粉與泥膠的一印刷層，且該印刷層經高溫燒結並具有範圍介於10nm至10mm之間厚度。應要注意的是，該等電極20,21除了可以由銅、鋁或其他金屬材料製成之外，也可以進一步包含一非金屬導電材料，例如：奈米碳管、石墨、或碳粉；並且，該第一電極20、該第二電極21與該介電層22還可以被製成捲帶式(roll to roll)以利用多層摺疊的方式將該第一電極20、該第二電極21與該介電層22組成所述多層電池體，其製作流程如在圖七中所示。
或者，沖壓第一和第二電極塊後經堆疊形成電池體或捲第一和第二電極材料成圓桶狀後注入電解液(cf6li或nacl…等可離子交換液體)。
或者，使金屬粉和多孔非金屬粉形成多孔性第一電極20和第二電極21。
或者，在多孔性第一電極20塗佈碳、石墨稀等負極材料，在多孔性第二電極21塗佈正極材料，例如LiCo,LiPFe，或LiMn。
舉例而言，電解時，自LiCo之中解離而出的Li離子會移動到正或負極，且自LiCo之中解離而出的Co離子會移動到到正極，形成離子交換。同時，由NaCl結晶體之中之中解離而出的Na離子會移動到到正或負極，且Cl離子則移動到正或負極。
第一電極20亦可進一步塗佈LiCo、LipFe、LiMn等正極材料。第二電極21則塗佈負極材料(例如：碳材料)。第一電極20與第二電極21為電極板，其製造金屬為鋁、銅、或其他金屬。還可進一步於第一電極20與第二電極21之上設置非金屬導電材料，例如碳、石墨等等。
離子交換膜(亦即，介電層22)設置於第一電極20與第二電極21之間，且所述介電層22可以是無機粒子BaTiO3與聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)材料之組合，也可以是包含BaTiO3和泥膠的一印刷層。
除了BaTiO3以外，前述無機粒子也可以是BaAl2O3；並且，所述介電層22也可以同時包含無機粒子、PVDF與泥膠。
該離子交換膜(介電層22)用於將第一電極20與第二電極21之正、負離子與/或電洞電子做離子交換，利用電洞和電子的位移在正負極端重覆充電或放電週期循環功能。
應要注意的是，鋰電池和鈦酸鋇納電容電池做在同一包裝(pack)體或分開pack加上二極體形成充電和放電迴路，如在圖九A中所示。
在二極體兩端可以互相對調，如在圖九B中所示。
圖三是為一顯示一使用數個如在圖二中所示之電池封包1之供電系統的示意圖。
如在圖三中所示，該等電池封包1是並聯地連接俾可得到高電流輸出。
圖四是為一顯示一使用數個如在圖二中所示之電池封包1之另一供電系統的示意圖。
如在圖四中所示，該等電池封包1是串聯地連接俾可得到高電壓輸出。
圖五是為一顯示一使用數個如在圖一中所示之電池封包1之供電系統的示意圖。
如在圖五中所示，該等電池封包1是並聯與串聯地連接俾可得到高電壓與高電流輸出。
圖六是為顯示本發明之第二較佳實施例之電池封包1a的示意結構圖。
如在圖六中所示，與在圖二中所示的實施例不同的地方是在於該電池封包1a並不包含一二極體。
圖八指出電容和電池同體形成串聯或並聯同體電池。
多孔正負極的形成是如下：
在多孔正極板(由LiCo、LiMn、或LiPFe製(由LiCo、LiMn、或LiPFe製程))與負極板(由碳或石墨製成)上，可CVD或塗佈或電鍍Al、Cu、 Carbon等金屬或非金屬導電材料。
中間離子交換膜(亦即，介電層22)的形成如下：
以BaTiO3、BeTiO3、或BaAl2O3之無機材料加上PVDF和膠泥加以混合，進而印刷方式正極板或負極板之上形成一印刷層。
將多孔電極板泡在電解液之中，其電解液可以導電和離子化液，協助正負離子交換或電洞或電子位移交換。該電解液一般如NaCl(鹽水)、CF6Li、六碳化鋰等液態電解液。
如前所述，利用捲帶式設備可以將該第一電極20、該第二電極21與該介電層22進行多層摺疊，使三者組成一多層電池體，多層摺疊的層數與電池容量呈正相關。在完成多層堆疊之後，將所述多層電池體置於50℃至1000℃的高溫環境中，藉以將該第一電極20、該第二電極21與該介電層22所含有的膠泥予以排出，留下正負極導材料及中間層介電材料形成更薄的電池結構。
進一步地，還可以加入NaCl結晶體於所述介電層22之中。如此設置，在充電時，介電層22會產生高溫100℃至500℃，此時NaCl結晶體會自固態轉變為液態，進以將介電層22內的無機粒子粉末(BaTiO3)包覆。
在中間層被NaCl結晶包覆BaTiO3粒子在放電時產生三態變化，將BnTiO3鐵電特性和磁滯位移放電(或充電)產生電流形成電池特性。
在充電時，自NaCl電解液之中解離而出的Na離子與氯離子在流經該介電層22之時會啟動所述無機粒子粉末的一鐵電磁滯特性。。同時，若塗佈於第一電極20之上的正極材料為LiPFe，則Li離子與Fe離子會由正極 材料解離而出。
例如，電池封包內2的介電層22包括無機粒子BaTiO3與PVDF(膠泥已經利用高溫排出)，Na離子與Cl離子流經介電層22之時，會啟動BaTiO3的鐵電磁滯特性。
請配合參閱圖十和十一所示，當NaCl電解液的Na離子與Cl離子流經離子交換膜時(亦即，介電層22)，介電層22所含有的無機粒子BaTiO3的鐵電磁滯位移特性會被啟動，使得介電層22產生高溫(50-100℃)；此時，介電層22內的NaCl結晶體在吸熱之後會自固態轉為液態，進而流動包覆無機粒子BaTiO3晶體。因此，在電池封包2完成充電之後，液態的NaCl結晶體會因為溫度降地而快速地轉變回固態，因此包覆無機粒子BaTiO3，使其保留充電後之一飽和鐵電磁滯特性。
特別說明的是，將無機粒子(例如：BaTiO3)的顆粒(尺寸)大小控制在1μm上下，則其鐵電磁滯特性會最強。然而，就本實施例的應用範圍而言，無機粒子的尺寸可以介於10nm至10μm之間。
如前所述，第一電極20與第二電極21可為包含金屬粉與泥膠的一印刷層，透過調整金屬粉的尺寸(奈米級或微米級)可以控制第一電極20與第二電極21的孔隙率，藉此提升接觸面積。同樣的，如前所述，介電層22所包含的無機奈米粒子的尺寸可以是奈米級或微米級，可想而知，調整無機奈米粒子的尺寸同樣能夠提升介電層22的接觸面積。另一方面，介電層22中的無機粒子(例如：BaTiO3)之介電常數係介於DK=1000(1k)到DK=500k之間。並且，第一電極20、介電層22與第二電極21之間的一電容量C=ε0 KXA/dt。
特別說明的是，利用多層摺疊的方式將該第一電極20、該第二電極21與該介電層22組成所述多層電池體之後，也可以不注入任何電解液進入該多層電池體之中，而所述電池封包2仍有電池功能存在。
當然，在多層電池體之中注入由NaCl+H2O所組成的NaCl電解液，是可以強大充電速度，使得一充電電源能夠以一高電壓(如1~6000v/dc)或一高電流(如1μA至1000A)達成對於所述電池封包2的快速度充電。相反地，若多層電池體之中沒有被注入NaCl電解液，則所需要的充電時間大致落在10sec至10k sec內。
如在圖十二中所示，應要注意的是，NaCl電解液比重1%至100%對充電和儲電有成正比現象。
本發明之電池封包2在工作溫度-70℃至400℃內不會爆炸或任何撞擊、穿刺亦不會高溫自燃。
請配合參閱圖十三和十四所示，當正四方晶體之BaTiO3無機粒子被充電時會變成長方形晶體，且正負電洞、電子在表面兩邊；並且，在放電時，BaTiO3無機粒子恢復到四方結晶。
請參閱圖十五所示，其顯示NaCl二態變化控制內阻曲線。如前所述，在充電時，介電層22會產生高溫(100℃-500℃)，此時NaCl結晶體會自固態轉變為液態，進以將無機粒子粉末(BaTiO3)包覆，使得介電層22的內組變小；此時，介電層22於電池封包2形成一內阻，且其阻值約1MΩ。相反地，在電池封包2完成充電之後，液態的NaCl結晶體會因為溫度降地而快 速地轉變回固態；此時，介電層22形成電池封包2的內阻遽增(1MΩ→10MΩ以上)。簡單地說，當內阻變大時，電池封包2用以儲電；相反地，當內阻變小時，充電電源亦於對該電池封包2充電，同時該電池封包2也易於進行放電。

Claims (14)

  1. 一種電池封包，包含：至少一電池結構，且所述電池結構包括：一第一電極；一第二電極；一介電層，位於該第一電極與該第二電極之間，且與該第一電極及該第二電極組成一多層電池體；及至少一電解材料，注入該多層電池體之中；一電容器，其一第一端與一第二端分別電性連接該電池結構的該第一電極與該第二電極；以及一二極體，其一陽極端電性連接該電容器的該第一端，且以其一陰極端電性連接該電池結構的該第一電極；其中，以一充電電源對該電池封包進行充電時，該電容器能迅速被充滿電，以致於該電容器能夠在該充電電源被移除後持續放電俾對該電池結構繼續充電。
  2. 如請求項1所述之電池封包，其中，該第一電極與該第二電極皆為一金屬薄片或皆為包含金屬粉與泥膠的一印刷層，且該介電層為包含無機粒子粉末與泥膠的一印刷層。
  3. 如請求項2所述之電池封包，其中，所述金屬薄片為銅箔或鋁箔，且其厚度介於10nm至1mm之間。
  4. 如請求項2所述之電池封包，其中，該第一電極與該第二電極之上進一步覆有一非金屬導電材料，且該非金屬導電材料選自於由奈米碳管、石墨、與碳粉所組成之群組。
  5. 如請求項1所述之電池封包，其中，該第一電極、該第二電極與該介電層被製成捲帶式，以利用多層摺疊的方式將該第一電極、該第二電極與該介電層組成所述多層電池體。
  6. 如請求項2所述之電池封包，其中，所述金屬粉的構成元素係選自於由Al、Cu、C、與Ag所組成之群組。
  7. 如請求項1所述之電池封包，其中，該第一電極進一步塗佈有一正極材料，且該正極材料選自於由LiCo、LiPFe、與LiMn所組成之群組。
  8. 如請求項7所述之電池封包，其中，該第二電極進一步塗佈有一負極材料，且該負極材料選自於由碳粉和石墨所組成之群組。
  9. 如請求項2所述之電池封包，所述無機粒子粉末為奈米級無機粒子粉末或微米級無機粒子粉末，且其選自於由BaTiO3和BaTiAl2O3所組成之群組。
  10. 如請求項2所述之電池封包，其中，該介電層更包括一聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)材料。
  11. 如請求項10所述之電池封包，其中，該介電層更包括一NaCl結晶體材料，其用以包覆所述無機粒子粉末。
  12. 如請求項11所述之電池封包，其中，該電解材料為一NaCl電解液，且在該充電電源對該電池封包進行充電時，自所述NaCl電解液之中解離而出的Na離子與Cl離子在流經該介電層之時會啟動所述無機粒子粉末的一鐵電磁滯特性。
  13. 如請求項8所述之電池封包，其中，該負極材料與該正極材料皆為具多孔性。
  14. 如請求項12所述之電池封包，其中，在所述Na離子與所述Cl離子移動之時，該NaCl結晶體材料包覆所述無機粒子粉末，使其在該電池結構完成充電之後仍保留所述鐵電磁滯特性。
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