[發明專利]電極用碳材的改性方法及其制成的電極用碳材

有效

• 申請號: 201210585459.3
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN103879983A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 梁德明;洪仁陽;張敏超;邵信;劉柏逸;何佳樺;鐘琍菁;馬振基
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;C01B31/04;C01B31/08;H01G11/32;H01M4/62;H01M4/583
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 陳小雯

【技術領域】

本發明系有關于電極用碳材的改性方法，特別有關于利用共融混合液結合微波加熱的溶膠凝膠法形成氫氧化鈦及銳鈦礦晶相二氧化鈦固定于碳材上的方法。

【背景技術】

目前以碳為基礎的材料已廣泛應用于纖維材料、鋰電池、燃料電池、超級電容器、電容脫鹽及儲氫裝置等領域上，常用的碳材包括多孔性活性碳粉末、碳納米纖維、碳氣溶膠、碳納米管、網狀結構活性碳等，其中多孔性活性碳常應用于電極材料上。

然而，當活性碳應用在電極材料時，會對電解液中的一些成分產生不可逆的物理性吸附，進而降低電極材料的電容能力及使用壽命，因此需對活性碳進行改性。目前活性碳材料的改性方式之一為化學改性，例如加堿(如KOH或NaOH)，其主要作用為改性活性碳的親水性(wettability)，使活性碳表面含有極性官能基而增加其表面親水性，以利水系電解質溶液易于接近碳材電極，但是極性官能基的增加會降低碳材的導電性，不利于電極材料中電子的轉移，或者會造成碳材的表面極化現象，而且此改性方式無法同時提升碳材的親水性與導電性。

另一種改性方式為添加納米金屬氧化物，使用混摻(blending)、化學沉淀法或溶膠凝膠法(sol-gel)等方式將納米金屬氧化物加入或固定于活性碳材料上，去除碳材表面的極性官能基，以增加碳材的導電性，但是此改性方法容易使碳材表面成為疏水性，而且混摻、化學沉淀法或溶膠凝膠法會有金屬氧化物分布不均、顆粒過大或合成步驟繁雜、費時、需要后處理高溫(200-500℃)燒結等問題，不符合節能減碳的環保需求，而且此改性方式無法同時提升碳材的親水性與導電性。

【發明內容】

本發明提供使用共融混合液(deep?eutectic?solvents；DES)結合微波(microwave)加熱的溶膠凝膠法對碳材進行改性的方法，可于80℃至100℃的低溫及1大氣壓(atm)的常壓條件下，在30至120分鐘的短時間內，同時形成氫氧化鈦(TiOH)及銳鈦礦晶相二氧化鈦(anatase-TiO₂)與碳材反應產生鍵結，并且所形成的氫氧化鈦(TiOH)及銳鈦礦晶相二氧化鈦均勻分布于碳材的表面或孔洞內部，可以同時增加碳材的親水性及電子傳遞性，是一種符合環保要求且低成本的碳材改性方法。

同時，當此改性碳材應用于電極材料時，可以提高電極材料的電容能力及使用壽命，并且可增加電極材料的充放電速率及使用效率。

依據一實施例，提供碳材的改性方法，此方法包括：將碳材與二氧化鈦前驅物、共融混合液(DES)、水和醇類溶劑混合，進行第一階段微波加熱，將產生的第一階段產物過濾；再于過濾后的第一階段產物中加入前述共融混合液、水和前述醇類溶劑，進行第二階段微波加熱，合成出含有氫氧化鈦及銳鈦礦晶相二氧化鈦固定于碳材上的復合碳材。

為了讓本發明之上述目的、特征、及優點能更明顯易懂，以下配合實施方式，作詳細說明如下：

【附圖說明】

圖1顯示制備例1使用不同的共融混合液(DES)添加比例對合成出銳鈦礦晶相二氧化鈦(anatase-TiO₂)粉末的效果比較的X光衍射儀(XRD)分析圖譜；

圖2顯示制備例2使用不同的微波加熱時間對合成出銳鈦礦晶相二氧化鈦(anatase-TiO₂)粉末的效果比較的X光衍射儀(XRD)分析圖譜；

圖3顯示制備例3添加與未添加共融混合液對合成出銳鈦礦晶相二氧化鈦(anatase-TiO₂)粉末的效果比較的X光衍射儀(XRD)分析圖譜；以及

圖4顯示比較例1未改性活性碳與實施例1-3之改性活性碳的X光衍射儀(XRD)分析圖譜。

【具體實施方式】

本發明改性方法的實施可分為兩個階段：(1)第一階段為調控共融混合液的含量來抑制二氧化鈦(TiO₂)的水解縮合反應(hydrolysis-condensation?reaction)，藉此控制氫氧化鈦(TiOH)的生成量；(2)第二階段為二氧化鈦的成核結晶(crystallization)反應，藉此促進二氧化鈦的結晶化，形成銳鈦礦晶相二氧化鈦(anatase-TiO₂)。