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    一種高比表面積鋁材，包含：一鋁基材及多個成型於該鋁基材之表面的粒子；其中，該些粒子的材質係為鋁及鋁化合物的至少其中之一，而該些粒子之間、該些粒子與該鋁基材之表面之間具有連接結構。
    公开号:TW201314720A
    申请号:TW100134014
    申请日:2011-09-21
    公开日:2013-04-01
    发明作者:Ming-Tsung Chen
    申请人:Apaq Technology Co Ltd；
    IPC主号:Y02E60-00
    专利说明:
    高比表面積鋁材及其製作方法
    本發明係有關於一種鋁材及其製作方法，尤指一種高比表面積鋁材及其製作方法。
    與電化學相關的電子元件相當廣泛地運用於各種領域，例如電池係利用電化學反應來達到電荷放電或重複電荷充電/放電的運作，因而被使用為各種電子機器的電源供應。
    另外，電解電容器(capacitor)係能夠儲存電荷的元件，電容器可以瞬間進行儲電及放電，而在應用上，電容器主要是作為阻絕直流、耦合交流、濾波、調諧、相移、儲存能量、作為旁路、耦合電路、喇叭系統的網路等等，甚至也被應用於相機中的閃光燈等儲電/放電用途。
    而在上述元件中，均需要以大面積的電極結構來提高元件的整體特性。以電解電容器為例，陽極電極與陰極電極均為鋁箔所製作，而在電極製作過程中，高純度的鋁箔需經過電蝕或化學腐蝕的方式在鋁箔上製作出不平整的表面，藉以提高鋁箔表面積，並增加電容器的相對電容量；換言之，電解電容器可經由蝕刻方法而擴大電極之表面積，而近年則有業者開發出將碳粉末附著於鋁箔之表面上而擴大電極表面積的技術。
    但是，採用上述做法所獲得之批覆有碳粉末之鋁材，由於碳粉末與鋁材表面之間的密接性並不佳。因此，當此種接合不良的電極應用在二次電池或電容器時，二次電池或電容器的充電與放電過程中，可能會造成碳粉末從鋁材表面上剝離的現象之情況。
    本發明之目的之一，在於提供一種可提高鋁基材與活化層之間的密接性的鋁材及其製造方法。本發明所製作之鋁材可藉由活化層之粒子而具有高比表面積，故當本發明之鋁材製作為電極結構時，可提供較多的反應面積及與其他材料的接著面積，故可形成高效能的電極結構。
    本發明之實施例係提供一種高比表面積鋁材，包含：一鋁基材及多個成型於該鋁基材之表面的粒子；其中，該些粒子的材質係為鋁及鋁化合物的至少其中之一，而該些粒子之間、該些粒子與該鋁基材之表面之間具有連接結構。
    本發明實施例係提供一種高比表面積鋁材的製作方法，包含以下步驟：提供一鋁基材；將材質為鋁及鋁化合物的至少其中之一的粒子附著於該鋁基材之表面；以及成型連接結構於該些粒子之間或者該些粒子與該鋁基材之表面之間。
    本發明具有以下有益的效果：本發明可利用活化層中的粒子產生相當高的表面積，以有助於提升此一鋁材的導電度，故本發明之高比表面積鋁材可用於製作出高電性特性的電極結構；另一方面，利用前述的電極結構所製作的元件可因電極結構的特性而具有較佳的電特性，例如具有高充放電效率等優勢。
    為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
    本發明提出一種高比表面積鋁材及其製作方法，本發明所提出之高比表面積鋁材，其主要在鋁基材製作出一層以上由鋁粒子或/及鋁化合物粒子所組成之結構，該結構可具有高比表面積，其可應用於導電電極，而提高電極的反應面積，藉以提高具有上述電極之元件的特性。
    如圖1所示，其為本發明之高比表面積鋁材的一種實施態樣，其中，鋁基材1的一個表面上成型有多個粒子21，所述之粒子21可層疊形成一活化層2，活化層2可用於提高鋁材的整體表面積，以提高其所應用之電性元件的特性。另外，粒子21與粒子21之間或/及粒子21與鋁基材1之間更可形成連接結構22，連接結構22可為由粒子21表面所延伸成型以連接於其他粒子21或鋁基材1的結構，而連接結構22亦可進一步地提升鋁材的表面積，更可加強活化層2本身的密著性及鋁基材1與活化層2之間的接合強度。
    請參考圖3，以下將說明本發明之高比表面積鋁材的製作方法的步驟：
    步驟(一)：提供鋁基材1。本發明之鋁基材1並無特別限定，可使用純鋁或鋁合金，而所述之鋁基材1之鋁含量根據歐盟統一標準「EN 576-1995」記載之方法所測定值為鋁含量99%以上者為佳。本發明所用之鋁基材1的組成係將鉛(Pb)、矽(Si)、鐵(Fe)、銅(Cu)、錳(Mn)、鎂(Mg)、鉻(Cr)、鋅(Zn)、鈦(Ti)、釩(V)、鎵(Ga)、鎳(Ni)及硼(B)之至少1種元素在必要範圍內之添加而成的鋁合金；又，鋁基材1之厚度並無特別限定，若為鋁箔則為5μm以上、200μm以下，若為鋁板則為200μm以上、3mm以下之範圍內為佳。
    而上述之鋁基材1可使用以任何公知方法所製造者。例如，調整具有指定組成之熔融態的鋁或鋁合金，將其鑄造所得的鑄塊予以適切地均質化處理，其後，對此鑄塊施以熱軋和冷軋，則可取得所需要的鋁材。另外，在上述冷軋步驟中，可施以150℃以上、400℃以下之範圍之退火處理。
    步驟(二)：將粒子21附著於鋁基材1之表面。在本步驟中主要將鋁及鋁化合物的至少其中之一的粒子21批覆成型於鋁基材1之表面，以形成所述的活化層2，而本步驟所使用的方法可至少包括物理方法及化學方法，其中物理方法又稱蒸發-冷凝法，其原理是在高真空環境下和低壓的惰性氣體(如氬氣、氦氣)中，藉由蒸發源的加熱作用使鋁塊蒸發汽化，然後再鋁基材1之表面冷凝沈積出所述之粒子21。另外，蒸發-冷凝法又可根據機台的設計分成雷射-感應加熱法、電漿加熱法、電子束輻射法等等。
    以雷射-感應加熱法在鋁基材1之表面沈積鋁材質之粒子21的具體作法，首先將鋁原料用感應加熱使其溫度上升至融化或更高的溫度，接著導入雷射，利用雷射產生能量的輸入而使熔融狀的鋁原料在真空或低壓保護性氣氛條件下產生蒸發，並使其以粒子狀沈積在鋁基材1之表面，而以上述方法可製作2至50nm的鋁之粒子21於鋁基材1之表面。
    另一方面，化學方法可包括氣相化學反應法、固相化學反應法、熱分解法、液相化學反應法、燃燒合成法等等。以氣相化學反應法在鋁基材1之表面上備製氮化鋁(AlN)的粒子21為例，可利用以下反應式：
    在900至1500K的溫度下進行反應，即可在鋁基材1之表面上備製氮化鋁(AlN)的粒子21；或是利用以下反應式：
    在1300至2000K(較佳在1500至2000K)的溫度下進行反應，以在鋁基材1之表面上備製氮化鋁的粒子21。
    再一方面，本步驟中亦可採用物理方法中之物理氣相沈積系統製作氮化鋁鈦(TiAlN)之粒子21所形成之活化層2，在一具體實施例中，本發明係採用陰極電弧沈積法沈積氮化鋁鈦之粒子21，其原理在於利用引弧器在靶源附近引發陰極電弧，在高真空環境中以高電流、低電壓產生輝光放電，而在靶材表面形成陰極弧點之坑洞。由於陰極弧點產生後所形成之局部高溫、高壓與爆炸現象，使靶材表面形成微坑洞的熔池，因而釋放出靶材微粒，而微粒的尺寸係由電弧電流、氣體組成及壓力所決定，在本實施例中，靶材選用50%Ti-50%Al，靶材電流為50至100安培，腔體壓力0.1至0.3Pa，通入氣體為氬氣與氮氣，即可將直徑約25um的氮化鋁鈦之粒子21可由陰極源噴出，而沈積在鋁基材1之表面。
    綜上所述，本步驟主要係將鋁之粒子21及/或鋁化合物(如氮化鋁、氮化鋁鈦或其他鋁金屬化合物等)之粒子21成型在鋁基材1之表面，而上述的方法均為舉例說明之用，並非用於限制本發明，且鋁及/或鋁化合物之粒子21可採用任何可行的技術成型於鋁基材1上，而不受上述實施例的限制。
    步驟(三)：成型連接結構22於粒子21與粒子21之間或者粒子21與鋁基材1之表面之間。在此步驟中主要是成長連接結構22，值得說明的是，連接結構22可於步驟(二)中一併進行，但為了方便說明而以步驟(三)另外進行具體闡述。而所述之連接結構22即為晶鬚(或稱晶須，whisker)或晶鬚與微顆粒的混合物，晶鬚係在一定條件下以單晶結構形式生成的尺寸細小之短纖維，因其直徑極小，故晶鬚中之缺陷少，強度接近材料原子間鍵合力的理論值，一般可達到104 MPa以上，而本發明主要係在粒子21與粒子21之間或者粒子21與鋁基材1之表面之間形成鋁鬚(aluminum whisker)及鋁氮混合物之晶鬚的混合物以為所述的連接結構22。在此步驟中，可採用高溫的方式使粒子21表面長出所述之鋁鬚，而鋁鬚的位置可能形成在粒子21與粒子21之間或者粒子21與鋁基材1之表面之間，故可提高整體的接著強度。所述之鋁氮化合物之晶鬚係指氮化鋁或其他混合比例之氮/鋁的混合物。
    具體而言，本發明之鋁鬚可依活化層2之粒子21的材質而不同，在一具體實施例中，活化層2之粒子21係為氮化鋁材質，故連接結構22即為氮化鋁晶鬚，而在具體的步驟中，可採用碳熱還原法製作出氮化鋁晶鬚，或者利用再結晶方法在普通氮氣的氣氛下亦可製作出氮化鋁晶鬚。
    而如同前述，本發明亦可將步驟(二)、(三)加以整合，例如以鋁粉自蔓延高溫合成法(self-propagating high temperature synthesis，SHS)直接在鋁基材1之表面上製作出同時具有氮化鋁晶鬚與氮化鋁之粒子21的活化層2。
    因此，藉由上述步驟，本發明即可製作出由鋁基材1與活化層2所構成的高比表面積鋁材，而活化層2的厚度可隨著應用領域的不同而改變，例如活化層2的厚度可由2奈米(nm)至數個釐米(mm)。
    而本發明之高比表面積鋁材較佳地可應用於電極結構，例如電容器之電極結構，所述之電容器則可為雙層電容器、鋁電解電容器、固態電解電容器等等，而本發明之高比表面積鋁材可有效提高電容器的電容量特性、內部電阻特性、充放電特性、使用壽命等。而在應用於電容器之電極結構中，本發明之高比表面積鋁材的活化層2的厚度可選用2奈米(nm)至數個微米(um)以符合固態電解電容器的使用；或者活化層2的厚度可選用數個微米至數個釐米以符合超級電容器的使用。
    又，本發明之高比表面積鋁材較佳地可應用於電極結構，例如電化學電池之電極結構，所述之電化學電池可為鋰離子電池等之電解電池，而本發明之高比表面積鋁材可有效提高電池的容量特性、內部電阻特性、充放電特性、使用壽命等。
    另一方面，如圖2所示之本發明第二實施例之高比表面積鋁材，其中鋁基材1的上下兩表面(即雙面)均成型有所述的活化層2，而相關的製造方法可參考前文內容，在此不予贅述。
    綜上所述，本發明至少具有以下優點：
    1、本發明所製作之高比表面積鋁材可利用活化層中的粒子產生相當高的表面積，且有助於提升此一鋁材的導電度，故利用本發明之高比表面積鋁材可製作出高電性特性的電極結構。
    2、承1，本發明所製作之高比表面積鋁材具有高的表面積，故當應用於電容器時，高比表面積鋁材所製作之電極與高分子材料之間就可以形成高強度的接著性，因此可提高元件的特性與可靠性。
    以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。
    1．．．鋁基材
    2．．．活化層
    21．．．粒子
    22．．．連接結構
    圖1係顯示本發明第一實施例之高比表面積鋁材之示意圖。
    圖2係顯示本發明第二實施例之高比表面積鋁材之示意圖。
    圖3係顯示本發明高比表面積鋁材的製作方法之流程圖。
    1．．．鋁基材
    2．．．活化層
    21．．．粒子
    22．．．連接結構
    权利要求:
    Claims (15)
    [1] 一種高比表面積鋁材，包含：一鋁基材及多個成型於該鋁基材之表面的粒子；其中，該些粒子的材質係為鋁及鋁化合物的至少其中之一，而該些粒子之間、該些粒子與該鋁基材之表面之間具有連接結構。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之高比表面積鋁材，其中所述之鋁化合物係為氮化鋁或氮化鋁鈦。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之高比表面積鋁材，其中所述之鋁化合物係為鋁之金屬化合物。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之高比表面積鋁材，其中所述之連接結構係為晶鬚或者微顆粒和晶鬚的混合物。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之高比表面積鋁材，其中所述之連接結構係為鋁鬚(aluminum whisker)及鋁氮混合物晶鬚之混合物。
    [6] 如申請專利範圍第4或5項所述之高比表面積鋁材，其中所述之連接結構係選擇性地成長於該些粒子之間或是該些粒子與該鋁基材之表面之間。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述之高比表面積鋁材，其中該些粒子係沈積於該鋁基材的單面或雙面。
    [8] 一種高比表面積鋁材的製作方法，包含以下步驟：提供一鋁基材；將材質為鋁及鋁化合物的至少其中之一的粒子附著於該鋁基材之表面；以及成型連接結構於該些粒子之間或者該些粒子與該鋁基材之表面之間。
    [9] 如申請專利範圍第8項所述之高比表面積鋁材的製作方法，其中在將材質為鋁及鋁化合物的至少其中之一的粒子附著於該鋁基材之表面的步驟中，係利用物理方法或化學方法成型該些粒子。
    [10] 如申請專利範圍第9項所述之高比表面積鋁材的製作方法，其中所述之物理方法為雷射-感應加熱法、電漿加熱法或電子束輻射法，所述之化學方法為氣相化學反應法、固相化學反應法、熱分解法、液相化學反應法或燃燒合成法。
    [11] 如申請專利範圍第9項所述之高比表面積鋁材的製作方法，其中所述之鋁化合物係為氮化鋁或氮化鋁鈦，或者所述之鋁化合物係為鋁之金屬化合物。
    [12] 如申請專利範圍第9項所述之高比表面積鋁材的製作方法，其中該些粒子係沈積於該鋁基材的單面或雙面。
    [13] 如申請專利範圍第8項所述之高比表面積鋁材的製作方法，其中在成型連接結構的步驟中，所述之連接結構係為晶鬚或者微顆粒和晶鬚之混合物。
    [14] 如申請專利範圍第8項所述之高比表面積鋁材的製作方法，其中在成型連接結構的步驟中，所述之連接結構係為鋁鬚(aluminum whisker)及鋁氮混合物晶鬚之混合物。
    [15] 如申請專利範圍第13或14項所述之高比表面積鋁材的製作方法，其中所述之連接結構係選擇性地成長於該些粒子之間或是該些粒子與該鋁基材之表面之間。
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