[發明專利]多價金屬離子電池以及制造方法

在審

• 申請號: 201880027905.4
• 申請日: 2018-03-01
• 公開（公告）號: CN110574206A
• 公開（公告）日: 2019-12-13
• 發明（設計）人: 阿茹娜·扎姆;張博增
• 申請（專利權）人: 納米技術儀器公司
• 主分類號: H01M10/0525
• 分類號: H01M10/0525;H01M10/0568;H01M4/485
• 代理公司: 11262 北京安信方達知識產權代理有限公司
• 代理人: 艾娟;鄭霞

提供一種多價金屬離子電池，其包括陽極、陰極、以及電解質，所述電解質與所述陽極和所述陰極處于離子接觸以負載所述陽極處的多價金屬的可逆的沉積和溶解，所述多價金屬選自Ni、Zn、Be、Mg、Ca、Ba、La、Ti、Ta、Zr、Nb、Mn、V、Co、Fe、Cd、Cr、Ga、In、或其組合，其中所述陽極含有作為陽極活性材料的所述多價金屬或其合金，并且所述陰極包含具有膨脹的石墨烯平面間的空間的石墨或碳材料的陰極活性層，其中如通過X射線衍射測量的平面間間距d？002#191為從0.43nm至2.0nm。此種金屬離子電池給予高能量密度、高功率密度以及長循環壽命。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2017年3月20日提交的美國專利申請號15/463,543的優先權，所述專利申請通過援引并入本文。

技術領域

本發明總體上涉及可再充電的多價金屬電池(例如鋅離子電池、鎳離子電池、鎂離子電池)的領域，并且更具體地，涉及一種含有新的具有膨脹的平面間空間的石墨或碳材料的組的高容量陰極層以及一種制造所述多價金屬離子電池的方法。

背景技術

歷史上，現今最受歡迎的可再充電能量儲存裝置-鋰離子電池-實際上是從使用鋰(Li)金屬作為陽極以及Li插層化合物(例如MoS₂)作為陰極的可再充電“鋰金屬電池”發展而來的。Li金屬由于它的輕重量(最輕的金屬)、高電負性(相對于標準氫電極為-3.04V)、以及高理論容量(3,860mAh/g)，是理想的陽極材料。基于這些出色的特性，40年前提出了鋰金屬電池作為高能量密度應用的理想體系。

由于純鋰金屬的一些安全性問題，石墨代替鋰金屬被實施為陽極活性材料以生產目前的鋰離子電池。過去的二十年已經見證了Li離子電池在能量密度、倍率性能和安全性方面的持續改進。然而，在Li離子電池中使用基于石墨的陽極具有幾個明顯的缺點：低比容量(理論容量為372mAh/g，對比Li金屬的3,860mAh/g)，長Li插層時間(例如Li進入和離開石墨和無機氧化物顆粒的低固態擴散系數)需要長的再充電時間(例如對于電動車輛電池為7小時)，不能給予高脈沖功率，以及需要使用預鋰化陰極(例如鋰鈷氧化物，對比氧化鈷)，由此限制了可用陰極材料的選擇。進一步地，這些常用的陰極活性材料具有相對低的鋰擴散系數(典型地D約為10^-16-10^-11cm²/sec)。這些因素已造成了現今Li離子電池的一個主要缺點-中等能量密度(典型地150-220Wh/kg_電芯)，但功率密度極低(典型地<0.5kW/kg)。

超級電容器正被考慮用于電動車輛(EV)、可再生能量儲存以及現代網格應用。超級電容器的相對高的體積電容密度(比電解電容器的體積電容密度大10至100倍)源于使用多孔電極來產生有益于形成擴散雙層電荷的大表面積。當施加電壓時，此雙電層電容(EDLC)在固體電解質界面處自然產生。這意味著超級電容器的比電容是與電極材料(例如活性炭)的比表面積成正比例的。此表面積必須是電解質可達的，并且所得界面區域必須足夠大以容納EDLC電荷。

此EDLC機制基于表面離子吸附。所需的離子預先存在于液體電解質中，并且不是來自相反電極。換句話說，待沉積在負電極(陽極)活性材料(例如，活性炭顆粒)的表面上的所需離子不是來自正電極(陰極)側，并且待沉積在陰極活性材料的表面上的所需離子不是來自陽極側。當超級電容器再充電時，局部正離子靠近負電極的表面沉積，其中其消光負離子并排靠近停留(典型地通過電荷的局部分子或離子極化)。在另一個電極處，負離子靠近此正電極的表面沉積，其中消光正離子并排靠近停留。同樣，在陽極活性材料與陰極活性材料之間不存在離子交換。

在一些超級電容器中，由于一些局部電化學反應(例如，氧化還原反應)，存儲的能量通過贗電容效應進一步增大。在此種贗電容器中，氧化還原對中涉及的離子也預先存在于同一電極中。同樣，在陽極與陰極之間不存在離子交換。