[发明专利]用于碱金属电池的基于石墨烯-金属混杂泡沫的电极

说明书

提供了一种锂或钠金属电池，其具有阳极、阴极、和多孔隔膜和/或电解质，其中所述阳极含有由多个孔、孔壁、和位于这些孔中的吸引锂的金属或吸引钠的金属构成的石墨烯‑金属混杂泡沫；其中所述金属选自Au、Ag、Mg、Zn、Ti、Na(或Li)、K、Al、Fe、Mn、Co、Ni、Sn、V、Cr、或其合金，并且其量是总混杂泡沫重量或体积的0.1％至90％，并且这些孔壁含有单层或少层石墨烯片，其中石墨烯片含有原生石墨烯或选自以下的非原生石墨烯：氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、氟化石墨烯、氯化石墨烯、溴化石墨烯、碘化石墨烯、氢化石墨烯、氮化石墨烯、掺杂石墨烯、化学官能化石墨烯、或其组合。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年6月7日提交的美国专利申请号15/175,775的优先权，该专利申请通过引用结合在此。

技术领域

本发明总体上涉及碱金属电池(例如，锂金属电池或钠金属电池)的领域，并且更具体地，涉及一种具有基于石墨烯/金属混杂泡沫的电极的锂或钠金属二次电池和一种用于生产此电极和电池的方法。

背景技术

对碱金属二次电池的述评

可再充电锂离子(Li-离子)和锂金属电池(例如Li-硫、Li金属-空气、和锂-金属氧化物电池)被认为是用于电动车辆(EV)、混合动力车辆(HEV)和便携式电子装置，如膝上型计算机和手机的有前途的电源。与任何其他金属相比，锂作为金属元素具有最高的容量(3,861mAh/g)。因此，通常，Li金属电池具有比锂离子电池显著更高的能量密度。类似地，Na金属电池具有比相应的钠离子电池更高的能量。

历史上，可再充电锂金属电池使用诸如TiS₂、MoS₂、MnO₂、CoO₂和V₂O₅等非锂化合物作为阴极活性材料来制造，这些阴极活性材料与锂金属阳极耦合。当电池放电时，锂离子通过电解质从锂金属阳极转移到阴极，并且阴极变得锂化。不幸的是，在重复充电/放电时，锂金属导致阳极处形成枝晶，这些枝晶最终生长到穿透隔膜，引起内部短路和爆炸。由于与这一问题有关的一系列事故，在二十世纪九十年代早期停止了这些类型的二次电池的生产。

为了克服这些安全问题，提出了几种替代方法，其中电解质或阳极被改良。第一种方法涉及用石墨(Li插入材料)替代Li金属作为阳极。这种电池的操作涉及使Li离子在分别处于阳极和阴极的两种Li插入化合物之间穿梭；因此，名称为“Li-离子电池”。据推测，由于Li以其离子态而不是金属态存在，Li离子电池固有地比Li金属电池更安全。第二方法需要用干燥聚合物电解质替代液体电解质，产生Li固体聚合物电解质(Li-SPE)电池。然而，由于Li-SPE典型地需要最高达80℃的操作温度，所以其应用非常有限。第三方法涉及可能耐枝晶穿透的固体电解质的使用，但该固体电解质通常在室温下展现出过低的锂离子电导率。此固体电解质方法的替代方案是在阳极活性材料层与隔膜层之间使用刚性固体保护层以使枝晶穿透停止，但是这种典型地基于陶瓷材料的层也具有低离子电导率并且制造和在锂金属电池中实施是困难且昂贵的。此外，此种刚性且脆性的层的实施与现有锂电池制造方法和设备不相容。

虽然锂离子(Li-离子)电池是用于电驱动车辆的有前途的储能装置，但当今技术水平的Li-离子电池尚未满足成本和性能目标。Li-离子电池单元典型地使用锂过渡金属氧化物或磷酸盐作为相对于碳负电极(阳极)在高电势下脱嵌/重新嵌入Li⁺的正电极(阴极)。石墨阳极的比容量是<372mAh/g，并且基于锂过渡金属氧化物或磷酸盐的阴极活性材料的比容量典型地在140-200mAh/g的范围内。因此，可商购的Li-离子电池单元的比能量典型地在120-220Wh/kg的范围内，最典型地在150-180Wh/kg的范围内。这些比能量值比使电池供电的电动车辆被广泛接受所要求的比能量值低两到三倍。