[发明专利]有受保护的石墨碳阴极层的多价金属离子电池及制造方法

权利要求书

1.一种多价金属离子电池，其包括阳极、阴极、以及电解质，所述电解质与所述阳极和所述阴极处于离子接触以负载所述阳极处的多价金属的可逆的沉积和溶解，所述多价金属选自Ni、Zn、Be、Mg、Ca、Ba、La、Ti、Ta、Zr、Nb、Mn、V、Co、Fe、Cd、Cr、Ga、In、或其组合，其中所述阳极含有作为阳极活性材料的所述多价金属或其合金，并且所述阴极包含作为阴极活性材料的石墨碳颗粒或纤维的阴极活性层，所述阴极活性材料插层/脱插层所述多价金属的离子，并且其中所述石墨碳颗粒或纤维涂覆有保护层，所述保护层选自以下项的材料：碳化树脂、离子传导聚合物、导电聚合物、或其组合，其中所述离子传导聚合物选自由以下项组成的组：磺化聚合物、聚环氧丙烷(PPO)、聚双甲氧基乙氧基乙醇盐-磷腈、聚二甲基硅氧烷、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯(PVDF-HFP)、及其组合，其中所述导电聚合物选自由以下项组成的组：聚呋喃、双环聚合物、其衍生物、及其组合，并且所述保护层可透过所述多价金属的离子或溶解在所述电解质中的离子并且所述保护层防止或减少所述石墨碳颗粒或纤维中石墨平面的膨化，其中所述石墨碳颗粒或纤维具有在涂覆有所述保护层之前被至少部分地除去的硬碳或无定形碳表面。

2.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其中所述阴极活性层中的所述石墨碳颗粒或纤维选自中间相沥青、中间相碳、膨胀石墨薄片、天然石墨颗粒、含有石墨微晶的无定形石墨、高度取向的热解石墨、多壁碳纳米管、碳纤维、或其组合。

3.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其中所述阴极活性层中的所述石墨碳颗粒或纤维选自中间相碳微球(MCMB)、焦炭颗粒/针状物、软碳颗粒、硬碳颗粒、碳纳米纤维、石墨纤维、碳化聚合物纤维、或其组合。

4.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其中所述阴极活性层中的所述石墨碳纤维含有针状焦炭、碳纤维、多壁碳纳米管、或其组合，并且所述石墨碳纤维具有短于10μm的长度。

5.如权利要求4所述的多价金属离子电池，其中所述阴极活性层中的所述石墨碳纤维含有碳纳米纤维、石墨纤维、或其组合。

6.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其中所述磺化聚合物可选自下组，所述组由以下项组成：聚(全氟磺酸)、磺化聚(四氟乙烯)、聚四氟乙烯的磺化全氟烷氧基衍生物、磺化聚砜、磺化聚(醚酮)、磺化聚(醚醚酮)、磺化聚酰亚胺、磺化苯乙烯-丁二烯共聚物、磺化聚苯乙烯、磺化聚氯-三氟乙烯(PCTFE)、磺化全氟乙烯-丙烯共聚物(FEP)、磺化乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)、磺化聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯与六氟丙烯和四氟乙烯的磺化共聚物、乙烯和四氟乙烯的磺化共聚物(ETFE)、聚苯并咪唑(PBI)、它们的化学衍生物、其共聚物、及其组合。

7.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其进一步包括负载所述多价金属或其合金的阳极集流体或者进一步包括负载所述石墨碳颗粒或纤维的阴极活性层的阴极集流体。

8.如权利要求7所述的多价金属离子电池，其中所述阳极集流体含有导电纳米级长丝的一体化纳米结构，所述导电纳米级长丝是互连的以形成包含互连的孔的电子传导路径的多孔网络，其中所述长丝具有小于500nm的横向尺寸。

9.如权利要求8所述的多价金属离子电池，其中所述长丝包含选自下组的导电材料，所述组由以下项组成：电纺纳米纤维、气相生长碳纳米纤维、碳晶须、碳纳米管、纳米级石墨烯片晶、金属纳米线、及其组合。

10.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其中所述电解质选自水性电解质、有机电解质、熔盐电解质、离子液体电解质、或其组合。

11.如权利要求10所述的多价金属离子电池，其中所述电解质选自聚合物电解质。