[发明专利]多价金属离子电池以及制造方法

说明书

提供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，并且所述阴极包含具有膨胀的石墨烯平面间的空间的石墨或碳材料的阴极活性层，其中如通过X射线衍射测量的平面间间距d？002#191为从0.43nm至2.0nm。此种金属离子电池给予高能量密度、高功率密度以及长循环寿命。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年3月20日提交的美国专利申请号15/463,543的优先权，所述专利申请通过援引并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及可再充电的多价金属电池(例如锌离子电池、镍离子电池、镁离子电池)的领域，并且更具体地，涉及一种含有新的具有膨胀的平面间空间的石墨或碳材料的组的高容量阴极层以及一种制造所述多价金属离子电池的方法。

背景技术

历史上，现今最受欢迎的可再充电能量储存装置-锂离子电池-实际上是从使用锂(Li)金属作为阳极以及Li插层化合物(例如MoS₂)作为阴极的可再充电“锂金属电池”发展而来的。Li金属由于它的轻重量(最轻的金属)、高电负性(相对于标准氢电极为-3.04V)、以及高理论容量(3,860mAh/g)，是理想的阳极材料。基于这些出色的特性，40年前提出了锂金属电池作为高能量密度应用的理想体系。

由于纯锂金属的一些安全性问题，石墨代替锂金属被实施为阳极活性材料以生产目前的锂离子电池。过去的二十年已经见证了Li离子电池在能量密度、倍率性能和安全性方面的持续改进。然而，在Li离子电池中使用基于石墨的阳极具有几个明显的缺点：低比容量(理论容量为372mAh/g，对比Li金属的3,860mAh/g)，长Li插层时间(例如Li进入和离开石墨和无机氧化物颗粒的低固态扩散系数)需要长的再充电时间(例如对于电动车辆电池为7小时)，不能给予高脉冲功率，以及需要使用预锂化阴极(例如锂钴氧化物，对比氧化钴)，由此限制了可用阴极材料的选择。进一步地，这些常用的阴极活性材料具有相对低的锂扩散系数(典型地D约为10^-16-10^-11cm²/sec)。这些因素已造成了现今Li离子电池的一个主要缺点-中等能量密度(典型地150-220Wh/kg_电芯)，但功率密度极低(典型地<0.5kW/kg)。

超级电容器正被考虑用于电动车辆(EV)、可再生能量储存以及现代网格应用。超级电容器的相对高的体积电容密度(比电解电容器的体积电容密度大10至100倍)源于使用多孔电极来产生有益于形成扩散双层电荷的大表面积。当施加电压时，此双电层电容(EDLC)在固体电解质界面处自然产生。这意味着超级电容器的比电容是与电极材料(例如活性炭)的比表面积成正比例的。此表面积必须是电解质可达的，并且所得界面区域必须足够大以容纳EDLC电荷。

此EDLC机制基于表面离子吸附。所需的离子预先存在于液体电解质中，并且不是来自相反电极。换句话说，待沉积在负电极(阳极)活性材料(例如，活性炭颗粒)的表面上的所需离子不是来自正电极(阴极)侧，并且待沉积在阴极活性材料的表面上的所需离子不是来自阳极侧。当超级电容器再充电时，局部正离子靠近负电极的表面沉积，其中其消光负离子并排靠近停留(典型地通过电荷的局部分子或离子极化)。在另一个电极处，负离子靠近此正电极的表面沉积，其中消光正离子并排靠近停留。同样，在阳极活性材料与阴极活性材料之间不存在离子交换。

在一些超级电容器中，由于一些局部电化学反应(例如，氧化还原反应)，存储的能量通过赝电容效应进一步增大。在此种赝电容器中，氧化还原对中涉及的离子也预先存在于同一电极中。同样，在阳极与阴极之间不存在离子交换。