[发明专利]水性铝离子电池、混合式电池-电容器、所述电池和电池-电容器的组合物以及相关的制造和使用方法

说明书

本文描述了一种水性铝离子电池，其特征在于铝或铝合金/复合阳极、水性电解质和锰氧化物、铝硅酸盐或聚合物基阴极。所述电池经由电化学反应运行，所述电化学反应需要铝离子在阳极和阴极之间的实际传输。本文所描述的组合物和结构允许本文所描述的水性铝离子电池实现：(1)提高的电荷存储容量；(2)提高的重量和/或体积能量密度；(3)提高的倍率性能和功率密度(短时间充放电能力)；(4)增加的循环寿命；(5)增加的电极机械强度；(6)提高的电极电化学稳定性；(7)提高的电极电导率，和(8)离子在电极和电解质中的改善的扩散动力学。

优先权申请

本申请要求2019年3月8日提交的第62/815,770号美国临时专利申请的权益，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及水性铝离子电池、混合式电池-电容器、阴极组合物、阳极组合物、粘合剂组合物及其制造和使用方法。

发明内容

本公开包括水性铝离子电池、混合式电池-电容器、阴极组合物、阳极组合物、粘合剂组合物及其制造和使用方法。

例如，本文描述了一种水性铝离子电池，其特征在于铝或铝合金/复合材料阳极、水性电解质和锰氧化物基[例如，MnO或MnO₂或Mn_xO_y(例如，Mn(II)、Mn(II-x)、Mn(III)、Mn(III-x)、Mn(IV)、Mn(IV-x)、Mn(V)、Mn(V-x)、Mn(VI)、Mn(VI-x)、Mn(VII)和Mn(VII-x)，其中x在0和1之间)]、铝硅酸盐基(例如，Al₂SiO₅)或聚合物基阴极。电池经由电化学反应运行，所述电化学反应需要铝离子在阳极和阴极之间的实际传输。在某些实施例中，本文所描述的组合物和结构允许本文所描述的水性铝离子电池实现：(1)提高的电荷储存容量；(2)提高的重量和/或体积能量密度；(3)提高的倍率性能和功率密度(短时间充放电能力)；(4)增加的循环寿命；(5)增加的电极机械强度；(6)提高的电极电化学稳定性；(7)提高的电极电导率，和(8)离子在电极和电解质中的改善的扩散动力学。

在一个方面中，本发明涉及一种铝离子电池，其包含：包含选自由铝、铝合金和铝复合材料组成的群组中的一或多个成员的阳极；水性电解质；以及包含选自由锰氧化物[例如，MnO或MnO₂或Mn_xO_y(例如，Mn(II)、Mn(II-x)、Mn(III)、Mn(III-x)、Mn(IV)、Mn(IV-x)、Mn(V)、Mn(V-x)、Mn(VI)、Mn(VI-x)、Mn(VII)和Mn(VII-x)，其中x在0和1之间)]、铝硅酸盐(例如，Al₂SiO₅)和聚合物组成的群组中的一或多个成员的阴极。在某些实施例中，阴极包含选自由MnO[锰(II)氧化物]、Mn₃O₄[锰(II,III)氧化物]、Mn₂O₃[锰(III)氧化物]、MnO₂[二氧化锰，又称锰(IV)氧化物]、MnO₃[锰(VI)氧化物]和Mn₂O₇[锰(VII)氧化物]组成的群组中的一或多种锰氧化物。

在某些实施例中，阳极、水性电解质和阴极被布置成促进铝离子(例如，Al³⁺)在阳极和阴极之间的传输。

在某些实施例中，电池的电荷储存容量在25mAh/g至500mAh/g的范围内(单位为毫安-小时/每克所述电池中的活性材料)。

在某些实施例中，电池以1C至0.01C范围内的速率输送电荷(其中nC的速率被定义为1/n小时内的充电或放电)。