金属离子电池包括：(1)阳极，其包含铝；(2)阴极，其包含层状活性材料；和(3)电解质，其设置在所述阳极与所述阴极之间以支持铝在阳极处的可逆沉积及溶解和阴离子在阴极处的可逆嵌入及脱嵌。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年2月28日提交的美国临时申请号61/946,618，2014年11月6日提交的美国临时申请号62/076,420，和2015年2月13日提交的美国专利申请号14/622,692的权益，其公开内容以其全部通过引用被并入本文。背景由于铝(Al)的低成本、低可燃性和3-电子氧化还原性质，可充电Al基电池可提供成本效益、高容量和安全性，导致能量储存技术的突破。然而，在过去若干年中对可充电Al电池的研究尚未与其它类型电池同样成功，其面临阴极材料的崩解、低电池放电电压、无放电电压平台的电容性能、及伴随快速电池容量衰减的循环寿命不充足的问题。在此背景下，产生对开发本公开的实施方式的需求。概述在某些实施方式中，金属离子电池包括：(1)阳极，其包含铝；(2)阴极，其包含层状活性材料；和(3)电解质，其设置于阳极与阴极之间，以支持铝在阳极处的可逆沉积及溶解和阴离子在阴极处的可逆嵌入及脱嵌(intercalationanddeintercalation)。在一些实施方式中，层状活性材料为石墨。在一些实施方式中，石墨为热解石墨。在一些实施方式中，层状活性材料为层状双氢氧化物、层状氧化物、或层状硫属元素化物。在一些实施方式中，层状活性材料具有在0.05至0.95范围内的孔隙率。在一些实施方式中，电解质对应于卤化铝与离子液体的混合物，且卤化铝与离子液体的摩尔比大于1.1。在一些实施方式中，卤化铝为AlCl3，且离子液体为氯化1-乙基-3-甲基咪唑(1-ethyl-3-methylimidazoliumchloride)。在一些实施方式中，AlCl3与氯化1-乙基-3-甲基咪唑的摩尔比大于1.2。在一些实施方式中，电解质的水含量不大于1,000ppm。在另外的实施方式中，金属离子电池包括：(1)铝阳极；(2)多孔石墨阴极；和(3)离子液体电解质，其设置于铝阳极与多孔石墨阴极之间。在一些实施方式中，多孔石墨阴极具有在0.05至0.95范围内的孔隙率。在一些实施方式中，孔隙率在0.3至0.9的范围内。在一些实施方式中，离子液体电解质对应于卤化铝与离子液体的混合物，且卤化铝与离子液体的摩尔比大于1.1。在一些实施方式中，离子液体电解质的水含量不大于1,000ppm。在一些实施方式中，水含量不大于400ppm。在另外的实施方式中，金属离子电池的制造方法包括：(1)提供阳极，所述阳极包含铝；(2)提供阴极，所述阴极包含能够在充电期间嵌入离子且在放电期间使所述离子脱嵌的活性材料，其中活性材料选自含碳材料、含硅材料、及含锗材料的至少一种；和(3)提供电解质，所述电解质能够支持铝在阳极处的可逆沉积及溶解和离子在阴极处的可逆嵌入及脱嵌。在一些实施方式中，提供阴极包括提供多孔石墨材料。在一些实施方式中，提供多孔石墨材料包括通过在多孔牺牲模板上沉积而形成石墨泡沫。在一些实施方式中，提供多孔石墨材料包括通过电化学析氢(electrochemicalevolution)使得石墨材料膨胀。在一些实施方式中，提供电解质包括电化学干燥电解质，使得电解质的水含量不大于400ppm。在另外的实施方式中，用于金属离子电池的石墨泡沫通过在牺牲模板上进行化学气相沉积，接着蚀刻移除牺牲模板而形成。在另外的实施方式中，制造方法包括电化学干燥电解质以减少电解质的水含量。在进一步的实施方式中，多孔石墨的形成方法包括：电化学剥离石墨，接着进行析氢反应以使得剥离的石墨膨胀。本公开的其它方面和实施方式也被考虑。前述概述和以下详细的描述并非意欲将本公开限于任何特定实施方式，而是仅意欲描述本公开的一些实施方式。附图简述为更好地理解本公开的一些实施方式的本质及目标，应参考与附图结合的以下详细描述。图1：金属离子电池的示意图。图2：可充电Al电池。a，Al/石墨电池在放电期间的示意图。在AlCl3/[EMIm]Cl呈最佳比的离子液体电解质中，铝箔被用作阳极，热解石墨箔或三维(3D)石墨泡沫被用作阴极。在阳极侧，金属Al、AlCl4-及Al2Cl7-分别为充电和放电反应期间的活性种类。在阴极侧，AlCl4-主要在充电和放电反应期间分别在石墨层平面之间的间距中嵌入和脱嵌。b，在约66mAg-1的电流密度下Al/热解石墨电池的恒流充电(galvanostaticcharge)和放电曲线。插图显示电池的充电及放电循环。c，在约66mAg-1下的Al/热解石墨电池的长期稳定性测试。电池可被循环至约100％的放电深度至少200次循环，且显现出大于约97％的库仑效率。电化学研究在Swagelok型电池中在约1.3∶1(按摩尔比)的AlCl3：[EMIm]Cl离子液体电解质中进行。图3：超快且稳定的可充电Al电池。a，扫描电子显微镜影像，其显示具有开放框架结构的3D石墨泡沫(泡沫骨架中的石墨晶须(graphiticwhisker)的尺寸约为100μm)。比例尺等于300μm。插图：泡沫的照片。比例尺等于1cm。b，在约4,000mAg-1的电流密度下的Al/3D石墨电池的恒流充电及放电曲线。放电截止电压被设定为约0.5V，以减轻离子液体电解质中的Ni箔(集电器)的溶解反应。c，在约4,000mAg-1的恒定电流密度下7,500次充电及放电循环的Al/3D石墨电池的长期稳定性测试。d，在约5,000mAg-1下充电且在约100至约5,000mAg-1范围的各种电流密度下放电。电化学研究在袋状电池(pouchcell)中的AlCl3/[EMIm]Cl＝约1.3(按摩尔计)的离子液体电解质中进行。图4：Al离子电池反应机制。a，在约10mVs-1的扫描速率下的Al箔和热解石墨(PG)对Al电极的循环伏安法曲线。b，通过第二循环的各种充电及放电状态中的PG的非原位(Exsitu)X射线衍射(XRD)图案。c，通过充电-放电循环针对PG阴极记录的原位拉曼光谱，其显示氯铝酸根(chloroaluminate)阴离子嵌入至石墨中/自石墨脱嵌。d，在空气中在约850℃煅烧完全充电(约62mAhg-1)的PG之后，样本变换成由氧化铝制成的白色泡沫。比例尺对应于1cm。所有电化学研究在AlCl3/[EMIm]Cl＝约1.3(按摩尔计)的离子液体电解质中进行。图5：通过X射线光电子光谱学(XPS)及俄歇电子光谱学(AES)进行的石墨阴极的化学探测。a，原来的3D石墨、完全充电的及完全放电的3D石墨的C1s峰的XPS数据，其显示石墨在完全充电时处于氧化状态。b、c，对完全充电的石墨样本观察到的Al2p及Cl2p峰的XPS数据。Al2p及Cl2p峰强度的强度在完全放电的状态中降低，且剩余信号归因于样本中残余捕获的电解质。d，C、Al及Cl元素的AES映像影像，其用完全充电的石墨样本获得。C、Al及Cl的均匀分布的信号和极佳信号覆盖(signaloverlay)指示AlxCly-阴离子在充电时嵌入至石墨中。e，在d中由白色框标记的区域上记录的AES光谱，其显示Cl、C、O及Al信号的共存。f，C、Al及Cl元素的AES映像影像，其使用由白色框标记的区域中的完全放电的石墨样本获得。在放电样本中可见到小的Al及Cl信号。g，在具有放电样本的f中的画框区域上记录的A本文档来自技高网...
【技术保护点】
金属离子电池，其包括：阳极，其包含铝；阴极，其包含层状活性材料；和电解质，其设置于所述阳极与所述阴极之间，以支持铝在所述阳极处的可逆沉积及溶解和阴离子在所述阴极处的可逆嵌入及脱嵌。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.28 US 61/946,618;2014.11.06 US 62/076,420;1.金属离子电池，其包括：阳极，其包含铝；阴极，其包含层状活性材料；和电解质，其设置于所述阳极与所述阴极之间，以支持铝在所述阳极处的可逆沉积及溶解和阴离子在所述阴极处的可逆嵌入及脱嵌。2.权利要求1所述的电池，其中所述层状活性材料为石墨。3.权利要求2所述的电池，其中所述石墨为热解石墨。4.权利要求1所述的电池，其中所述层状活性材料为层状双氢氧化物、层状氧化物、或层状硫属元素化物。5.权利要求1所述的电池，其中所述层状活性材料具有0.05至0.95的范围内的孔隙率。6.权利要求1所述的电池，其中所述电解质对应于卤化铝与离子液体的混合物，且所述卤化铝与所述离子液体的摩尔比大于1.1。7.权利要求6所述的电池，其中所述卤化铝为AlCl3，且所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑氯化物。8.权利要求7所述的电池，其中AlCl3与1-乙基-3-甲基咪唑氯化物的摩尔比大于1.2。9.权利要求1所述的电池，其中所述电解质的水含量不大于1,000ppm。10.金属离子电池，其包括：铝阳极；多孔石墨阴极；和离子液体电解质，其设置于所述铝阳极与所...
【专利技术属性】
技术研发人员：H·戴，MC·林，M·宫，B·卢，Y·吴，
申请(专利权)人：里兰斯坦福初级大学理事会，财团法人工业技术研究所，
类型：发明
国别省市：美国;US
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