用于可充电金属离子电池的改进的电解质、集电器和粘合剂制造技术

金属离子电池包括：1)包含金属的阳极；2)阴极；和3)布置在阳极和阴极之间的离子液体电解质，其中离子液体电解质对应于金属卤化物和有机化合物的混合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于可充电金属离子电池的改进的电解质、集电器和粘合剂相关申请的交叉引用本申请要求2015年12月15日提交的美国临时申请号62/267,429的权益，其内容通过引用以其全部并入本文。关于联邦赞助研究或开发的声明本专利技术是在政府支持下根据能源部批准的合同DE-SC0008684进行的。政府对本专利技术享有一定的权利。
技术介绍
由于铝的高天然丰度和三种电子氧化还原性质，铝离子电池提供了大规模储存可再生能源的理想选择。然而，铝离子电池面临几个挑战，这由本公开内容的实施方式解决。正是在这种背景下，产生了研发本公开内容的实施方式的需要。
技术实现思路
在一些实施方式中，作为基于1-乙基-3-甲基咪唑鎓(EMI)的电解质的替代物的改进的铝(Al)-离子电池电解质被开发，其益处在于包括在充电期间用于铝沉积的阳离子电活性物类并且降低了电解质的成本。离子液体包括氯化铝(AlCl3)和配体(配体＝尿素、乙酰胺、或4-丙基吡啶)的混合物或者由其形成。AlCl3经历不对称解离以形成四氯铝酸盐阴离子(AlCl4-)和氯化铝阳离子(AlCl2+)，其中配体配位地结合至(或者经由共享孤对电子通过配位缔合)AlCl2+阳离子，形成([AlCl2.n(配体)]+)，并且所得的离子液体被用作Al离子电池的电解质。基于尿素的离子液体电解质是特别成功的电解质系统，其提供电压曲线类似于基于AlCl3/1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯化物(EMIC)的电解质的Al离子电池。使用基于尿素的电解质，电池的理论能量密度从大约64Wh/kg(在基于EMIC的系统中)增加至至少大约71Wh/kg，这归因于尿素的较小分子量和在电池的充电期间涉及铝沉积的铝基离子的数量。该系统在大约1.75V处产生放电平台和至少大约76-78mAh/g的比容量，以及至少大约99％的库伦效率。开发了其他改进的电解质，其包括三甲基苯基氯化铵/AlCl3混合物。这些改进的电解质对于开发更高温电池(例如，大约20℃-70℃)是令人期望的，这归因于三甲基苯基铵阳离子的增加的热稳定性。此外，描述了去除水/HCl以抑制副反应并且延长电池循环寿命的电解质纯化方法。而且，开发了用于Al离子电池的石墨阴极的改进的集电器以减轻基于AlCl3的离子液体中金属基底的腐蚀问题。开发了耐腐蚀集电器以允许长的循环能力，并且，耐腐蚀集电器是柔性的，因而允许制造柔性电池。而且，为Al离子电池的阴极开发了用于石墨颗粒(例如，纳米颗粒)的改进的聚合物粘合剂。本公开内容的一些实施方式的铝离子电池可以是便宜的并且可以具有高倍率性能，可以允许电池在大约-40℃至大约70℃的宽温度范围运转，并且在可再生能源存储(电网规模存储或家庭备用电池)的应用中可以是有益的。而且，涉及在大约1.75V的电压下运转的电池的应用，其包括便携式电子设备、或混合动力电动车辆(由于其长的循环寿命，通常使用镍金属氢化物电池)，可以受益于一些实施方式的电池的使用。此外，一些实施方式的耐腐蚀集电器和阴极材料可以是柔性的并且允许制造柔性电池和可穿戴的电子设备。在一些实施方式中，金属离子电池包括：1)包含金属的阳极；2)阴极；和3)布置在阳极和阴极之间的离子液体电解质，其中离子液体电解质对应于金属卤化物和有机化合物的混合物。在一些实施方式中，电池运转温度是大约-40℃至大约70℃，或大约-30℃至大约60℃。在一些实施方式中，金属是铝，并且金属卤化物是卤化铝。在一些实施方式中，卤化铝是AlCl3，并且有机化合物是酰胺。在一些实施方式中，酰胺是尿素。在一些实施方式中，在混合物中AlCl3：尿素的摩尔比是在大约1.1至大约1.7的范围内。在一些实施方式中，卤化铝是AlCl3，并且有机化合物包括选自N-(正丁基)吡啶鎓、苄基三甲基铵、1,2-二甲基-3-丙基咪唑鎓、三己基十四烷基鏻、和1-丁基-1-甲基-吡咯烷鎓的阳离子，和选自四氟硼酸根、三氟甲磺酸根、和双(三氟甲磺酰基)酰亚胺的阴离子。在一些实施方式中，卤化铝是AlCl3，并且有机化合物选自4-丙基吡啶、乙酰胺、三甲基苯基氯化铵，和1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯化物。在一些实施方式中，离子液体电解质包括配位地结合至有机化合物的卤化铝阳离子。在一些实施方式中，阴极包括亲水性聚合物粘合剂和与该亲水性聚合物粘合剂掺合的阴极活性材料。在一些实施方式中，阴极活性材料选自石墨颗粒、天然石墨片、硫颗粒、硒颗粒、黑磷颗粒、和黑磷膜。在一些实施方式中，阴极活性材料包括天然石墨片，该天然石墨片相对于石墨G带不具有或具有非常低的缺陷密度或低D拉曼带，并且具有在大约1μm至大约500μm、大约10μm至大约400μm或大约20μm至大约300μm范围内的大小，或具有在所述范围内的至少一个尺寸。在一些实施方式中，亲水性聚合物粘合剂包括选自聚丙烯酸、聚乙烯醇、纤维素、纤维素衍生物、藻酸盐、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)、和聚苯乙烯磺酸酯的一种或多种聚合物。在一些实施方式中，阴极包括作为集电器的金属基底，并且任选地金属基底被施加保护涂层。在一些实施方式中，金属基底是镍基底，并且保护涂层是衍生自从溶液或气相沉积在金属基底上的有机化合物的热解的碳质材料、或沉积在金属基底上的导电聚合物、或沉积在金属基底上的钨的涂层。在一些实施方式中，金属基底是钨基底。在一些实施方式中，阴极包括作为集电器的纤维状碳质基底。在一些实施方式中，纤维状碳质基底是碳纤维纸、碳纤维布、石墨纤维纸、或石墨纤维布。在一些实施方式中，制造金属离子电池的方法包括：1)提供包含铝的阳极；2)提供阴极；和3)提供离子液体电解质，其中提供离子液体电解质包括：a)将卤化铝和有机化合物组合以形成离子液体；和b)在离子液体中添加铝以与水和由与水相关的副反应产生的其他产物反应，并且使离子液体经受真空大约0.2h至大约24h以去除残留的水、盐酸或有机杂质。在一些实施方式中，真空是大约0.1托或更小。在一些实施方式中，提供离子液体电解质进一步包括使有机化合物经受在真空加热至大约60℃至大约110℃、或大约70℃至大约110℃，以去除水，然后在搅拌下与卤化铝缓慢组合，同时冷却以维持大约室温的温度。在一些实施方式中，卤化铝是AlCl3，并且有机化合物是酰胺。在一些实施方式中，酰胺是尿素。在一些实施方式中，AlCl3:尿素的摩尔比是在大约1.1至大约1.7的范围内。在一些实施方式中，卤化铝是AlCl3，并且有机化合物包括选自N-(正丁基)吡啶鎓、苄基三甲基铵、1,2-二甲基-3-丙基咪唑鎓、三己基十四烷基鏻、和1-丁基-1-甲基-吡咯烷鎓的阳离子，和选自四氟硼酸根、三氟甲磺酸根、和双(三氟甲磺酰基)酰亚胺的阴离子。在一些实施方式中，卤化铝是AlCl3，并且有机化合物选自4-丙基吡啶、乙酰胺、三甲基苯基氯化铵和1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯化物。在一些实施方式中，方法进一步包括在阳极和阴极之间提供分隔器，其选自多孔隔膜，诸如多孔玻璃纤维纸、再生纤维素隔膜、聚酯隔膜或聚醚砜隔膜、或其他疏水隔膜诸如聚乙烯隔膜，其中多孔隔膜任选地用亲水性聚合物诸如聚丙烯酸和聚乙烯醇涂布，并且通过加热交联。在一些实施方式中，分隔器是多孔玻璃纤维纸，并且多孔玻璃纤维纸的厚度是在大约20μm至大约300μm的范围内。在一些实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属离子电池，其包括：包含金属的阳极；阴极；和布置在所述阳极和所述阴极之间的离子液体电解质，其中所述离子液体电解质对应于金属卤化物和有机化合物的混合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.15 US 62/267,4291.一种金属离子电池，其包括：包含金属的阳极；阴极；和布置在所述阳极和所述阴极之间的离子液体电解质，其中所述离子液体电解质对应于金属卤化物和有机化合物的混合物。2.根据权利要求1所述的金属离子电池，其中电池运转温度是大约-30℃至大约60℃。3.根据权利要求1所述的金属离子电池，其中所述金属是铝，并且所述金属卤化物是卤化铝。4.根据权利要求3所述的金属离子电池，其中所述卤化铝是AlCl3，并且所述有机化合物是酰胺。5.根据权利要求4所述的金属离子电池，其中所述酰胺是尿素。6.根据权利要求5所述的金属离子电池，其中所述混合物中的AlCl3:尿素的摩尔比在大约1.1至大约1.7的范围。7.根据权利要求3所述的金属离子电池，其中所述卤化铝是AlCl3，并且所述有机化合物包括选自N-(正丁基)吡啶鎓、苄基三甲基铵、1,2-二甲基-3-丙基咪唑鎓、三己基十四烷基鏻、和1-丁基-1-甲基-吡咯烷鎓的阳离子，和选自四氟硼酸根、三氟甲磺酸根、和双(三氟甲磺酰基)酰亚胺的阴离子。8.根据权利要求3所述的金属离子电池，其中所述卤化铝是AlCl3，并且所述有机化合物选自4-丙基吡啶、乙酰胺、三甲基苯基氯化铵、和1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯化物。9.根据权利要求3所述的金属离子电池，其中所述离子液体电解质包括配位地结合至所述有机化合物的卤化铝阳离子。10.根据权利要求1所述的金属离子电池，其中所述阴极包括亲水性聚合物粘合剂和与所述亲水性聚合物粘合剂掺合的阴极活性材料。11.根据权利要求10所述的金属离子电池，其中所述阴极活性材料选自石墨颗粒、天然石墨片、硫颗粒、硒颗粒、黑磷颗粒、和黑磷膜。12.根据权利要求10所述的金属离子电池，其中所述阴极活性材料包括具有大约20μm至大约300μm范围内的尺寸的天然石墨片。13.根据权利要求10所述的金属离子电池，其中所述亲水性聚合物粘合剂包括选自聚丙烯酸、聚乙烯醇、纤维素、纤维素衍生物、藻酸盐、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)、和聚苯乙烯磺酸酯的一种或多种聚合物。14.根据权利要求1所述的金属离子电池，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：H戴，MR安杰尔，Y吴，M龚，C元，
申请(专利权)人：里兰斯坦福初级大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国,US