A multivalent metal ion battery is provided, which includes an anode, a cathode, and an electrolyte. The electrolyte is in ion contact with the anode and the cathode to support reversible deposition and dissolution of the multivalent metal at the anode. The multivalent metal is selected from Ni, Zn, be, Mg, CA, Ba, La, Ti, Ta, Zr, Nb, Mn, V, Co, Fe, CD, Cr, GA, in, or a combination thereof, The anode comprises the multivalent metal or alloy thereof as the anode active material, and the cathode comprises a cathode active layer coated with graphite carbon particles or fibers of the protective material. The metal ion battery provides high energy density, high power density and long cycle life.
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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相关申请的交叉引用本申请要求于2017年3月22日提交的美国专利申请号15/466,286的优先权，所述专利申请通过援引并入本文。
本专利技术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、钙离子电池、或镁离子电池等)的领域，并且更具体地，涉及一种含有石墨碳颗粒或纤维的阴极层以及一种制造所述多价金属离子电池的方法。
技术介绍
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...
【技术保护点】
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。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170322 US 15/466,2861.一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。
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、中间相碳微球(MCMB)、焦炭颗粒/针状物、膨胀石墨薄片、人造石墨颗粒、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、软碳颗粒、硬碳颗粒、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、石墨纳米纤维、石墨纤维、碳化聚合物纤维、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纤维含有针状焦炭、碳纳米纤维、碳纤维、石墨纳米纤维、石墨纤维、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。
4.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其中所述保护层含有选自以下项的材料：还原的氧化石墨烯、碳化树脂、离子传导聚合物、导电聚合物、或其组合。
5.如权利要求4所述的多价金属离子电池，其中所述导电聚合物选自聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚呋喃、双环聚合物、其衍生物、或其组合。
6.如权利要求4所述的多价金属离子电池，其中所述离子传导聚合物选自磺化聚合物、聚(环氧乙烷)(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚(丙烯腈)(PAN)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(偏二氟乙烯)(PVdF)、聚双甲氧基乙氧基乙醇盐-磷腈、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯(PVDF-HFP)、或其组合。
7.如权利要求6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、其共混物、及其组合。
8.如权利要求1所述的多价金属离子电池，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。
9.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或碳材料的阴极活性层的阴极集流体。
10.如权利要求9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。
11.如权利要求10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、气相生长碳或石墨纳米纤维、碳或石墨晶须、碳纳米管、纳米级石墨烯片晶、金属纳米线、及其组合。
12.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、聚合物电解质、熔盐电解质、离子液体电解质、或其组合。
13.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其中所述电解质含有NiSO4、ZnSO4、MgSO4、CaSO4、BaSO4、FeSO4、MnSO4、CoSO4、VSO4、TaSO4、CrSO4、CdSO4、GaSO4、Zr(SO4)2、Nb2(SO4)3、La2(SO4)3、BeCl2、BaCl2、MgCl2、AlCl3、Be(ClO4)2、Ca(ClO4)2、Mg(ClO4)2、Mg(BF4)2、Ca(BF4)2、Be(BF4)2、格氏试剂、三(3,5-二甲基苯基硼烷、三(五氟苯基)硼烷、二丁基二苯基镁Mg(BPh2Bu2)2、三丁基苯基镁Mg(BPhBu3)2)、或...
【专利技术属性】
技术研发人员：阿茹娜·扎姆，张博增，
申请(专利权)人：纳米技术仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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