[发明专利]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

说明书

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。

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

本发明是在政府支持下根据能源部批准的合同DE-SC0008684进行的。政府对本发明享有一定的权利。

背景技术

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。

发明内容

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。