[发明专利]氟离子电池的阳极

说明书

本发明提供了一种用于氟离子电化学电池的阳极，该阳极包含硬碳、氮掺杂石墨、硼掺杂石墨、T15subgt;2/subgt;、MoSsubgt;2/subgt;、TiSesubgt;2/subgt;、MoSesubgt;2/subgt;、VSsubgt;2/subgt;、VSesubgt;2/subgt;、碱土金属氮化物的电子化合物、金属碳化物的电子化合物，以及它们的组合的层状材料。阳极可包括在氟离子电化学电池中，氟离子电化学电池附加地包括阴极和布置在阴极和阳极之间的氟离子电解质。在电化学电池的充电或放电期间，阴极和阳极中的至少一者与电解质可逆地交换氟离子。

背景技术

一般来讲，电化学电池(例如，电池)包括正极(在放电期间为阴极)、负极(在放电期间为阳极)和电解质，该电解质包含一种或多种离子物质，离子物质充当在阴极和阳极之间提供离子传输的电荷载体。在电化学电池的充电和放电期间，电极与电解质交换离子并且与外部电路(例如，负载或充电器)交换电子。许多广泛可用的电池系统基于阳离子电极反应，其中电极从电解质中捕获或释放阳离子并使电荷与外部电路中的电子平衡。由于其极低的电化学氧化/还原电势和轻重量，元素锂(Li)通常用于基于阳离子的电池系统。锂电池和锂离子电池两者均可商购获得并广泛使用。

然而，锂金属或含锂电极的电化学存在商业使用的问题。就这一点而言，锂金属是高反应性的，并且必须采取预防措施以便以安全形式(例如，嵌入物)存储锂，从而增加电池重量并降低能量密度。例如，单个的锂离子电池和锂离子电池组通常包含昂贵的电压和热控制电路，以在电压或温度超出最佳操作范围时关闭电池。

基于氟阴离子的电极反应提供了锂电池和锂离子电池的替代方案。例如，在氟离子电池(FIB)中，阳极和阴极在物理上彼此分开，但与氟阴离子导电电解质共同接触。阳极和阴极通常由低电势元素或化合物(例如，金属、金属氟化物或嵌入组合物诸如石墨)形成，其中阴极材料具有比阳极材料更高的电势。氟阴离子导电电解质中的氟阴离子(F^-)在放电期间从阴极移动到阳极，并且在电池充电期间从阳极移动到阴极。

氟离子电池由于其反应机制而可能具有高的理论容量，其中两个电极(阳极和阴极)均可参与电解质的电子或离子转移。

到目前为止，尽管已观察到理想的阴极反应例如但在非水有机电解质溶液中，尚未确认出理想的阳极反应例如因为这种反应的超电势很大。

发明内容

根据一个方面，一种电化学电池，包括：阴极；阳极，该阳极包括选自由以下项构成的组的层状材料：硬碳、氮掺杂石墨、硼掺杂石墨、TiS₂、MoS₂、TiSe₂、MoSe₂、VS₂、VSe₂、碱土金属氮化物的电子化合物、金属碳化物的电子化合物，以及它们的组合；以及氟离子电解质，该氟离子电解质布置在阴极和阳极之间。在电化学电池的充电或放电期间，阴极和阳极中的至少一者与电解质可逆地交换氟离子。

根据另一方面，一种制作电化学电池的方法包括：制备阳极，包括以下操作：a)提供金属基底；b)通过混合60重量％-95重量％的层状材料、1重量％-20重量％的导电碳和1重量％-20重量％的液体粘结剂来在惰性气氛中制备浆液，该层状材料选自由以下项构成的组：硬碳、氮掺杂石墨、硼掺杂石墨、TiS₂、MoS₂、TiSe₂、MoSe₂、VS₂、VSe₂、碱土金属氮化物的电子化合物、金属碳化物的电子化合物，以及它们的组合；c)将浆液沉积在金属基底上；以及d)在真空下干燥浆液，从而制备阳极。该方法包括：提供氟离子电解质；以及将电解质布置在阳极和阴极之间。