CN108206298A - 金属离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属离子电池，包含：第一腔体，第二腔体以及，控制单元。上述第一腔体包含正极、负极、隔离层、以及第一电解质设置于该第一腔体中，其中该隔离层设置于该正极及该负极之间；上述第二腔体包含第二电解质设置于该第二腔体中，其中该第一电解质与该第二电解质的组成比例不同；以及，上述控制单元是用以控制该第二腔体内的第二电解质是否藉由第一通道添加至该第一腔体中。本发明的金属离子电池可以依据操作环境作最佳的调整。

Description

金属离子电池
技术领域
本发明关于一种储能元件，更特别关于一种金属离子电池。
背景技术
铝在地球上蕴藏量非常丰富，以铝作为材料的电子装置具有较低的成本。在储能元件的应用方面，铝在电化学充放电的过程中电子转移数目可达到三，因此可提供较高的能量储存容量。再者，由于铝具有低可燃性及电子氧化还原性质，大幅提升金属离子电池在使用上的安全性。
然而，传统金属离子电池的电解质组成是针对电池在室温下运作所设计，若在较低温度下运作，恐造成金属离子电池失效。反之，若将金属离子电池的电解质针对在低温下运作进行设计，则该金属离子电池在室温下则无法正常运作。
因此，业界需要一种新颖的金属离子电池，以解决习知技术所遭遇到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属离子电池，其可以依据操作环境作最佳的调整，因而基本上克服了现有技术中的种种缺陷。
根据本发明实施例，本发明提供一种储能元件，例如为金属离子电池。该金属离子电池包含：第一腔体，包含正极、负极、隔离层、以及第一电解质可设置于该第一腔体中，其中该隔离层可设置于该正极及该负极之间，其中该第一电解质包含第一离子液体及第一金属卤化物；第二腔体，包含第二电解质可设置于该第二腔体中，其中该第一电解质与该第二电解质的组成比例不同，其中该第二电解质仅由第二金属卤化物所组成、或该第二电解质包含第二离子液体及第二金属卤化物；以及，控制单元，其中该控制单元可用以控制该第二腔体内的第二电解质是否藉由第一通道添加至该第一腔体中。当该第二电解质包含第二离子液体及第二金属卤化物时，该第二金属卤化物与该第二离子液体的摩尔比大于该第一金属卤化物与该第一离子液体的摩尔比。
与现有技术相比，本发明的金属离子电池的优点在于：由于可补充不同浓度的电解质，使得本发明的金属离子电池可依据操作环境作最佳的调整；还可使得本发明的金属离子电池即使在使用一段时间后仍然接近其原来的电量，延长该金属离子电池的寿命。
附图说明
图1为本发明一实施例所述金属离子电池的方块示意图(block schematicdiagram)；
图2为本发明另一实施例所述金属离子电池的方块示意图；
图3为文献中提及的氯化铝浓度与电解质的导电度、比重、或粘度的关系图；
图4至图6为本发明其他实施例所述金属离子电池的方块示意图；
图7为本发明实施例1所述金属离子电池(1)其运作温度与电量关系图；
图8为本发明实施例2所述金属离子电池(2)其运作温度与电量关系图；以及
图9为本发明实施例3所述金属离子电池(3)其充放电循环测试结果；
其中，符号说明：
10 第一腔体； 12 正极；
14 隔离层； 16 负极；
18 第一电解质； 20 控制单元；
30 第二腔体； 38 第二电解质；
40 感测单元； 41 第一通道；
42 显示单元； 43 第二通道；
45 第三通道； 47 第四通道；
49 第五通道； 50 第三腔体；
58 第三电解质； 60 过滤单元；
100 金属离子电池。
具体实施方式
以下针对本发明的金属离子电池作详细说明。应了解的是，以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明的不同样态。以下所述特定的元件及排列方式仅为简单描述本发明。当然，这些仅用以举例而非本发明的限定。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关连性。且在图式中，实施例的形状、数量、或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，图式中各元件的部分将以分别描述说明之，值得注意的是，图中未绘示或描述的元件，为所属技术领域中具有通常知识者所知的形式，此外，特定的实施例仅为揭示本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。
本发明提供一种金属离子电池。根据本发明实施例，该金属离子电池除了具有一第一腔体(作为电化学反应的芯腔体(cell chamber))外(一第一电解质配置于该第一腔体中)，更具有一第二腔体(一第二电解质配置于该第二腔体中)，作为电解质补充腔体，其中该第一电解质、第二电解质的组成比例不同。因此，该金属电池可藉由一控制单元自动补充(或一使用者可藉由该控制单元手动补充)该第二电解质至该第一腔体内，使得该金属离子电池可依据操作环境作最佳的调整。此外，根据本发明实施例，该金属离子电池可更具有一配置有一第三电解质的第三腔体，同样作为电解质补充腔体，其中该第一电解质、第二电解质、以及该第三电解质的组成比例不同。因此，该金属电池可藉由该控制单元自动补充(或一使用者可藉由该控制单元手动补充)该第三电解质至该第一腔体内，使得该金属离子电池可依据操作环境作最佳的调整。举例来说，当本发明所述的金属离子电池因操作环境温度过低(例如低于-35℃)导致第一电解质产生相变化而使该金属离子电池无法运作时，可藉由该控制单元补充该第二电解质至该第一腔体内，提升第一腔体内电解质的金属卤化物与该离子液体的摩尔比例，使得该金属离子电池可在低温下运作。而当操作环境温度回到金属离子电池正常操作温度时(例如0至40℃)，可藉由该控制单元补充该第三电解质至该第一腔体内，降低第一腔体内电解质的金属卤化物与该离子液体的摩尔比例，使得该金属离子电池可在常温下运作。再者，根据本发明实施例，本发明所述金属离子电池可在使用一段时间后，藉由该控制单元补充第二电解质及/或第三电质进入该第一腔体内，使得该第一腔体内的电解质的金属卤化物与该离子液体的摩尔比例回复到该金属离子电池初始设定值(或回复到该金属离子电池具有较佳性能的设定值)，使该金属离子电池即使在使用一段时间后仍然接近其原来的电量，延长该金属离子电池的寿命。
请参照图1，为本发明一实施例所述金属离子电池100的示意图。该金属离子电池100可为充电式的二次电池，但本发明亦涵盖一次电池。该金属离子电池100可包含一第一腔体10、一第二腔体30、一控制单元20、以及一第一通道41。该第一腔体10可包含，一正极12、一隔离层14、一负极16、以及一第一电解质18设置于该第一腔体10中，其中该隔离层14设置于该正极12及该负极16之间，以避免该正极12与该负极16直接接触。该第二腔体30可包含一第二电解质38，其中该第一电解质18与该第二电解质38的组成及/或比例不同。该第一通道41设置于该第一腔体10及该第二腔体30之间，其中该控制单元20是用以控制该第二腔体30内的该第二电解质38是否藉由该第一通道41添加至该第一腔体10中。值得注意的是，该第一电解质18、以及该第二电解质38的组成及/或比例是皆不同。
根据本发明实施例，该第一通道41，可为一单向通道，即电解质仅可藉由该第一通道41由第二腔体30进入该第一腔体10中，而电解质无法由该第一通道41由第一腔体10进入该第二腔体30中。换言之，该第一通道41对于该第一腔体10而言为一流入(flow-in)通道，而该第一通道41对于该第二腔体30而言为一流出(flow-out)通道。如此一来，该第二腔体30内的第二电解质38可藉由该第一通道41进入该第一腔体10，而该第一腔体10内的该第一电解质18则无法藉由该第一通道41进入该第二腔体30。此外，根据本发明实施例，由于本发明是藉由将位于第二腔体30内的第二电解质38导入该第一腔体10中，以调整第一腔体10的电解质组成，因此该第一腔体10与该第二腔体30之间无需其他通道将第一腔体10内的电解质导入该第二腔体30中。换言之，该第一腔体10与该第二腔体30之间不具有任何流出(flow-out)通道(对于该第一腔体10而言)，因此位于该第一腔体10内的第一电解质18不会流入该第二腔体30中。此外，根据本发明某些实施例，位于该第一腔体10内的第一电解质18不会在没有经处理(例如分离或纯化)的状况下，直接流入该第二腔体30中。
根据本发明实施例，该正极10可包含一集电层及一活性材料设置于该集电层(未图示)之上。根据本发明实施例，该正极10亦可由该集电层及活性材料所构成。根据本发明实施例，该集电层可为导电性碳基材，例如碳布、碳毡、或碳纸。举例来说，该导电性碳基材可具有片电阻介于约1mΩ·cm2至6mΩ·cm2之间、以及含碳量大于65wt％。该活性材料包括层状活性材料或该层状活性材料的团聚物。根据本发明实施例，该活性材料可为插层碳材，例如：石墨(包含天然石墨、人工石墨、热解石墨、发泡石墨、鳞片石墨、或膨胀石墨)、石墨烯、纳米碳管或上述材料的组合。根据本发明实施例，该活性材料13可为层状双氢氧化物(layered double hydroxide)、层状氧化物、层状硫族化合物(layered chalcogenide)或上述材料的组合。该活性材料可具有一孔隙度介于约0.05至0.95之间，例如介于约0.3至0.9之间。此外，根据本发明实施例，该活性材料可直接成长于该集电层之上(即两者之间没有任何介质)，或是利用粘着剂将该活性材料固定于该集电层上。
根据本发明实施例，该隔离层14的材质可为玻璃纤维、聚乙烯(polyethylene、PE)、聚丙烯(Polypropylene、PP)、无纺布、木质纤维、聚醚砜树脂(Poly(ether sulfones)、PES)、陶瓷纤维等或上述的组合。
根据本发明实施例，该负极16由一金属或其合金所构成。该金属可为铝、铜、铁、锌、钴、铟、镍、锡、铬、镧、钇、钛、锰、或钼。此外，该负极16可更包含一集电层(未绘示)，而该金属或其合金是配置于该集电层上。根据本发明实施例，该金属或其合金可直接成长于该集电层之上(即两者之间没有任何介质)，或是利用粘着剂将该金属或其合金固定于该集电层上。根据本发明某些实施例，该金属可为还原电位小于铝的金属，以改善金属离子电池负极腐蚀的问题。
根据本发明实施例，该第一电解质18可包含第一离子液体、及一第一金属卤化物。该第一离子液体可为任何适用于金属离子电池的离子液体。举例来说，该第一离子液体可包含铵盐(ammonium salt)(例如：烷基铵盐(alkylammonium salt)、氮杂轮烯鎓盐(azaannulenium salt)(例如：烷基氮杂轮烯鎓盐(alkylazaannulenium salt))、氮杂噻唑鎓盐(azathiazolium salt)(例如：烷基氮杂噻唑鎓盐(alkylazathiazolium salt))、苯并咪唑鎓盐(benzimidazolium salt)(例如：烷基苯并咪唑鎓盐(alkylbenzimidazoliumsalt))、苯并呋喃鎓盐(benzofuranium salt)(例如：烷基苯并呋喃鎓盐(alkylbenzofuranium salt))、苯并三唑鎓盐(benzotriazolium salt)(例如：烷基苯并三唑鎓盐(alkylbenzotriazolium salt))、硼杂环戊烯鎓盐(borolium salt)(例如：烷基硼杂环戊烯鎓盐(alkylborolium salt))、胆碱盐(cholinium salt)(例如：烷基胆碱盐(alkylcholinium salt))、噌啉鎓盐(cinnolinium salt)(例如：烷基噌啉鎓盐(alkylcinnolinium salt))、二氮杂二环癸烯鎓盐(diazabicyclodecenium salt)(例如：烷基二氮杂二环癸烯鎓盐(alkyldiazabicyclodecenium salt))、二氮杂二环壬烯鎓盐(diazabicyclononenium salt)(例如：烷基二氮杂二环壬烯鎓盐(alkyldiazabicyclononenium salt))、二氮杂二环十一碳烯鎓盐(diazabicyclo-undecenium salt)(例如：烷基二氮杂二环十一碳烯鎓盐(alkyldiazabicyclo-undeceniumsalt))、二噻唑鎓盐(dithiazolium salt)(例如：烷基二噻唑鎓盐(alkyldithiazoliumsalt))、呋喃鎓盐(furanium salt)(例如：烷基呋喃鎓盐(alkylfuranium salt))、胍鎓盐(guanidinium salt)(例如：烷基胍鎓盐(alkylguanidinium salt))、咪唑鎓盐(imidazolium salt)(例如：烷基咪唑鎓盐(alkylimidazolium salt))、吲唑鎓盐(indazolium salt)(例如：烷基吲唑鎓盐(alkylindazolium salt))、二氢吲哚鎓盐(indolinium salt)(例如：烷基二氢吲哚鎓盐(alkylindolinium salt))、吲哚鎓盐(indolium salt)(例如：烷基吲哚鎓盐(alkylindolium salt))、吗啉鎓盐(morpholiniumsalt)(例如：烷基吗啉鎓盐(alkylmorpholinium salt))、氧硼杂环戊烯鎓盐(oxaboroliumsalt)(例如：烷基氧硼杂环戊烯鎓盐(alkyloxaborolium salt))、氧磷杂环戊烯鎓盐(oxaphospholium salt)(例如：烷基氧磷杂环戊烯鎓盐(alkyloxaphospholium salt))、恶嗪鎓盐(oxazinium salt)(例如：烷基恶嗪鎓盐(alkyloxazinium salt))、恶唑鎓盐(oxazolium salt)(例如：烷基恶唑鎓盐(alkyloxazolium salt))、异恶唑鎓盐(iso-oxazolium salt)(例如：烷基异恶唑鎓盐(iso-alkyloxazolium salt))、恶噻唑鎓盐(oxathiazolium salt)(例如：烷基恶噻唑鎓盐(alkyloxathiazolium salt))、五唑鎓盐(pentazolium salt)(例如：烷基五唑鎓盐(alkylpentazolium salt))、磷杂环戊烯鎓盐(phospholium salt)(例如：烷基磷杂环戊烯鎓盐(alkylphospholium salt))、磷鎓盐(phosphonium salt)(例如：烷基磷鎓盐(alkylphosphonium salt))、酞嗪鎓盐(phthalazinium salt)(例如：烷基酞嗪鎓盐(alkylphthalazinium salt))、哌嗪鎓盐(piperazinium salt)(例如：烷基哌嗪鎓盐(alkylpiperazinium salt))、哌啶鎓盐(piperidinium salt)(例如：烷基哌啶鎓盐(alkylpiperidinium salt))、吡喃鎓盐(pyranium salt)(例如：烷基吡喃鎓盐(alkylpyranium salt))、吡嗪鎓盐(pyraziniumsalt)(例如：烷基吡嗪鎓盐(alkylpyrazinium salt))、吡唑鎓盐(pyrazolium salt)(例如：烷基吡唑鎓盐(alkylpyrazolium salt))、哒嗪鎓盐(pyridazinium salt)(例如：烷基哒嗪鎓盐(alkylpyridazinium salt))、吡啶鎓盐(pyridinium salt)(例如：烷基吡啶鎓盐(alkylpyridinium salt))、嘧啶鎓盐(pyrimidinium salt)(例如：烷基嘧啶鎓盐(alkylpyrimidinium salt))、吡咯烷鎓盐(pyrrolidinium salt)(例如：烷基吡咯烷鎓盐(alkylpyrrolidinium salt))、吡咯鎓盐(pyrrolium salt)(例如：烷基吡咯鎓盐(alkylpyrrolium salt))、喹唑啉鎓盐(quinazolinium salt)(例如：烷基喹唑啉鎓盐(alkylquinazolinium salt))、喹啉鎓盐(quinolinium salt)(例如：烷基喹啉鎓盐(alkylquinolinium salt))、异喹啉鎓盐(iso-quinolinium salt)(例如：烷基异喹啉鎓盐(iso-alkylquinolinium salt))、喹喔啉鎓盐(quinoxalinium salt)(例如：烷基喹喔啉鎓盐(alkylquinoxalinium salt))、硒唑鎓盐(selenozolium salt)(例如：烷基硒唑鎓盐(alkylselenozolium salt))、硫鎓盐(sulfonium salt)(例如：烷基硫鎓盐(alkylsulfonium salt))、四唑鎓盐(tetrazolium salt)(例如：烷基四唑鎓盐(alkyltetrazolium salt))、异噻二唑鎓盐(iso-thiadiazolium salt)(例如：烷基异噻二唑鎓盐(iso-alkylthiadiazolium salt))、噻嗪鎓盐(thiazinium salt)(例如：烷基噻嗪鎓盐(alkylthiazinium salt))、噻唑鎓盐(thiazolium salt)(例如：烷基噻唑鎓盐(alkylthiazolium salt))、噻吩鎓盐(thiophenium salt)(例如：烷基噻吩鎓盐(alkylthiophenium salt))、硫脲鎓盐(thiuronium salt)(例如：烷基硫脲鎓盐(alkylthiuronium salt))、三氮杂癸烯鎓盐(triazadecenium salt)(例如：烷基三氮杂癸烯鎓盐(alkyltriazadecenium salt))、三嗪鎓盐(triazinium salt)(例如：烷基三嗪鎓盐(alkyltriazinium salt))、三唑鎓盐(triazolium salt)(例如：烷基三唑鎓盐(alkyltriazolium salt))、异三唑鎓盐(iso-triazolium salt)(例如：烷基异三唑鎓盐(iso-alkyltriazolium salt))、或脲鎓盐(uronium salt)(例如：烷基脲鎓盐(alkyluronium salt))、或上述的组合。
根据本发明某些实施例，该第一离子液体可为甲基咪唑鎓氯盐(methylimidazolium chloride)、1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride)、1-丁基-3-甲基咪唑鎓氯盐(1-butyl-3-methylimidazolium chloride)、胆碱氯盐(cholinium chloride)、或上述的组合。
根据本发明实施例，该第一金属卤化物包含可作为刘易斯酸的金属氟化物、金属氯化物、或金属溴化物，使电解质系统维持可逆。此外，为提升金属离子电池总发电量及避免金属离子电池在使用过程中发生自燃的状况，该第一金属卤化物非为碱金族卤化物或碱土族卤化物。该第一金属卤化物可包含卤化铝(例如氟化铝、氯化铝、或溴化铝)、卤化银(例如氟化银、氯化银、或溴化银)、卤化铜(例如氟化铜、氯化铜、或溴化铜)、卤化铁(例如氟化铁、氯化铁、或溴化铁)、卤化钴(例如氟化钴、氯化钴、或溴化钴)、卤化锌(例如氟化锌、氯化锌、或溴化锌)、卤化铟(例如氟化铟、氯化铟、或溴化铟)、卤化镉(例如氟化镉、氯化镉、或溴化镉)、卤化镍(例如氟化镍、氯化镍、或溴化镍)、卤化锡(例如氟化锡、氯化锡、或溴化锡)、卤化铬(例如氟化铬、氯化铬、或溴化铬)、卤化镧(例如氟化镧、氯化镧、或溴化镧)、卤化钇(例如氟化钇、氯化银、或溴化钇)、卤化钛(例如氟化钛、氯化钛、或溴化钛)、卤化锰(例如氟化锰、氯化锰、或溴化锰)、卤化钼(例如氟化钼、氯化钼、或溴化钼)、或上述的组合。在此，本发明所述的第一金属卤化物可为带不同正电价数金属的卤化物。举例来说，本发明所述的氯化铝可为AlCl2、AlCl3、或其组合；氯化铜可为CuCl、CuCl2、或其组合；氯化铁可为FeCl2、FeCl3、或其组合；氯化钴可为CoCl3、CoCl2、或其组合；氯化铬可为CrCl2、CrCl3、或其组合；氯化锌可为ZnCl2、ZnCl4、或其组合；氯化锡可为SnCl2、SnCl4、或其组合；以及，氯化锰可为MnCl2、MnCl3、或其组合。
根据本发明实施例，该第一电解质可进一步加入添加剂，以提高电导率且降低粘度，或可以其他方式变更电解质以得到有利于金属的可逆电沉积的电解质。
根据本发明实施例，该第一电解质18在初始状态下(即该金属离子电池在刚始运作时)，其第一金属卤化物与第一离子液体的摩尔比可约介于1.1:1至1.8:1之间，例如约介于1.2:1至1.75:1之间、约介于1.3:1至1.7:1之间、约介于1.35:1至1.6:1之间、或约介于1.4:1至1.5:1之间。
根据本发明实施例，该第二电解质38可包含一第二金属卤化物，其中该第二金属卤化物的定义与上述第一金属卤化物相同。根据本发明实施例，该第一金属卤化物可与该第二金属卤化物相同或不同。根据本发明某些实施例，该第二电解质38仅由该第二金属卤化物所组成。此外，该第二电解质38可包含一第二金属卤化物及一第二离子液体，其中该第二离子液体的定义与上述第一离子液体相同。根据本发明实施例，该第一离子液体可与该第二离子液体相同或不同。在此，第二金属卤化物与该第二离子液体的摩尔比大于该第一金属卤化物与该第一离子液体的摩尔比。举例来说，该第二金属卤化物与该第二离子液体的摩尔比可约介于1.5:1至10:1之间，例如约介于1.6:1至10:1之间、约介于1.7:1至9:1之间、约介于1.8:1至8.5:1之间、或约介于2:1至5:1之间。且该第二金属卤化物与该第二离子液体的摩尔比与该第一金属卤化物与该第一离子液体的摩尔比不同。
根据本发明实施例，该第一电解质18可包含氯化铝(AlCl3)及1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride)，而该第二电解质是氯化铝。其中，在该第一电解质18中，该氯化铝与该1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐的摩尔比可介于1.3:1至1.65:1之间(例如1.3:1、1.4:1、1.5:1、1.6:1、或1.65:1)，使得该金属离子电池100在初始状态下可在正常度温下(例如约0-40℃)进行运作。当该金属离子电池需在较低温度(例如低于-35℃)下进行运作、或使用一段时间后导致电量下降时，一使用者可藉由该控制单元20将第二腔体30内的第二电解质38(例如氯化铝、或氯化铝与该1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐的组合物，且该第二电解质38与该第一电解质18的组成比例不同)，导入该第一腔体10中，使得该金属离子电池100可在继续运作。根据本发明实施例，该控制单元20导入第二电解质方式可为一可定量控制螺杆输送(screw rod conveyance)单元、或一可定量控制压力输送单元。
请参照图2，为本发明某些实施例所述金属离子电池100的示意图。如图2所示，该金属离子电池100可更包含一感测单元40，用来监控该第一腔体内10的第一电解质18的导电度、温度、比重、或粘度。此外，该感测单元40可将所获得的数值(例如第一电解质18的导电度、温度、比重、或粘度)提供至该控制单元20。根据本发明实施例，该控制单元20可包含一比对电路(comparison circuitry)，用以将感测单元40所获得的值与一默认值进行比对，并决定是否将该第二腔体30内的第二电解质38藉由该第一通道41添加至该第一腔体10中。请参照图3，为氯化铝浓度与电解质(包含氯化铝及1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐)的导电度、比重、或粘度的关系图。使用者可依据图3将其所预设定的氯化铝浓度换算成导电度、比重、或粘度，进行可设定该比对电路(comparison circuitry)的默认值。举例来说，当该第一电解质18的导电度、或粘度大于该默认值时，该控制单元20可将该第二腔体30内的第二电解质38藉由该第一通道41添加至该第一腔体10中；或者，当该第一电解质18的温度、或比重小于一默认值时，该控制单元20可将该第二腔体30内的第二电解质38藉由该第一通道41添加至该第一腔体10中。根据本发明某些实施例，该控制单元20可包含一泵，以将该第二腔体30内的第二电解质38藉由该第一通道41添加至该第一腔体10中。
请参照图4，为本发明某些实施例所述金属离子电池100的示意图。如图4所示，该金属离子电池100所述感测单元40是连接至一显示单元42。该显示单元42是显示出该感测单元40所测得的该第一电解质18的导电度、温度、比重、或粘度，以方便用户藉由该控制单元20将第二腔体30内的第二电解质38(例如氯化铝)导入该第一腔体10中。
请参照图5，是为本发明某些实施例所述金属离子电池100的示意图。如图5所示，该金属离子电池100可更包含一第三腔体50，其中一第三电解质58设置于该第三腔体58中。值得注意的是，该第一电解质18、第二电解质38、以及该第三电解质58的组成及/或比例是皆不同。该控制单元20可用以控制该第三腔体50内的第三电解质58是否藉由一第二通道43添加至该第一腔体10中。根据本发明实施例，该第三电解质58可包含一第三离子液体，其中该第三离子液体的定义与上述第一离子液体相同。根据本发明实施例，该第一离子液体可与该第三离子液体相同或不同。根据本发明某些实施例，该第三电解质58仅由该第三离子液体所组成。此外，该第三电解质58可包含一第三金属卤化物及一第三离子液体，其中该第三金属卤化物的定义与上述第一金属卤化物相同。根据本发明实施例，该第三金属卤化物可与该第一金属卤化物相同或不同。在此，该第三金属卤化物与该第三离子液体的摩尔比可小于该第一金属卤化物与该第一离子液体的摩尔比。举例来说，该第三金属卤化物与该第三离子液体的摩尔比可约介于0.1:1至0.9:1之间，例如约介于0.2:1至0.8:1之间、约介于0.3:1至0.7:1之间、或约介于0.4:1至0.6:1之间。
根据本发明实施例，该第一电解质18可包含氯化铝(AlCl3)及1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride)、该第二电解质是氯化铝、而该第三电解质是1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐。其中，在该第一电解质18中，该氯化铝与该1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐的摩尔比可介于1.3:1至1.65:1之间(例如1.3:1、1.4:1、1.5:1、1.6:1、或1.65:1)，使得该金属离子电池100在初始状态下可在正常度温下(例如约0-40℃)进行运作。当该金属离子电池需在较低温度(例如低于-35℃)下进行运作、或使用一段时间后导致电量下降时，一使用者可藉由该控制单元20将第二腔体30内的第二电解质38(例如氯化铝)导入该第一腔体10中，使得该金属离子电池100可在继续运作。此外，该金属离子电池需回到正常温度下进行运作、或使用一段时间后导致电量下降时，可藉由该控制单元20将第三腔体50内的第三电解质58(例如1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐、或氯化铝与该1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐的组合物)导入该第一腔体10中，使得该金属离子电池100可在继续运作。
根据本发明实施例，请参照图5，该感测单元40，可用来监控该第一腔体10内的第一电解质18的导电度、温度、比重、或粘度，并将所获得的数值(例如第一电解质18的导电度、温度、比重、或粘度)提供至该控制单元20。如此一来，该控制单元20可包含一比对电路(comparison circuitry)，用以将感测单元40所获得的值与一默认值进行比对，并决定是否将该第三腔体50内的第三电解质58藉由该第二通道43添加至该第一腔体10中。举例来说，当该第一电解质18的导电度、或粘度小于该默认值时，该控制单元20可将该第三腔体50内的第二电解质58藉由该第二通道43添加至该第一腔体10中；或者，当该第一电解质18的温度、或比重小于一默认值时，该控制单元20可将该第三腔体50内的第三电解质58藉由该第二通道43添加至该第一腔体10中。
根据本发明实施例，该第二通道43，可为一单向通道，即电解质仅可藉由该第二通道43由第三腔体50进入该第一腔体10中，而电解质无法由该第二通道43由第一腔体10进入该第三腔体50中。换言之，该第二通道43对于该第一腔体10而言为一流入(flow-in)通道，而该第二通道43对于该第三腔体50而言为一流出(flow-out)通道。如此一来，该第三腔体50内的第三电解质58可藉由该第二通道43进入该第一腔体10，而该第一腔体10内的该第一电解质18则无法藉由该第二通道43进入该第三腔体50。此外，根据本发明实施例，由于本发明是藉由将位于第三腔体50内的第三电解质58导入该第一腔体10中，以调整第一腔体10的电解质组成，因此该第一腔体10与该第三腔体50之间无需其他通道将第一腔体10内的电解质导入该第三腔体50中。换言之，该第一腔体10与该第三腔体50之间不具有任何流出(flow-out)通道(对于该第一腔体10而言)，因此位于该第一腔体10内的第一电解质18不会流入该第三腔体50中。此外，根据本发明某些实施例，位于该第一腔体10内的第一电解质18不会在没有经处理(例如分离或纯化)的状况下，直接流入该第三腔体50中。
请参照图6，为本发明某些实施例所述金属离子电池100的示意图。如图6所示，该金属离子电池100可更包含一过滤单元60，而该控制单元20可用以控制该第一腔体10内的第一电解质18是否藉由一第三信道45进入该过滤单元60中。该过滤单元60可将该第一电解质18分离为该第二电解质38及该第三电解质58，并藉由一第四通道47将该第二电解质38导入该第二腔体30中、以及藉由一第五通道49将该第三电解质58导入该第三腔体50中，以达到补充第二电解质38及该第三电解质58的目的。根据本发明实施例，该过滤单元60可包含一过滤材料，其中该过滤材料可例如为：尼龙(Nylon)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethene、PTFE)、聚硫醚(polyether sulfone)、PES)、混合纤维膜(mixed cellulose ester、MCE)、聚四氟乙烯(Polyfluortetraethylene、PVDF)、醋酸纤维(acetate cellulose、CA)、玻璃纤维(glass fiber、GF)、聚丙烯(polypropylene、PP)、聚乙烯(polyethylene、PE)、多孔陶瓷(例如：阳极氧化铝(Anodic aluminum oxide、AAO)、或氧化锆(ZrO2))、或上述的组合。根据本发明实施例，该第一电解质18可包含氯化铝(AlCl3)及1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐(1-ethyl-3-methylimidazoliumchloride)、该第二电解质是氯化铝、而该第三电解质是1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐。举例来说，当感测单元40监控到该第一腔体10内的第一电解质18超过一预设重量时，可传送一讯号给该控制单元20，而该控制单元20可将该第一腔体10内过量的第一电解质18藉由该第三信道45导入该过滤单元60中。该过滤单元60可将第一电解质18分离为氯化铝(AlCl3)及1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐，并藉由该第四通道47将氯化铝(AlCl3)导入该第二腔体30中，以及藉由该第五通道49将该1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯盐导入该第三腔体50中。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数实施例，作详细说明如下：
实施例1:
提供一厚度为0.025mm的铝箔，对其进行裁切，得到铝电极。接着，提供隔离膜(玻璃滤纸(2层)、商品编号为沃特曼(Whatman)GFA)及一石墨电极(包含一活性材质配置于一集电基板上，其中该集电基板为碳纤维纸、活性材质为膨胀石墨(95mg))。接着，按照铝电极(作为负极)、隔离膜、及石墨电极(作为正极)的顺序排列，并以铝塑膜将其封装并注入第一电解质(9ml、由氯化铝(AlCl3)及氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)所组成、其中AlCl3与[EMIm]Cl的摩尔比约为1.4:1)，得到金属离子电池(1)。
制备一第二电解质，其中该第二电解质由氯化铝(AlCl3)及氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)所组成，其中AlCl3与[EMIm]Cl的摩尔比约为2.0:1。
接着，将金属离子电池(1)以定电流(100mA/g)在不同温度下量测其电容量，结果如图7所示。由图7可得知，在-10℃时，金属离子电池(1)电量约为在25℃下时电量的70％；在-27℃时，金属离子电池(1)电量约为在25℃下时电量的24％；在-40℃时，金属离子电池(1)电量约为在25℃下时电量的21％；而超过-40℃时，一属离子电池(1)的电量已几乎为0。
接着，将1ml的第二电解质于-50℃时加入原先已无电量的金属离子电池(1)中，并以定电流(100mA/g)在量测其电容量，结果如图7所示。由图7可得知，加入第二电解质于金属离子电池(1)中，可观察到产生放热反应，电池温度回升至-38℃左右，接着迅速朝向环境温度(-50℃)下降。加图7所示，加入第二电解质(富AlCl3的电解质)后，低温截止温度可由-40℃延后至-47℃，金属离子电池(1)才呈现失效态。
实施例2:
提供一厚度为0.025mm的铝箔，对其进行裁切，得到铝电极。接着，提供隔离膜(玻璃滤纸(2层)、商品编号为沃特曼(Whatman)GFA)及一石墨电极(包含一活性材质配置于一集电基板上，其中该集电基板为碳纤维纸、活性材质为膨胀石墨(95mg))。接着，按照铝电极(作为负极)、隔离膜、及石墨电极(作为正极)的顺序排列，并以铝塑膜将其封装并注入第一电解质(9ml、由氯化铝(AlCl3)及氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)所组成、其中AlCl3与[EMIm]Cl的摩尔比约为1.65:1)，得到金属离子电池(2)。
制备一第二电解质，其中该第二电解质由氯化铝(AlCl3)及氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)所组成，其中AlCl3与[EMIm]Cl的摩尔比约为2.0:1。
接着，将金属离子电池(2)以定电流(100mA/g)在不同温度下量测其电容量，结果如图8所示。由图8可得知，在-56℃时，金属离子电池(2)的电量已几乎为0。
接着，将1ml的第二电解质于-60℃时加入原先已无电量的金属离子电池(2)中，并以定电流(100mA/g)在量测其电容量，结果如图8所示。由图8可得知，加入第二电解质于金属离子电池(2)中，可观察到产生放热反应，电池温度回升至-40℃左右，接着迅速朝向环境温度(-60℃)下降。加图8所示，加入第二电解质(富AlCl3的电解质)后，低温截止温度可由-57℃延后至-61℃，金属离子电池(2)才呈现失效态。此外，加入第二电解质(富AlCl3的电解质)后金属离子电池(2)于-56℃的电量，为未加入该第二电解质前金属离子电池(2)于-56℃的电量的9倍左右。
实施例3:
提供一厚度为0.025mm的铝箔，对其进行裁切，得到铝电极。接着，提供隔离膜(玻璃滤纸(2层)、商品编号为沃特曼(Whatman)GFA)及一石墨电极(包含一活性材质配置于一集电基板上，其中该集电基板为碳纤维纸、活性材质为膨胀石墨(44mg))。接着，按照铝电极(作为负极)、隔离膜、及石墨电极(作为正极)的顺序排列，将其放置于一第一腔体中，并加入第一电解质(9ml、由氯化铝(AlCl3)、氯化铁(FeCl2)及氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)所组成、其中FeCl2加上AlCl3与[EMIm]Cl的摩尔比约为1.4:1、且FeCl2与AlCl3的摩尔比约为1:27)于第一腔体中。接着，将一第二电解质(1ml、由氯化亚铁(FeCl2)与氯化铝(AlCl3)及氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)所组成、其中(FeCl2加上AlCl3与[EMIm]Cl的摩尔比约为1.5:1、且FeCl2与AlCl3的摩尔比约为1:29)置于一第二腔体中，得到金属离子电池(3)。
接着，使用电池分析仪量测金属离子电池(3)的电池效能(量测条件为：以定电流方式进行充放电循环测试(44mA/g))，结果如图9。由图9可得知，当电池在进行约第380次充放电时，该金属离子电池(3)显现出较佳的电池效能。此时，量测该金属离子电池(3)其第一腔体中电解质的导电度，并参照图3换算出此时AlCl3与[EMIm]Cl的摩尔比，将该摩尔比设定为一默认值。接着，继续进行金属离子电池(3)的充放电循环测试。由图9可得知，当金属离子电池(3)在进行约第670次充放电时，电量已几乎为0。此时，将第二腔体中的第二电解质加入该第一腔体中，以调整该第一腔体的电解质达到该默认值，并继续进行金属离子电池(3)的充放电循环测试。由图9可得知，当加入该第二电解质将该第一腔体的电解质浓度调整到该默认值时，可观察到该金属离子电池(3)的充放电容量迅速上升，并达到金属离子电池(3)在进行约第380次充放电时的电量水平。
综合上述，本发明所述金属离子电池，由于可补充与本先使用的电解质不同浓度的电解质于该金属离子电池的化学反应电池芯腔体中，使得该金属离子电池可依据操作环境作最佳的调整。此外，本发明所述金属离子电池，由于可补充与本先使用的电解质不同浓度的电解质于该金属离子电池的化学反应电池芯腔体中，可使得该第一腔体内的电解质的金属卤化物与该离子液体的摩尔比例回复到该金属离子电池具有较佳性能的设定值，使该金属离子电池即使在使用一段时间后仍然接近其原来的电量，延长该金属离子电池的寿命。
虽然本发明已以数个实施例发明如上，然其并非用以限定本发明，任何本技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (23)

1.一种金属离子电池，包含：
第一腔体，包含正极、负极、隔离层、以及第一电解质设置于该第一腔体中，其中该隔离层设置于该正极及该负极之间，其中该第一电解质包含第一离子液体及第一金属卤化物；
第二腔体，包含第二电解质设置于该第二腔体中，其中第一电解质与第二电解质的组成比例不同，其中该第二电解质仅由第二金属卤化物所组成、或该第二电解质包含第二离子液体及第二金属卤化物；以及
控制单元，用以控制该第二腔体内的第二电解质是否藉由第一通道添加至该第一腔体中，
其中当该第二电解质包含第二离子液体及第二金属卤化物时，该第二金属卤化物与该第二离子液体的摩尔比大于该第一金属卤化物与该第一离子液体的摩尔比。
2.如权利要求1所述的金属离子电池，其中该第一金属卤化物与该第一离子液体的摩尔比是1.1:1至1.8:1。
3.如权利要求1所述的金属离子电池，其中该第一金属卤化物与该第二金属卤化物相同。
4.如权利要求1所述的金属离子电池，其中该第一离子液体与该第二离子液体相同。
5.如权利要求1所述的金属离子电池，其中当该第二电解质包含第二离子液体及第二金属卤化物时，该第二金属卤化物与该第二离子液体的摩尔比是1.5:1至10:1。
6.如权利要求1所述的金属离子电池，更包含：
感测单元，用来监控该第一腔体内的第一电解质的导电度、温度、比重、或粘度，并将所获得的值提供至该控制单元。
7.如权利要求6所述的金属离子电池，当该第一电解质的导电度、或粘度大于一默认值时，该控制单元将该第二腔体内的第二电解质藉由该第一通道添加至该第一腔体中。
8.如权利要求6所述的金属离子电池，当该第一电解质的温度、或比重小于一默认值时，该控制单元将该第二腔体内的第二电解质藉由该第一通道添加至该第一腔体中。
9.如权利要求1所述的金属离子电池，其中该第一信道为单向信道，而该第一腔体内的该第一电解质无法藉由该第一通道进入该第二腔体内。
10.如权利要求1所述的金属离子电池，其中除该第一通道外，该第一腔体及第二腔体之间并无其他途径使该第一电解质进入该第二腔体内。
11.如权利要求6所述的金属离子电池，更包含：
第三腔体，其中第三电解质设置于该第三腔体中，其中该第一电解质、第二电解质、以及该第三电解质的组成比例不同，且该控制单元是用以控制该第三腔体内的第三电解质是否藉由第二通道添加至该第一腔体中。
12.如权利要求11所述的金属离子电池，其中该第三电解质包含第三离子液体。
13.如权利要求12所述的金属离子电池，其中该第一离子液体与该第三离子液体相同。
14.如权利要求12所述的金属离子电池，其中该第三电解质更包含第三金属卤化物。
15.如权利要求14所述的金属离子电池，其中该第一金属卤化物与该第三金属卤化物相同。
16.如权利要求14所述的金属离子电池，其中该第三金属卤化物与该第三离子液体的摩尔比小于该第一金属卤化物与该第一离子液体的摩尔比。
17.如权利要求14所述的金属离子电池，其中该第三金属卤化物与该第三离子液体的摩尔比是0.1:1至0.9:1。
18.如权利要求11所述的金属离子电池，当该第一电解质的导电度、或粘度小于一默认值时，该控制单元将该第三腔体内的第三电解质藉由该第二通道添加至该第一腔体中。
19.如权利要求11所述的金属离子电池，当该第一电解质的温度、或比重大于一默认值时，该控制单元将该第三腔体内的第三电解质藉由该第二通道添加至该第一腔体中。
20.如权利要求11所述的金属离子电池，其中该第二信道为单向信道，而该第一腔体内的该第一电解质无法藉由该第二通道进入该第三腔体内。
21.如权利要求11所述的金属离子电池，其中除该第二通道外，该第一腔体及第三腔体之间并无其他途径使该第一电解质进入该第三腔体内。
22.如权利要求11所述的金属离子电池，更包含：
过滤单元，其中该控制单元是用以控制该第一腔体内的第一电解质是否藉由第三信道进入该过滤单元中。
23.如权利要求22所述的金属离子电池，其中该过滤单元将该第一电解质分为该第二电解质及该第三电解质，并藉由第四通道将该第二电解质导入该第二腔体、以及藉由第五通道将该第三电解质导入该第三腔体。
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