CN110870113A - 具有新型组分的电池 - Google Patents

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Abstract

具有阳极或阴极的电池单元，所述阳极或阴极包含优选为20nm或更小尺寸的单分散纳米颗粒形式的酸化金属氧化物(“AMO”)材料，所述酸化金属氧化物(“AMO”)材料当以5wt％悬浮在水溶液中时具有PH<7，并且至少在其表面上具有Hammett函数H0>‑12。

Description

具有新型组分的电池
对相关申请的引用
本申请要求2017年4月10日提交的序列号为62/483,789的题为“BlendedAcidified Metal Oxide Additive for Use in a Battery Electrode”的美国临时专利申请、2017年5月17日提交的序列号为62/507,655的题为“Battery with AcidifiedElectrode”的美国临时专利申请、以及2017年5月17日提交的序列号为62/507,660的题为“Battery with Novel Cathode”的美国临时专利申请的权益，并通过引用将这些临时申请合并到本公开中，如同在此充分阐述一样。
技术领域
本公开属于可用于化学能量存储和电源设备(例如但不限于电池)的材料领域。更具体地，本公开涉及具有包含酸化金属氧化物(“AMO”)纳米材料的阴极和/或阳极的电池单元。
背景技术
金属氧化物是氧与金属结合的化合物，具有通式MmOx。它们存在于自然界中，但可以人工合成。在合成的金属氧化物中，合成方法可对表面性质，包括其酸/碱性具有广泛影响。表面特性的改变可以改变氧化物的性质，影响诸如其催化活性和电子迁移率等。然而，表面控制反应的机理并不总是很好地表征或理解。例如，在光催化中，认为表面羟基促进从导带到化学吸附的氧分子的电子转移。
尽管表面特性很重要，但金属氧化物文献(科学论文和专利)主要致力于产生新的纳米级晶体形式的金属氧化物，以改进能量存储和电源应用。金属氧化物表面特性被忽略，并且在化学催化文献之外，很少有创新涉及控制或改变已知金属氧化物的表面以实现性能目标。
化学催化文献主要致力于产生“超酸”——酸性大于纯硫酸(18.4M H2SO4)——通常用于大规模反应，如烃类裂化。超酸性不能在传统的PH标度上测量，而是通过哈米特(Hammett)数定量。哈米特数(H0)可被认为是将PH标度扩展为小于零的负数。纯硫酸具有-12的H0。
然而，存在超酸性太强的许多反应系统和许多应用。例如，超酸性可降解系统部件或催化不需要的副反应。然而，酸性在这些同样的应用中仍可用于提供增强的反应性和速率特性或改进的电子迁移率。
电池文献教导酸性基团在电池中是有害的，它们会侵蚀金属集电器和壳体并引起其它电极组分的劣化。此外，现有技术教导活性催化电极表面导致电解质分解，其可导致电池单元内产生气体并最终导致电池单元失效。
存在实现具有合成的金属氧化物的电池的需求，其中该合成的金属氧化物至少在其表面上具有酸性但不是超酸性并被配置在阳极和/或阴极内。
发明内容
本申请描述了对应于酸化金属氧化物(“AMO”)的材料和使用AMO的应用，包括在电池中，例如在电池电极材料中作为催化剂、作为光伏或光敏部件、和传感器。进一步公开了用于制备AMO的技术和包括AMO的设备。可选地，所公开的AMO与酸性物质组合使用以增强它们的实用性。
所描述的AMO包括纳米材料形式，例如纳米颗粒形式的那些AMO，其可以是单分散的或基本上单分散的，并且具有例如小于100nm的颗粒尺寸。例如，当以特定浓度(例如5wt％)悬浮在水中或干燥后再悬浮在水中时，所公开的AMO表现出低PH，例如小于7(例如，在0和7之间)，并且至少在AMO的表面上进一步表现出Hammett函数H0大于-12(即，非超酸性)。
可选地，AMO的表面可以被官能化，例如被酸性物质或其它吸电子物质官能化。合成和表面官能化可以在“单釜”水热方法中完成，其中金属氧化物的表面在金属氧化物由合适的前体合成时官能化。在一些实施例中，除了合成金属氧化物本身所需的步骤之外，该单釜方法不需要任何额外的一个或多个酸化步骤，并使得AMO材料具有所需的表面酸性(但非超酸性)。
可选地，使用强的吸电子基团(“EWG”)——例如SO4、PO4或卤素(Br、Cl等)——要么单独地要么彼此结合地发生表面官能化。也可使用弱于SO4、PO4或卤素的EWG进行表面官能化。例如，合成的金属氧化物可以用乙酸根(CH3COO)、草酸根(C2O4)和柠檬酸根(C6H5O7)基团进行表面官能化。
尽管普遍认为酸性物质在电池中是不期望的，因为它们会侵蚀金属集电器和壳体并导致其它电极部件的劣化，并且活性催化电极表面可导致电解质分解、电池单元内气体产生并最终导致电池单元故障，但是发明人已经发现，酸性物质和成分在电池电极中采用AMO材料的电池中是有利的。
举例来说，AMO与酸性物质的组合或使用可增强所得材料、系统或设备的性能，从而产生设备的改进的容量、循环能力和寿命。例如，采用AMO材料与酸性电解质或含有本文所述酸性物质的电解质组合的电池表现出相当大的容量增益，例如比采用非酸化电解质或缺乏酸性物质的电解质的类似电池高达100mAh/g或更多。在一些实施例中，可以实现50mAh/g到300mAh/g的容量改善。另外，使用具有酸化电解质或包括酸性物质的电解质的电池可实现高达1000mAh/g或更大的绝对容量。此外，通过使用酸性电解质或含有酸性物质的电解质可提高电池的循环寿命，例如电池的循环寿命可延长高达100次或更多次充电-放电循环。
附加地或替代地，包括本身是酸性的电极或包括酸性物质(例如有机酸)的电极(例如阴极或阳极)的电池也会是有益的，这再次地与电池技术中的常规教导相反。例如，并入酸性电极的电池或在电极内并入酸性物质的电池可增强性能并产生改进的容量、循环能力和寿命，特别是当在包括AMO材料的电极中使用时。可实现高达100mAh/g或更大的容量增益。还可通过使用酸性电极或含有酸性物质的电极来提高电池的循环寿命，例如电池的循环寿命可延长高达100次或更多次循环。作为示例，酸性电极或包括酸性物质的电极可在例如当电极的成分以5wt％悬浮在水中(或干燥后再悬浮在水中)时表现出小于7的PH(但不是超酸性的)。
作为另一示例，其中使用浆料形成电极的电池也会是有益的，且与电池技术中的常规教导相反。如本文所述，可选地，AMO材料可通过首先与一种或多种粘合剂化合物、溶剂、添加剂(例如导电添加剂或酸性添加剂)、和/或其它湿处理材料一起形成AMO材料的浆料而形成电池电极。可以将浆料沉积在导电材料或集电器上以形成电极。可选地，这样的浆料和/或溶剂可以是酸性的或包括酸性物质，并且再次允许提高所得电池的容量、循环能力和寿命。可选地，可以蒸发全部或部分溶剂，留下AMO材料、粘合剂、添加剂等。可选地，例如，当以5wt％悬浮于水中(或干燥后再悬浮于水中)时，所得材料可表现出其自身的酸性，例如具有小于7的PH(但非超酸性)。
如上所述，可选地，酸性物质可以作为添加剂包括在电池的任何部件如电极或电解质中。可选地，包括AMO的电池可包括位于电极之间的电解质，其中酸性物质溶解在溶剂中。这种电解质在本文中也可称为酸化电解质。可选地，电解质可以包括溶解在溶剂中的一种或多种锂盐，例如LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3及其组合。应当理解，电解质不仅可以定位在分隔电极的空间中(即，在电极之间)，而且还可以穿透或进入电极的孔、和/或穿透或进入可选地定位在电极之间的任何材料或结构(例如隔膜)的孔。
可用于本文所述的AMO电极和电解质的示例性酸性物质包括但不限于有机酸，例如羧酸。示例性酸性物质包括在水中表现为pKa为-10至7、-5至6、1至6、1.2至5.6、或约为4的那些酸性物质。有机酸的具体示例包括例如草酸、碳酸、柠檬酸、马来酸、甲基丙二酸、甲酸、戊二酸、琥珀酸、甲基琥珀酸、亚甲基琥珀酸、柠康酸、乙酸、苯甲酸。示例性有机酸包括二元羧酸，例如具有通式
Figure BDA0002277687200000031
的那些二元羧酸，其中R是被取代或未被取代的C1-C20烃，例如被取代或未被取代的烷基、被取代或未被取代的烯基、被取代或未被取代的芳族或杂芳族、被取代或未被取代的胺等。示例性有机酸也包括具有通式
Figure BDA0002277687200000032
的那些有机酸，其中L为被取代或未被取代的C1-C20二价烃，例如被取代或未被取代的亚烷基、被取代或未被取代的亚芳基、被取代或未被取代的杂亚芳基、被取代或未被取代的胺等。有机酸可包括有机酸酐，例如具有通式
Figure BDA0002277687200000033
的有机酸酐，其中R1和R2分别为被取代或未被取代的C1-C20烃，例如被取代或未被取代的烷基、被取代或未被取代的烯基、被取代或未被取代的芳基或杂芳基、被取代或未被取代的胺等。可选地，R1和R2可以形成环。示例性有机酸酐包括上述有机酸的任何酸酐。具体的有机酸酐包括但不限于戊二酸酐、琥珀酸酐、甲基琥珀酸酐、马来酸酐和衣康酸酐。
电解质和AMO电极之一或两者中的酸性物质的有效浓度包括0wt％～10wt％、0.01wt％～10wt％、0.1wt％～10wt％、1wt％～5wt％、或3wt％～5wt％。
有效的溶剂包括用于锂离子电池系统的那些溶剂，例如碳酸亚乙酯、碳酸亚丁酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸乙基甲酯、碳酸甲基丙酯、碳酸乙基丙酯、碳酸氟乙烯酯及其混合物。本领域技术人员将理解其它有效的溶剂。可选地，当酸性物质和金属盐溶解在溶剂中以形成电解质时，电解质自身表现出酸性条件(即PH小于7)。
可用于本文所述电池和电极的示例性粘合剂包括苯乙烯丁二烯共聚物(SBR)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)、丙烯腈、聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)、聚酰胺酰亚胺(PAI)和它们的任意组合。可选地，导电聚合物可用作粘合剂。
可用于本文所述的AMO和电极的其它示例性添加剂包括但不限于导电添加剂。示例性导电添加剂包括石墨、导电碳、炭黑、科琴黑和导电聚合物，例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)、聚苯乙烯磺酸盐(PSS)、PEDOT：PSS复合物、聚苯胺(PANI)、和聚吡咯(PPY)。例如，导电添加剂可以以任一合适的浓度存在于电极中，例如以大于0且高达35wt％、40wt％、或甚至更高的重量百分比存在。可选地，导电添加剂以1wt％～95wt％、1wt％～35wt％、1wt％～25wt％、5wt％～40wt％、10wt％～40wt％、15wt％～40wt％、20wt％～40wt％、25wt％～40wt％、30wt％～40wt％、35wt％～40wt％、40wt％～45wt％、40wt％～50wt％、40wt％～55wt％、40wt％～60wt％、40wt％～65wt％、40wt％～70wt％、40wt％～75wt％、40wt％～80wt％、40wt％～85wt％、40wt％～90wt％、或40wt％～95wt％的范围存在于电极中。
本文还描述了制造电池的方法。制造电池的示例性方法包括制造AMO纳米材料；形成所述AMO纳米材料的第一电极或包括所述AMO纳米材料的第一电极；通过将一种或多种金属盐溶解在溶剂中形成电解质；以及将电解质定位在第一电极和第二电极之间。制造电池的另一示例方法包括制造AMO纳米材料；形成所述AMO纳米材料和一种或多种金属盐的第一电极或包括所述AMO纳米材料和一种或多种金属盐的第一电极；以及将电解质定位在第一电极和第二电极之间。
本文还公开了用于电池的电解质。例如，所公开的电解质可用于包括第一电极(例如包括酸化金属氧化物(AMO)纳米材料的第一电极)和第二电极的电池。示例性电解质包括溶剂和溶解在溶剂中的一种或多种金属盐。可选地，将酸性物质，例如不同于所述一种或多种金属盐的酸性物质溶解在溶剂中。
如上所述，多种酸性物质，例如包括有机酸和/或有机酸酐的酸性物质可用于所公开的电解质中。示例性有机酸包括但不限于草酸、乙酸、柠檬酸、马来酸、甲基丙二酸、戊二酸、琥珀酸、甲基琥珀酸、亚甲基琥珀酸、柠康酸或其任意组合。示例性有机酸酐包括但不限于戊二酸酐、琥珀酸酐、甲基琥珀酸酐、马来酸酐、衣康酸酐或其任意组合。上面描述了其它酸性物质的示例。有效的酸性物质包括但不限于pKa为-10～7、-5～6、1～6、1.2～5.6、或约为4的那些酸性物质。可选地，酸性物质可以以任一合适的浓度存在于电解质中，例如0.01wt％～10wt％、0.1wt％～10wt％、1wt％～5wt％、或3wt％～5wt％。
应当理解，锂金属盐，例如LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3，可以是所公开的酸化电解质的有效组分。示例性溶剂包括但不限于碳酸亚乙酯、碳酸亚丁酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸乙基甲酯、碳酸甲基丙酯、碳酸乙基丙酯、碳酸氟乙烯酯及其混合物。示例性溶剂可用于金属离子电池，例如锂离子电池。
附图说明
图1是示例性锂离子电池单元的简化剖视图。
图2是锂离子电池单元的另一简化剖视图，其电解质基本上被隔膜包容。
图3是包括多个电池单元的锂离子电池的示意图。
图4显示了当相对于Li循环时通过本文公开的方法制备的AMO锡的循环伏安图相对于市售的非AMO锡的循环伏安图的差异。
图5显示了AMO氧化锡的总反射率不同于市售的非AMO氧化锡的总反射率。
图6是显示了由本文公开的合成方法内源性产生的表面官能化的X射线光电子能谱(XPS)数据。所示数字为以％为单位的原子浓度。最右列列出了合成的纳米颗粒的当以5wt％分散在水溶液中时测量的相应PH。
图7提供了电子显微图像，其示出了除了使用不同官能化基团之外，在相同条件下合成的AMO纳米颗粒之间的形态差异。
图8显示了除了具有两个不同的总反应时间之外，在相同条件下合成的AMO纳米颗粒的形态和性能的差异。
图9提供了代表性的半电池单元数据，其显示了在相对锂循环时球形和细长(针状或棒状)的AMO的性能差异。
图10提供了使用强(含磷)吸电子基团和弱(乙酸)吸电子基团两者合成的AMO纳米颗粒的表面的X射线光电子能谱分析，显示磷的原子浓度大于与乙酸基团相关的键的原子浓度。
图11A提供显示不同AMO的可见光活性降解数据的数据。
图11B提供显示不同AMO的紫外光活性降解数据的数据。
图12是比较两个AMO的曲线图，一个AMO具有用于一次(单次使用)电池应用的较高容量，而另一个AMO具有用于二次(可再充电)电池应用的较高循环能力。
图13提供充电和放电容量数据以及库伦效率数据，示出了AMO可导致增强的电池性能，而不会使电池组分劣化或产生气体。
图14显示了标准、酸化和碱化电解质系统中AMO的容量和循环数据。
图15显示了AMO以及通过溶剂洗涤除去酸化的相同AMO的容量和循环数据。
图16提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图17提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图18提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图19提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图20提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图21提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图22提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图23提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图24提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图25提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图26提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图27提供合成的材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含合成的材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图28提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图29提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图30提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图31提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图32提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图33提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图34提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图35提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图36提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图37提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图38提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图39提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图40提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图41提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图42提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图43提供数据，该数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图44提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图45提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
图46提供AMO材料的电子显微图像和数据，所述数据包括对于包括包含AMO材料的电极的电池单元在循环期间所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及电压随时间变化的曲线图。
定义
为了本公开的目的，以下术语具有以下含义：
酸性氧化物——科学文献中常用的术语，指氧与非金属元素的二元化合物。一个例子是二氧化碳CO2。一些半金属(例如Si、Te、Po)的氧化物在其纯分子状态下也具有弱酸性。
酸化金属氧化物(“AMO”)——本文用于表示氧与金属元素的二元化合物，该化合物已被合成或改性为具有比其天然矿物状态的酸性大的酸性，并且也具有Hammett函数，H0>-12(非超酸性)。平均颗粒尺寸也小于天然矿物状态的平均颗粒尺寸。天然存在的矿物形式不属于本发明的AMO材料的范围。然而，比其最丰富的天然存在的矿物形式(当量化学计量)酸性更高但不是超酸性的合成的金属氧化物落入本公开的范围内，并且只要它满足本公开中讨论的某些其它条件就可以说是AMO材料。
酸性——在科学文献中常用的术语，指在水溶液中PH小于7的化合物。
吸电子基团(“EWG”)——将电子密度吸向自身的原子或分子基团。EWG的强度基于其在化学反应中的已知性能。例如，已知卤素是强EWG。已知有机酸基团如乙酸根是弱吸电子的。
Hammett函数——在高浓度酸溶液和超酸中量化酸性的另一种方法，酸性由以下方程定义：H0＝pKBH++log([B]/[BH+])。在此标度上，纯的18.4摩尔H2SO4具有-12的H0值。纯硫酸的值H0＝-12不能解释为PH＝-12，相反，这意味着存在的酸物质具有等同于假想(理想)浓度为1012mol/L的H3O+的质子化能力，这通过其质子化弱碱的能力来测量。Hammett酸度函数在其方程中避免了水。本文使用它来提供区分AMO材料与超酸的定量手段。Hammett函数可与比色指示测试和程序升温脱附结果相关。
金属氧化物——科学文献中常用的术语，指氧与金属元素的二元化合物。取决于它们在周期表中的位置，金属氧化物在其纯分子状态下的范围从弱碱性到两性(显示酸性和碱性性质)。弱碱性金属氧化物是锂、钠、镁、钾、钙、铷、锶、铟、铯、钡和碲的氧化物。两性氧化物是铍、铝、镓、锗、砹、锡、锑、铅和铋的氧化物。
单分散——表征大小均匀的颗粒，颗粒基本上彼此分离而不聚集成较大颗粒的颗粒。
PH——在科学文献中常用的用于指定水溶液的酸性或碱性的函数数值标度。它是水合氢离子浓度[H3O+]的对数的负数。如本文所用，它描述了悬浮在水溶液中的纳米颗粒的相对酸性。
表面官能化——小原子或分子基团与材料表面的连接。
超酸——酸性高于100％H2SO4的物质，具有Hammett函数，H0<-12。
具体实施方式
现在参考图1，以简化剖视图示出了锂离子电池单元100。电池单元100可以包括壳体或容器102。在一些实施例中，壳体102是聚合物或合金。壳体102将电池单元100的内容物与相邻的电池单元化学隔离和电隔离，使得电池单元100的内容物免受污染，并且防止损坏电池单元100所安装的设备的其它部件或被电池单元100所安装的设备的其它部件损坏。整个电池可包含以串联和/或并联配置布置的多个电池单元。如本领域已知的，电池可以具有将多个电池单元结合在一起的另一壳体或固定机构。
电池单元100提供阴极104和阳极106。当在阴极104和阳极106之间提供在电池单元100外部的导电路径时，电池单元100的内容物进行化学反应。作为化学反应的结果，在阳极106处提供电子，该电子经由设置在电池外部的电路(有时称为负载)流到阴极104。在电池单元100放电期间，包括阳极106的材料被碱性氧化提供流过电路的电子。包括阴极104(作为由阳极106释放的电子的接收体)的材料减少。
在放电期间，金属阳离子在电池单元100内通过电解质108从阳极106移动到阴极104。在锂基电池的情况下，金属阳离子可以是锂阳离子(Li+)。电解质108可以是液体电解质，例如在有机溶剂中的锂盐，例如，在碳酸亚乙酯中的LiClO4。可以使用本领域已知的其它锂基电解质/溶剂组合。在一些情况下，电解质108可以是固体电解质，例如聚环氧乙烷中的锂盐。可选地，电解质可包括聚合物电解质。示例性电解质包括在公开号为US2017/0069931的美国专利申请中描述的那些电解质，该美国专利申请通过引用结合于此。
可以采用隔膜110来防止电极104、106之间的接触。隔膜110可以是可渗透锂离子和电解质108但不导电的多孔材料层，从而防止电池单元100的内部短路。如本领域已知的，隔膜110可包括玻璃纤维或可包括可能具有半晶体结构的聚合物。诸如集电器的其他部件也可以包括在电池单元100中，但是在图1中未示出。
阳极104、阴极106、电解质108和隔膜110一起形成完整的电池单元100。由于隔膜110是多孔的，所以电解质108可流入隔膜110中或被隔膜110容纳。在正常工作状态下，隔膜110的孔隙率允许离子(Li+)经由电解质108在电极104、106之间流动。如本领域已知的，隔膜可以被构造成在暴露于过多热量或失控放热反应的情况下熔化和封闭内部孔结构以关闭电池单元。
大多数锂基电池单元是所谓的二次电池。它们可以在电池的化学或结构完整性低于可接受的极限之前被放电和再充电许多次。根据本公开的电池单元和电池被认为是一次电池(例如单次使用)和二次电池。
在电池单元100是二次电池单元(或二次电池的一部分)的情况下，应当理解，电池单元100可以单独地再充电，或者作为其中多个电池单元同时再充电的整个系统的部件(并且可能在相同的并联或串联电路中)而再充电。
向电池单元100施加反向电压以实现充电。应当理解，可以采用用于有效再充电锂电池的各种方案。可以采用恒定电流、可变电流、恒定电压、可变电压、部分占空比等。除非在权利要求中陈述，否则本公开并不旨在限于特定的充电方法。在电池单元100充电期间，元件115表示施加在阴极104和阳极106之间以提供从阴极105到阳极106的电子并允许发生化学反应的电压源。锂离子通过电解质108和隔膜110从阴极104穿梭到阳极106。
作为示例，阴极104或阳极106可独立地包含本文所公开的AMO材料。对于使用AMO材料作为阴极，阳极可对应于锂金属或嵌锂材料，例如石墨。可选地，电解质108可包括例如溶解在具有锂盐的有机溶剂中的酸性物质。作为在电解质108中使用酸性物质的补充或替代，可选择地，电极(即阴极104或阳极106)包括AMO和酸性物质。草酸是示例性的酸性物质。
在不希望受任何理论约束的情况下，认为阴极104或阳极106和/或电解质108中酸性物质的存在改善了AMO材料对锂离子的表面亲和力，导致与缺乏酸性物质或具有碱化电极或电解质(即包括碱性物质)的类似电池单元相比，在放电期间吸收锂离子的能力得到改善并且总体容量得到改善。替代地或附加地，酸性物质的存在可允许阴极104中用于吸收锂的额外的活性位点。
应当理解，图1不是按比例绘制的。如图2所示，在大多数应用中，隔膜110占据电极104、106之间的大部分或全部空间并且与电极104、106接触。在这种情况下，电解质108包含在隔膜110内(但也可侵入阳极或阴极的孔或表面中)。图2也不一定是按比例绘制的。电池单元的实际几何形状的范围可从相对薄且平的袋、到筒型构造、到钮扣电池等。可以使用诸如绕组或线轴或销形组件的电池单元构造技术。
也可以依靠本领域已知的集电器和其它部件(未示出)来将电池单元100形成为商业上可行的包装。尽管整体形状或几何形状可以变化，但是电池单元或电池通常将在一些位置或横截面处包含分离而非接触的电极104、106，并且在它们之间具有电解质108和可能的隔膜110。电池单元也可以构造成具有多层阳极和阴极。电池单元可被构造成使得两个阴极位于单个阳极的相对侧上，或者反之亦然。
用于特定目的的功能电池或工作电池可包括根据特定应用的需要布置的多个电池单元。在图3中示意性地示出了这种电池的示例。在此，电池300包括串联布置以增加电压的四个锂电池单元100。可以通过提供额外的与所示电池堆并联的四个电池单元100的电池堆，从而以此电压增加容量。可以通过改变串联布置的电池单元100的数量来实现不同的电压。
在电池300的壳体302的外部是可见到正电极306的。还提供了负电极304。电极304、306的物理形状因子可根据应用而变化。各种粘合剂、胶水、胶带和/或其它固定机构(未示出)可用于电池壳体302内以稳固其它部件。锂基电池通常是可工作的、可再充电的，并且可在任何方向上存储(如果是二次电池)。如上所述，电池单元100可以呈现各种不同的几何形状。因此，图3并不意味着表示电池300的任何特定物理形状因子。
电池300还可以包括在电池300的壳体302内插入正电极308和锂电池单元100的各种辅助电路308。在其它实施例中，作为插入正电极306和锂电池单元100的替代或补充，所述调节电路插入负电极304和锂电池单元100。所述辅助电路308可以包括短路保护、过充电保护、过热关闭和本领域已知的其它电路，以保护电池300、电池单元100和/或连接到电池300的任何负载。
选择用于阴极104、阳极106和电解质的材料的组分对于电池单元100及电池单元100形成其一部分的任何电池的性能可能至关重要。对此，在本公开的上下文中提供了AMO及其生产方法的各种示例。这些AMO适用于在半电池单元、电池单元和电池中形成阳极或阴极。另外，本公开的AMO与包括现有的阳极和阴极组分、电解质配方和隔膜组分的已知的锂电池技术兼容。
在本公开的上下文中，提供了AMO及其生产和使用方法的各种示例。这些AMO适用于在半电池单元、电池单元和电池中形成阴极或阳极。另外，所公开的AMO与包括现有的阳极组分、阴极组分、电解质配方和隔膜组分的常规的锂电池技术兼容。应当理解，为根据本公开的电池单元或电池选择的阳极106的材料可以比阴极的材料具有更小的电负性，以适当地补充阴极材料。在一个具体的实施例中，所公开的AMO可用作具有锂金属阳极的电池的阴极。
在本发明的多个实施例中，阴极104包括AMO材料，该AMO材料具有酸性但非超酸性的表面。这将与先前已知的用作阴极的材料(例如锂钴或锂锰材料)形成对比。下面描述本公开的AMO材料及其制备方法。在其它实施例中，阳极106包括本公开的AMO材料，该AMO材料具有酸性但非超酸性的表面。
金属氧化物的表面理想地是根据氧化物的晶体结构排序的金属和氧中心的阵列。实际上，阵列是不完美的，其易于出现空位、变形和表面附着的影响。无论如何，任何暴露的金属中心都是阳离子(带正电荷)并且可以接受电子，因此根据定义起路易斯酸位点的作用。氧中心是阴离子(带负电荷)并且作为路易斯碱位点以提供电子。这导致公知的金属氧化物表面的酸碱性。
在正常大气条件下，水蒸气的存在将分子地(水合)或解离地(羟基化)吸附到金属氧化物表面。OH-和H+物质都可以吸附在氧化物表面上。带负电荷的羟基物质将附着在金属阳离子(路易斯酸，接受电子)中心，H+将附着在氧阴离子(路易斯碱，给电子)中心。这两种吸附导致在金属氧化物表面上存在相同的官能团——羟基。
这些表面羟基可用作质子酸或质子碱，因为这些基团可释放或接受质子。单个羟基成为质子给体或质子受体的趋势受其所连接的金属阳离子或氧阴离子的配位影响。金属氧化物表面的缺陷例如氧空位，或表面基团与其它化学物质的配位，意味着所有的阳离子和阴离子并非是同等配位的。酸-碱位点的数量和强度将不同。当在氧化物表面上概括地“总计”时，这可赋予表面整体的酸性或碱性。
路易斯酸位点和路易斯碱位点(分别来自暴露的金属阳离子和氧阴离子)以及质子酸位点和质子碱位点(来自表面羟基)的数量和强度为金属氧化物及其在化学反应和设备应用中的用途中增加了广泛的实用性和功能性。这些位点对金属氧化物的化学反应性有很强的贡献。它们可以用作锚固位点，其它化学基团甚至另外的金属氧化物可以连接到该锚固位点。并且它们可以影响表面电荷、亲水性和生物相容性。
改变金属氧化物表面的一种方法是在称为表面官能化的过程中连接小的化学基团或吸电子基团(“EWG”)。EWG诱导氢氧键的极化并促进氢的解离。例如，更强的EWG应该导致更极化的键，并因此导致更酸的质子。路易斯位点的酸性可以通过诱导极化来增加，该极化促进电子向该位点的贡献。当将如此制备的化合物置于水中时，酸性质子将解离并因此降低水溶液的PH测量值。
虽然在用固体酸/碱系统而不是液体酸/碱系统工作时有些不精确，但是可以使用利用滴定、PH试纸和PH探针的传统PH测量方法来评价分散在水溶液中的金属氧化物的酸性。这些测量可以通过使用包括但不限于比色指示剂、红外光谱和程序升温脱附数据的技术来补充，以建立金属氧化物表面的酸性性质。可通过标准分析技术(包括但不限于X射线光电子能谱)检验表面基团。
表面官能化可在合成后完成，包括但不限于将金属氧化物暴露于含有所需官能团的酸性溶液或蒸汽。它也可以通过固相法实现，其中金属氧化物与含有所需官能团的固体混合和/或研磨。然而，所有这些方法除了合成金属氧化物本身所需的步骤之外，还需要额外的表面官能化步骤。
AMO材料的合成和表面官能化可以在“单釜(single-pot)”水热合成方法或其等同物中完成，其中金属氧化物的表面在金属氧化物由合适的前体合成时官能化。溶解含有EWG的前体盐，并使用含有第二EWG的酸酸化所得溶液。然后将该酸化溶液碱化，加热碱化的溶液，然后洗涤。干燥步骤产生固体AMO材料。
作为示例，使用以下单釜方法合成优选实施例的氧化锡形式的AMO并同时进行表面官能化：
1.首先，将7克(7g)氯化锡(II)二水合物(SnCl2 2H2O)溶解在35mL无水乙醇和77mL蒸馏水的溶液中。
2.将所得溶液搅拌30分钟。
3.通过逐滴加入7mL 1.2M HCl使溶液酸化，并将所得溶液搅拌15分钟。
4.通过逐滴加入1M的碱水溶液使该溶液碱化，直到溶液的PH约为8.5。
5.然后将所得的不透明白色悬浮液置于热水浴(～60℃至90℃)中并同时搅拌至少2小时。
6.然后用蒸馏水和无水乙醇洗涤悬浮液。
7.洗涤后的悬浮液在100℃空气中干燥1小时，然后在200℃空气中退火4小时。
该方法得到用氯表面官能化的锡的AMO，当以5wt％在室温下在水溶液中再悬浮和测量时，其PH约为2。根据定义，其Hammett函数H0>-12。尽管本文描述了诸如烧瓶的开放系统，但是也可以使用诸如高压釜的封闭系统。
利用以上公开的单釜方法，已经合成了许多AMO。下表1描述了已经使用的前体和酸。在一些情况下，也使用掺杂剂：
Figure BDA0002277687200000101
Figure BDA0002277687200000111
其中Ac是化学式为C2H3O2的乙酸基团
在一些实施例中，吸电子基团的碳链长度为5或更少、或6或更少和/或有机质量为200或更小(AMU)。在一些实施例中，吸电子基团的碳链长度为8或更少、或10或更少、和/或有机质量为500或更小。
应当理解，该方法的参数可以变化。这些参数包括但不限于试剂的类型和浓度、酸和碱的类型和浓度、反应时间、温度和压力、搅拌速率和时间、洗涤步骤的数量和类型、干燥和焙烧的时间和温度、以及干燥和焙烧期间的气体暴露。可以单独地或以可能使用实验设计方法的任何组合进行变化。另外，其它金属氧化物合成方法——例如喷雾热解方法、气相生长方法、电沉积方法、固相法、和水热或溶剂热处理方法——可用于实现与本文公开的方法相同或相似的结果。
各种退火条件可用于制备AMO纳米材料。示例性退火温度可以低于300℃，例如从100℃到300℃。示例性退火时间可以在约1小时至约8小时或更长的范围内。退火可以在各种大气条件下进行。例如，退火可以在大气压下的空气中发生。退火可以在升高的压力(大于大气压)或降低的压力(小于大气压或在真空中)下发生。可替代地，退火在控制气氛中发生，例如在惰性气体(例如，氮气、氦气或氩气)下或在氧化气体(例如，氧气或水)的存在下发生。
各种干燥条件可用于制备AMO纳米材料。示例性干燥温度可以从50℃到150℃。示例性干燥时间可在约0.5小时至约8小时或更长的范围内。干燥可以在各种大气条件下进行。例如，干燥可以在大气压下的空气中发生。干燥可以在升高的压力(大于大气压)或降低的压力(小于大气压或在真空中)下进行。可替代地，干燥在控制气氛中发生，例如在惰性气体(例如，氮气、氦气或氩气)下或在氧化气体(例如，氧气或水)的存在下发生。
本公开的AMO纳米材料的性能特征不同于非酸化金属氧化物纳米颗粒的性能特征。作为一个示例，图4显示了当相对于锂循环时，通过单釜法制备的AMO锡的循环伏安图相对于市售的非AMO锡的循环伏安图的差异。例如，表面官能化的AMO材料表现出比非AMO材料更好的可逆性。AMO材料的CV中的不同峰的存在可能表示在充电/放电期间发生多个电子转移步骤。举例来说，较高电压处的峰可能表示AMO材料的直接氧化/还原，而较低电压处的峰可能是由于AMO材料的材料结构改变(即合金化)而产生的。
作为另一示例，图5表明AMO氧化锡的总反射率不同于市售的非AMO氧化锡的总反射率。数据表明，AMO除了用作根据本公开的阳极之外，还具有较低的能带间隙，因此具有作为光伏系统的部件的更理想的性质。
AMO材料可以被认为具有通式
MmOx/G
其中
MmOx为金属氧化物，m至少为1且不大于5，x至少为1且不大于21；
G是不是氢氧根的至少一种EWG，并且
/简单地区分金属氧化物和EWG，表示两者之间没有固定的数学关系或比率。
G可以表示单一类型的EWG或者多于一种类型的EWG。
示例性AMO是酸化的氧化锡(SnxOy)、酸化的氧化钛(TiaOb)、酸化的氧化铁(FecOd)和酸化的氧化锆(ZreOf)。示例性吸电子基团(“EWG”)是Cl、Br、BO3、SO4、PO4和CH3COO。不管具体的金属或EWG如何，根据本公开，AMO材料是酸性的但不是超酸性的，当以5wt％悬浮在水溶液中时产生PH<7，并且至少在其表面上产生Hammett函数H0>-12。
AMO材料结构可以是结晶的或无定形的(或其组合)，并且可以单独使用，或作为与本领域已知的非酸化的金属氧化物、或其它添加剂、粘合剂或导电助剂彼此结合的混合物。换句话说，利用本公开的AMO制备的阳极可以包括或可以不包括其它材料。在一个实施例中，AMO可以层叠在导电材料上以形成阴极104。在一些实施例中，将AMO材料以10wt％至80wt％和高达90wt％至95wt％的范围添加至导电辅助材料，例如石墨或导电碳(或其等同物)。在优选的实施例中，以10wt％、33wt％、50wt％和80wt％加入AMO。
为了使可用的总表面积的量最大化，AMO应当是纳米颗粒形式(即，尺寸小于1微米)并且基本上是单分散的。更优选地，纳米颗粒尺寸小于100nm，甚至更优选地，小于20nm或10nm。
混合金属AMO(其中除了纯氧化物或二元氧化物之外还存在另一种金属或金属氧化物)已经被还原用于形成在半电池单元、电池单元和电池中使用的阳极。这些混合金属AMO可被认为具有通式
MmNnOx/G和MmNnRrOx/G
其中：
M为金属且m至少为1且不大于5；
N是金属且n大于0且不大于5；
R是金属且r大于0且不大于5；
O是与所有金属缔合的总氧，x至少为1且不大于21；
/简单地区分金属氧化物和吸电子表面基团，表示两者之间没有固定的数学关系或比率；并且
G是不是氢氧根的至少一种EWG。
G可以表示单一类型的EWG或者多于一种类型的EWG。
一些现有技术的混合金属氧化物系统(其中沸石是最显著的例子)显示出强的酸性，即使每种纯氧化物不显示出强的酸性。本公开的混合金属AMO的优选实施例与那些系统的不同之处在于任何实施例必须包括至少一种酸性(但不是超酸性)的纯MmOx/G形式的AMO。优选的混合金属和金属氧化物系统是SnxFecOy+d和SnxTiaOy+b，其中y+d和y+b可以是整数或非整数值。
在另一实施例中，混合金属AMO材料通过单釜方法产生，其具有一个修改：以任何比例的两种金属前体盐而不是一种金属前体盐开始合成。例如，可以如下改变单釜方法的步骤1：首先，将3.8g氯化锡(II)二水合物(SnCl2 2H2O)和0.2g氯化锂(LiCl)溶解在20mL无水乙醇和44mL蒸馏水的溶液中。
也可以以任何比例使用如表1所示的金属前体盐。取决于所需的产物，金属前体盐可以具有相同的或不同的阴离子基团；金属前体盐可以在合成中的不同时间点引入；或者金属前体盐可以作为固体引入或引入到溶剂中。在一些实施例中，第一金属前体盐可用于所得AMO的主要结构(即，较大比例)，且第二(及可选的第三)金属前体盐可作为所得AMO的掺杂剂或作为次要成分而添加。
单釜法的实验导致了七个显著的发现。首先，在所有情况下，表面官能化和酸性都内源性地产生(参见图6)，而不是在合成后产生的。与现有技术的表面官能化方法不同，单釜法除了合成金属氧化物本身所需的步骤之外不需要任何额外的一个或多个表面官能化步骤，也不使用含羟基的有机化合物或过氧化氢。
第二，该方法可在宽范围的金属氧化物和EWG上广泛推广。使用本公开的方法，合成了铁、锡、锑、铋、钛、锆、锰和铟的金属氧化物，并同时用氯化物、硫酸、乙酸、硝酸、磷酸、柠檬酸、草酸、硼酸和溴化物进行表面官能化。还合成了锡与铁、锡与锰、锡与锰与铁、锡与钛、铟与锡、锑与锡、铝与锡、锂与铁、以及锂与锡的混合金属AMO。另外，可使用弱于卤素和SO4但仍产生酸性但非超酸性表面的EWG来实现表面官能化。例如，该方法还用于合成用乙酸根(CH3COO)、草酸根(C2O4)和柠檬酸根(C6H5O7)表面官能化的AMO。各种示例在下文中描述。
第三，EWG与纳米颗粒的其它性质如尺寸、形态(例如板状、球状、针状或棒状)、氧化态和结晶度(无定形、结晶或其混合物)之间存在协同关系。例如，在除了使用不同的EWG用于表面官能化之外的相同条件下合成的AMO纳米颗粒之间会发生形态差异(参见图7)。表面官能化可以起到“钉扎(pin)”纳米颗粒的尺寸的作用，停止它们的生长。取决于精确的合成条件，这种钉扎可以仅在纳米颗粒的一个维度上发生，或者可以在多于一个维度上发生。
第四，AMO的特性对合成条件和过程非常敏感。例如，当在除了具有两个不同的总反应时间之外的相同条件下合成时，会发生AMO纳米颗粒的形态和性能差异(参见图8和图9)。实验设计方法可用于决定产生所需特性或特性组的最佳或最优的合成条件和过程。
第五，存在于前体盐中的阴离子和存在于酸中的阴离子都有助于AMO的表面官能化。在一个优选的实施例中，氯化锡前体和盐酸用于锡的AMO的合成。这些颗粒的性能不同于其中使用氯化锡前体和硫酸的实施例，或不同于其中使用硫酸锡前体和盐酸的实施例。因此，在一些实施例中优选匹配前体阴离子和酸根离子。
第六，当使用具有弱EWG的前体和具有强EWG的酸时，或反之亦然，强吸阴离子将主导表面官能化。这打开了更宽范围的合成可能性，允许用在前体盐和酸中都不容易获得的离子官能化。它还可以允许用强EWG和弱EWG的混合官能化。在一个示例中，乙酸锡前体和磷酸用于合成锡的AMO。表面的X射线光电子能谱分析表明，磷的原子浓度大于与乙酸基团有关的键的原子浓度(参见图10)。
第七，也是最后，虽然所公开的方法是用于合成AMO的一般过程，但是可以调节合成过程和条件以产生被视为不同应用想要的尺寸、形态、氧化态和结晶态。作为一个示例，催化应用可能需要在可见光中更有活性的AMO材料(参见图11A)或在紫外光中更有活性的AMO材料(见图11B)。
在另一示例中，AMO材料可用作电池电极。一次(单次使用)电池应用可能需要具有导致最高容量的特性的AMO，而二次(可再充电)电池应用可能需要相同的但具有导致最高循环能力的特性的AMO。图12比较由包括含氯AMO和含硫AMO的AMO材料构成的两种不同电池的循环能力。AMO材料提高了电池性能，而不会劣化电池组分或产生气体。这与现有技术教导的正好相反。
在图13中，显示了构造为AMO纳米材料电极的半电池单元的电池相对于锂金属的充放电循环能力，其显示了高达900次充放电循环的循环能力，同时仍然保持有效的容量和优异的库伦效率。如此长的循环能力是很优异的，特别是相对于锂金属参比电极，因为已知锂金属甚至在低循环数过程中都生长枝晶，而这可能扩大并导致电池单元的危险和致命失效。
根据本公开，在完整的电池单元中，包括所公开的AMO的阳极106可以与已知的电解质108和包括诸如锂钴氧化物(LiCoO2)的已知材料的阴极104一起使用。同样地，包括隔膜110的材料可以从本领域中当前已知的材料中提取。
在完整的电池中，包括所公开的AMO的阴极104可以与已知的电解质108和包括诸如铜箔上的碳的已知材料的阳极106一起使用，其显示出比本公开的AMO低的电负性。包括隔膜110和电解质108的材料同样可以从如上讨论的本领域中当前已知的那些材料中得到。
可以采用各种分层和其它增强技术来最大化用于保持锂离子的容量以向电池单元100供电。还应当理解，基于根据本公开的AMO阴极104的电池可以用作二次(例如，可再充电)电池，但是也可以用作一次电池。尽管本公开的AMO阳极适于可逆电池化学，但是如本文所述构造的电池单元或电池可以令人满意地用作一次电池单元或电池。在一些实施例中，根据本公开构造的电池单元和电池不需要初始化成，因此准备用作一次电池单元和电池。在其它情况下，可采用有限或快速的化成。此外，通过将本公开的电池单元和电池用作不打算再充电的一次电池，减轻了锂电池化学可能固有的一些安全问题，因为在本领域中已知的是，在电池循环期间安全问题出现地更频繁。
在根据本公开的其它实施例中，阴极104包括氧化锡(SnO2)，但是其没有根据上述AMO进行酸化。已知的电解质108、阳极106和隔膜110或本公开中另外描述的那些可以用于这些实施例。
应当理解，使用AMO材料的其它电池构造也是可能的。例如，电池可包括包含AMO纳米材料的第一电极、第二电极和位于第一电极和第二电极之间的电解质。作为锂离子电池中的示例，第一电极可以用作阴极或阳极。例如，在作为阴极工作时，第二电极可对应于锂金属、石墨或另一阳极材料。作为另一示例，在作为阳极工作时，第二电极可对应于LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2或另一阴极材料。用于第二电极的有效材料包括但不限于石墨、锂金属、钠金属、锂钴氧化物、钛酸锂、锂锰氧化物、锂镍锰钴氧化物(NMC)、铁锂磷酸、锂镍钴铝氧化物(NCA)或它们的任意组合。
可选地，本公开的AMO材料与酸性成分如粘合剂、酸性电解质或酸性电解质添加剂一起使用。这可以是在阳极、阴极、半电池单元、完整电池单元、集成的电池或其它部件的情况下。本发明人已经惊奇地发现，在包含AMO材料的电池中包括酸性成分和/或酸性物质，例如有机酸或有机酸酐，导致与不包括酸性物质的电池相比容量增加。又一次地，现有技术教导了由于这些物质可能降解金属集电器和壳体并导致其它电极组分劣化而不使用酸性物质。
如图14所示，其提供基于AMO的多个电池的对比的循环能力数据，所述多个电池由相同材料和结构形成，除了一个具有标准电解质、一个具有碱化电解质、以及一个具有酸化电解质。电池包括如下构造：所有阴极包括相同的AMO材料；所有阳极均为锂金属；标准电解质是1:1:1的碳酸二亚甲酯、碳酸二亚乙酯和碳酸亚乙酯的混合物以及1M LiPF6；酸化电解质是3wt％的琥珀酸酐标准电解质；碱化电解质是3wt％的二甲基乙酰胺标准电解质。所有电池以相同的放电速率循环。如图所示，具有酸化电解质系统的电池表现出最佳的循环能力，在最大的循环数上保持最高的容量。
图15提供了附加的具有相同电池构造(包括酸化电解质)的两个不同电池(不同之处在于一个电池的AMO材料通过用溶剂洗涤而脱酸)的对比的循环能力数据。电池包括如下构造：阴极包括AMO材料；电解质是1:1:1的碳酸二亚甲酯、碳酸二亚乙酯和碳酸亚乙酯的混合物以及1M LiPF6和3wt％琥珀酸酐；阳极是锂金属。电池以相同的放电速率循环。具有酸化AMO材料的电池表现出相对循环数的较高的容量保持能力，这表明AMO的酸化表面可与酸化电解质相互作用，提供增强的性能。
一些酸性电解质已被开发和/或测试了，并且发现其与本文所述的电池化学有利地工作。
实施例1：乙酸盐/氯化物官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化锡AMO。简言之，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入盐酸(HCl)酸化。所得的AMO纳米材料是软的灰色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图16描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例2：乙酸盐/硫酸官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化锡AMO。简言之，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入硫酸(H2SO4)酸化。所得的AMO纳米材料是灰色的薄片状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图17描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例3：乙酸盐/硝酸官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化锡AMO。简言之，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入硝酸(HNO3)酸化。所得的AMO纳米材料是灰色的薄片状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图18描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例4：乙酸盐/磷酸官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化锡AMO。简言之，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入磷酸(H3PO4)酸化。所得的AMO纳米材料是棕色的软的薄片状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图19描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例5：乙酸盐/柠檬酸官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化锡AMO。简言之，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入柠檬酸(C6H8O7)酸化。所得的AMO纳米材料是棕色的薄片状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图20描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例6：乙酸盐/柠檬酸官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化锡AMO。简言之，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入草酸(C2H2O4)酸化。所得的AMO纳米材料是褐色的薄片状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图21描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例7：掺杂氧化铁并通过乙酸盐/氯化物官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了掺杂的氧化锡AMO。简言之，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在具有较少量乙酸铁的乙醇/水溶液中。通过加入盐酸(HCl)使该溶液酸化。所得的AMO纳米材料是柔软且薄片状的乳灰色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图22描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例8：掺杂氧化铁并通过乙酸盐/硫酸官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了掺杂的氧化锡AMO。简言之，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在具有较少量乙酸铁的乙醇/水溶液中。通过加入硫酸(H2SO4)将溶液酸化。所得的AMO纳米材料是浅褐色的、软的、薄片状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图23描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例9：掺杂氧化铁并通过乙酸盐/硝酸官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了两种掺杂的氧化锡AMO样品。简单地说，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在具有少量乙酸铁(Fe(CH3COO)3)的乙醇/水溶液中。通过加入硝酸(HNO3)使该溶液酸化。所得的AMO纳米材料是软的白色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图24描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例10：掺杂氧化铁并通过乙酸盐/草酸官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了掺杂的氧化锡AMO。简单地说，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在具有少量乙酸铁(Fe(CH3COO)3)的乙醇/水溶液中。通过加入草酸(C2H2O4)将溶液酸化。所得的AMO纳米材料是软的白色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图25描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例11：掺杂氧化铁并通过乙酸盐/磷酸官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了掺杂的氧化锡AMO。简单地说，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在具有少量乙酸铁(Fe(CH3COO)3)的乙醇/水溶液中。通过加入磷酸(H3SO4)将溶液酸化。所得的AMO纳米材料是白色薄片状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图26描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例12：掺杂氧化铁并用乙酸盐/柠檬酸官能化的氧化锡
采用单釜水热合成法合成了掺杂的氧化锡。简单地说，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在具有少量乙酸铁(Fe(CH3COO)3)的乙醇/水溶液中。通过加入柠檬酸(C6H8O7)将溶液酸化。所得材料不形成颗粒，而是黄色玻璃质硬质材料，其形成为电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图27描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例13：乙酸盐/溴化物官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化锡AMO。简言之，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入氢溴酸(HBr)酸化。所得的AMO纳米材料是灰色的软的粉末状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图28描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例14：乙酸盐/硼酸官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化锡AMO。简言之，将乙酸锡(Sn(CH3COO)2)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入硼酸(H3BO3)酸化。所得的AMO纳米材料是灰色的薄片状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图29描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例15：掺杂氧化锰并用硫酸/氯化物官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了掺杂的氧化锡AMO。简言之，将硫酸锡(SnSO4)溶解在具有较少量氯化锰(MnCl2)的乙醇/水溶液中。通过加入硫酸(H2SO4)将溶液酸化。所得的AMO纳米材料是非常软的棕褐色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图30描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例16：掺杂氧化锰并由氯化物官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了掺杂的氧化锡AMO。简言之，将氯化锡(SnCl2)溶解在具有较少量氯化锰(MnCl2)的乙醇/水溶液中。通过加入盐酸(HCl)使该溶液酸化。所得的AMO纳米材料是软的灰褐色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图31描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例17：掺杂氧化铁和氧化铝并用氯化物官能化的氧化锡AMO
采用单釜水热合成法合成了两种掺杂的氧化锡AMO样品。简言之，将氯化锡(SnCl2)溶解在具有较少量氯化铁(FeCl3)和氯化铝(AlCl3)的乙醇/水溶液中。通过加入盐酸(HCl)使该溶液酸化。所得的用于第一样品的AMO纳米材料是浅褐色的薄片状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图32描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。所得的用于第二样品的AMO纳米材料是浅灰色的薄片状材料。
实施例18：掺杂氧化锡并用氯化物官能化的氧化铁AMO
采用单釜水热合成法合成了掺杂的氧化铁AMO。简言之，将氯化铁(FeCl3)溶解在具有较少量氯化锡(SnCl2)的乙醇/水溶液中。铁与锡的比例为95：5。通过加入盐酸(HCl)使该溶液酸化。所得的AMO纳米材料是软的红色材料并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图33描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例19：掺杂氧化锡并用氯化物官能化的氧化铁AMO
采用单釜水热合成法合成了掺杂的氧化铁AMO。简言之，将氯化铁(FeCl3)溶解在具有较少量氯化锡(SnCl2)的乙醇/水溶液中。铁与锡的比例为95：5。通过加入盐酸(HCl)使该溶液酸化。所得的AMO纳米材料是黑色玻璃状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图34描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例20：用硝酸官能化的氧化铁AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化铁AMO。简言之，将硝酸铁Fe(NO3)3溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入硝酸(HNO3)酸化。所得的AMO纳米材料是黑色玻璃状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图35描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例21：用氯化物官能化的氧化铋AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化铋AMO。简言之，将氯化铋(BiCl3)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入盐酸(HCl)酸化。所得的AMO纳米材料是软的白色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图36描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例22：用硫酸官能化的氧化锆AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化锆AMO。简言之，将硫酸锆(Zr(SO4)2)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入硫酸(H2SO4)酸化。所得的AMO纳米材料是薄片状的白色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图37描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例23：用硫酸官能化的氧化钛AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化钛AMO。简言之，将硫酸氧钛(TiOSO4)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入硫酸(H2SO4)酸化。所得的AMO纳米材料是白色片状材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图38描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例24：用硫酸官能化的氧化锑AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化锑AMO。简言之，将硫酸锑(Sb2(SO4)3)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入硫酸(H2SO4)酸化。所得的AMO纳米材料是非常软的白色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图39描绘了所测量的容量相对于循环数的曲线图，以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例25：用氯化物官能化的氧化铟AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化铟AMO。简言之，将氯化铟(InCl3)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入盐酸(HCl)酸化。所得的AMO纳米材料是白色材料并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图40描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例26：用硫酸官能化的氧化铟AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化铟AMO。简言之，将硫酸铟(In2(SO4)3)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入硫酸(H2SO4)酸化。所得的AMO纳米材料是白色材料并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图41描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例27：用溴化物官能化的氧化铟AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化铟AMO。简言之，将溴化铟(InBr3)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入氢溴酸(HBr)酸化。所得的AMO纳米材料是蓝白色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图42描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例28：用氯化物官能化的氧化铟AMO
采用单釜水热合成法合成了氧化铟AMO。简言之，将氯化铟(InCl3)溶解在乙醇/水溶液中，并通过加入盐酸(HCl)酸化。所得的AMO纳米材料是灰色的，具有黄色环，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图43描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例29：掺杂氧化锡并用氯化物/乙酸盐官能化的混合的氧化锂和氧化铁AMO
采用单釜水热合成法合成了掺杂的混合的氧化锂和氧化铁AMO。简言之，将乙酸锂(Li(CH3COO))和氯化铁(FeCl3)溶解在具有较少量氯化锡(SnCl2)的乙醇/水溶液中。通过加入盐酸(HCl)使该溶液酸化。在合成过程中，在烧瓶上形成带有绿色环的棕褐色、粉红色。然而，最终的AMO纳米材料是灰色的并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图44描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例30：掺杂氧化锡并用氯化物/乙酸盐官能化的混合的氧化锂和氧化铁AMO
采用单釜水热合成法合成了掺杂的混合的氧化锂和氧化铁AMO。简言之，将乙酸锂(Li(CH3COO))和氯化铁(FeCl3)溶解在具有较少量氯化锡(SnCl2)的乙醇/水溶液中。通过加入盐酸(HCl)使该溶液酸化。所得的AMO纳米材料是金白色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图45描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
实施例31：掺杂氧化锡并用氯化物/乙酸盐官能化的混合的氧化锂和氧化铁AMO
采用单釜水热合成法合成了掺杂的混合的氧化锂和氧化铁AMO。简言之，将乙酸锂(Li(CH3COO))和氯化铁(FeCl3)溶解在具有较少量氯化锡(SnCl2)的乙醇/水溶液中。通过加入盐酸(HCl)使该溶液酸化。所得的AMO纳米材料是淡乳白色材料，并形成电极。将电极相对于锂金属组装在电池单元中，并通过放电至零伏，然后充电至1.5伏进行循环。图46描绘了AMO纳米材料的电子显微图像、所测量的容量相对于循环数的曲线图、以及循环期间电压随时间变化的曲线图。
在多个实施例中，本公开提供了包括单分散纳米颗粒形式的固体金属氧化物的材料。AMO纳米材料可包括氧化锡、二氧化钛、氧化铁、氧化锆或它们的任意组合。AMO纳米材料可以通过选自由Cl、Br、BO3、SO4、PO4、NO3、CH3COO、C2O4和C6H5O7组成的组中的一个或多个吸电子基团进行表面官能化。第一电池电极可以进一步包括第二酸性物质。第二电极可包括石墨、锂金属、钠金属、锂钴氧化物、钛酸锂、锂锰氧化物、锂镍锰钴氧化物(NMC)、磷酸铁锂、锂镍钴铝氧化物(NCA)或它们的任意组合。酸性物质可包括选自由草酸、乙酸、柠檬酸、马来酸、甲基丙二酸、戊二酸、琥珀酸、甲基琥珀酸、亚甲基琥珀酸、和柠康酸组成的组中的一种或多种有机酸。酸性物质可包括选自由戊二酸酐、琥珀酸酐、甲基琥珀酸酐、马来酸酐和衣康酸酐组成的组中的一种或多种有机酸酐。酸性物质在溶剂中的浓度可选自0.01wt％～10wt％。酸性物质可在水中表现出pKa为1至6。电解质可以进一步包括溶解在溶剂中的锂盐。
本公开包括制备电池的方法，包括制备酸化金属氧化物(AMO)纳米材料，形成AMO纳米材料的第一电极，通过将一种或多种盐和酸性物质溶解在溶剂中来形成电解质，以及将电解质定位在第一电极和第二电极之间。制备AMO纳米材料可包括形成包含金属盐、乙醇和水的溶液，通过向溶液中加入酸酸化溶液，通过向溶液中加入碱水溶液碱化溶液，从溶液中收集沉淀物，洗涤沉淀物，以及干燥沉淀物。该方法可包括通过将沉淀物与第二酸性物质混合来形成第一电极。AMO纳米材料包括氧化锡、二氧化钛、氧化铁、氧化锆或它们的任意组合。AMO纳米材料可以通过选自由Cl、Br、BO3、SO4、PO4、NO3、CH3COO、C2O4和C6H5O7组成的组中的一个或多个吸电子基团进行表面官能化。第二电极可包括石墨、锂金属、钠金属、锂钴氧化物、钛酸锂、锂锰氧化物、锂镍锰钴氧化物(NMC)、磷酸铁锂、锂镍钴铝氧化物(NCA)或它们的任意组合。酸性物质可包括选自由草酸、乙酸、柠檬酸、马来酸、甲基丙二酸、戊二酸、琥珀酸、甲基琥珀酸、亚甲基琥珀酸和柠康酸组成的组中的一种或多种有机酸，或者其中酸性物质包括选自由戊二酸酐、琥珀酸酐、甲基琥珀酸酐、马来酸酐和衣康酸酐组成的组中的一种或多种有机酸酐。酸性物质在溶剂中的浓度可选自0.01wt％～10wt％。酸性物质可在水中表现出pKa为1至6。
本公开提供了用于包括第一电极和第二电极的电池中的酸化电解质，其中所述第一电极包括酸化金属氧化物(AMO)纳米材料，所述电解质包括溶剂、溶解在所述溶剂中的一种或多种金属盐和溶解在所述溶剂中的酸性物质，其中所述酸性物质不同于所述一种或多种金属盐。酸性物质可包括选自由草酸、乙酸、柠檬酸、马来酸、甲基丙二酸、戊二酸、琥珀酸、甲基琥珀酸、亚甲基琥珀酸和柠康酸组成的组中的一种或多种有机酸，或者其中酸性物质包括选自由戊二酸酐、琥珀酸酐、甲基琥珀酸酐、马来酸酐和衣康酸酐组成的组中的一种或多种有机酸酐。酸性物质可在水中表现出pKa为1至6。
贯穿本申请的所有参考文献，例如包括已公布或已授予的专利或等同物的专利文献、专利申请公开版本和非专利文献或其它来源材料均通过引用全文并入本文，就好像通过引用单独地并入本文一样。
说明书中提到的所有专利和公开版本都表明了本发明所属领域的技术人员的技术水平。本文引用的参考文献通过引用全文并入本文，以在一些情况下指示截至其申请日的现有技术的状态，并且如果需要，旨在在本文中使用该信息，以排除(例如，不保护)现有技术中的特定实施例。例如，当要求保护化合物时，应当理解，现有技术中已知的化合物，包括本文公开的参考文献(特别是引用的专利文献)中公开的某些化合物，不打算包括在权利要求中。
当本文公开了一组取代基时，应当理解，那些基团的所有单个成员以及可以使用取代基形成的所有子基团和类属是分别公开的。当本文使用马库什基团或其它基团时，基团的所有单个成员以及基团的所有可能组合和子组合分别地包含于本公开中。如本文所使用的，"和/或"是指列表中由"和/或"分隔的项中的一个、全部或任意组合被包括在列表中；例如，"1、2和/或3"等同于"1"或"2"或"3"或"1和2"或"1和3"或"2和3"或"1、2和3"。
除非另有说明，否则所描述或举例说明的每种配方或组分组合均可用于实施本发明。材料的具体名称旨在是示例性的，因为已知本领域技术人员可以不同地命名相同的材料。本领域技术人员将认识到，可以在本发明的实践中采用除了具体举例说明的那些以外的方法、设备元件、原料和合成方法，而不需要过度的实验。所有本领域已知的任何这样的方法、设备元件、原料和合成方法的功能等同物都包括在本发明中。每当在说明书中给出范围(例如，温度范围、时间范围或组成范围)时，所有中间范围和子范围以及包括在给出的范围中的所有个别值都旨在包括在本公开中。
如本文所用的，"包括"与"包含"或"特征在于"同义，并且是包含的或不受限制的，并且不排除附加的、未列举的元件或方法步骤。如本文所用，"由…组成"排除权利要求要素中未规定的任何要素、步骤或成分。如本文所用，"基本上由…组成"不排除实质上不影响权利要求的要素和新颖特征的材料或步骤。本文中对术语"包括"的任何叙述，特别是在组合物的组分的描述中或在设备的元件的描述中，应理解为包括基本上由所叙述的组分或元件组成和由所叙述的组分或元件组成的那些组合物和方法。本文示例性描述的本发明可以在没有本文未具体公开的任何元件或限制的情况下适当地实施。
已经采用的术语和表达是被用作描述的术语而不是限制的术语，并且使用这样的术语和表达并不意图排除示出和描述的特征或其部分特征的任何等同物，但是应当认识到，在所要求保护的本发明的范围内，各种修改是可能的。因此，应当理解，虽然已经通过优选实施例和可选特征具体公开了本发明，但是本领域技术人员可以对本文公开的概念进行修改和变型，并且这样的修改和变型被认为在根据权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (24)

1.一种包括阳极、电解质和阴极的电池单元，其中所述阳极或阴极的其中之一包括至少一种固体金属氧化物纳米材料，所述固体金属氧化物纳米材料包括酸性但非超酸性的表面，所述表面在干燥后以5wt％重新悬浮于水中时具有PH<5，并且具有Hammett函数H0>-12。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述固体金属氧化物纳米材料具有至少一个尺寸小于100nm的颗粒尺寸。
3.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述固体金属氧化物纳米材料具有至少一个尺寸小于20nm的颗粒尺寸。
4.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述固体金属氧化物纳米材料具有至少一个尺寸小于10nm的颗粒尺寸。
5.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述固体金属氧化物纳米材料包括基本上单分散的纳米颗粒形式。
6.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述表面在干燥后以5wt％重新悬浮于水中时具有PH<4，并且具有Hammett函数H0>-12。
7.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述表面在干燥后以5wt％重新悬浮于水中时具有PH<3，并且具有Hammett函数H0>-12。
8.具有包括至少一种固体金属氧化物材料的电极的电池单元，其中所述金属氧化物用基本上单分散的材料进行表面官能化并提供分子量小于200的酸性吸电子基团。
9.根据权利要求8所述的电池单元，其中表面官能化所述金属氧化物的所述表面的所述材料是酸性的但不是超酸性的，当以5wt％悬浮在水溶液中时具有PH<7，并且具有Hammett函数H0>-12。
10.根据权利要求9所述的电池单元，其中表面官能化所述金属氧化物的所述表面的所述材料是酸性的但不是超酸性的，当以5wt％悬浮在水溶液中时具有PH<5，并且至少在其表面上具有Hammett函数H0>-12。
11.根据权利要求9所述的电池单元，其中所述酸性金属氧化物包括锡。
12.根据权利要求11所述的电池单元，其中包含锡的所述酸性金属氧化物用氯化物表面官能化。
13.根据权利要求11所述的电池单元，其中包含锡的所述酸性金属氧化物用硫酸表面官能化。
14.根据权利要求9所述的电池单元，其中所述酸性金属氧化物包括铁。
15.根据权利要求14所述的电池单元，其中所述包含铁的所述酸性金属氧化物用氯化物表面官能化。
16.根据权利要求14所述的电池单元，其中包含铁的所述酸性金属氧化物用硫酸表面官能化。
17.具有阴极的电池单元，所述阴极包括MmOxG形式的固体金属氧化物纳米材料，其中Mm是金属，Ox是总氧，MmOx是金属氧化物，G是至少一个吸电子表面基团，并且“/”区分所述金属氧化物和所述吸电子表面基团，电池电极固体金属氧化物纳米材料在干燥后以5wt％再悬浮于水中时具有PH<5，且至少在其表面上具有Hammett函数H0>-12。
18.根据权利要求17所述的电池单元，其中包括固体金属氧化物纳米材料的阴极包括第二不同金属“Nn”，其中n大于零且不大于5。
19.根据权利要求18所述的电池单元，其中包括固体金属氧化物纳米材料的阴极包括第三不同金属“Rr”，其中r大于零且不大于5。
20.根据权利要求17所述的电池单元，还包括非酸性材料的阳极。
21.具有阳极的电池单元，所述阳极包括MmOxG形式的固体金属氧化物纳米材料，其中Mm是金属，Ox是总氧，MmOx是金属氧化物，G是至少一个吸电子表面基团，并且“/”区分所述金属氧化物和所述吸电子表面基团，电池电极固体金属氧化物纳米材料在干燥后以5wt％再悬浮于水中时具有PH<5，且至少在其表面上具有Hammett函数H0>-12。
22.根据权利要求21所述的电池单元，其中包括固体金属氧化物纳米材料的阴极包括第二不同金属“Nn”，其中n大于零且不大于5。
23.根据权利要求21所述的电池单元，其中包括固体金属氧化物纳米材料的阴极包括第三不同金属“Rr”，其中r大于零且不大于5。
24.根据权利要求21所述的电池单元，还包括非酸性材料的阴极。
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