CN115084495A - 过渡金属二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种过渡金属二次电池，包含负极、正极及电解液。负极包含负极材料，负极材料为过渡金属或所述过渡金属的合金。正极电性连接负极，并包含宿主材料及正极材料，正极材料连接宿主材料。宿主材料包含碳，正极材料为金属的化合物、单质硫族元素或单质卤族元素。电解液设置于正极及负极之间。透过选取过渡金属为负极，借以达到良好的电容量及电池稳定性。

Description

过渡金属二次电池

技术领域

本发明提供一种二次电池，尤其是有关一种过渡金属二次电池。

背景技术

发展高电容量的可充放电电池是推动电子工业、电动汽车、可再生能源等产业的关键。目前市面上已商业化的电池大多以碱金属作为工作离子，例如:锂离子电池或钠离子电池。然而，上述之碱金属具有活泼易燃、枝状晶问题严重及加工不便等问题，因此其发展仍受到限制。

有鉴于此，如何在电容量与电池稳定性之间取得平衡，遂成相关业者努力之目标。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种过渡金属二次电池，其利用过渡金属作为工作离子，以达到良好的电容量及电池稳定性。

本发明的一实施方式提供一种过渡金属二次电池，包含负极、正极及电解液。负极包含负极材料，负极材料为过渡金属或所述过渡金属的合金。正极电性连接负极，并包含宿主材料及正极材料，正极材料连接宿主材料。宿主材料包含碳，正极材料为金属的化合物、单质硫族元素或单质卤族元素。电解液设置于正极及负极之间。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，其中所述过渡金属可为钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、锝、铼、铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂、铜、银、金、锌、镉、汞、铝、镓、铟、铊、锡、铅、铋、钪、钇、镧系元素或锕系元素。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，其中正极材料可镶嵌于宿主材料。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，其中正极材料可为金属的化合物，且正极材料溶于电解液中。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，其中所述金属可为钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、锝、铼、铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂、铜、银、金、锌、镉、汞、铝、镓、铟、铊、锡、铅、铋、钪、钇、镧系元素或锕系元素。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，其中所述金属的化合物可为所述金属的氧族化合物、所述金属的氮族化合物、所述金属的卤化物或所述金属的盐类。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，其中所述金属的氧族化合物可为金属氧化物、金属硫化物、金属硒化物或金属碲化物，所述金属的氮族化合物可为金属氮化物或金属磷化物，所述金属的卤化物可为金属氟化物、金属氯化物、金属溴化物或金属碘化物，所述金属的盐类可为金属次磷酸盐、金属硼酸盐、金属过氯酸盐、金属次氯酸盐、金属醋酸盐、金属亚磷酸盐、金属硫酸盐、金属亚硫酸盐、金属碳酸盐、金属草酸盐或金属磷酸盐。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，其中所述单质硫族元素可为硫、硒或碲，且所述单质卤族元素可为氟、氯、溴或碘。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，其中电解液可由第一化合物、第二化合物及第三化合物混合而成，其中第一化合物可为路易斯酸或布忍斯特酸，第二化合物可为路易斯碱，且第三化合物可为有机胺类、季磷盐、有机锍阳离子或有机杂环化合物。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，其中所述路易斯酸及所述布忍斯特酸可为有机醇类、有机酸或有机胺类，所述路易斯碱可为水、金属卤化物、金属氧化物或金属盐类。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，其中所述宿主材料可为碳纤维布或纳米碳管。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，其中负极可为箔片状或粉末状。

依据前述实施方式的过渡金属二次电池，可更包含隔离膜，隔离膜设置于负极及正极之间，并设置于电解液中。

借此，有别于一般的碱金属电池，本发明的过渡金属二次电池采用过渡金属离子作为工作离子，过渡金属在空气下相当稳定且不自燃，因此有利于加工的方便性。据此，可降低过渡金属二次电池制程的复杂度，并有效降低其制造成本。此外，本发明的过渡金属二次电池的电解液不可燃且对于水气及氧气的容忍度高，使用上更为安全。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1绘示本发明一实施方式的过渡金属二次电池的示意图；

图2绘示本发明另一实施方式的过渡金属二次电池的示意图；

图3绘示本发明的实施例1的充放电曲线图；

图4绘示本发明的实施例2的充放电曲线图；

图5绘示本发明的实施例3的循环伏安曲线图；

图6绘示本发明的实施例3的充放电曲线图；

图7绘示本发明的实施例4的循环伏安曲线图；

图8绘示本发明的实施例4的充放电曲线图；

图9绘示本发明的实施例5的充放电曲线图；以及

图10绘示本发明的实施例6的充放电曲线图。

【符号说明】

100,200:过渡金属二次电池

110,210:负极

111,211:负极材料

120,220:正极

121,221:宿主材料

122,222:正极材料

130,230:电解液

140,240:隔离膜

具体实施方式

以下将参照附图说明本发明的多个实施例。为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施例中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示；并且重复的元件将可能使用相同的编号表示。

请参阅图1，其绘示本发明一实施方式的过渡金属二次电池100的示意图。如图1所示，过渡金属二次电池100包含负极110、正极120及电解液130。负极110包含负极材料111，负极材料111为过渡金属或所述过渡金属的合金。正极120电性连接负极110，并包含宿主材料121及正极材料122，正极材料122连接宿主材料121，其中宿主材料121包含碳，正极材料122为金属的化合物、单质硫族元素或单质卤族元素。电解液130设置于正极120及负极110之间。

在图1实施方式中，负极110可为箔片状或粉末状，宿主材料121可为碳纤维布或纳米碳管，宿主材料121用以作为正极120的集电体，但本发明并不以此揭示内容为限。

过渡金属二次电池100可更包含隔离膜140，隔离膜140设置于负极110及正极120之间，并设置于电解液130中。隔离膜140用以避免负极110与正极120直接接触，并确保离子可以在电解液130中传递。

具体而言，负极110之负极材料111所述过渡金属以及正极120所述金属分别可为钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、锝、铼、铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂、铜、银、金、锌、镉、汞、铝、镓、铟、铊、锡、铅、铋、钪、钇、镧系元素或锕系元素。

在图1实施方式中，正极材料122镶嵌于宿主材料121，其中正极120之正极材料122的金属的化合物可为所述金属的氧族化合物、氮族化合物、卤化物或盐类，其中金属的氧族化合物可为金属氧化物、金属硫化物、金属硒化物或金属碲化物，金属的氮族化合物可为金属氮化物或金属磷化物，金属的卤化物可为金属氟化物、金属氯化物、金属溴化物或金属碘化物，金属的盐类可为金属次磷酸盐、金属硼酸盐、金属过氯酸盐、金属次氯酸盐、金属醋酸盐、金属亚磷酸盐、金属硫酸盐、金属亚硫酸盐、金属碳酸盐、金属草酸盐或金属磷酸盐。另外，正极材料122的单质硫族元素可为硫、硒或碲，且单质卤族元素可为氟、氯、溴或碘。

电解液130可由第一化合物、第二化合物及第三化合物混合而成，其中第一化合物可为路易斯酸或布忍斯特酸，第二化合物可为路易斯碱，且第三化合物可为有机胺类、季磷盐、有机锍阳离子或有机杂环化合物。所述路易斯酸及所述布忍斯特酸可为有机醇类、有机酸或有机胺类，所述路易斯碱可为水、金属卤化物、金属氧化物或金属盐类。

进一步地说，所述有机醇类可包含乙二醇、丙三醇、季戊四醇及其衍生物。所述有机酸可包含一氯乙酸、二氯乙酸、丙二酸、丙氨酸、醋酸、草酸、柠檬酸、丝氨酸、苯甲酸、苯乙酸、苯丙酸、对甲苯磺酸、5-磺基水杨酸、三氟甲磺酸及其衍生物。所述有机胺类可包含尿素、硫尿、乙酰胺、硫代乙酰胺及其衍生物。所述金属卤化物可为金属氟化物、金属氯化物、金属溴化物或金属碘化物。所述金属盐类可为金属次磷酸盐、金属硼酸盐、金属过氯酸盐、金属次氯酸盐、金属醋酸盐、金属亚磷酸盐、金属硫酸盐、金属亚硫酸盐、金属碳酸盐、金属草酸盐或金属磷酸盐。所述有机胺类可包含伯胺(一级胺)、仲胺(二级胺)、叔胺(三级胺)与季铵盐(四级铵盐)及其衍生物。所述有机杂环化合物可包含呋喃、吡咯、噻吩、咪唑、吡唑、恶唑、异恶唑、噻唑、吡啶、吡嗪、嘧啶与哒嗪及其稠环衍生物。

特别的是，目前市面上常见为碱金属电池，例如:锂电池及钠电池，然而碱金属具有活泼易燃且枝状晶问题严重而导致加工不便的问题。有别于一般的碱金属电池，本发明的过渡金属二次电池100采用过渡金属离子作为工作离子，过渡金属在空气下相当稳定且不自燃，有利于加工的方便性。借此，可降低过渡金属二次电池100制程的复杂度，并有效降低其制造成本。

此外，有别于传统锂离子电池的碳酸酯类有机电解液，其具有不稳定且耐燃的特性，本发明的过渡金属二次电池100的电解液130较为稳定。透过上述配置，本发明的电解液130具有不可燃且对于水气及氧气的容忍度高的特性，使用上更为安全。

请参阅图2，其绘示本发明另一实施方式的过渡金属二次电池200的示意图。如图2所示，过渡金属二次电池200包含负极210、正极220、电解液230及隔离膜240，负极210包含负极材料211，正极220包含宿主材料221及正极材料222。特别说明的是，图2的过渡金属二次电池200的结构及其细部特征与图1的过渡金属二次电池100相似，相同之处在此不另外赘述。

特别的是，在图2实施方式中，正极材料222为金属的化合物，而正极材料222可溶于电解液230中，并与宿主材料221形成电连接，并可作为阴极电解液。借此，可增加正极材料222在宿主材料221上的分散性及均匀度，并提高正极材料222的利用率。此外，亦可使过渡金属二次电池200的操作更为方便。

以下将说明本发明的过渡金属二次电池的操作及充放电原理，其中依照正极材料的不同而区分成第一实施方式、第二实施方式及第三实施方式。

在第一实施方式中，正极材料为单质硫族元素，宿主材料为纳米碳管，负极材料为过渡金属，其中正极材料镶嵌于宿主材料上。在放电过程中，过渡金属失去电子变成过渡金属离子，通过电解液迁移到正极，与单质硫族元素反应，随着放电的进行，正极的产物从过渡金属多硫族化物逐步转化成过渡金属硫族化合物；在充电过程中，过渡金属硫化物发生电化学氧化，从而释放过渡金属离子并转化为单质硫族元素，过渡金属离子迁移回负极沉积成单质的过渡金属。

在第二实施方式中，正极材料为单质卤族元素，宿主材料为纳米碳管，负极材料为过渡金属，其中正极材料镶嵌于宿主材料上。在放电过程中，过渡金属失去电子变成过渡金属离子，通过电解液迁移到正极，与单质卤族元素反应，随着放电的进行，正极的产物从过渡金属多卤族化物逐步转化成过渡金属卤族化合物；在充电过程中，过渡金属卤族化合物发生电化学氧化，从而释放过渡金属离子并转化为单质卤族元素，过渡金属离子迁移回负极沉积成单质的过渡金属。

在第三实施方式中，正极材料为金属的氧化物或金属的盐类，宿主材料为碳纤维布，负极材料为过渡金属，其中正极材料溶于电解液中。在放电过程中，负极的过渡金属失去电子变成过渡金属离子溶解入电解液中，随着放电的进行，正极的产物从高价数金属氧化物逐步转化成低价数的金属离子而溶解入电解液中；反之，在充电过程中，电解液中的金属离子发生电化学氧化，从而由低价数金属离子转化成高价数的金属氧化物，而过渡金属离子迁移回负极沉积成单质的过渡金属。

为了更清楚地说明本发明的过渡金属二次电池的效能，遂以实际实验数据作说明，其中依照正极材料及负极材料的不同而区分为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5及实施例6。详细地说，实施例1为锌-氧化锰电池、实施例2为锌-醋酸锰电池、实施例3为锌-硫电池、实施例4为镍-硫电池，实施例5为镍-碘电池，实施例6为氧化钴-锌电池，并请一并参照下列表一、表二及表三，表一至表三分别记载各实施例的配方及比例。

表一记载各实施例的电解液的溶液的配方及比例。

表二记载各实施例的电解液的盐类的配方及比例。

表三记载各实施例的正极材料、宿主材料及负极材料的配方。

请参阅图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9及图10。图3绘示本发明的实施例1的充放电曲线图，在图3中，对实施例1做两次充放电曲线的测试。图4绘示本发明的实施例2的充放电曲线图，在图4中，对实施例2做五次循环伏安曲线的测试。图5绘示本发明的实施例3的循环伏安曲线图，在图5中，对实施例3做五次循环伏安曲线的测试。图6绘示本发明的试验例3的充放电曲线图，在图6中，对实施例3做五次充放电曲线的测试。图7绘示本发明的实施例4的循环伏安曲线图，在图7中，对实施例4做四次充放电曲线的测试。图8绘示本发明的实施例4的充放电曲线图，在图8中，对实施例4做五次循环伏安曲线的测试。图9绘示本发明的实施例5的充放电曲线图，在图9中，对实施例5做五次充放电曲线的测试。图10绘示本发明的实施例6的充放电曲线图，在图10中，对实施例6做五次充放电曲线的测试。

由图3及图4的充放电曲线可以观察到，实施例1及实施例2皆具有良好的电容量表现与可逆的充放电曲线。由图5及图7的循环伏安曲线可知，实施例3及实施例4具有可逆的氧化还原峰，且由图6及图8的充放电曲线可知，实施例3及实施例4皆具有良好的电容量表现。再者，由图9及图10的充放电曲线可以观察到，实施例5及实施例6分别具有良好的电容量表现与可逆的充放电曲线。

综上所述，本发明的过渡金属二次电池透过选用过渡金属作为工作离子，可以使本发明的过渡金属二次电池具有循环性能好、稳定耐燃、无枝状晶问题且易于加工、成本低廉以及电解液安定且安全等优点。是以，本发明的过渡金属二次电池具有良好的应用前景。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，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 (13)

1.一种过渡金属二次电池，其特征在于，包含：

一负极，包含：

一负极材料，该负极材料为一过渡金属或该过渡金属的合金；

一正极，电性连接该负极，并包含：

一宿主材料，该宿主材料包含一碳；及

一正极材料，连接该宿主材料，且该正极材料为一金属的化合物、一单质硫族元素或一单质卤族元素；以及

一电解液，设置于该正极及该负极之间。

2.如权利要求1所述的过渡金属二次电池，其中该过渡金属为钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、锝、铼、铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂、铜、银、金、锌、镉、汞、铝、镓、铟、铊、锡、铅、铋、钪、钇、镧系元素或锕系元素。

3.如权利要求1所述的过渡金属二次电池，其中该正极材料镶嵌于该宿主材料。

4.如权利要求1所述的过渡金属二次电池，其中该正极材料为该金属的化合物，且该正极材料溶于该电解液中。

5.如权利要求1所述的过渡金属二次电池，其中该金属为钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、锝、铼、铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂、铜、银、金、锌、镉、汞、铝、镓、铟、铊、锡、铅、铋、钪、钇、镧系元素或锕系元素。

6.如权利要求5所述的过渡金属二次电池，其中该金属的化合物为该金属的氧族化合物、该金属的氮族化合物、该金属的卤化物或该金属的盐类。

7.如权利要求6所述的过渡金属二次电池，其中该金属的氧族化合物为一金属氧化物、一金属硫化物、一金属硒化物或一金属碲化物，该金属的氮族化合物为一金属氮化物或一金属磷化物，该金属的卤化物为一金属氟化物、一金属氯化物、一金属溴化物或一金属碘化物，该金属的盐类为一金属次磷酸盐、一金属硼酸盐、一金属过氯酸盐、一金属次氯酸盐、一金属醋酸盐、一金属亚磷酸盐、一金属硫酸盐、一金属亚硫酸盐、一金属碳酸盐、一金属草酸盐或一金属磷酸盐。

8.如权利要求1所述的过渡金属二次电池，其中该单质硫族元素为硫、硒或碲，且该单质卤族元素为氟、氯、溴或碘。

9.如权利要求1所述的过渡金属二次电池，其中该电解液由一第一化合物、一第二化合物及一第三化合物混合而成，其中该第一化合物为一路易斯酸或一布忍斯特酸，该第二化合物为一路易斯碱，且该第三化合物为一有机胺类、一季磷盐、一有机锍阳离子或一有机杂环化合物。

10.如权利要求9所述的过渡金属二次电池，其中该路易斯酸及该布忍斯特酸为一有机醇类、一有机酸或一有机胺类，该路易斯碱为水、一金属卤化物、一金属氧化物或一金属盐类。

11.如权利要求1所述的过渡金属二次电池，其中该宿主材料为一碳纤维布或一纳米碳管。

12.如权利要求1所述的过渡金属二次电池，其中该负极为一箔片状或一粉末状。

13.如权利要求1所述的过渡金属二次电池，更包含一隔离膜，该隔离膜设置于该负极及该正极之间，并设置于该电解液中。

Images