TW201742304A - 金屬離子電池 - Google Patents

Abstract

本揭露提供一種金屬離子電池。該金屬離子電池包含：一正極、一第一負極、一第一隔離層、一第二負極、一第二隔離層、以及一控制單元，其中該第一隔離層設置於該正極及該第一負極之間，以及該第二隔離層，設置於該第一負極及該第二負極之間。此外，該控制單元耦接該第一負極及第二負極，其中該控制單元係用以控制該第一負極是否與該第二負極電性連結。

Description

金屬離子電池

本揭露關於一種儲能元件，更特別關於一種金屬離子電池。

鋁在地球上蘊藏量非常豐富，以鋁作為材料的電子裝置具有較低的成本。在儲能元件的應用方面，鋁在電化學充放電的過程中電子轉移數目可達到三，因此可提供較高的能量儲存容量。再者，由於鋁具有低可燃性及電子氧化還原性質，大幅提昇金屬離子電池在使用上的安全性。

然而，傳統以鋁作為負極的金屬離子電池，放電時除了沉積在負極的鋁被溶出之外，鋁電極的鋁也會被溶出，但是充電時鋁又沒辦法沉積回原來的位置。如此一來，經過多次充放電之後，易造成鋁電極破損而導致電池電量及使用壽命降低。

因此，如何避免金屬離子電池負極破損以及電量降低並延長電池使用壽命，為亟待解決的問題。

根據本揭露實施例，本揭露提供一種儲能元件，例如為金屬離子電池。該金屬離子電池包含：一正極、一第一負極、一第一隔離層、一第二負極、一第二隔離層、以及一控制單元，其中 該第一隔離層設置於該正極及該第一負極之間，以及該第二隔離層，設置於該第一負極及該第二負極之間。此外，該控制單元耦接該第一負極及第二負極，其中該控制單元係用以控制該第一負極是否與該第二負極電性連結。

10‧‧‧正極

11、21、25‧‧‧集電層

12‧‧‧第一負極

13‧‧‧活性材料

14‧‧‧第一隔離膜

16‧‧‧第二負極

18‧‧‧第二隔離膜

20‧‧‧控制單元

22‧‧‧電解質

23‧‧‧第一金屬或其合金

27‧‧‧第二金屬或其合金

51、52、53、54、55‧‧‧步驟

100‧‧‧金屬離子電池

第1圖係本揭露一實施例所述金屬離子電池之示意圖；第2及3圖係為本揭露其他實施例所述金屬離子電池之示意圖；第4圖係為一流程圖，用以說明本揭露一實施例所述金屬離子電池於充放電時的作動方式；第5及6圖係顯示比較例所述金屬離子電池其循環穩定性測試結果；第7圖係顯示比較例所述金屬離子電池其充放電過程中，電壓與時間的關係；第8圖係顯示本揭露實施例所述金屬離子電池其循環穩定性測試結果；第9A及9B圖係顯示本揭露實施例所述金屬離子電池其充放電過程中，電壓與時間的關係圖；第10至14圖係顯示本揭露實施例所述金屬離子電池其循環穩定性測試結果。

以下針對本揭露之金屬離子電池作詳細說明。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本揭露 之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式僅為簡單描述本揭露。當然，這些僅用以舉例而非本揭露之限定。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本揭露，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。且在圖式中，實施例之形狀、數量、或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式，此外，特定之實施例僅為揭示本揭露使用之特定方式，其並非用以限定本揭露。

本揭露提供一種金屬離子電池。根據本揭露實施例，由於該金屬離子電池的負極包含一高穩定的第一負極、一作為金屬離子源補充源的第二負極、以及一用以控制該第一負極是否與該第二負極電性連結的控制單元，因此當金屬離子電池中鹵化金屬酸根(halometallate)不足時，該控制單元即將負極電流由第一負極分流至第二負極，以增加鹵化金屬酸根含量，達到控制金屬離子電池中鹵化金屬酸根濃度的目的，維持金屬離子電池總發電量及延長金屬離子電池使用壽命。

請參照第1圖，係為本揭露一實施例所述金屬離子電池100的示意圖，該金屬離子電池100可包含一正極10、一第一負極12、一第一隔離層14設置於該正極10及該第一負極12之間、一第二負極16、以及一第二隔離層18設置於該第一負極及該第二負極之間。該第一隔離層14可避免該正極10與該第一負極12直接接觸，而該第二隔離層18可避免該第一負極12與該第二負極16直接接觸。此外，一 控制單元20耦接該第一負極12及第二負極16，其中該控制單元20係用以控制該第一負極12是否與該第二負極電性16連結。仍請參照第1圖，該第一負極12可設置於該第一隔離層14及該第二隔離層18之間。該金屬離子電池100更包含一電解質22設置於該金屬離子電池100內並與該正極10、該第一隔離層14、該第一負極12、該第二隔離層18、及該第二負極16接觸。該金屬離子電池100可為充電式之二次電池，但本揭露亦涵蓋一次電池。

根據本揭露實施例，該正極10可包含一集電層11及一活性材料13設置於該集電層11之上。根據本揭露實施例，該正極10亦可由該集電層11及活性材料13所構成。根據本揭露實施例，該集電層11可為導電性碳基材，例如碳布、碳氈、或碳紙。舉例來說，該導電性碳基材可具有片電阻介於約1mΩ．cm²至6mΩ．cm²之間、以及含碳量大於65wt%。該活性材料13包括層狀活性材料或該層狀活性材料的團聚物。根據本揭露實施例，該活性材料13可為插層碳材，例如：石墨(包含天然石墨、人工石墨、熱解石墨、發泡石墨、鱗片石墨、或膨脹石墨)、石墨烯、奈米碳管或上述材料之組合。根據本揭露實施例，該活性材料13可為層狀雙氫氧化物(layered double hydroxide)、層狀氧化物、層狀硫族化合物(layered chalcogenide)或上述材料之組合。該活性材料13可具有一孔隙度介於約0.05至0.95之間，例如介於約0.3至0.9之間。此外，根據本揭露實施例，該活性材料13可直接成長於該集電層11之上(即兩者之間沒有任何介質)，或是利用黏著劑將該活性材料13固定於該集電層11上。

根據本揭露實施例，該第一負極12可包含一第一金屬或 其合金、一集電層、或其組合。舉例來說，該第一負極12可由該第一金屬或其合金所構成。此外，該第一負極12亦可為一集電層。再者，請參照第2圖，該第一負極12亦可由一集電層21及一第一金屬或其合金23(設置於該集電層21)所構成。根據本揭露實施例，該第二負極16可包含一第二金屬或其合金、一集電層、或其組合。舉例來說，該第二負極16可由該第二金屬或其合金所構成。此外，該第二負極16亦可為一集電層。再者，請參照第3圖，該第二負極16亦可由一集電層25及一第二金屬或其合金27(設置於該集電層23)所構成。其中，該集電層21及25可為導電性碳基材，例如碳布、碳氈、或碳紙。舉例來說，該導電性碳基材可具有片電阻介於約1mΩ．cm²至6mΩ．cm²之間、以及含碳量大於65wt%。值得注意的是，該第一負極12及該第二負極不會同時為集電層。

根據本揭露實施例，該第一金屬可為一鈍性金屬(例如鎳、鉬、金、鉛、鉑、或銀)，而該第二金屬可為還原電位高於該第一金屬還原電位的金屬(例如為鋁、銅、鋅、錫、或鐵)。根據本揭露其他實施例，該第二金屬可為一鈍性金屬(例如鎳、鉬、金、鉛、鉑、或銀)，而該第一金屬可為之還原電位高於該第二金屬還原電位的金屬(例如為鋁、銅、鋅、錫、或鐵)。值得注意的是，該第一金屬及該第二金屬不會同時為鈍性金屬(例如鎳、鉬、金、鉛、鉑、或銀)。

舉例來說，在本揭露一實施例中，該第一負極12可由一集電層及一第一金屬或其合金所構成，而該第二負極16可由第二金屬或其合金所構成。其中，該第一金屬可為一鈍性金屬(例如鎳、鉬、金、鉛、鉑、或銀)，而該第二金屬可為還原電位高於該第一金屬還 原電位的金屬(例如為鋁、銅、鋅、錫、或鐵)。此外，該第二金屬亦可為一鈍性金屬(例如鎳、鉬、金、鉛、鉑、或銀)，而該第一金屬可為還原電位高於該第二金屬還原電位的金屬(例如為鋁、銅、鋅、錫、或鐵)，值得注意的是，該第一金屬及該第二金屬不會同時為鈍性金屬。

在本揭露另一實施例中，該第一負極12可為一集電層，而該第二負極16可由第二金屬或其合金所構成。其中，該第二金屬可為鋁、銅、鋅、錫、或鐵。此外，該第一負極12可由第一金屬或其合金所構成，而該第二負極16可為一集電層。其中，該第一金屬可為鋁、銅、鋅、錫、或鐵。

在本揭露又一實施例中，該第一負極可由一第一金屬或其合金所構成，而該第二負極可由一第二金屬或其合金所構成。其中，該第一金屬可為一鈍性金屬(例如鎳、鉬、金、鉛、鉑、或銀)，而該第二金屬可為還原電位高於該第一金屬還原電位的金屬(例如為鋁、銅、鋅、錫、或鐵)。此外，該第二金屬亦可為一鈍性金屬(例如鎳、鉬、金、鉛、鉑、或銀)，而該第一金屬可為還原電位高於該第二金屬還原電位的金屬(例如為鋁、銅、鋅、錫、或鐵)。

根據本揭露實施例，該第一隔離層14及該第二隔離層18之材其可為相同或不同，例如：玻璃纖維、聚乙烯(polyethylene、PE)、聚丙烯(Polypropylene、PP)、不織布、木質纖維、或上述之組合。

根據本揭露實施例，該電解質22可包含離子液體、及/或一金屬鹵化物。該離子液體可為任何適用於金屬離子電池之離子 液體。該離子液體可包含烷基咪唑鎓鹽(alkylimidazolium salt)、烷基吡啶鎓鹽(alkylpyridinium salt)、烷基氟吡唑鎓鹽(alkylfluoropyrazolium salt)、烷基三唑鎓鹽(alkyltriazolium salt)、芳烷銨鹽(aralkylammonium salt)、烷基烷氧基銨鹽(alkylalkoxyammonium salt)、芳烷鏻鹽(aralkylphosphonium salt)、芳烷鋶鹽(aralkylsulfonium salt)、烷基胍鹽(alkylguanidinium salt)、及其混合物。該金屬鹵化物可例如為氯化鋁、氯化銅、氯化鋅、氯化錫、氯化鐵、或其組合。舉例該說，該離子液體及該金屬鹵化物之莫耳比至少為或大於約1.1、或至少為或大於約1.2，例如介於1.1至2.1之間。根據本揭露實施例，當金屬鹵化物為氯化鋁(AlCl₃)之情況下，離子液體可例如為鋁氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓，且氯化鋁與氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓之莫耳比至少為或大於約1.2，例如介於1.2至1.8之間。可對離子液體電解質進行摻雜(或加入添加劑)以提高電導率且降低黏度，或可以其他方式變更離子液體電解質以得到有利於金屬之可逆電沉積的組合物。

根據本揭露實施例，該金屬離子電池100可藉由一控制單元20控制該第一負極12是否與該第二負極16電性連結。因此，當金屬離子電池100中鹵化金屬酸根(halometallate)不足時，該控制單元20在電池進行放電時可將負極電流由第一負極12分流至第二負極16，以增加鹵化金屬酸根含量，達到控制金屬離子電池100中鹵化金屬酸根濃度的目的，維持金屬離子電池總發電量及延長金屬離子電池使用壽命。

根據本揭露實施例，該控制單元20可為一比對電路 (comparison circuitry)，用以計算該金屬離子電池在充電時達到預設充電電壓的時間T，並與一預設時間T0時進行比對。當該金屬離子電池達到預設充電電壓之時間T小於該預設時間T0時，該比對電路(comparison circuitry)可將負極電流由第一負極分流至第二負極，使該第一負極與該第二負極在該離子電池進行放電時電性連結。如此一來，可對該第二負極的金屬進行電化學反應，以補充電解質中的鹵化金屬酸根離子濃度。該預設時間T0可為該金屬離子電池充電至一預設克電容量時所需之時間，其中該預設克電容量可視需要加以調整，例如可介於約60mAh/g至90mAh/g之間。

第4圖係為一流程圖，用以說明本揭露一實施例所述金屬離子電池於充放電時的作動方式，其中該金屬離子電池具有一比對電路作為控制單元。首先，對該金屬離子電池進行充電(步驟51)，該比對電路開始計時。接著，當該金屬離子電池達到預設充電電壓時，該比對電路計算出一充電時間T(步驟52)。接著，該比對電路判斷充電時間T是否小於一預設時間T0(步驟53)。若該充電時間T大於該預設時間T0，則對該金屬離子電池進行放電(步驟54)。若該充電時間T小於該預設時間T0，則該比對電路將負極電流由第一負極分流至第二負極，使該第一負極與該第二負極電性連結(步驟55)，並在該第一負極與該第二負極電性連結後對該金屬離子電池進行放電(步驟54)。最後，當金屬離子電池電量達需充電值時，對該金屬離子電池進行充電(步驟51)。

根據本揭露實施例，該控制單元20可為一二極體，其中當該第一負極與該第二負極間的電位差大於該二極體之導通電壓 時，二極體開啟使該第一負極係與該第二負極電性連結。如此一來，可對該第二負極的金屬進行電化學反應，以補充電解質中的鹵化金屬酸根離子濃度。在金屬離子電池充放電初期，電解質中鹵化金屬酸根充足，第一負極(例如鎳電極)表面可被鍍上大量的金屬，此時第一負極及第二負極(例如鋁電極)間電位差較小，因此二極體不會開啟。在金屬離子電池充放電中後期，離子液體中鹵化金屬酸根不足，還原於第一負極(例如鎳電極)表面的金屬越來越少，此時第一負極與第二電極(例如鋁電極)之間的電位差會拉大，當電位差大於二極體的導通電壓時，二極體開啟以將負極電流由第一負極分電至第二負極。在此所使用的二極體其導通電壓可介於0.1V至1.0V之間。舉例來說，若第一負極為鎳、第二負極為鋁、且第一負極上無沉積鋁時，第一負極與第二負極之間的電位差為0.7V。因此，可使用導通電壓為0.2-0.3V的二極體，當第一負極上沉積的鋁逐漸被消秏導致第一負極及第二負極電位差大於導通電壓時，二極體開啟使第一負極與第二負極電性連結。

此外，根據本揭露其他實施例，該控制單元20可為一電晶體，來控制該第一負極是否與該第二負極電性連結。

為了讓本揭露之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例及比較實施例，作詳細說明如下：

比較例1：

提供一厚度為0.025mm之鋁箔(由阿法埃莎(Alfa Aesar)製造)，對其進行裁切，得到鋁電極。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)934-AH)及一石墨電極(包含一活 性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為石墨)，並按照鋁電極、隔離膜、及石墨電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解質(氯化鋁(AlCl₃)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl₃與[EMIm]Cl之比約為1.3)，得到金屬離子電池(1)。

接著，使用電池分析器量測比較例1所得之金屬離子電池(1)之電池效能(量測條件為：以定電流方式進行充放電測試(100mA/g)，充電截止電壓為2.45V，放電截止電壓為1.5V)，結果如第5圖。由第5圖可知，該金屬離子電池(1)在重複充放電約160次後則無法繼續使用。

比較例2：

提供一厚度為0.1mm之發泡鎳箔，對其進行裁切，得到鎳電極。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)934-AH)及一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為石墨)，並按照鎳電極、隔離膜、及石墨電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解質(氯化鋁(AlCl₃)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之比約為1.3)，得到金屬離子電池(2)。

接著，使用電池分析器量測比較例2所得之金屬離子電池(2)之電池效能(量測條件為：以定電流方式進行充放電測試(100mA/g)，充電截止電壓為2.45V，放電截止電壓為1.5V)，結果如第6圖。由第6圖可知，該金屬離子電池(2)在重複充放電約50次後其 比容量快速降低至80mAh/mg以下。第7圖係繪示為該金屬離子電池(2)在充放電過程中，電壓與時間的關係圖。由第7圖可知，隨著該金屬離子電池(2)的充放電次數增加，該金屬離子電池(2)的充電時間及放電時間逐漸降低。此代表沒有金屬由該金屬離子電池(2)的鎳電極溶出，使得電解質中的氯金屬酸根含量將越來越少，因此該金屬離子電池(2)的總發電量隨著充放電次數增加而降低。

實施例1：

提供一厚度為0.1mm之發泡鎳箔，對其進行裁切，得到鎳電極。接著，提供一厚度為0.025mm之鋁箔，對其進行裁切，得到鋁電極。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)934-AH)及一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為石墨)，並按照鋁電極、隔離膜、鎳電極、隔離膜、及石墨電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解質(氯化鋁(AlCl₃)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl₃與[EMIm]Cl之比約為1.3)，得到金屬離子電池(3)，其中一控制單元耦接鎳電極及鋁電極。藉由該控制單元可控制鋁電極是否與鎳電極電性連結。

接著，使用電池分析器量測實施例1所得之金屬離子電池(3)之電池效能(量測條件為：以定電流方式進行充放電測試(100mA/g)，充電截止電壓為2.45V，放電截止電壓為1.0V)，結果如第8圖。由第8圖可知，該金屬離子電池(3)在重複充放電約100次後其比容量快速降低至60mAh/mg以下(此時鎳電極與鋁電極之間並未電 性連結)。在第101次充放電循環時，在電池完成充電之後藉由該控制單元將鎳電極與鋁電極電性連結，並進行電池放電，以補充氯鋁酸根於電解質中，此時觀察到該金屬離子電池(3)比容量快速提昇，請參照第8圖。第9A圖係繪示為該金屬離子電池(3)在鎳電極與鋁電極電性連結前後，其電壓與時間的關係圖；以及，第9B圖係繪示金屬離子電池(3)其電壓與時間的關係圖在補充氯鋁酸根前及後的關係。由第9A及9B圖可得知，在將鎳電極與鋁電極電性連結以補充氯鋁酸根於電解質的步驟後，金屬離子電池(3)的充發電時間明顯延長，此代表金屬離子電池(3)的總發電量增加。

實施例2：

提供一碳紙(由碳能科技公司製造)，對其進行裁切，得到碳紙電極。接著，提供一厚度為0.025mm之鋁箔，對其進行裁切，得到鋁電極。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)934-AH)及一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為石墨)，並按照鋁電極、隔離膜、碳紙電極、隔離膜、及石墨電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解質(氯化鋁(AlCl₃)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl₃與[EMIm]Cl之比約為1.3)，得到金屬離子電池(4)，其中一控制單元耦接鎳電極及鋁電極。藉由該控制單元可控制鋁電極是否與碳紙電極電性連結。

接著，使用電池分析器量測實施例2所得之金屬離子電池(4)之電池效能(量測條件為：以定電流方式進行充放電測試 (100mA/g)，充電截止電壓為2.45V，放電截止電壓為1.5V)，結果如第10圖。由第10圖可知，該金屬離子電池(4)在重複充放電約25次後其比容量快速降低至25mAh/mg以下(此時碳紙電極與鋁電極之間並未電性連結)。在第26次充放電循環時，在電池完成充電之後藉由該控制單元將碳紙電極與鋁電極電性連結，並進行電池放電，以補充氯鋁酸根於電解質中，此時觀察到該金屬離子電池(4)比容量快速提昇，請參照第10圖。接著，在第26次放電後，將碳紙電極與鋁電極之間電性連結斷開，並進行重複充放電。在重複充放電至第75次時，可觀察到比容量快速降低至40mAh/mg以下。在第76次充放電循環時，在電池完成充電之後藉由該控制單元將鎳電極與鋁電極電性連結，並進行電池放電，以補充氯鋁酸根於電解質中，此時觀察到該金屬離子電池(4)比容量快速提昇，請參照第10圖。

實施例3：

提供一厚度為0.1mm之發泡鎳箔，對其進行裁切，得到鎳電極。接著，提供一厚度為0.03mm之鋅箔，對其進行裁切，得到鋅電極。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)934-AH)及一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為石墨)，並按照鋅電極、隔離膜、鎳電極、隔離膜、及石墨電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解質(氯化鋁(AlCl₃)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl₃與[EMIm]Cl之比約為1.3)，得到金屬離子電池(5)，其中一控制單元耦接鎳電極及鋅電極。藉由該控制單元控制鋅電極是否與鎳電極電性 連結。

接著，使用電池分析器量測實施例3所得之金屬離子電池(5)之電池效能(量測條件為：以定電流方式進行充放電測試(100mA/g)，充電截止電壓為2.45V，放電截止電壓為1.0V)，結果如第11圖。由第11圖可知，該金屬離子電池(5)在重複充放電約110次後其比容量降低至60mAh/mg以下(此時鎳電極與鋁電極之間並未電性連結)。在第111次充放電循環時，在電池完成充電之後藉由該控制單元將鎳電極與鋅電極電性連結，並進行電池放電，以補充氯鋅酸根於電解質中，此時觀察到該金屬離子電池(5)比容量快速提昇，請參照第11圖。

實施例4：

提供一厚度為0.1mm之發泡鎳箔，對其進行裁切，得到鎳電極。接著，提供一厚度為0.03mm之銅箔，對其進行裁切，得到銅電極。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)934-AH)及一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為石墨)，並按照銅電極、隔離膜、鎳電極、隔離膜、及石墨電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解質(氯化鋁(AlCl₃)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl₃與[EMIm]Cl之比約為1.3)，得到金屬離子電池(6)，其中一控制單元耦接鎳電極及銅電極。藉由該控制單元控制銅電極是否與鎳電極電性連結。

接著，使用電池分析器量測實施例4所得之金屬離子電 池(6)之電池效能(量測條件為：以定電流方式進行充放電測試(100mA/g)，充電截止電壓為2.45V，放電截止電壓為1.5V)，結果如第12圖。由第12圖可知，該金屬離子電池(6)在重複充放電約7次後其比容量降低至60mAh/mg以下(此時鎳電極與鋁電極之間並未電性連結)。在第8次充放電循環時，在電池完成充電之後藉由該控制單元將鎳電極與銅電極電性連結，並進行電池放電，以補充氯銅酸根於電解質中，此時觀察到該金屬離子電池(6)比容量快速提昇，請參照第12圖。

實施例5：

提供一厚度為0.1mm之發泡鎳箔，對其進行裁切，得到鎳電極。接著，提供一厚度為0.03mm之不銹鋼箔(由阿法埃莎(Alfa Aesar)製造)，對其進行裁切，得到不銹鋼電極。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)934-AH)及一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為石墨)，並按照不銹鋼電極、隔離膜、鎳電極、隔離膜、及石墨電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解質(氯化鋁(AlCl₃)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl₃與[EMIm]Cl之比約為1.3)，得到金屬離子電池(7)，其中一控制單元耦接鎳電極及不銹鋼電極。藉由該控制單元控制不銹鋼電極是否與鎳電極電性連結。

接著，使用電池分析器量測實施例5所得之金屬離子電池(7)之電池效能(量測條件為：以定電流方式進行充放電測試(100mA/g)，充電截止電壓為2.45V，放電截止電壓為1.5V)，結果如 第13圖。在第3、20、及25次充放電循環時，藉由該控制單元將鎳電極與不銹鋼電極電性連結，並進行電池放電，以補充氯鐵酸根於電解質中，此時觀察到該金屬離子電池(7)比容量提昇。

實施例6：

提供一厚度為0.1mm之發泡鎳箔，對其進行裁切，得到鎳電極。接著，提供一厚度為0.025mm之鋁箔，對其進行裁切，得到鋁電極。接著，提供隔離膜(玻璃濾紙(2層)、商品編號為沃特曼(Whatman)934-AH)及一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為石墨)，並按照鋁電極、隔離膜、鎳電極、隔離膜、及石墨電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解質(氯化鋁(AlCl₃)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl₃與[EMIm]Cl之比約為1.3)，得到金屬離子電池(8)，其中一二極體耦接鎳電極及鋁電極，該二極體的導通電壓為0.2V。

接著，使用電池分析器量測實施例6所得之金屬離子電池(8)之電池效能(量測條件為：以定電流方式進行充放電測試(100mA/g)，充電截止電壓為2.45V，放電截止電壓為1.0V)，結果如第14圖。由第14圖可知，該二極體可在鎳電極與鋁電極電位差大於0.2V時自動開啟，以補充氯鋁酸根於電解質中，並在補充氯鋁酸根後自動關閉。因此，可觀察到金屬離子電池(8)之比容量可以一直維持在90mAh/mg以上。

雖然本揭露已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何本技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之 精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧正極

11‧‧‧集電層

12‧‧‧第一負極

13‧‧‧活性材料

14‧‧‧第一隔離膜

16‧‧‧第二負極

18‧‧‧第二隔離膜

20‧‧‧控制單元

22‧‧‧電解質

100‧‧‧金屬離子電池

Claims (25)

1. 一種金屬離子電池，包含：一正極；一第一負極；一第一隔離層，設置於該正極及該第一負極之間；一第二負極；一第二隔離層，設置於該第一負極及該第二負極之間；以及一控制單元，耦接該第一負極及第二負極，其中該控制單元係用以控制該第一負極是否與該第二負極電性連結。
2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該正極由一集電層及一活性材料所構成。
3. 如申請專利範圍第2項所述之金屬離子電池，其中該集電層係導電性碳基材。
4. 如申請專利範圍第3項所述之金屬離子電池，其中該導電性碳基材係碳布、碳氈、或碳紙。
5. 如申請專利範圍第2項所述之金屬離子電池，其中該活性材料係層狀活性材料。
6. 如申請專利範圍第2項所述之金屬離子電池，其中該活性材料係石墨、奈米碳管、石墨烯、或上述之組合。
7. 如申請專利範圍第6項所述之金屬離子電池，其中該石墨係天然石墨、人工石墨、熱解石墨、發泡石墨、膨脹石墨、或上述材料的組合。
8. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該第 一負極係設置於該第一隔離層及該第二隔離層之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該第一負極係包含一第一金屬或其合金。
10. 如申請專利範圍第9項所述之金屬離子電池，其中該第一金屬係一鈍性金屬。
11. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該第一負極包含一集電層。
12. 如申請專利範圍第9項所述之金屬離子電池，其中該第二負極係包含一第二金屬。
13. 如申請專利範圍第10項所述之金屬離子電池，其中該第一金屬係鎳、鉬、金、鉛、鉑、或銀。
14. 如申請專利範圍第12項所述之金屬離子電池，其中該第二金屬係鋁、銅、鋅、錫、或鐵。
15. 如申請專利範圍第12項所述之金屬離子電池，其中該第一金屬之還原電位高於該第二金屬的還原電位。
16. 如申請專利範圍第12項所述之金屬離子電池，其中該第一金屬係鋁、銅、鋅、錫、或鐵。
17. 如申請專利範圍第16項所述之金屬離子電池，其中該第二金屬係係鎳、鉬、金、鉛、鉑、或銀。
18. 如申請專利範圍第12項所述之金屬離子電池，其中該第一金屬及該第二金屬不會同時為鈍性金屬。
19. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該控制單元係為二極體或電晶體。
20. 如申請專利範圍第19項所述之金屬離子電池，其中當 該第一負極與該第二負極間的電位差大於該二極體之導通電壓時，二極體開啟使該第一負極係與該第二負極電性連結。
21. 如申請專利範圍第20項所述之金屬離子電池，其中該電位差係0.1V至2.0V。
22. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該控制單元係為一比對電路(comparison circuitry)。
23. 如申請專利範圍第22項所述之金屬離子電池，其中當該金屬離子電池達到預設充電電壓之時間小於一預設時間時，該第一負極係經由該比對電路與該第二負極電性連結。
24. 如申請專利範圍第23項所述之金屬離子電池，其中該預設時間係該金屬離子電池充電至一預設克電容量時所需之時間。
25. 如申請專利範圍第24項所述之金屬離子電池，其中該預設克電容量係60mAh/g至90mAh/g。