TWI622214B - 金屬離子二次電池 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種金屬離子二次電池。該金屬離子二次電池包含一正極，其中該正極包含至少一集電層以及至少一活性層，其中該集電層與該活性層交互堆疊，且該集電層具有至少一第一通孔。

Description

金屬離子二次電池
本發明關於一種儲能元件，更特別關於一種金屬離子二次電池。
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，鋁及其化合物在自然界相較於鋰、鎘等金屬生物毒性為低，是十分環保的儲能原料，且鋁具有低可燃性及電子氧化還原性質，大幅提昇鋁離子電池在使用上的安全性。
儘管有著上述理論優點，然而為滿足實際商業化應用的需求，鋁離子電池的效能仍需被進一步的提昇。鋁離子電池的電容量與電池中石墨含量呈正比。理論上，當石墨量越多電池具有更多的電容量。但實際上，當石墨量增加時，由於石墨層厚度過大，反而導致位於深層的石墨無法被離子液體潤濕以及電傳導因碳材厚度增加變得困難，導致電容量難以提升。
因此，面對快速充放電的需求，如何使石墨利用率達到最佳化，提升總體電量，為亟待解決的問題。
根據本發明實施例，本發明提供一種儲能元件，例如為金屬離子二次電池。該金屬離子二次電池可包含一正極，其 中該正極包含至少一集電層以及至少一活性層，其中該集電層與該活性層交互堆疊，且該集電層具有至少一第一通孔。
10‧‧‧集電層
11‧‧‧第一通孔
20‧‧‧活性層
21‧‧‧第二通孔
30‧‧‧擴散層
31‧‧‧第三通孔
101‧‧‧負極
103‧‧‧隔離層
105‧‧‧電解質
100、200、300、400、500、600、700‧‧‧正極
800‧‧‧金屬離子二次電池
第1圖係為本發明實施例所述正極之示意圖；第2A圖係為本發明第1圖所述正極其集電層的結構示意圖；第2B圖係為本發明第2A圖所述集電層沿著軸線a的剖面示意圖；第3、4圖係為本發明第1圖所述正極其集電層的其他實施例的結構示意圖；第5A圖係為本發明第1圖所述正極其活性層的結構示意圖；第5B圖係為本發明第5A圖所述活性層沿著軸線b的剖面示意圖；第6A圖係為本發明第1圖所述正極的結構示意圖；第6B圖係為本發明第6A圖所述正極沿著軸線c的剖面示意圖；第7A圖係為本發明第1圖所述正極另一實施例的結構示意圖；第7B圖係為本發明第7A圖所述正極沿著軸線d的剖面示意圖；第8、9圖係為本發明實施例所述正極之示意圖；第10圖係為本發明實施例所述正極之示意圖；第11A圖係為本發明第10圖所述正極的結構示意圖；第11B圖係為本發明第11A圖所述正極沿著軸線e的剖面示 意圖；第12A圖係為本發明第10圖所述正極另一實施例的結構示意圖；第12B圖係為本發明第12A圖所述正極沿著軸線f的剖面示意圖；第13、14、及15圖係為本發明其他實施例所述正極之示意圖；以及第16圖係為本發明實施例所述金屬離子二次電池之示意圖。
本發明提供一種金屬離子二次電池。該金屬離子電池包含一正極，藉由正極中活性層的輕薄化及活性層、集電層相互疊層的設計，以及，提供電解質(例如離子液體)流動途徑，使電解質可以快速濕潤活性層，增加深層活性層的使用率，較薄的活性層也有助於集流體對活性層產生的電流收集能力，進而提升金屬離子二次電池的克電容量、單位體積的總電容量。
請參照第1圖，係為本發明一實施例所述正極100的示意圖，該正極100包含一集電層10以及一活性層20設置於該集電層10的一表面上。第2A圖係為第1圖所述正極100之集電層10的結構示意圖，該集電層10可具有至少一個第一通孔11，第2B圖係為第2A圖所述集電層10沿著軸線a的剖面示意圖，從第2B圖可知，該第一通孔11為一貫通集電層10的通孔，如此一來，電解質可經由該第一通孔11流入活性層，換句話說，本發明藉由通孔的設計，提供電解質流動的路徑，可促進電解質的擴散，將有助於加速電解質潤濕活性層，增加活性層深層活性材料的使用率，達到提升 電池總電容量的目的。在一實施例中，該第一通孔11可具有一孔洞率P1介於0.1%至50%之間，例如介於1%至20%之間。該孔洞率P1的計算方式如下式所示：P1=A1/(A1+A2)×100%，其中A1係為該第一通孔的面積、以及A2係為集電層的面積。當孔洞率過低，則電池總電容量提升效果不明顯；反之，當孔洞率過高，則會影響集電層的導電速率。該第一通孔11的形狀沒有特別限制，例如可為方形孔洞、長條型孔洞、圓形孔洞、多角形孔洞、不規則幾何形孔洞、或上述之組合，以第2A圖為例，該第一通孔11可為長條形。第3圖及第4圖係為第1圖所述正極100之集電層10的其他實施例結構示意圖。從第3圖及第4圖可知，其通孔形狀即使與第2圖同為長條形通孔，但通孔的尺寸與通孔的分布可有不同的變化，可例如為開放式通孔(通孔未被集電層10環繞，如第3圖所示)、或為封閉式通孔(通孔被集電層10環繞，如第4圖所示)。在一實施例中，該第一通孔可具有一長寬比介於1：1000至1：10000之間，例如介於1：100至1：1000之間，又例如介於1：1.5至1：500之間。在另一實施例中，該第一通孔的長度可為集電層的長度的30%以上。上述集電層可包含金屬箔(例如鋁箔)、導電膠(例如銀膠)、導電高分子、碳紙、合金、或碳布。集電層的厚度可介於1μm至500μm之間，例如介於3μm至250μm之間、介於5μm至20μm之間。
根據本發明之一實施例，請參照第5A圖，係為第1圖所述正極100之活性層20的結構示意圖例，該活性層20可具有至少一個第二通孔21，第5B圖係為第5A圖所述活性層20沿著軸線b的剖面示意圖，從第5B圖可知，該第二通孔21為一貫通該活性層20的通孔，如此一來，可增加該活性層20的總表面積，電解質可經由該第二通孔21與該活性層20的表面接觸，換句話說，本發明藉由通孔的設計，提供電解質流動的路徑，可促進電解質的擴散， 將有助於加速電解質潤濕活性層，增加活性層深層活性材料的使用率，達到提升電池總電容量的目的。在一實施例中，該第二通孔21可具有一孔洞率P2介於1%至50%之間，例如介於1%至30%之間。該孔洞率P2的計算方式如下式所示：P2=A3/(A3+A4)×100%，其中A3係為第二通孔的面積、以及A4係為活性層的面積。當孔洞率過低，則電池總電容量提升效果不明顯；反之，當孔洞率過高，則活性材料的量過少，會使總電容量反而下降。該第二通孔21的形狀沒有特別限制，例如可為方形孔洞、長條型孔洞、圓形孔洞、多角形孔洞、不規則幾何形孔洞、或上述之組合，以第5A圖為例，該第二通孔21可為圓形。通孔的尺寸與通孔的分布可有不同的變化，可例如為開放式通孔(通孔未被活性層環繞)、或為封閉式通孔(通孔被活性層環繞，如第5A圖所示)。在一實施例中，該第二通孔可具有一長寬比介於1：1000至1：10000之間，例如介於1：100至1：1000之間，又例如介於1：1.5至1：500之間。在另一實施例中，該第二通孔的長度可為活性層的長度的30%以上。上述活性層可包含活性材料，活性材料的含量可介於0.1mg/cm2至10mg/cm2之間，活性材料可包含石墨材料，例如膨脹石墨、天然石墨、熱解石墨、多層石墨烯、鱗片石墨或上述的組合。值得一提的是，高比表面積的石墨材料可提供石墨層間的有效插層數，進而獲得較高克電容量。石墨材料的比表面積可大於250m2/g，例如介於5m2/g至100m2/g之間，而石墨材料的含量可介於0.1mg/cm2至10mg/cm2之間，例如介於0.3mg/cm2至3mg/cm2之間。當石墨材料含量過高，則深層石墨利用率低，電阻亦隨之提高；反之，當石墨材料含量過低，石墨總發電量下降，電池的重量能量密度低。在一實施例中，上述活性材料可進一步包含碳材(例如奈米碳管、石墨烯)、奈米金屬線(例如奈米銀線)、微米金屬線(例如銅絲、鎳 絲)、奈米過渡金屬粒子(例如鐵、鈷、鎳)、或微米過渡金屬粒子(例如鐵、鈷、鎳)、或上述的組合。
根據本發明之一實施例，請參照第6A圖，係為第1圖所述正極100的結構示意圖例，該正極100包含一集電層10以及一活性層20設置於該集電層10的一表面上，其中該集電層10可具有至少一個第一通孔11，該活性層20可具有至少一個第二通孔21。第6B圖係為第6A圖所述正極100沿著軸線c的剖面示意圖，從第6B圖可知，該第一通孔11為一貫通集電層10的通孔，該第二通孔21為一貫通活性層20的通孔，而且該第一通孔11與該第二通孔21對平行於該集電層10與該活性層20的一參考平面的投影完全重疊。如此一來，電解質可經由該第一通孔11、第二通孔21與活性層接觸，促進電解質的擴散，以助於加速電解質潤濕活性層，增加深層活性層的使用率，達到提升電池總電容量的目的。根據本發明其他實施例，該第一通孔11與該第二通孔21對平行於該集電層10與該活性層20的一參考平面的投影可部份重疊或不重疊。第7A圖係為第1圖所述正極100的另一實施例結構示意圖例。第7B圖係為第7A圖所述正極100組合後沿著軸線d的剖面示意圖。從第6A圖、第7A圖可知，該第一通孔11與該第二通孔21的形狀沒有特別限制，例如可為方形孔洞、長條型孔洞、圓形孔洞、多角形孔洞、不規則幾何形孔洞、或上述之組合，而且，該第一通孔11與該第二通孔21的形狀可相同或不同。
根據本發明一實施例所述正極，該正極包含至少一集電層以及至少一活性層，且該集電層與該活性層互相堆疊，該集電層與該活性層堆疊的方式，具體來說，可以是一集電層其一表面配置一活性層為一基本單元進行堆疊，形成活性層/集電層//...//活性層/集電層的疊層態樣，請參照第8圖，係為正極200的示 意圖，集電層10的一表面配置一活性層20為一基本單元，數個該基本單元堆疊形成該正極200。另外，該集電層與該活性層堆疊的方式，也可以是一集電層反向的兩側表面各配置一活性層為一基本單元進行堆疊，形成活性層/集電層/活性層//...//活性層/集電層/活性層的疊層態樣，再者，也可以是活性層/集電層的基本單元與活性層/集電層/活性層的基本單元互相堆疊，形成例如活性層/集電層/活性層//活性層/集電層/活性層//活性層/集電層的疊層態樣，請參照第9圖。根據本發明一實施例，上述疊層之各集電層可獨立地具有第一通孔或不具有第一通孔，且各活性層可獨立地具有第二通孔或不具有第二通孔，可視需要調整。上述集電層與活性層的材料種類與含量如前所述，此處不再贅述。
根據本發明一實施例所述正極，該正極除了包含一集電層與一活性層，可更包含一擴散層，該擴散層可具有一網狀結構，如此一來，可提供電解質平行於集電層、活性層的橫向傳輸路徑，進一步加速電解質的擴散。該擴散層可具有一液體傳輸速度大於0.1mm/min，例如介於1mm/min與10mm/min之間。該擴散層可為導電材質或非導電材質包含例如碳紙、碳網、碳纖維、不織布、纖維布、或上述之組合。請參照第10圖，係為本發明一實施例所述正極400的示意圖，包含一集電層10、一活性層20以及一擴散層30，其中該活性層20設置於該集電層10之一表面，而該擴散層30則反向設置於該集電層10的另一側表面，形成活性層20/集電層10/擴散層30的組成態樣。在另一實施例，該擴散層30可設置於該活性層20與該集電層10接觸之反向側表面，形成擴散層30/活性層20/集電層10的組成態樣。根據本發明一實施例，請參照第11A圖，係為第10圖所述正極400的結構一示意圖例，其中該集電層10具有至少一個第一通孔11。第11B圖係為第11A圖所述正極 400組合後沿著軸線e的剖面示意圖，從第11B圖可知，該第一通孔11為一貫通該集電層10的通孔，如此一來，電解質可經由該擴散層30及該第一通孔11進入活性層20，加速電解質潤濕活性層，增加深層活性層的使用率。根據本發明一實施例，請參照第12A圖，係為第10圖所述正極400的結構一示意圖例，該集電層10具有至少一個第一通孔11、該活性層20具有至少一個第二通孔21、以及該擴散層30具有至少一個第三通孔31。第12B圖係為第12A圖所述正極400沿著軸線f的剖面示意圖，從第12B圖可知，該第一通孔11為一貫通該集電層10的通孔，該第二通孔21為一貫通該活性層20的通孔，該第三通孔31為一貫通該擴散層30的通孔，而且該第一通孔11、該第二通孔21及該第三通孔31對平行於該集電層10、該活性層20及該擴散層30的一參考平面的投影完全重疊。如此一來，電解質可經由該擴散層30、該第三通孔31、該第一通孔11、及該第二通孔21與活性層20接觸，加速電解質潤濕活性層，增加深層活性層的使用率。該第三通孔31的形狀沒有特別限制，例如可為方形孔洞、長條型孔洞、圓形孔洞、多角形孔洞、不規則幾何形孔洞、或上述之組合，以第12A圖為例，該第三通孔31可為長條形。通孔的尺寸與通孔的分布可有不同的變化，可例如為開放式通孔(通孔未被擴散層環繞)、或為封閉式通孔(通孔被擴散層環繞)。在一實施例中，該第三通孔31可具有一長寬比介於1：1000至1：10000之間，例如介於1：100至1：1000之間，又例如介於1：1.5至1：500之間。在另一實施例中，該第三通孔的長度可為擴散層的長度的30%以上。根據本發明其他實施例，該第一通孔11、該第二通孔21及該第三通孔31對平行於該集電層10、該活性層20及該擴散層30的一參考平面的投影可部份重疊或不重疊。根據本發明其他實施例，該第一通孔11、該第二通孔21及該第三通孔31 的形狀可相同或不同。
根據本發明一實施例所述正極，該正極包含至少一集電層、至少一活性層、以及至少一擴散層，且該集電層、該活性層、與該擴散層互相堆疊，該集電層、該活性層、與該擴散層堆疊的方式，具體來說，可以是一集電層其一表面設置一活性層為一基本單元進行堆疊，而擴散層則視需要不規則地設置於該基本單元間。請參照第13圖，係為正極500的示意圖，集電層10的一表面設置一活性層20為一基本單元，該基本單元與該擴散層堆疊形成活性層/集電層//活性層/集電層//擴散層//活性層/集電層的疊層態樣。另外，該集電層、該活性層、與該擴散層堆疊的方式，也可以是一活性層設置於一集電層之一表面，且一擴散層反向設置於該集電層的另一側表面，形成活性層/集電層/擴散層組態之一基本單元進行堆疊，請參照第14圖。再者，該集電層、該活性層、與該擴散層堆疊的方式，也可以是一集電層反向的兩側表面各設置一活性層為一基本單元進行堆疊，而擴散層則視需要不規則地設置於該基本單元間，形成例如活性層/集電層/活性層//擴散層//...//活性層/集電層/活性層的疊層態樣。再者，該集電層、該活性層、與該擴散層堆疊的方式，也可以是活性層/集電層的基本單元、活性層/集電層/擴散層的基本單元、或活性層/集電層/活性層的基本單元互相堆疊，形成例如活性層/集電層/擴散層//活性層/集電層/擴散層//活性層/集電層的疊層態樣，請參照第15圖。根據本發明一實施例，上述疊層之各集電層可獨立地具有第一通孔或不具有第一通孔、各活性層可獨立地具有第二通孔或不具有第二通孔、以及各擴散層可獨立地具有第三通孔或不具有第三通孔，可視需要調整。
根據本發明實施例，本發明可應用於金屬離子二次 電池。請參照第16圖，該金屬離子二次電池800包含：一負極101、一隔離層103、以及上述正極100，其中該隔離層103設置於該負極101與該正極100之間。該金屬離子二次電池800亦包含電解質105，其設置於該負極101與該正極100之間。
上述金屬離子二次電池800可為鋁離子電池，該負極101可包含鋁金屬或鋁合金，但本發明其他實施例亦涵蓋其它類型之金屬離子電池。在某些實施例，該負極101可包含以下的一者或多者：鹼金屬(例如，鋰、鉀、鈉等)、鹼土金屬(例如，鎂、鈣等)、過渡金屬(例如，鋅、鐵、鎳、鈷等)、主族金屬(main group metal)或類金屬(metalloid)(例如，鋁、矽、錫等)及前述元素中之兩者或兩者以上的金屬合金(例如，鋁合金)。根據本發明實施例，該隔離層103可包含玻璃纖維、PE、PP、不織布、紙類。該電解質105可包含離子液體，離子液體之實例包含鋁酸鹽，諸如鋁酸烷基咪唑鎓(alkylimidazolium aluminates)、鋁酸烷基吡啶鎓(alkylpyridinium aluminates)、鋁酸烷基氟吡唑鎓(alkylfluoropyrazolium aluminates)、鋁酸烷基三唑鎓(alkyltriazolium aluminates)、鋁酸芳烷銨(aralkylammonium aluminates)、鋁酸烷基烷氧基銨(alkylalkoxyammonium aluminates)、鋁酸芳烷鏻(aralkylphosphonium aluminates)、鋁酸芳烷鋶(aralkylsulfonium aluminates)、鋁酸烷基胍(alkylguanidinium aluminates)、及其混合物。舉例而言，電解質可對應於或可包含鹵化鋁與離子液體之混合物，且所述鹵化鋁與所述離子液體之莫耳比至少為或大於約1.1、或至少為或大於約1.2，且多達約1.5、多達約1.8或更多，諸如在鹵化鋁為AlCl3之情況下，離子液體為氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓，且氯化鋁與氯化1-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(或添加添加劑)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。
為了讓本發明之上述和其他目的、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：
實施例1：
首先，提供一集電層(材質為碳紙，厚度220微米)。在對該集電層進行清洗及烘乾後，利用塗佈方式將一塗佈組合物在該集電層的上表面形成塗層。該塗佈組合物包含多層石墨烯(商品編號P-ML20，購自graphage，比表面積50m2/g)、及NMP(溶劑)。接著，將該集電層置入烘箱進行烘烤(烘烤溫度為80℃)，以形成約0.1mm厚的活性層於該集電層的上表面。接著，進行裁切，尺寸為35mm x 70mm。
接著，以刀片進行切孔，得到具有類似第6A圖所示的結構，其中直線型通孔貫穿活性層與集電層，通孔尺寸為0.1mm×30mm，單層孔洞率為約1.2%，單層單位面積石墨量為約2.1mg/cm2。
接著，提供一厚度為0.25mm之鋁箔，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為35mm×7mm)。接著，提供隔離膜(商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、以及鋁電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之莫耳比約為1.4：1)，得到鋁離子電池(1)。
接著，使用NEWARE電池分析器量測實施例1所得之鋁離子電池(1)之電池效能(量測條件為：充電電流1000mA/g，截止電壓2.45V，放電電流1000mA/g，截止電壓1V)，結果如表1所示。
實施例2：
首先，提供一集電層(材質為碳紙、厚度220微米。在對該集電層進行清洗及烘乾後，利用塗佈方式將一塗佈組合物在該集電層的上表面形成塗層。該塗佈組合物包含多層石墨烯(商品編號P-ML20，購自graphage，比表面積50m2/g)、及NMP(溶劑)。接著，將該集電層置入烘箱進行烘烤(烘烤溫度為80℃)，以形成約0.1mm厚的活性層於該集電層的上表面。接著，進行裁切，尺寸為35mm×70mm。接著，將3組活性層/集電層堆疊。
接著，以刀片進行切孔，得到具有類似第6A圖所示的結構，其中直線形型通孔貫穿活性層與集電層，通孔尺寸為0.1mm×30mm，單層孔洞率為約1.2%，單層單位面積石墨量為約1.72mg/cm2。
接著，提供一厚度為0.25mm之鋁箔，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為35mm×7mm)。接著，提供隔離膜(商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、以及鋁電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)，其中AlCl3與[EMIm]Cl之莫耳比約為1.4：1)，得到鋁離子電池(2)。
接著，使用NEWARE電池分析器，量測實施例2所得之鋁離子電池(2)之電池效能(量測條件為：充電電流 1000mA/g，截止電壓2.45V，放電電流1000mA/g，截止電壓1V)結果如表1所示。
實施例3：
首先，提供一集電層(材質為碳紙、厚度220微米)。在對該集電層進行清洗及烘乾後，利用塗佈方式將一塗佈組合物在該集電層的上表面形成塗層。該塗佈組合物包含多層石墨烯(商品編號P-ML20，購自graphage，比表面積50m2/g)、及NMP(溶劑)。接著，將該集電層置入烘箱，進行烘烤(烘烤溫度為80℃)，以形成約0.1mm厚的活性層於該集電層的上表面。再將0.2mm的碳紙作為擴散層置於集電層下方，接著，進行裁切，尺寸為35mm x 70mm。接著，將3組活性層/集電層/擴散層堆疊。
接著，以刀片進行切孔，得到具有類似第6A圖所示的結構，其中直線型通孔貫穿活性層、集電層與擴散層，通孔尺寸為0.1mm×30mm，單層孔洞率為約1.2%，單層單位面積石墨量為約2.1mg/cm2。
接著，提供一厚度為0.25mm之鋁箔，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為35mm×7mm)。接著，提供隔離膜(商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)，按照鋁電極、隔離膜、含擴散層石墨電極、隔離膜、以及鋁電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之莫耳比約為1.4：1)，得到鋁離子電池(3)。
接著，使用NEWARE電池分析器量測實施例3所得之鋁離子電池(3)之電池效能(量測條件為：充電電流1000mA/g，截止電壓 2.45V，放電電流1000mA/g，截止電壓1V)，結果如表1所示。
比較實施例1：
首先，提供一集電層(材質為碳紙，厚度220微米)。在對該集電層進行清洗及烘乾後，利用塗佈方式將一塗佈組合物在該集電層的上表面形成塗層。該塗佈組合物包含多層石墨烯(商品編號P-ML20，購自graphage，比表面積50m2/g)、及NMP(溶劑)。接著，將該集電層置入烘箱，進行烘烤(烘烤溫度為80℃)，以形成約0.1mm厚的活性層於該集電層的上表面。接著，進行裁切，尺寸為35mm×70mm。
接著，提供一厚度為0.25mm之鋁箔，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為35mm×7mm)。接著，提供隔離膜(商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、以及鋁電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之莫耳比約為1.4：1)，得到鋁離子電池(4)。
接著，使用NEWARE電池分析器，量測實施例4所得之鋁離子電池(4)之電池效能(量測條件為：充電電流1000mA/g，截止電壓2.45V，放電電流1000mA/g，截止電壓1V)結果如表1所示。
比較實施例2：
首先，提供一集電層(材質為碳紙、厚度220微米。在對該集電層進行清洗及烘乾後，利用塗佈方式將一塗佈組合物在該集電層的上表面形成塗層。該塗佈組合物包含多層石墨烯(商品編號P-ML20，購自graphage，比表面積50m2/g)、及NMP(溶劑)。 接著，將該集電層置入烘箱，進行烘烤(烘烤溫度為80℃)，以形成約0.25mm厚的活性層於該集電層的上表面。接著，進行裁切，尺寸為35mm×70mm。
接著，提供一厚度為0.25mm之鋁箔，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為35mm×7mm)。接著，提供隔離膜(商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)，按照鋁電極、隔離膜、石墨電極、隔離膜、以及鋁電極的順序排列，並以鋁塑膜將其封裝並注入電解液(氯化鋁(AlCl3)/氯化1-乙基-3-甲基咪唑(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3與[EMIm]Cl之莫耳比約為1.4：1)，得到鋁離子電池(5)。
接著，使用NEWARE電池分析器量測實施例5所得之鋁離子電池(5)之電池效能(量測條件為充電電流1000mA/g，截止電壓2.45V，放電電流1000mA/g，截止電壓1V)，結果如表1所示。
由表1可得知，相較於比較實施例2，實施例2藉由將活性層(石墨層)薄化、多層化，增加活性層與電解質(離子液體)的接觸面積，可以提高石墨利用率，進而提升克電容量與總發電量。另一方面，相較於比較實施例1，實施例1藉由在集 電層、活性層製作通孔，可增加流動途徑，加速離子液體電解質濕潤活性材料(石墨)，增加活性層深層活性材料的使用率，提升克電容量與總發電量。此外，增加使用擴散層，藉由擴散層的網狀結構，提供電解質平行於集電層、活性層的橫向傳輸路徑，進一步加速電解質的擴散，提升克電容量與總發電量。另外，實施例1、2及3的總發電量是以10C rate進行充放電測試，從實施例1、2、及3與比較實施例1、2的比較結果，顯示本發明正極結構可應用於高速充放電鋁離子電池。
雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (18)

  1. 一種金屬離子二次電池，包含一正極，其中該正極包含：至少一集電層；以及至少一活性層，其中該集電層與該活性層互相堆疊，且該集電層具有至少一第一通孔，以及該活性層具有至少一個第二通孔。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，還包含一負極，其中該負極包含鋁金屬或鋁合金。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，其中該集電層具有一孔洞率介於0.1%至50%之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，其中該第一通孔具有一長寬比介於1：1000至1：10000之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，其中該第一通孔為方形孔洞、長條型孔洞、圓形孔洞、多角形孔洞、不規則幾何形孔洞、或上述之組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，其中該活性層具有一孔洞率介於0.1%至50%之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，其中該第二通孔為方形孔洞、長條型孔洞、圓形孔洞、多角形孔洞、不規則形孔洞、或上述之組合。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，其中 該第一通孔與該第二通孔對平行於該集電層與該活性層的一參考平面的投影完全重疊、部份重疊或不重疊。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，其中該活性層包含活性材料，且該活性材料的含量介於0.1mg/cm2至10mg/cm2之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之金屬離子二次電池，其中該活性材料包括膨脹石墨、天然石墨、熱解石墨、多層石墨烯、鱗片石墨、或上述的組合。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之金屬離子二次電池，其中該活性材料還包括碳材、奈米金屬線、微米金屬線、奈米過渡金屬粒子、微米過渡金屬粒子、或上述的組合。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，其中該正極還包含至少一擴散層，且該擴散層包含碳紙、碳網、碳纖維、不織布、纖維布或上述之組合。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之金屬離子二次電池，其中該擴散層反向設置於該集電層之另一側表面。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之金屬離子二次電池，其中該擴散材料層具有至少一個第三通孔，且該第三通孔為方形孔洞、長條型孔洞、圓形孔洞、多角形孔洞、不規則幾何形孔洞、或上述之組合。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之金屬離子二次電池，其中該第一通孔、該第二通孔、及該第三通孔對平行於該集電層、 該活性層、及該擴散層的一參考平面的投影完全重疊、部份重疊或不重疊。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，其中該集電層包含金屬箔、導電膠、導電高分子、碳紙、合金、或碳布。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，其中該集電層的厚度介於1微米至200微米之間。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子二次電池，還包含一負極、一隔離層、及一電解質，其中該隔離層設置於該正極與該負極之間，其中該電解質包含一離子液體。
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