TWI686978B - 金屬離子電池 - Google Patents

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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；一負極；一隔離結構，其中該隔離結構配置於該正極與該負極之間；以及一電解質組成物，其中該電解質組成物設置於該正極與該負極之間。其中，該隔離結構由一第一隔離層、一第二隔離層、及一介電層所構成，其中介電層配置於第一隔離層及第二隔離層之間，且該介電層由一介電材料所構成，其中該介電材料的介電常數為10至200。

Description

金屬離子電池
本揭露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。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。
一般鋁離子電池係由鋁負極、隔離膜、正極及電解液所組成。然而，在不斷的充放電過程中，鋁負極會因沉積/溶解不可逆並伴隨著自腐蝕，使得鋁負極面積不斷消耗縮小(甚至發生鋁負極孔蝕或破片現象)，造成鋁負極整體電流密度增加，進而導致電池芯局部發熱、不可逆現象加劇，直接影響到電池性能及電池壽命。
因此，改善鋁離子電池鋁負極自腐蝕的現象，以延長電池壽命以及電池性能，為亟待解決的問題。
根據本揭露實施例，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；一負極；一隔離結構，其中該隔離結構配置於該正極與該負極之間；以及一電解質組成物。其中，該隔離結構由一第一隔離層、一第二隔離層、及一介電層所構成，其中介電層配置於第一隔離層及第二隔離層之間，且該介電層由一介電材料所構成，其中該介電材料的介電常數為10至200。
以下針對本揭露所述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聯性。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，本揭露所述金屬離子電池以一隔離結構取代傳統的隔離膜，其中該隔離結構包含兩層隔離層及配置於其間的介電層。藉由該隔離結構，可在電池的放電過程中將電場分佈均勻化，除了可大幅提昇金屬離子電池的庫倫效率及電容量外，並可避免負極發生孔蝕及破片的現象，進而延長鋁電池之循環壽命。
此外，對於使用石墨作為正極活性材料的金屬離子電池而言，金屬離子電池的電容量與正極石墨的含量呈正比。然而，若為提高金屬離子電池之能量密度而將正極石墨的面密度(單位面積下的重量)提高至10mg/cm 2以上時，金屬離子電池其負極金屬自腐蝕現象將大幅度加劇，反而易導致金屬離子電池的能量密度、及循環壽命下降。由於本揭露所述之金屬離子電池其隔離結構在電池的放電過程中可將電場分佈均勻化，並使金屬離子電池於放電過程中的電傳與質傳阻抗降低，因此尤其適合搭配具有高石墨擔載(loading)量的正極應用於金屬離子電池中，大幅提昇金屬離子電池的庫倫效率、電容量、以及循環壽命。根據本揭露實施例，本揭露所述金屬離子電池可應用於大型儲能系統或移動載具。
根據本揭露實施例，配置於隔離結構中的介電層係由介電材料所構成，由於本揭露所述隔離結構中的介電材料係直接分散於兩個隔離層之間(即介電材料直接與隔離層接觸，介電材料與隔離層間沒有黏著劑)。如此一來，不會因為黏著劑影響金屬離子電池的性能。
請參照第1圖，係本揭露一實施例所述之金屬離子電池100的示意圖。金屬離子電池100可包含一負極10、一正極20、一隔離結構30、及一電解質組成物40，其中隔離結構30設置於負極10與正極20之間，以使負極10以隔離結構30與正極20相隔，避免負極10與正極20直接接觸，以及，電解質組成物40設置於正極10與負極20之間，以與負極10及正極20接觸傳導離子。
根據本揭露實施例，該隔離結構30可包含一第一隔離層32、一介電層34、以及一第二隔離層36，其中介電層34配置於第一隔離層32及第二隔離層34之間。根據本揭露實施例，電解質組成物40可設置於該金屬離子電池100內，並位於該負極10與正極20之間，使得電解質組成物40與該負極10與正極20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。
第2圖係第1圖所述金屬離子電池100其區域2的放大示意圖。根據本揭露實施例，該介電層34由一介電材料37(例如粉末狀、片狀、或條狀)所構成。根據本揭露實施例，該介電材料37可為介電粉體，並具有一平均粒徑為約10nm至1000nm，例如約20nm、30nm、50nm、80nm、100nm、200nm、300nm、500nm、700nm、800nm、或900nm。若介電材料37的平均粒徑過小，則介電材料37可能在金屬離子電池使用時脫離該隔離結構30；以及，若介電材料37的平均粒徑過大，則會增加金屬離子電池的能量損耗。根據本揭露實施例，介電層34的平均厚度為約20nm至5µm，例如約30nm、50nm、80nm、100nm、200nm、300nm、500nm、700nm、800nm、900nm、1.5µm、或3µm。若介電層34的平均厚度過小，則可能導致電解液不足影響電性能；以及，若介電層34的平均厚度過大，則電池體積增加導致能量密度下降。根據本揭露實施例，在該介電層34內的介電材料其單位面積平均重量可為約0.2mg/cm 2至4.0mg/cm 2，例如約0.5mg/cm 2、0.8mg/cm 2、1.2mg/cm 2、1.5mg/cm 2、1.8mg/cm 2、2.5mg/cm 2、2.8mg/cm 2、3.2mg/cm 2、3.5mg/cm 2、或3.8mg/cm 2。若介電材料其單位面積平均重量過小，則所述隔離結構無法達到使金屬離子電池在放電過程中電場分佈均勻化的目的，進而降低金屬離子電池的庫倫效率、電容量、以及循環壽命；此外，若介電材料其單位面積平均重量過大，則會導致金屬離子電池的重量能量密度下降與製造成本增加。
根據本揭露實施例，該第一隔離層32及該第二隔離層36可獨立為玻璃纖維、聚乙烯(polyethylene、PE)、聚丙烯(polypropylene、PP)、不織布、木質纖維、聚醚碸樹脂(poly(ether sulfones) 、PES)、陶瓷纖維、或上述之組合。根據本揭露實施例，該第一隔離層32及該第二隔離層36的材質可為相同或不同。根據本揭露實施例，該第一隔離層32及/或第二隔離層36與介電層34相鄰的表面可具有孔洞 33(如第3圖所示)，且該介電材料37可進一步填入該孔洞33中，可使金屬離子電池在的放電過程中的電場分佈均勻化。根據本揭露實施例，該介電層34可為一連續膜層。根據本揭露實施例，該介電層34可為一不連續膜層。
根據本揭露實施例，本揭露所述介電材料的介電常數為約10至200，例如約10.4、22、30、35、80、114、或200。若所使用的介電材料其介電常數過小，則所述隔離結構無法達到使金屬離子電池在放電過程中電場分佈均勻化的目的，進而降低金屬離子電池的庫倫效率、電容量、以及循環壽命；此外，若所使用的介電材料其介電常數過大，則會增加金屬離子電池100的製造成本。根據本揭露實施例，該介電材料可為具有介電常數為約10至200的金屬氧化物、具有介電常數為約10至200的金屬氮化物、或上述之組合。根據本揭露實施例，該介電材料亦可為金紅石相二氧化鈦、銳鈦礦相二氧化鈦、二氧化鋯、氧化鉿、氧化鈰、氧化鑭、鋇酸鈦、氮化鎵等、或上述之組合。表1為上述介電材料對應的介電常數。介電常數的量測方法可例如空腔諧振器擾動法(25℃、10GHz)。
表1
Figure 107147654-A0305-0001
根據本揭露實施例，本揭露所述隔離結構的製備方式可包含以下步驟。首先，提供一第一隔離膜。接著，將介電材料均勻配置於該第一隔離膜(作為隔離結構的第一隔離層)上，其中該介電材料構成該介電層。接著，將一第二隔離膜(作為隔離結構的第二隔離層)配置於該介電層之上，得到本揭露所述隔離結構。根據本揭露實施例，在將第二隔離膜配置於該介電層上的步驟後，可對所得的疊層進行一壓合製程，使第一隔離層、介電層、及第二隔離層緊密貼合。
此外，根據本揭露實施例，本揭露所述隔離結構的製備方式可包含以下步驟。提供一隔離膜，並對該隔離膜對摺。接著，將介電材料置入對摺的隔離膜之間。接著，可視需要對所得的疊層進行一壓合製程，得到本揭露所述隔離結構。在此實施例中，本揭露所述隔離結構的第一隔離層及第二隔離層係一體成形的，且該第一隔離層的至少部份邊緣與第二隔離層的至少部份邊緣係彼此連接。
根據本揭露實施例，該負極10可包含一金屬或含該金屬的合金(作為負極活性材料)。根據本揭露實施例，該金屬可為鋁、銅、鐵、鋅、銦、鎳、錫、鉻、釔、鈦、錳、或鉬。根據本揭露實施例，該負極10可為鋁箔，而該金屬離子電池為鋁離子電池。
此外，根據本揭露實施例，該負極10可更包含一集電層(未繪示)，而該金屬或含該金屬的合金係配置於該集電層上。根據本揭露實施例，集電層可為導電性碳基材，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1mW×cm 2至6mW×cm 2之間、以及含碳量大於約65wt%。根據本揭露實施例，集電層可為具有多孔結構的金屬材料，例如3D網狀結構金屬材料(例如鎳網、銅網、或鉬網)或發泡結構金屬材料(例如：發泡鎳、發泡銅、或發泡鉬)。
根據本揭露實施例，若該負極的集流體之材料為金屬材料時，該集流體的金屬材料之氧化還原活性小於負極活性材料(金屬或含該金屬的合金)的氧化還原活性。根據本揭露實施例，具有多孔結構的金屬材料可具有一孔隙率P約為50%至80%(例如：約60%、或70%)，孔隙率P可由下述公式決定：P=V1/V2´100%，其中V1係集電層中孔隙所佔的體積，以及V2係集電層總體的體積。根據本揭露實施例，該集電層可為導電性碳基材與金屬材料的複合層。
根據本揭露實施例，該金屬或含該金屬的合金可直接成長於該集電層之上(即兩者之間沒有任何介質)，或是利用黏著劑(例如：聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纖維素鈉、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯丁二烯共聚物、氟化橡膠、聚氨脂、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸乙脂、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚丁二烯、聚丙烯酸、或上述之組合)將該金屬或含該金屬的合金固定於該集電層上。
根據本揭露實施例，該正極20可包含一集電層(未繪示)及一活性材料(未繪示)設置於該集電層之上。根據本揭露實施例，該正極亦可由該集電層及活性材料所構成。根據本揭露實施例，該集電層可為導電性碳基材，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1mW×cm 2至6mW×cm 2之間、以及含碳量大於約65wt%。根據本揭露實施例，集電層可為具有多孔結構的金屬材料，例如3D網狀結構金屬材料(例如鎳網、銅網、或鉬網)或發泡結構金屬材料(例如：發泡鎳、發泡銅、或發泡鉬)。根據本揭露實施例，具有多孔結構的金屬材料可具有一孔隙率P約為50%至80%(例如：約60%、或70%)。根據本揭露實施例，該集電層可為導電性碳基材與金屬材料的複合層。根據本揭露實施例，該活性材料可為具層狀結構之碳材、層狀雙氫氧化物(layered double hydroxide)、層狀氧化物、層狀硫族化合物(layered chalcogenide)、釩系氧化物、或金屬硫化物、或上述材料的團聚物。根據本揭露實施例，該具層狀結構之碳材可為石墨、奈米碳管、石墨烯、或上述之組合。根據本揭露實施例，該具層狀結構之碳材可為插層碳材，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，該活性材料可直接成長(例如以化學氣相沉積法(chemical vapor deposition、CVD)形成活性材料)於該集電層之上(即兩者之間沒有任何介質)，或是利用黏著劑(例如：聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纖維素鈉、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯丁二烯共聚物、氟化橡膠、聚氨脂、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸乙脂、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚丁二烯、聚丙烯酸、或上述之組合)將該活性材料固定於該正極集電層上。根據本揭露實施例，當集電層為多孔結構的金屬材料時，正極活性材料可進一步填入該金屬材料的孔洞中。根據本揭露實施例，該集電層上的活性材料的單位面積平均重量為約10mg/cm 2至30mg/cm 2，例如約13mg/cm 2、15mg/cm 2、18mg/cm 2、或20mg/cm 2。由於本揭露所述之金屬離子電池其隔離結構在電池的放電過程中可將電場分佈均勻化，並使金屬離子電池於放電過程中的電傳與質傳阻抗降低，因此尤其適合搭配具有高石墨擔載(loading)量(例如活性材料的單位面積平均重量為約12mg/cm 2至30mg/cm 2、13mg/cm 2至30mg/cm 2、15mg/cm 2至30mg/cm 2、或20mg/cm 2至30mg/cm 2)的正極應用於金屬離子電池中，大幅提昇金屬離子電池的庫倫效率、電容量、以及循環壽命。
根據本揭露實施例，本揭露所述電解質組成物可包含一離子液體和一金屬鹵化物，其中該金屬鹵化物與該離子液體之莫耳比例可為約1.1:1至2.1:1，例如約1.3:1、1.4:1、1.8:1、或2:1。該金屬鹵化物可為鹵化鋁、鹵化銀、鹵化銅、鹵化鐵、鹵化鈷、鹵化鋅、鹵化銦、鹵化鎘、鹵化鎳、鹵化錫、鹵化鉻、鹵化鑭、鹵化釔、鹵化鈦、鹵化錳、鹵化鉬、或上述之組合。根據本揭露實施例，該金屬鹵化物為鹵化鋁。該離子液體可為烷基咪唑鎓鹽(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)、或上述的組合。舉例而言，當金屬鹵化物為鹵化鋁，離子液體可為氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(EMIC)、或氯化l-丁基-3-甲基咪唑鎓(BMIC)。根據本揭露實施例，本揭露所述電解質組成物可進一步包含添加劑，以提高電解質組成物電導率、降低電解液阻抗、降低電解質組成物黏度、或促進電場均勻進而提升電池之庫倫效率。根據本揭露實施例，本揭露所述電解質組成物可進一步包含尿素(urea)、乙醯胺(acetamide)、氯化膽鹼(Choline chloride)、乙醯氯化膽鹼(ethylchlorine chloride)、鹼金族鹵化物(alkali halide)、二甲基亞碸、或上述的組合。
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，下文特舉數實施例配合所附圖示，作詳細說明如下：
金屬離子電池的製備 實施例1 提供一厚度為0.05mm之鋁箔(由阿法埃莎(Alfa Aesar)製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為35mm ´70mm)。接著，提供兩個大小相同的隔離膜(玻璃濾紙(6層1/2吋)、商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)(尺寸為50mm ´80mm)。接著，將銳鈦礦相二氧化鈦粉末(平均粒徑為20nm)置於其中一隔離膜上，並將另一隔離膜覆蓋於銳鈦礦相二氧化鈦粉末，得到一隔離結構，其中銳鈦礦相二氧化鈦粉末的單位面積重量約為0.9mg/cm 2。接著，提供一鎳發泡板(尺寸為35mm ´70mm)。接著，將47重量份的天然石墨粉(購自榮炭公司，型號N58-30K)，1重量份的羧甲基纖維素(CMC)( 購自NIPPON PAPER公司，商品編號為MAC350HC)、2重量份的苯乙烯 - 丁二烯橡膠(SBR)(購自JSR股份公司，商品編號為104A)、及50重量份的水充分攪拌混合，得到一塗佈組成物。接著，將塗佈組成物形成於上述鎳發泡板上。在100℃下烘烤10分鐘後，得到一石墨電極，其中石墨電極的單位面積石墨重量為10mg/cm 2(由塗佈組成物的塗佈量控制)。接著，按照鋁電極(作為負極)、隔離結構、及石墨電極(作為正極)的順序排列，以透明塑膜將其封裝並注入電解質組成物(包含氯化鋁(AlCl 3)及氯化l-丁基-3-甲基咪唑鎓(1-butyl-3-methylimidazolium chloride、 BMIC)、其中AlCl 3與BMIC之莫耳比約為1.4:1)，得到鋁離子電池(1)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(1)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、以及在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)結果如表2所示。
實施例2 依實施例1所述鋁離子電池(1)的製備方式進行，除了將銳鈦礦相二氧化鈦粉末的單位面積重量由0.9mg/cm 2增加至1.4mg/cm 2，得到鋁離子電池(2)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(2)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、以及在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)結果如表2所示。
比較例1 依實施例1所述鋁離子電池(1)的製備方式進行，除了以隔離膜(玻璃濾紙(6層1/2吋)、商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)(尺寸為50mm ´80mm)取代隔離結構，得到鋁離子電池(3)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(3)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、以及在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)結果如表2所示。
比較例2 依實施例1所述鋁離子電池(1)的製備方式進行，除了以隔離膜(玻璃濾紙(6層1/2吋)、商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)(尺寸為50mm ´80mm)取代隔離結構，並在電解質組成物中加入銳鈦礦相二氧化鈦粉末(平均粒徑為20nm)(其中銳鈦礦相二氧化鈦的重量與氯化鋁及氯化l-丁基-3-甲基咪唑鎓的重量總合的比為0.01:100)，得到鋁離子電池(4)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(4)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、以及在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)結果如表2所示。
表2
Figure 107147654-A0305-0002
由表2可知，當石墨電極的單位面積石墨重量為10mg/cm 2時，以本揭露所述隔離結構取代傳統的膜離膜，仍可提高所得之鋁離子電池的克電容量。此外，由比較例2可得知，將二氧化鈦加入電解液組成物中(而非將二氧化鈦置於隔離結構中)，無法改善鋁離子電池的效能。
實施例3 提供一厚度為0.05mm之鋁箔(由阿法埃莎(Alfa Aesar)製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為35mm ´70mm)。接著，提供兩個大小相同的隔離膜(玻璃濾紙(6層1/2吋)、商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)(尺寸為50mm ´80mm)。接著，將銳鈦礦相二氧化鈦粉末(平均粒徑為20nm)置於其中一隔離膜上，並將另一隔離膜覆蓋於銳鈦礦相二氧化鈦粉末，得到一隔離結構，其中銳鈦礦相二氧化鈦粉末的單位面積重量約為0.2mg/cm 2。接著，提供一鎳發泡板(尺寸為35mm ´70mm)。接著，將47重量份的天然石墨粉(購自榮炭公司，型號N58-30K)，1重量份的羧甲基纖維素(CMC)( 購自NIPPON PAPER公司，商品編號為MAC350HC)、2重量份的苯乙烯 - 丁二烯橡膠(SBR) ( 購自JSR股份公司，商品編號為104A)、及50重量份的水充分攪拌混合，得到一塗佈組成物。接著，將塗佈組成物形成於上述鎳發泡板上。在100℃下烘烤10分鐘後，得到一石墨電極，其中石墨電極的單位面積石墨重量為12mg/cm 2(由塗佈組成物的塗佈量控制)。接著，按照鋁電極(作為負極)、隔離結構、及石墨電極(作為正極)的順序排列，以透明塑膜將其封裝並注入電解質組成物(包含氯化鋁(AlCl 3)及氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、EMIC)、其中AlCl 3與EMIC之莫耳比約為1.4:1)，得到鋁離子電池(5)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(5)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表3所示。
比較例3 依實施例3所述鋁離子電池(6)的製備方式進行，除了以隔離膜(玻璃濾紙(6層1/2吋)、商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)(尺寸為50mm ´80mm)取代隔離結構，得到鋁離子電池(6)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(6)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表3所示。
表3
Figure 107147654-A0305-0003
由表3可知，當石墨電極的單位面積石墨重量提昇至為12mg/cm 2時，以本揭露所述隔離結構取代傳統的膜離膜所得之鋁離子電池(實施例3)，其在90圈時克電容量幾乎為比較例3所述鋁離子電池的2倍，且表現出較佳的循環壽命。
實施例4 提供一厚度為0.05mm之鋁箔(由阿法埃莎(Alfa Aesar)製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為35mm ´70mm)。接著，提供兩個大小相同的隔離膜(玻璃濾紙(6層1/2吋)、商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)(50mm ´80mm)。接著，將銳鈦礦相二氧化鈦粉末(平均粒徑為20nm)置於其中一隔離膜上，並將另一隔離膜覆蓋於銳鈦礦相二氧化鈦粉末，得到一隔離結構，其中銳鈦礦相二氧化鈦粉末的單位面積重量約為0.9mg/cm 2。接著，提供一鎳發泡板(尺寸為35mm ´70mm)。接著，將47重量份的天然石墨粉(購自榮炭公司，型號N58-30K)、1重量份的羧甲基纖維素(CMC)( 購自NIPPON PAPER公司，商品編號為MAC350HC)、2重量份的苯乙烯 - 丁二烯橡膠(SBR)(購自JSR股份公司，商品編號為104A)、及50重量份的水充分攪拌混合，得到一塗佈組成物。接著，將塗佈組成物形成於一上述鎳發泡板上。在100℃下烘烤10分鐘後，得到一石墨電極，其中石墨電極的單位面積石墨重量為13mg/cm 2(由塗佈組成物的塗佈量控制)。接著，按照鋁電極(作為負極)、隔離結構、及石墨電極(作為正極)的順序排列，以透明塑膜將其封裝並注入電解質組成物(包含氯化鋁(AlCl 3)及氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、EMIC)、其中AlCl 3與EMIC之莫耳比約為1.4:1)，得到鋁離子電池(7)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(7)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表4所示。
實施例5 依實施例4所述鋁離子電池(7)的製備方式進行，除了將銳鈦礦相二氧化鈦粉末的單位面積重量由0.9mg/cm 2增加至1.4mg/cm 2，得到鋁離子電池(8)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(8)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表4所示。
實施例6 依實施例4所述鋁離子電池(7)的製備方式進行，除了將銳鈦礦相二氧化鈦粉末的單位面積重量由0.9mg/cm 2增加至2.0mg/cm 2，得到鋁離子電池(9)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(9)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表4所示。
實施例7 依實施例4所述鋁離子電池(7)的製備方式進行，除了將銳鈦礦相二氧化鈦粉末的單位面積重量由0.9mg/cm 2增加至3.2mg/cm 2，得到鋁離子電池(10)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(10)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表4所示。
比較例4 依實施例4所述鋁離子電池(7)的製備方式進行，除了以隔離膜(玻璃濾紙(6層1/2吋)、商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)(尺寸為50mm ´80mm)取代隔離結構，得到鋁離子電池(11)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(11)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表4所示。
比較例5 依實施例4所述鋁離子電池(7)的製備方式進行，除了將銳鈦礦相二氧化鈦粉末以二氧化矽粉末(平均粒徑為20nm，介電常數為3.9)取代，得到鋁離子電池(12)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(12)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表4所示。
比較例6 提供一厚度為0.05mm之鋁箔(由阿法埃莎(Alfa Aesar)製造)，對其進行裁切，得到鋁電極(尺寸為35mm ´70mm)。接著，提供兩個大小相同的隔離膜(玻璃濾紙(6層1/2吋)、商品編號為沃特曼(Whatman)GFA)(尺寸為50mm ´80mm)。接著，將45重量份的銳鈦礦相二氧化鈦粉末(平均粒徑為20nm)、1重量份的羧甲基纖維素(CMC)(購自NIPPON PAPER公司，商品編號為MAC350HC)、2重量份的苯乙烯 - 丁二烯橡膠(SBR) ( 購自JSR股份公司，商品編號為104A)、及50重量份的水充分攪拌混合，得到一塗佈組成物。接著，將塗佈組成物形成於一隔離膜上，並將另一隔離膜覆蓋由該塗佈組成物所形成之塗層。在100℃下烘烤10分鐘後，得到一隔離結構，其中銳鈦礦相二氧化鈦粉末的單位面積重量約為0.9mg/cm 2。接著，提供一鎳發泡板(尺寸為35mm ´70mm)。接著，將47重量份的天然石墨粉(購自榮炭公司，型號N58-30K)，1重量份的羧甲基纖維素(CMC)(購自NIPPON PAPER公司，商品編號為MAC350HC)、2重量份的苯乙烯 - 丁二烯橡膠(SBR) ( 購自JSR股份公司，商品編號為104A)、及50重量份的水充分攪拌混合，得到一塗佈組成物。接著，將塗佈組成物形成於上述鎳發泡板上。在100℃下烘烤10分鐘後，得到一石墨電極，其中石墨電極的單位面積石墨重量為13mg/cm 2(由塗佈組成物的塗佈量控制)。接著，按照鋁電極(作為負極)、隔離結構、及石墨電極(作為正極)的順序排列，以透明塑膜將其封裝並注入電解質組成物(包含氯化鋁(AlCl 3)及氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、EMIC)、其中AlCl 3與EMIC之莫耳比約為1.4:1)，得到鋁離子電池(13)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(13)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表4所示。
表4
Figure 107147654-A0305-0004
由表4可知，當石墨電極的單位面積石墨重量提昇至為13mg/cm 2時，以本揭露所述隔離結構取代傳統的膜離膜所得之鋁離子電池(實施例4-7)，其2C克電容量幾乎為比較例5所述鋁離子電池的2倍。此外，與比較例6相比(以黏著劑將二氧化鈦形成於二隔離層間)，實施例4-7所得之鋁離子電池其循環壽命亦大幅改善(在充放電循環400圈後才觀察到庫侖效率低於80%)。
實施例8 依實施例4所述鋁離子電池(7)的製備方式進行，除了以平均粒徑為100nm的銳鈦礦相二氧化鈦粉末取代平均粒徑為20nm的銳鈦礦相二氧化鈦粉末，得到鋁離子電池(14)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(14)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表5所示。
實施例9 依實施例4所述鋁離子電池(7)的製備方式進行，除了以平均粒徑為200nm的銳鈦礦相二氧化鈦粉末取代平均粒徑為20nm的銳鈦礦相二氧化鈦粉末，得到鋁離子電池(15)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(15)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表5所示。
實施例10 依實施例4所述鋁離子電池(7)的製備方式進行，除了以平均粒徑為20nm的金紅石相二氧化鈦粉末取代平均粒徑為20nm的銳鈦礦相二氧化鈦粉末，得到鋁離子電池(16)。
接著，使用電池分析器(BST8-WA，MTI Corporation)對鋁離子電池(16)進行充放電測試，分別量測在0.5C、1C、2C充放電速率下的克電容量、在充電放電循環90圈時的克電容量(在1C充放電速率下)、以及庫侖效率低於80%時的充電放電循環圈數，結果如表5所示。
表5
Figure 107147654-A0305-0005
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。
2:區域
10:負極
20:正極
30:隔離結構
32:第一隔離層
33:孔洞
34:介電層
36:第二隔離層
37:介電材料
40:電解質組成物
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圖係本揭露第1圖所述金屬離子電池其區域2的局部放大示意圖。 第3圖係本揭露另一實施例所述金屬離子電池其區域2的局部放大示意圖。
2:區域
10:負極
20:正極
30:隔離結構
32:第一隔離層
34:介電層
36:第二隔離層
40:電解質組成物
100:金屬離子電池

Claims (17)

  1. 一種金屬離子電池，包含：一正極；一負極；一隔離結構，其中該隔離結構配置於該正極與該負極之間；以及一電解質組成物，其中該電解質組成物設置於該正極與該負極之間，其中該電解質組成物包含一離子液體與一金屬鹵化物，其中該金屬鹵化物與該離子液體之莫耳比例為1.1：1至2.1：1，其中該隔離結構由一第一隔離層、一第二隔離層、及一介電層所構成，其中該介電層配置於該第一隔離層及該第二隔離層之間，且該介電層由一介電材料所構成，其中該介電材料的介電常數為10至200，其中該介電材料為金紅石相二氧化鈦、銳鈦礦相二氧化鈦、二氧化鋯、氧化鉿、氧化鈰、氧化鑭、氮化鎵、或上述之組合。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該介電材料為具有介電常數為10至200的金屬氧化物、具有介電常數為10至200的金屬氮化物、或上述之組合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該介電材料的粒徑為10至1000nm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中在該介電層內的介電材料其單位面積平均重量為0.2mg/cm2至4.0mg/cm2。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該第一隔離層及該第二隔離層係獨立為玻璃纖維、聚乙烯(polyethylene、PE)、聚丙烯(Polypropylene、PP)、不織布、木質纖維、聚醚碸樹脂(Poly(ether sulfones)、PES)、陶瓷纖維、或上述之組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該第一隔離層的至少部份邊緣與第二隔離層的至少部份邊緣係彼此連接。
  7. 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。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之金屬離子電池，其中該活性材料係設置於該集電層之上，且在該集電層上的活性材料的單位面積平均重量為10mg/cm2至30mg/cm2。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之金屬離子電池，其中該集電層係導電性碳基材、具有多孔結構的金屬材料、或上述之組合。
  10. 如申請專利範圍第9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。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之金屬離子電池，其中該活性材料係具層狀結構之碳材、層狀雙氫氧化物(layered double hydroxide)、層狀氧化物、層狀硫族化合物(layered chalcogenide)、釩系氧化物、或金屬硫化物。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之金屬離子電池，其中 該具層狀結構之碳材係石墨、奈米碳管、石墨烯、或上述之組合。
  13. 如申請專利範圍第12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、鱗片石墨、膨脹石墨、或上述材料的組合。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該負極包含一金屬或含該金屬的合金，其中該金屬係鋁、銅、鐵、鋅、銦、鎳、錫、鉻、釔、鈦、錳、或鉬。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該金屬鹵化物為鹵化鋁、鹵化銀、鹵化銅、鹵化鐵、鹵化鈷、鹵化鋅、鹵化銦、鹵化鎘、鹵化鎳、鹵化錫、鹵化鉻、鹵化鑭、鹵化釔、鹵化鈦、鹵化錳、鹵化鉬、或上述之組合。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該離子液體包含烷基咪唑鎓鹽(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)、或上述的組合。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之金屬離子電池，其中該電解質組成物更包含尿素(urea)、乙醯胺(acetamide)、氯化膽鹼(Choline chloride)、乙醯氯化膽鹼(ethylchlorine chloride)、鹼金族鹵化物(alkali halide)、二甲基亞碸、或上述的組合。
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