[发明专利]结合腐殖酸的金属箔膜集流体以及含有其的电池和超级电容器

说明书

一种电池或超级电容器中的结合腐殖酸的金属箔集流体，所述集流体包括：(a)薄金属箔，所述薄金属箔具有两个相反但平行的主表面；和(b)腐殖酸(HA)或HA和石墨烯的混合物的薄膜，所述薄膜具有六方碳平面，其中HA或HA和石墨烯二者化学结合到所述两个主表面中的至少一个；其中所述薄膜具有从10nm至10μm的厚度、按重量计从0.01％至10％的氧含量、六方碳平面之间0.335至0.50nm的平面间间距、从1.3至2.2g/cm³的物理密度，所有六方碳平面取向为基本上相互平行并且平行于所述主表面，当在没有所述金属箔的情况下单独测量时，展现出大于500W/mK的热导率、和/或大于1,500S/cm的电导率。

相关申请的交叉引用

本申请要求各自在2016年8月22日提交的美国专利申请号15/243589和15/243606的优先权，这些专利申请通过援引方式并入本文。

技术领域

本发明提供了一种用于锂电池或超级电容器的集流体。所述集流体是结合有高度取向的腐殖酸的薄膜或腐殖酸衍生的高度传导性石墨膜的金属箔。

背景技术

本专利申请涉及一种集流体，所述集流体与锂电芯(例如，锂离子电芯、锂-金属电芯、或锂离子电容器)、超级电容器、非锂电池(如锌-空气电芯、镍金属氢化物电池、钠离子电芯、和镁离子电芯)、以及其他电化学能量储存电芯的阳极电极(阳极活性材料层)或阴极电极(阴极活性材料层)一起工作。本申请不是阳极活性材料层或阴极活性材料层本身的一部分。

锂-金属电芯包括常规的锂-金属可再充电电芯(例如，使用锂箔作为阳极并且使用MnO₂颗粒作为阴极活性材料)、锂-空气电芯(Li-空气)、锂-硫电芯(Li-S)、和新兴的锂-石墨烯电芯(Li-石墨烯，使用石墨烯片作为阴极活性材料)、锂-碳纳米管电芯(Li-CNT，使用CNT作为阴极)、以及锂-纳米碳电芯(Li-C，使用纳米碳纤维或其他纳米碳材料作为阴极)。阳极和/或阴极活性材料层可以含有一些锂，或者可以在电芯组装之前预锂化或之后立即预锂化。

可再充电锂离子(Li离子)、锂金属、锂-硫、和Li金属-空气电池被认为是用于电动车辆(EV)、混合电动车辆(HEV)、和便携式电子装置(如手提电脑和移动电话)的有前途的电源。与作为阳极活性材料的任何其他金属或金属-插层化合物(除了Li_4.4Si，其具有4,200mAh/g的比容量)相比，作为金属元素的锂具有最高的锂储存容量(3,861mAh/g)。因此，一般来说，Li金属电池(具有锂金属阳极)具有显著高于常规锂离子电池(具有石墨阳极)的能量密度。

在历史上，可再充电锂金属电池是使用具有相对高的比容量的非锂化化合物如TiS₂、MoS₂、MnO₂、CoO₂、和V₂O₅作为阴极活性材料生产的，这些阴极活性材料与锂金属阳极耦合。当电池放电时，锂离子通过电解质从锂金属阳极转移到阴极，并且阴极变得锂化。不幸地是，在重复的充电和放电时，锂金属导致在阳极处形成枝晶，所述枝晶最终引起内部短路、热失控、和爆炸。由于与这一问题有关的一系列事故，在二十世纪九十年代早期停止了这些类型的二次电池的生产，取而代之的是锂离子电池。即使现在，对于EV、HEV和微电子装置应用而言，循环稳定性和安全性问题依然是妨碍Li金属电池(例如锂-硫和锂-过渡金属氧化物电芯)进一步商业化的主要因素。

由前述对早期锂金属二次电池的安全性的担忧促进导致了锂离子二次电池的发展，在锂离子二次电池中，碳质材料(例如，天然石墨颗粒)取代纯锂金属片或膜作为阳极活性材料。碳质材料分别在锂离子电池运行的再充电阶段和放电阶段期间吸收锂(例如通过在石墨烯平面之间锂离子或原子的插层)和解吸锂离子。所述碳质材料可以主要包含可以用锂插层的石墨，并且所得石墨插层化合物可以表示为Li_xC₆，其中x典型地小于1(其中石墨比容量372mAh/g)。