[发明专利]多价金属离子电池以及制造方法

权利要求书

1.一种多价金属离子电池，其包括阳极、阴极、以及电解质，所述电解质与所述阳极和所述阴极处于离子接触以负载所述阳极处的多价金属的可逆的沉积和溶解，所述多价金属选自Ni、Zn、Be、Mg、Ca、Ba、La、Ti、Ta、Zr、Nb、Mn、V、Co、Fe、Cd、Cr、Ga、In、或其组合，其中所述阳极含有作为阳极活性材料的所述多价金属或其合金，并且所述阴极包含具有膨胀的石墨烯平面间的空间的石墨或碳材料的阴极活性层，其中如通过X射线衍射测量的平面间间距d₀₀₂为从0.43nm至2.0nm。

2.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其中所述阴极活性层中的所述碳或石墨材料选自中间相沥青、中间相碳、中间相碳微球(MCMB)、焦炭颗粒、膨胀石墨薄片、人造石墨颗粒、天然石墨颗粒、高度取向的热解石墨、软碳颗粒、硬碳颗粒、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、石墨纳米纤维、石墨纤维、碳化聚合物纤维、或其组合，其中所述碳或石墨材料在化学或物理膨胀处理之前具有在0.27nm至0.42nm的范围内的平面间间距d₀₀₂，并且所述平面间间距d₀₀₂在所述膨胀处理之后增加至0.43nm至2.0nm的范围内。

3.一种多价金属离子电池，其包括阳极、阴极、以及电解质，所述电解质与所述阳极和所述阴极处于离子接触以负载所述阳极处的多价金属的可逆的沉积和溶解，所述多价金属选自Ni、Zn、Be、Mg、Ca、Ba、La、Ti、Ta、Zr、Nb、Mn、V、Co、Fe、Cd、Cr、Ga、In、或其组合，其中所述阳极含有作为阳极活性材料的所述多价金属或其合金，并且所述阴极包含具有未膨胀的石墨烯平面间的空间的石墨或碳材料的阴极活性层，其中如通过X射线衍射测量的平面间间距d₀₀₂为从0.33nm至0.42nm，并且所述碳或石墨材料选自中间相沥青、中间相碳、中间相碳微球(MCMB)、焦炭颗粒、膨胀石墨薄片、人造石墨颗粒、天然石墨颗粒、高度取向的热解石墨、软碳颗粒、硬碳颗粒、碳纳米纤维、碳纤维、石墨纳米纤维、石墨纤维、碳化聚合物纤维、或其组合。

4.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其中所述碳或石墨材料选自具有孔和孔壁的石墨泡沫或石墨烯泡沫，其中所述孔壁含有具有从0.45nm至1.5nm的膨胀的平面间间距d₀₀₂的经结合的石墨烯平面的堆叠体。

5.如权利要求4所述的多价金属离子电池，其中所述堆叠体含有从2至100个石墨烯平面。

6.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其中所述平面间间距d₀₀₂是从0.5nm至1.2nm。

7.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其中所述平面间间距d₀₀₂是从1.2nm至2.0nm。

8.如权利要求1所述的多价金属离子电池，其进一步包括负载所述多价金属或其合金的阳极集流体或者进一步包括负载所述石墨或碳材料的阴极活性层的阴极集流体。

9.如权利要求8所述的多价金属离子电池，其中所述阳极集流体含有导电纳米级长丝的一体化纳米结构，所述导电纳米级长丝是互连的以形成包含互连的孔的电子传导路径的多孔网络，其中所述长丝具有小于500nm的横向尺寸。

10.如权利要求9所述的多价金属离子电池，其中所述长丝包含选自下组的导电材料，所述组由以下项组成：电纺纳米纤维、气相生长碳或石墨纳米纤维、碳或石墨晶须、碳纳米管、纳米级石墨烯片晶、金属纳米线、及其组合。

11.如权利要求2所述的多价金属离子电池，其中所述膨胀处理包括所述石墨或碳材料的氧化、氟化、溴化、氯化、氮化、插层、组合的氧化-插层、组合的氟化-插层、组合的溴化-插层、组合的氯化-插层、或组合的氮化-插层。