CN107871885B - 金属离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属离子二次电池。该金属离子二次电池包含一正极，其中该正极包含至少一集电层以及至少一活性层，其中该集电层与该活性层交互堆叠，且该集电层具有至少一第一通孔。

Description

金属离子二次电池
技术领域
本发明关于一种储能元件，更特别关于一种金属离子二次电池。
背景技术
铝在地球上蕴藏量非常丰富，以铝作为材料的电子装置具有较低的成本。在储能元件的应用方面，铝及其化合物在自然界相较于锂、镉等金属生物毒性为低，是十分环保的储能原料，且铝具有低可燃性及电子氧化还原性质，大幅提升铝离子电池在使用上的安全性。
尽管有着上述理论优点，然而为满足实际商业化应用的需求，铝离子电池的效能仍需被进一步的提升。铝离子电池的电容量与电池中石墨含量呈正比。理论上，当石墨量越多电池具有更多的电容量。但实际上，当石墨量增加时，由于石墨层厚度过大，反而导致位于深层的石墨无法被离子液体润湿以及电传导因碳材厚度增加变得困难，导致电容量难以提升。
因此，面对快速充放电的需求，如何使石墨利用率达到最佳化，提升总体电量，为亟待解决的问题。
发明内容
根据本发明实施例，本发明提供一种储能元件，例如为金属离子二次电池。该金属离子二次电池可包含一正极，其中该正极包含至少一集电层以及至少一活性层，其中该集电层与该活性层交互堆叠，且该集电层具有至少一第一通孔。
附图说明
图1为本发明实施例所述正极的示意图；
图2A为本发明图1所述正极其集电层的结构示意图；
图2B为本发明图2A所述集电层沿着轴线a的剖面示意图；
图3、图4分别为本发明图1所述正极其集电层的其他实施例的结构示意图；
图5A为本发明图1所述正极其活性层的结构示意图；
图5B为本发明图5A所述活性层沿着轴线b的剖面示意图；
图6A为本发明图1所述正极的结构示意图；
图6B为本发明图6A所述正极沿着轴线c的剖面示意图；
图7A为本发明图1所述正极另一实施例的结构示意图；
图7B为本发明图7A所述正极沿着轴线d的剖面示意图；
图8、图9分别为本发明实施例所述正极的示意图；
图10为本发明实施例所述正极的示意图；
图11A为本发明图10所述正极的结构示意图；
图11B为本发明图11A所述正极沿着轴线e的剖面示意图；
图12A为本发明图10所述正极另一实施例的结构示意图；
图12B为本发明图12A所述正极沿着轴线f的剖面示意图；
图13、图14、及图15分别为本发明其他实施例所述正极的示意图；以及
图16为本发明实施例所述金属离子二次电池的示意图。
【符号说明】
10 集电层；
11 第一通孔；
20 活性层；
21 第二通孔；
30 扩散层；
31 第三通孔；
101 负极；
103 隔离层；
105 电解质；
100、200、300、400、500、600、700 正极；
800 金属离子二次电池。
具体实施方式
本发明提供一种金属离子二次电池。该金属离子电池包含一正极，通过正极中活性层的轻薄化及活性层、集电层相互叠层的设计，以及，提供电解质(例如离子液体)流动途径，使电解质可以快速湿润活性层，增加深层活性层的使用率，较薄的活性层也有助于集流体对活性层产生的电流收集能力，进而提升金属离子二次电池的克电容量、单位体积的总电容量。
请参照图1，为本发明一实施例所述正极100的示意图，该正极100包含一集电层10以及一活性层20设置于该集电层10的一表面上。图2A为图1所述正极100的集电层10的结构示意图，该集电层10可具有至少一个第一通孔11，图2B为图2A所述集电层10沿着轴线a的剖面示意图，从图2B可知，该第一通孔11为一贯通集电层10的通孔，如此一来，电解质可经由该第一通孔11流入活性层，换句话说，本发明通过通孔的设计，提供电解质流动的路径，可促进电解质的扩散，将有助于加速电解质润湿活性层，增加活性层深层活性材料的使用率，达到提升电池总电容量的目的。在一实施例中，该第一通孔11可具有一孔洞率P1介于0.1％至50％之间，例如介于1％至20％之间。该孔洞率P1的计算方式如下式所示：P1＝A1/(A1+A2)×100％，其中A1为该第一通孔的面积、以及A2为集电层的面积。当孔洞率过低，则电池总电容量提升效果不明显；反之，当孔洞率过高，则会影响集电层的导电速率。该第一通孔11的形状没有特别限制，例如可为方形孔洞、长条型孔洞、圆形孔洞、多角形孔洞、不规则几何形孔洞、或上述的组合，以图2A为例，该第一通孔11可为长条形。图3及图4为图1所述正极100的集电层10的其他实施例结构示意图。从图3及图4可知，其通孔形状即使与图2A同为长条形通孔，但通孔的尺寸与通孔的分布可有不同的变化，可例如为开放式通孔(通孔未被集电层10环绕，如图3所示)、或为封闭式通孔(通孔被集电层10环绕，如图4所示)。在一实施例中，该第一通孔可具有一长宽比介于1:1000至1:10000之间，例如介于1:100至1:1000之间，又例如介于1:1.5至1:500之间。在另一实施例中，该第一通孔的长度可为集电层的长度的30％以上。上述集电层可包含金属箔(例如铝箔)、导电胶(例如银胶)、导电高分子、碳纸、合金、或碳布。集电层的厚度可介于1μm至500μm之间，例如介于3μm至250μm之间、介于5μm至20μm之间。
根据本发明的一实施例，请参照图5A，为图1所述正极100的活性层20的结构示意图例，该活性层20可具有至少一个第二通孔21，图5B为图5A所述活性层20沿着轴线b的剖面示意图，从图5B可知，该第二通孔21为一贯通该活性层20的通孔，如此一来，可增加该活性层20的总表面积，电解质可经由该第二通孔21与该活性层20的表面接触，换句话说，本发明通过通孔的设计，提供电解质流动的路径，可促进电解质的扩散，将有助于加速电解质润湿活性层，增加活性层深层活性材料的使用率，达到提升电池总电容量的目的。在一实施例中，该第二通孔21可具有一孔洞率P2介于1％至50％之间，例如介于1％至30％之间。该孔洞率P2的计算方式如下式所示：P2＝A3/(A3+A4)×100％，其中A3为第二通孔的面积、以及A4为活性层的面积。当孔洞率过低，则电池总电容量提升效果不明显；反之，当孔洞率过高，则活性材料的量过少，会使总电容量反而下降。该第二通孔21的形状没有特别限制，例如可为方形孔洞、长条型孔洞、圆形孔洞、多角形孔洞、不规则几何形孔洞、或上述的组合，以图5A为例，该第二通孔21可为圆形。通孔的尺寸与通孔的分布可有不同的变化，可例如为开放式通孔(通孔未被活性层环绕)、或为封闭式通孔(通孔被活性层环绕，如图5A所示)。在一实施例中，该第二通孔可具有一长宽比介于1:1000至1:10000之间，例如介于1:100至1:1000之间，又例如介于1:1.5至1:500之间。在另一实施例中，该第二通孔的长度可为活性层的长度的30％以上。上述活性层可包含活性材料，活性材料的含量可介于0.1mg/cm2至10mg/cm2之间，活性材料可包含石墨材料，例如膨胀石墨、天然石墨、热解石墨、多层石墨烯、鳞片石墨或上述的组合。值得一提的是，高比表面积的石墨材料可提供石墨层间的有效插层数，进而获得较高克电容量。石墨材料的比表面积可大于250m2/g，例如介于5m2/g至100m2/g之间，而石墨材料的含量可介于0.1mg/cm2至10mg/cm2之间，例如介于0.3mg/cm2至3mg/cm2之间。当石墨材料含量过高，则深层石墨利用率低，电阻亦随之提高；反之，当石墨材料含量过低，石墨总发电量下降，电池的重量能量密度低。在一实施例中，上述活性材料可进一步包含碳材(例如纳米碳管、石墨烯)、纳米金属线(例如纳米银线)、微米金属线(例如铜丝、镍丝)、纳米过渡金属粒子(例如铁、钴、镍)、或微米过渡金属粒子(例如铁、钴、镍)、或上述的组合。
根据本发明的一实施例，请参照图6A，为图1所述正极100的结构示意图例，该正极100包含一集电层10以及一活性层20设置于该集电层10的一表面上，其中该集电层10可具有至少一个第一通孔11，该活性层20可具有至少一个第二通孔21。图6B为图6A所述正极100沿着轴线c的剖面示意图，从图6B可知，该第一通孔11为一贯通集电层10的通孔，该第二通孔21为一贯通活性层20的通孔，而且该第一通孔11与该第二通孔21对平行于该集电层10与该活性层20的一参考平面的投影完全重叠。如此一来，电解质可经由该第一通孔11、第二通孔21与活性层接触，促进电解质的扩散，以助于加速电解质润湿活性层，增加深层活性层的使用率，达到提升电池总电容量的目的。根据本发明其他实施例，该第一通孔11与该第二通孔21对平行于该集电层10与该活性层20的一参考平面的投影可部分重叠或不重叠。图7A为图1所述正极100的另一实施例结构示意图例。图7B为图7A所述正极100组合后沿着轴线d的剖面示意图。从图6A、图7A可知，该第一通孔11与该第二通孔21的形状没有特别限制，例如可为方形孔洞、长条型孔洞、圆形孔洞、多角形孔洞、不规则几何形孔洞、或上述的组合，而且，该第一通孔11与该第二通孔21的形状可相同或不同。
根据本发明一实施例所述正极，该正极包含至少一集电层以及至少一活性层，且该集电层与该活性层互相堆叠，该集电层与该活性层堆叠的方式，具体来说，可以是一集电层其一表面配置一活性层为一基本单元进行堆叠，形成活性层/集电层//…//活性层/集电层的叠层态样，请参照图8，为正极200的示意图，集电层10的一表面配置一活性层20为一基本单元，数个该基本单元堆叠形成该正极200。另外，该集电层与该活性层堆叠的方式，也可以是一集电层反向的两侧表面各配置一活性层为一基本单元进行堆叠，形成活性层/集电层/活性层//…//活性层/集电层/活性层的叠层态样，再者，也可以是活性层/集电层的基本单元与活性层/集电层/活性层的基本单元互相堆叠，形成例如活性层/集电层/活性层//活性层/集电层/活性层//活性层/集电层的叠层态样，请参照图9。根据本发明一实施例，上述叠层的各集电层可独立地具有第一通孔或不具有第一通孔，且各活性层可独立地具有第二通孔或不具有第二通孔，可视需要调整。上述集电层与活性层的材料种类与含量如前所述，此处不再赘述。
根据本发明一实施例所述正极，该正极除了包含一集电层与一活性层，可还包含一扩散层，该扩散层可具有一网状结构，如此一来，可提供电解质平行于集电层、活性层的横向传输路径，进一步加速电解质的扩散。该扩散层可具有一液体传输速度大于0.1mm/min，例如介于1mm/min与10mm/min之间。该扩散层可为导电材质或非导电材质包含例如碳纸、碳网、碳纤维、不织布、纤维布、或上述的组合。请参照图10，为本发明一实施例所述正极400的示意图，包含一集电层10、一活性层20以及一扩散层30，其中该活性层20设置于该集电层10的一表面，而该扩散层30则反向设置于该集电层10的另一侧表面，形成活性层20/集电层10/扩散层30的组成态样。在另一实施例，该扩散层30可设置于该活性层20与该集电层10接触的反向侧表面，形成扩散层30/活性层20/集电层10的组成态样。根据本发明一实施例，请参照图11A，为图10所述正极400的结构一示意图例，其中该集电层10具有至少一个第一通孔11。图11B为图11A所述正极400组合后沿着轴线e的剖面示意图，从图11B可知，该第一通孔11为一贯通该集电层10的通孔，如此一来，电解质可经由该扩散层30及该第一通孔11进入活性层20，加速电解质润湿活性层，增加深层活性层的使用率。根据本发明一实施例，请参照图12A，为图10所述正极400的结构一示意图例，该集电层10具有至少一个第一通孔11、该活性层20具有至少一个第二通孔21、以及该扩散层30具有至少一个第三通孔31。图12B为图12A所述正极400沿着轴线f的剖面示意图，从图12B可知，该第一通孔11为一贯通该集电层10的通孔，该第二通孔21为一贯通该活性层20的通孔，该第三通孔31为一贯通该扩散层30的通孔，而且该第一通孔11、该第二通孔21及该第三通孔31对平行于该集电层10、该活性层20及该扩散层30的一参考平面的投影完全重叠。如此一来，电解质可经由该扩散层30、该第三通孔31、该第一通孔11、及该第二通孔21与活性层20接触，加速电解质润湿活性层，增加深层活性层的使用率。该第三通孔31的形状没有特别限制，例如可为方形孔洞、长条型孔洞、圆形孔洞、多角形孔洞、不规则几何形孔洞、或上述的组合，以图12A为例，该第三通孔31可为长条形。通孔的尺寸与通孔的分布可有不同的变化，可例如为开放式通孔(通孔未被扩散层环绕)、或为封闭式通孔(通孔被扩散层环绕)。在一实施例中，该第三通孔31可具有一长宽比介于1:1000至1:10000之间，例如介于1:100至1:1000之间，又例如介于1:1.5至1:500之间。在另一实施例中，该第三通孔的长度可为扩散层的长度的30％以上。根据本发明其他实施例，该第一通孔11、该第二通孔21及该第三通孔31对平行于该集电层10、该活性层20及该扩散层30的一参考平面的投影可部分重叠或不重叠。根据本发明其他实施例，该第一通孔11、该第二通孔21及该第三通孔31的形状可相同或不同。
根据本发明一实施例所述正极，该正极包含至少一集电层、至少一活性层、以及至少一扩散层，且该集电层、该活性层、与该扩散层互相堆叠，该集电层、该活性层、与该扩散层堆叠的方式，具体来说，可以是一集电层其一表面设置一活性层为一基本单元进行堆叠，而扩散层则视需要不规则地设置于该基本单元间。请参照图13，为正极500的示意图，集电层10的一表面设置一活性层20为一基本单元，该基本单元与该扩散层堆叠形成活性层/集电层//活性层/集电层//扩散层//活性层/集电层的叠层态样。另外，该集电层、该活性层、与该扩散层堆叠的方式，也可以是一活性层设置于一集电层的一表面，且一扩散层反向设置于该集电层的另一侧表面，形成活性层/集电层/扩散层组态的一基本单元进行堆叠，请参照图14。再者，该集电层、该活性层、与该扩散层堆叠的方式，也可以是一集电层反向的两侧表面各设置一活性层为一基本单元进行堆叠，而扩散层则视需要不规则地设置于该基本单元间，形成例如活性层/集电层/活性层//扩散层//…//活性层/集电层/活性层的叠层态样。再者，该集电层、该活性层、与该扩散层堆叠的方式，也可以是活性层/集电层的基本单元、活性层/集电层/扩散层的基本单元、或活性层/集电层/活性层的基本单元互相堆叠，形成例如活性层/集电层/扩散层//活性层/集电层/扩散层//活性层/集电层的叠层态样，请参照图15。根据本发明一实施例，上述叠层的各集电层可独立地具有第一通孔或不具有第一通孔、各活性层可独立地具有第二通孔或不具有第二通孔、以及各扩散层可独立地具有第三通孔或不具有第三通孔，可视需要调整。
根据本发明实施例，本发明可应用于金属离子二次电池。请参照图16，该金属离子二次电池800包含：一负极101、一隔离层103、以及上述正极100，其中该隔离层103设置于该负极101与该正极100之间。该金属离子二次电池800亦包含电解质105，其设置于该负极101与该正极100之间。
上述金属离子二次电池800可为铝离子电池，该负极101可包含铝金属或铝合金，但本发明其他实施例亦涵盖其它类型的金属离子电池。在某些实施例，该负极101可包含以下的一者或多者：碱金属(例如，锂、钾、钠等)、碱土金属(例如，镁、钙等)、过渡金属(例如，锌、铁、镍、钴等)、主族金属(main group metal)或类金属(metalloid)(例如，铝、硅、锡等)及前述元素中的两者或两者以上的金属合金(例如，铝合金)。根据本发明实施例，该隔离层103可包含玻璃纤维、PE、PP、不织布、纸类。该电解质105可包含离子液体，离子液体的实例包含铝酸盐，诸如铝酸烷基咪唑鎓(alkylimidazolium aluminates)、铝酸烷基吡啶鎓(alkylpyridinium aluminates)、铝酸烷基氟吡唑鎓(alkylfluoropyrazoliumaluminates)、铝酸烷基***鎓(alkyltriazolium aluminates)、铝酸芳烷铵(aralkylammonium aluminates)、铝酸烷基烷氧基铵(alkylalkoxyammoniumaluminates)、铝酸芳烷鏻(aralkylphosphonium aluminates)、铝酸芳烷锍(aralkylsulfonium aluminates)、铝酸烷基胍(alkylguanidinium aluminates)、及其混合物。举例而言，电解质可对应于或可包含卤化铝与离子液体的混合物，且所述卤化铝与所述离子液体的莫耳比至少为或大于约1.1、或至少为或大于约1.2，且多达约1.5、多达约1.8或更多，诸如在卤化铝为AlCl3的情况下，离子液体为氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓，且氯化铝与氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓的莫耳比至少为或大于约1.2，例如介于1.2至1.8之间。可对离子液体电解质进行掺杂(或添加添加剂)以提高电导率且降低黏度，或可以其他方式变更离子液体电解质以得到有利于金属的可逆电沉积的组合物。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数实施例及比较实施例，作详细说明如下：
实施例1：
首先，提供一集电层(材质为碳纸，厚度220微米)。在对该集电层进行清洗及烘干后，利用涂布方式将一涂布组合物在该集电层的上表面形成涂层。该涂布组合物包含多层石墨烯(商品编号P-ML20，购自graphage，比表面积50m2/g)、及NMP(溶剂)。接着，将该集电层置入烘箱进行烘烤(烘烤温度为80℃)，以形成约0.1mm厚的活性层于该集电层的上表面。接着，进行裁切，尺寸为35mm x 70mm。
接着，以刀片进行切孔，得到具有类似图6A所示的结构，其中直线型通孔贯穿活性层与集电层，通孔尺寸为0.1mm×30mm，单层孔洞率为约1.2％，单层单位面积石墨量为约2.1mg/cm2。
接着，提供一厚度为25微米的铝箔，对其进行裁切，得到铝电极(尺寸为35mm×7mm)。接着，提供隔离膜(商品编号为沃特曼(Whatman)GFA)，按照铝电极、隔离膜、石墨电极、隔离膜、以及铝电极的顺序排列，并以铝塑膜将其封装并注入电解液(氯化铝(AlCl3)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3与[EMIm]Cl的莫耳比约为1.4:1)，得到铝离子电池(1)。
接着，使用NEWARE电池分析器量测实施例1所得的铝离子电池(1)的电池效能(量测条件为：充电电流1000mA/g，截止电压2.45V，放电电流1000mA/g，截止电压1V)，结果如表1所示。
实施例2：
首先，提供一集电层(材质为碳纸、厚度220微米。在对该集电层进行清洗及烘干后，利用涂布方式将一涂布组合物在该集电层的上表面形成涂层。该涂布组合物包含多层石墨烯(商品编号P-ML20，购自graphage，比表面积50m2/g)、及NMP(溶剂)。接着，将该集电层置入烘箱进行烘烤(烘烤温度为80℃)，以形成约0.1mm厚的活性层于该集电层的上表面。接着，进行裁切，尺寸为35mm×70mm。接着，将3组活性层/集电层堆叠。
接着，以刀片进行切孔，得到具有类似图6A所示的结构，其中直线形型通孔贯穿活性层与集电层，通孔尺寸为0.1mm×30mm，单层孔洞率为约1.2％，单层单位面积石墨量为约1.72mg/cm2。
接着，提供一厚度为25微米的铝箔，对其进行裁切，得到铝电极(尺寸为35mm×7mm)。接着，提供隔离膜(商品编号为沃特曼(Whatman)GFA)，按照铝电极、隔离膜、石墨电极、隔离膜、以及铝电极的顺序排列，并以铝塑膜将其封装并注入电解液(氯化铝(AlCl3)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)，其中AlCl3与[EMIm]Cl的莫耳比约为1.4:1)，得到铝离子电池(2)。
接着，使用NEWARE电池分析器，量测实施例2所得的铝离子电池(2)的电池效能(量测条件为：充电电流1000mA/g，截止电压2.45V，放电电流1000mA/g，截止电压1V)结果如表1所示。
实施例3：
首先，提供一集电层(材质为碳纸、厚度220微米)。在对该集电层进行清洗及烘干后，利用涂布方式将一涂布组合物在该集电层的上表面形成涂层。该涂布组合物包含多层石墨烯(商品编号P-ML20，购自graphage，比表面积50m2/g)、及NMP(溶剂)。接着，将该集电层置入烘箱，进行烘烤(烘烤温度为80℃)，以形成约0.1mm厚的活性层于该集电层的上表面。再将0.2mm的碳纸作为扩散层置于集电层下方，接着，进行裁切，尺寸为35mm x 70mm。接着，将3组活性层/集电层/扩散层堆叠。
接着，以刀片进行切孔，得到具有类似图6A所示的结构，其中直线型通孔贯穿活性层、集电层与扩散层，通孔尺寸为0.1mm×30mm，单层孔洞率为约1.2％，单层单位面积石墨量为约2.1mg/cm2。
接着，提供一厚度为25微米的铝箔，对其进行裁切，得到铝电极(尺寸为35mm×7mm)。接着，提供隔离膜(商品编号为沃特曼(Whatman)GFA)，按照铝电极、隔离膜、含扩散层石墨电极、隔离膜、以及铝电极的顺序排列，并以铝塑膜将其封装并注入电解液(氯化铝(AlCl3)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3与[EMIm]Cl的莫耳比约为1.4:1)，得到铝离子电池(3)。
接着，使用NEWARE电池分析器量测实施例3所得的铝离子电池(3)的电池效能(量测条件为：充电电流1000mA/g，截止电压2.45V，放电电流1000mA/g，截止电压1V)，结果如表1所示。
比较实施例1：
首先，提供一集电层(材质为碳纸，厚度220微米)。在对该集电层进行清洗及烘干后，利用涂布方式将一涂布组合物在该集电层的上表面形成涂层。该涂布组合物包含多层石墨烯(商品编号P-ML20，购自graphage，比表面积50m2/g)、及NMP(溶剂)。接着，将该集电层置入烘箱，进行烘烤(烘烤温度为80℃)，以形成约0.1mm厚的活性层于该集电层的上表面。接着，进行裁切，尺寸为35mm×70mm。
接着，提供一厚度为25微米的铝箔，对其进行裁切，得到铝电极(尺寸为35mm×7mm)。接着，提供隔离膜(商品编号为沃特曼(Whatman)GFA)，按照铝电极、隔离膜、石墨电极、隔离膜、以及铝电极的顺序排列，并以铝塑膜将其封装并注入电解液(氯化铝(AlCl3)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3与[EMIm]Cl的莫耳比约为1.4:1)，得到铝离子电池(4)。
接着，使用NEWARE电池分析器，量测实施例4所得的铝离子电池(4)的电池效能(量测条件为：充电电流1000mA/g，截止电压2.45V，放电电流1000mA/g，截止电压1V)结果如表1所示。
比较实施例2：
首先，提供一集电层(材质为碳纸、厚度220微米。在对该集电层进行清洗及烘干后，利用涂布方式将一涂布组合物在该集电层的上表面形成涂层。该涂布组合物包含多层石墨烯(商品编号P-ML20，购自graphage，比表面积50m2/g)、及NMP(溶剂)。接着，将该集电层置入烘箱，进行烘烤(烘烤温度为80℃)，以形成约0.25mm厚的活性层于该集电层的上表面。接着，进行裁切，尺寸为35mm×70mm。
接着，提供一厚度为25微米的铝箔，对其进行裁切，得到铝电极(尺寸为35mm×7mm)。接着，提供隔离膜(商品编号为沃特曼(Whatman)GFA)，按照铝电极、隔离膜、石墨电极、隔离膜、以及铝电极的顺序排列，并以铝塑膜将其封装并注入电解液(氯化铝(AlCl3)/氯化l-乙基-3-甲基咪唑(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride、[EMIm]Cl)、其中AlCl3与[EMIm]Cl的莫耳比约为1.4:1)，得到铝离子电池(5)。
接着，使用NEWARE电池分析器量测实施例5所得的铝离子电池(5)的电池效能(量测条件为充电电流1000mA/g，截止电压2.45V，放电电流1000mA/g，截止电压1V)，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0001155525180000111
由表1可得知，相较于比较实施例2，实施例2通过将活性层(石墨层)薄化、多层化，增加活性层与电解质(离子液体)的接触面积，可以提高石墨利用率，进而提升克电容量与总发电量。另一方面，相较于比较实施例1，实施例1通过在集电层、活性层制作通孔，可增加流动途径，加速离子液体电解质湿润活性材料(石墨)，增加活性层深层活性材料的使用率，提升克电容量与总发电量。此外，增加使用扩散层，通过扩散层的网状结构，提供电解质平行于集电层、活性层的横向传输路径，进一步加速电解质的扩散，提升克电容量与总发电量。另外，实施例1、2及3的总发电量是以10C rate进行充放电测试，从实施例1、2、及3与比较实施例1、2的比较结果，显示本发明正极结构可应用于高速充放电铝离子电池。
虽然本发明已以数个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (17)

1.一种金属离子二次电池，包含一正极，其特征在于，该正极包含：
至少一集电层；
至少一活性层，其中该活性层设置于该集电层的一侧表面，该集电层具有至少一第一通孔，且该活性层具有至少一个第二通孔；以及
一扩散层，其中该扩散层反向设置于该集电层的另一侧表面，且该扩散层用于加速电解质扩散。
2.根据权利要求1所述的金属离子二次电池，其特征在于，还包含一负极，其中该负极包含铝金属或铝合金。
3.根据权利要求1所述的金属离子二次电池，其特征在于，该集电层具有一孔洞率介于0.1％至50％之间。
4.根据权利要求1所述的金属离子二次电池，其特征在于，该第一通孔具有一长宽比介于1:1000至1:10000之间。
5.根据权利要求1所述的金属离子二次电池，其特征在于，该第一通孔为方形孔洞、长条型孔洞、圆形孔洞、多角形孔洞、不规则几何形孔洞、或上述的组合。
6.根据权利要求1所述的金属离子二次电池，其特征在于，该活性层具有一孔洞率介于0.1％至50％之间。
7.根据权利要求6所述的金属离子二次电池，其特征在于，该第二通孔为方形孔洞、长条型孔洞、圆形孔洞、多角形孔洞、不规则形孔洞、或上述的组合。
8.根据权利要求6所述的金属离子二次电池，其特征在于，该第一通孔与该第二通孔对平行于该集电层与该活性层的一参考平面的投影完全重叠、部分重叠或不重叠。
9.根据权利要求1所述的金属离子二次电池，其特征在于，该活性层包含活性材料，且该活性材料的含量介于0.1mg/cm2至10mg/cm2之间。
10.根据权利要求9所述的金属离子二次电池，其特征在于，该活性材料包括膨胀石墨、天然石墨、热解石墨、多层石墨烯、鳞片石墨、或上述的组合。
11.根据权利要求10所述的金属离子二次电池，其特征在于，该活性材料还包括碳材、纳米金属线、微米金属线、纳米过渡金属粒子、微米过渡金属粒子、或上述的组合。
12.根据权利要求1所述的金属离子二次电池，其特征在于，其中该扩散层包含碳纸、碳网、碳纤维、不织布、纤维布或上述的组合。
13.根据权利要求6所述的金属离子二次电池，其特征在于，该扩散层具有至少一个第三通孔，且该第三通孔为方形孔洞、长条型孔洞、圆形孔洞、多角形孔洞、不规则几何形孔洞、或上述的组合。
14.根据权利要求13所述的金属离子二次电池，其特征在于，该第一通孔、该第二通孔、及该第三通孔对平行于该集电层、该活性层、及该扩散层的一参考平面的投影完全重叠、部分重叠或不重叠。
15.根据权利要求1所述的金属离子二次电池，其特征在于，该集电层包含金属箔、导电胶、导电高分子、碳纸、合金、或碳布。
16.根据权利要求1所述的金属离子二次电池，其特征在于，该集电层的厚度介于1微米至200微米之间。
17.根据权利要求1所述的金属离子二次电池，其特征在于，还包含一负极、一隔离层、及一电解质，其中该隔离层设置于该正极与该负极之间，其中该电解质包含一离子液体。
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