双阳离子金属电池及其充放电方法与流程

本案是关于一种二次电池，尤指一种双阳离子金属电池及其充放电方法，以降低材料成本、维持长效使用寿命，并提供多元应用变化。

背景技术：

1、锂离子电池(lithium-ion battery)是一种可重复充电放电使用的二次电池，其是依靠锂离子在正极和负极之间移动来完成充电放电工作。因此锂离子电池内需使用一个嵌入的锂化合物作为电极材料。传统锂离子电池使用的正极材料主要常见的有锂钴氧化物(licoo2)、锰酸锂(limn2o4)、镍酸锂(linio2)及磷酸铁锂(lifepo4)等。其中磷酸铁锂电池因具有良好安全性、比容量大、循环寿命长、耐高温和低成本等特性，因此广泛应用于电动载具以及储能设备中。

2、近年来随着锂离子电池在电动载具及储能设备上的大量应用，已致使其相关原物料价格产生剧烈的变动。考量未来的需求量将持续增加的情况下，寻找锂离子之外的替代品更是显得重要。再者，在寻找替代品取代锂离子电池中的锂离子时，更需考量电压平台的差异对使用便利性的影响、产品寿命及电池稳定性等问题。

3、有鉴于此，实有必要提供一种双阳离子金属电池及其充放电方法，以降低材料成本、维持长效使用寿命、提供多元应用变化，并解决现有技术所面临的问题。

技术实现思路

1、本案的目的在于提供一种双阳离子金属电池及其充放电方法，以降低材料成本、维持长效使用寿命、提供多元应用变化。由于橄榄石结构磷酸铁锂、磷铁石磷酸铁是可以在结构中让锂离子及钠离子共同嵌入及嵌出，进而形成橄榄石结构lixna1-xfepo4双阳离子正极材料。因此可以于一金属电池内提供lifepo4及nafepo4两种不同的电压平台。本案利用钠离子来取代部分的锂离子使其形成lixna1-xfepo4双阳离子正极材料，因此有别于传统的锂离子正极材料及钠离子正极材料这类型的单一阳离子正极材料，本案双阳离子金属电池使用地壳元素中含量较为丰富的钠离子来取代部份的锂离子，让二次电池材料更能永续利用之外，亦可提供较磷酸铁钠正极材料较高的电压平台及容量以及多种变化的应用。

2、本案的另一目的在于提供一种双阳离子金属电池及其充放电方法。于双阳离子金属电池中，混合锂金属及钠金属作为复合式的负极。由于锂金属(锂金属的理论克电容量为3840mah/g)及钠金属(钠金属的理论克电容量为1166mah/g)均具有高单位克电容量，因此可助于降低负极的厚度，进而达到增加电池的能量密度的目的。

3、本案的再一目的在于提供一种双阳离子金属电池及其充放电方法。借由磷铁石磷酸铁(heterosite，fepo4)、磷酸锂铁(lifepo4)或lixna1-xfepo4等正极材料配合锂金属和钠金属混合物构成的双阳离子金属电池，于其充放电过程中包含有lifepo4及nafepo4两种不同的电压平台。其中lixna1-xfepo4双阳离子正极材料在搭配锂钠金属负极的情况下，可以利用选择充放电模式的不同来呈现出不同的电性结果。当双阳离子金属电池以斜坡电压模式进行放电时，可借由控制电压下降的速率来控制锂离子及钠离子嵌入结构的比例。另一方面，双离子正极金属电池若应用在较不需要大倍率放电电流输出的储能电池应用时，例如太阳能发电系统使用时，在白天充满阳光进行太阳能发电时，太阳能板发出的电流可以慢慢的把电池充满，在夜晚放电时，若需要较大功率时，则可使用恒电流-恒电压的放电模式进行放电，也就是通过lifepo4电压平台进行放电。相反地，若考量双阳离子金属电池不需要大功率输出时，则可使用斜坡电压的放电模式进行放电，充分使用nafepo4电压平台所放出来的电量。因此斜坡电压模式或恒电流-恒电压模式可视实际应用状况进行选择。

4、为达前述目的，本案提供一种双阳离子金属电池，包括正极、负极、电解质溶液和隔离层。正极包含正极材料，选自由磷铁石磷酸铁(heterosite，fepo4)、磷酸锂铁(lifepo4)以及lixna1-xfepo4所构成群组中的一者，且0<x<1。负极包含金属混合物，由锂金属与钠金属所组成，锂金属与钠金属的重量比为1∶3。电解质溶液设置于正极与负极之间。隔离层设置于电解质溶液内，正极与负极通过隔离层彼此分隔。利用选择充放电模式的不同，双阳离子金属电池可呈现出不同的电性结果。

5、于一实施例中，双阳离子金属电池通过一恒电流-恒电压模式进行充电及放电，其中恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式。

6、于一实施例中，双阳离子金属电池混合一恒电流-恒电压模式和一斜坡电压模式进行充电及放电，其中恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式，斜坡电压模式包含一充放电区间范围介于2.0v至4.0v之间，以及一充放电速率为±0.2mv/s。

7、于一实施例中，正极材料为lixna1-xfepo4时，双阳离子金属电池通过一恒电流-恒电压模式来进行充电，并通过一斜坡电压模式来进行放电，其中恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式，斜坡电压模式包含一放电区间范围介于4.0v至2.0v之间，以及一放电速率为-0.2mv/s。

8、于一实施例中，斜坡电压模式包含放电区间范围由2.8v至一截止电压2.0v。

9、为达前述目的，本案另提供一种双阳离子金属电池的充放电方法包括：(a)提供一双阳离子金属电池，包括正极、负极、电解质溶液以及隔离层，其中正极包含一正极材料，正极材料是选自由磷铁石磷酸铁(heterosite，fepo4)、磷酸锂铁(lifepo4)以及lixna1-xfepo4所构成群组中的一者，且0<x<1；负极包含一金属混合物，金属混合物由一锂金属与一钠金属所组成，锂金属与钠金属的重量比为1∶3，电解质溶液设置于正极与该负极之间；隔离层设置于电解质溶液内，正极与负极通过隔离层彼此分隔；以及(b)选择一恒电流-恒电压模式或一斜坡电压模式对双阳离子金属电池进行充电或放电。

10、于一实施例中，步骤(b)是以恒电流-恒电压模式进行充电放电，其中恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式。

11、于一实施例中，步骤(b)是混合恒电流-恒电压模式和斜坡电压模式进行充电及放电，其中恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式，斜坡电压模式包含一充放电区间范围介于2.0v至4.0v之间，以及一充放电速率为±0.2mv/s。

12、于一实施例中，正极材料为lixna1-xfepo4时，步骤(b)以恒电流-恒电压模式来进行充电，并通过斜坡电压模式来进行放电，其中恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式，斜坡电压模式包含一放电区间范围介于4.0v至2.0v之间，以及一放电速率为-0.2mv/s。

13、于一实施例中，斜坡电压模式包含该放电区间范围由2.8v至一截止电压2.0v。

技术特征：

1.一种双阳离子金属电池，包括：

2.如权利要求1所述的双阳离子金属电池，其中该双阳离子金属电池通过一恒电流-恒电压模式进行充电及放电，其中该恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式。

3.如权利要求1所述的双阳离子金属电池，其中该双阳离子金属电池混合一恒电流-恒电压模式和一斜坡电压模式进行充电及放电，其中该恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式，该斜坡电压模式包含一充放电区间范围介于2.0v至4.0v之间，以及一充放电速率为±0.2mv/s。

4.如权利要求1所述的双阳离子金属电池，其中该正极材料为lixna1-xfepo4时，该双阳离子金属电池通过一恒电流-恒电压模式来进行充电，并通过一斜坡电压模式来进行放电，其中该恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式，该斜坡电压模式包含一放电区间范围介于4.0v至2.0v之间，以及一放电速率为-0.2mv/s。

5.如权利要求4所述的双阳离子金属电池，其中该斜坡电压模式包含该放电区间范围由2.8v至一截止电压2.0v。

6.一种双阳离子金属电池的充放电方法，包括：

7.如权利要求6所述的双阳离子金属电池的充放电方法，其中步骤(b)是以该恒电流-恒电压模式进行充电放电，其中该恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式。

8.如权利要求6所述的双阳离子金属电池的充放电方法，其中步骤(b)是混合该恒电流-恒电压模式和该斜坡电压模式进行充电及放电，其中该恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式，该斜坡电压模式包含一充放电区间范围介于2.0v至4.0v之间，以及一充放电速率为±0.2mv/s。

9.如权利要求6所述的双阳离子金属电池的充放电方法，其中该正极材料为lixna1-xfepo4时，其中步骤(b)以该恒电流-恒电压模式来进行充电，并通过该斜坡电压模式来进行放电，其中该恒电流-恒电压模式为0.1c恒电流-恒电压模式，该斜坡电压模式包含一放电区间范围介于4.0v至2.0v之间，以及一放电速率为-0.2mv/s。

10.如权利要求9所述的双阳离子金属电池的充放电方法，其中该斜坡电压模式包含该放电区间范围由2.8v至一截止电压2.0v。

技术总结
本案提供一种双阳离子金属电池及其充放电方法，以降低材料成本、维持长效使用寿命、提供多元应用变化。双阳离子金属电池包括正极、负极、电解质溶液和隔离层。正极包含正极材料，选自由磷铁石磷酸铁(heterosite，FePO<subgt;4</subgt;)、磷酸锂铁(LiFePO<subgt;4</subgt;)以及Li<subgt;x</subgt;Na<subgt;1‑x</subgt;FePO<subgt;4</subgt;所构成群组中的一者，且0<x<1。负极包含金属混合物，由锂金属与钠金属所组成，锂金属与钠金属的重量比为1∶3。电解质溶液设置于正极与负极之间。隔离层设置于电解质溶液内，正极与负极通过隔离层彼此分隔。利用选择充放电模式的不同，双阳离子金属电池可呈现出不同的电性结果。

技术研发人员：谢瀚纬,李宜庭,黄安锋
受保护的技术使用者：台湾立凯电能科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25