[發明專利]固態凝膠薄膜

無效

• 申請號: 00804335.3
• 申請日: 2000-02-25
• 公開（公告）號: CN1341283A
• 公開（公告）日: 2002-03-20
• 發明（設計）人: 陳慕國;蔡則彬;姚文斌;張元民;李林峰;卡倫·湯姆
• 申請（專利權）人: 瑞威毆公司
• 主分類號: H01M6/22
• 分類號: H01M6/22;H01M12/06;H01B1/12;C08F251/02;C08F257/02;C08L51/02;C08F251/00;C08F273/00;B01D69/10;G02F1/15
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 蹇煒

本發明一般涉及固態凝膠薄膜，特別是涉及一種以聚合物為基的離子導電的固態凝膠薄膜。

????????????????本發明的技術背景

電化學裝置通常含有電解質，以提供產生電化學反應所必需的陰離子或陽離子。以鋅/空氣系統為例來說，它需要氫氧陰離子的擴散，并且通常使用氫氧化鉀水溶液作為電解液。但是，這種蓄電池的使用壽命受到以下幾個因素的限制。第一，裸露的鋅陽極被含水的電解液和空氣所腐蝕。第二，空氣陰極的排氣道逐漸被來自電解液的水所堵塞。第三，電解液被自陽極擴散的氧化鋅生成物所污染。

到目前為止，針對以鋅陽極為基礎的系統(例如：鋅/空氣燃料電池)使用含水電解液的許多問題，采用了各種各樣的方法。舉例來說，在電解液中加入添加劑，來延長系統的使用壽命和保護陽極免受腐蝕。美國專利4,118,551公開了使用無機添加劑(例如：汞、銦、錫、鉛、鉛化合物、鎘或氧化鉈)來減小對鋅電極的腐蝕。但是，其中的許多添加劑不僅價格昂貴，而且更為重要的是，有很強的毒性。美國專利4,378,414公開了在正電極和負電極之間使用一種多層隔膜來減小對陽極的腐蝕和氧化鋅生成物對電解液的污染。另外，還給鋅/空氣裝置引入了疏水性材料，以防止水滲入陰極的排氣道。但是，疏水性材料的引入，是一個復雜的工藝技術，而且可能會造成陰極性能的下降。

除了鋅/空氣系統之外，其他金屬/空氣系統，例如：鋁/空氣、鋰/空氣、鎂/空氣和鐵/空氣系統，由于在理論上有著高的安時容量、電壓和能量密度，因而，也具有應用于許多不同用途的潛力。但實際上，這些非常有希望的理論數值，因金屬陽極在電解質中的腐蝕，而被大大地降低。

美國專利5,688,613公開了一種固態氫氧化物導電電解質聚苯并咪唑(PBI)薄膜，這種PBI薄膜包括一個聚合物支承體結構，電解質活性核素分散在其中，聚合物結構直接和陽極及陰極相接觸。但是，這種PBI薄膜并不吸收水，因此，不保持薄膜內的水，從而，使薄膜很快脫水變干。

美國專利3,871,918公開了一種電化學電池，電池中含有一個由懸浮在凝膠內的鋅粉末顆粒所組成的電極，凝膠是由亞甲基雙丙烯酰胺(methylenebisacrylamide)、丙烯酸及丙烯酰胺組成。氫氧化鉀作為電解質，并被包含在凝膠之中。

就依靠陽離子導電的裝置而言，雖然在本領域進行了大量的研究工作，但是，大多數質子導電薄膜不僅造價非常昂貴，而且通常不能夠在室溫下工作。例如，在1970年推出的一種全氟化聚合物薄膜NAFION^(杜邦公司，Wilmington，德國，美國)，后來的質子導電薄膜就是以此為基礎發展起來的。

美國專利5,468,574公開了一種質子導電薄膜，這是一種由成塊共聚物所組成的高度磺化聚合物薄膜，成塊共聚物由磺化聚苯乙烯、乙烯及丁烯塊組成。1997年，美國國家航空航天局噴氣推進實驗室公開了一種由磺化聚醚(醚醚酮)組成的改進型質子導電薄膜，這種薄膜通常被稱之為H-SPEEK。

電池或蓄電池中的隔膜，在物理上將不同極性的電極分隔開來并使不同極性的電極絕緣。在作為不同電極的活性材料的遷移屏障的同時，隔膜還應當能夠提供離子導電。良好的離子導電性，是確保電化學電池/蓄電池能夠為指定用途輸出大小合適的電能所必需的。

在可充電的電化學電池中，隔膜還用來防止在充電過程中因金屬枝晶穿透所造成的短路。舉例來說，在一個可充電的鋅/空氣電池中，在放電過程中，位于鋅負電極(陽極)表面上的鋅，以鋅酸鹽離子的形式被溶解進入電解液。這樣，在充電過程中，當充電電流通常低于20mA/cm²時(取決于所使用的具體陽極)，鋅酸鹽離子會形成鋅的枝晶，枝晶是針狀的而且是從負電極朝著充電電極方向生長。不幸的是，這些針狀結構能夠穿透一般的隔膜，造成內部短路。電池的壽命因此而被終結。除了防止枝晶穿透之外，隔膜還必須在電池的充電和放電過程中能夠交換電解離子。

在可充電電池中，最常用的隔膜是：聚烯烴、聚乙烯醇(PVA)、酰胺纖維或賽璐玢的多孔性絕緣薄膜。丙烯酸復合物也可以輻射接合到這些隔膜上，以使電解質更好地濕潤和滲透隔膜。雖然為了提高隔膜的性能，已經進行了大量的工作，但是，枝晶穿透問題在上述或其他一般隔膜上還是經常遇到，而且反應生成物(例如：金屬氧化物)擴散到電池其他部分的問題也是經常遇到。