[發明專利]交聯聚合物電解質

在審

• 申請號: 201380072795.0
• 申請日: 2013-02-14
• 公開（公告）號: CN104981930A
• 公開（公告）日: 2015-10-14
• 發明（設計）人: I·達羅萊斯;西蒙·瓊斯;南迪斯亞·奈爾
• 申請（專利權）人: 加州理工學院
• 主分類號: H01M6/18
• 分類號: H01M6/18;H01M10/0562;C08G65/48
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 楊洲;鄭霞

技術領域

本公開內容總體上涉及基于聚合物的電解質，并且更特別地涉及適用于包括電解池(cell)或電池(battery)的電化學應用的交聯聚合物電解質，并且描述形成此類電解質、電解池或電池的方法。

背景

電池總體上包括正電極(其在放電期間為陰極)、負電極(其在放電期間為陽極)和用于在電極之間離子傳輸的電解質。由于鋰的低電化學氧化/還原電勢和輕的重量，鋰(Li)常用于原電池系統和可再充電的電池系統二者中。基于Li離子聚合物電解池的可再充電電池是可商購的且被廣泛使用。

Li離子電池系統通常包括在電解質中的大量液體有機溶劑。液體有機溶劑的使用特別地在大規格電池中已關聯由它們的高程度的揮發性和可燃性引起的安全問題。此外，在電池的損壞或腐蝕的情況下，液體電解質可以泄漏并且鋪展，對其他電池部件或附近的設備造成另外的損壞。相比之下，Li離子聚合物或Li聚合物電池包括固體聚合物電解質而不是有機溶劑電解質，這緩和了與Li離子電池相關的許多安全問題。

Li離子和Li離子聚合物電池兩者可以采用石墨/Li插層材料作為陽極材料。這限制了這些電池的能量密度，因為插層陽極僅具有Li金屬自身的容量的約10％(分別地，～370mAh/g對～3800mAh/g)。Li金屬實際上不可以用于與有機電解質組合的電池，這歸因于關于樹枝晶(dendrite)形成和Li金屬與有機溶劑的反應性的安全問題。如在Applications?of?Electroactive?Polymers,B.Scrosati(編輯),Chapman?and?Hall(1993)和J.B.Bates等人，Solid?State?Ionics,135(2000)33-45中所描述,這些問題可以通過使用具有比液體聚合物系統或凝膠聚合物系統更大的機械強度的固體電解質(例如，陶瓷例如LiPON、或摻雜有Li鹽的高分子量聚環氧乙烷(PEO))來解決。然而，此類固體電解質在室溫下常常具有比替代物顯著更低的離子電導率，這將它們的用途限制于例如高溫電池、薄膜電解池或其他專門應用。

使用固體聚合物電解質的較高的電導率可以通過引入小分子“增塑劑”例如有機溶劑或離子液體來實現。然而，與上文有關Li離子電池描述的那些相似的、由可燃性或機械不穩定性引起的安全問題可能由使用此類溶劑或液體而產生。高分子量的包含PEO的電解質可以被改性以使用諸如UV引發的自由基交聯和電子束交聯的工藝形成網狀物，據此這些工藝沿著鏈的長度在聚合物鏈之間引入鍵以產生較大機械強度的電解質。參見，例如，Kim等人，J.Power?Sources,195(2010)6130-6137。然而，這些電解質呈現出有限的離子電導率，這可以至少部分地歸因于交聯反應的無規性質。此外，此類交聯的電解質中所包含的殘余的光引發劑物質(例如，二苯甲酮)對于長期穩定性和電化學性能可以是不合意的。圖1A是示出非官能化(即，非遙爪)的聚合物102如何經受UV引發交聯或電子束交聯104以基本上無規交聯106的簡圖。

附圖簡述

圖1A和圖1B示出非官能化的聚合物鏈的輻射誘發的交聯和用合適的光敏官能團官能化的遙爪聚合物鏈的光活化的交聯之間的差異；

圖2示出具有光交聯的遙爪二疊氮基-PEO、Li鹽和離子液體的某些示例性組合物的電導率；

圖3示出具有光交聯的遙爪二疊氮基-PEO、Li鹽、離子液體和SiO₂納米顆粒的某些示例性組合物的電導率；

圖4示出在Li鹽的存在下由交聯二疊氮基-PEO形成的代表性的電解質的熱重分析；

圖5示出具有交聯的遙爪二疊氮基-PEO、Li鹽和離子液體復合電解質的三種示例性組合物的Li遷移數；

圖6示出用根據各實施方案描述的電解質制成的Li/電解質/Li對稱電解池的穩定的電鍍/剝離行為；

圖7示出在室溫下用根據各實施方案描述的電解質制成的Li/電解質/LiFePO₄電解池的代表性充電/放電行為；并且

圖8示出在60℃下用根據各實施方案描述的電解質制成的Li/電解質/LiFePO4電解池的代表性循環行為。

具體實施方式