[发明专利]用于电池的凝胶聚合物电解质

说明书

发明人：N.巴尔萨拉，H.B.艾托尼，I.古尔，M.辛格

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年1月16日提交的美国临时专利申请61/021,613号的优先权，其通过引用的方式并入本申请。

技术领域

本发明一般涉及电解质材料，且更具体地，涉及同时具有高电导率和高机械强度并且可方便和经济地加工的凝胶聚合物电解质。

背景技术

随着全球对于例如便携式电话、膝上计算机和其它消费者电子产品的科技产品需求的逐步增长，对于可充电电池的需求也在急速地增长。此外，对于可充电电池的关注也受到当前开发绿色技术例如电网负荷调整装置(electrical-grid load leveling device)和电动车辆方面的努力的刺激，这正建立具有高能量密度的可充电电池的巨大潜在市场。

Li离子电池代表用于便携式电子设备的最通用的可充电电池类型中的一种。Li离子电池具有高的能量和功率密度，不使用时具有低的电荷损失，并且它们没有记忆效应。由于它们的许多好处(包括它们的高能量密度)，Li离子电池也已经在国防、宇宙空间、备份存储器和运输应用中愈来愈多地使用。

电解质是Li离子充电电池的重要部分。在放电过程中，电解质是电极之间离子流的介质，如负极材料被氧化，产生电子，而正极材料被还原，消耗电子。电子流动成为通过外部电路的电流。常规的Li离子充电电池使用非聚合物液体电解质。Li离子电池中的示例性液体电解质由在有机溶剂如烷基碳酸酯中的锂盐例如LiPF₆、LiBF₄或LiClO₄构成。

虽然非聚合物液体电解质在当前的基于Li的技术中占支配地位，但是聚合物电解质可能构成基于Li的电池的下一发展浪潮。凝胶聚合物电解质充电电池对于Li离子电池技术特别具有吸引力，因为除了其它的优势之外，聚合物电解质可以具有高的热稳定性、低的自放电速率、在大范围环境条件下的稳定工作性能、提高的安全性、电池结构的柔性、最小的环境影响以及低的材料和加工成本。凝胶聚合物电解质已经受到特别的关注，部分是由于它们对于新的形状因数(form factor)和包封方法的适应性，如在最近的用于便携式电子设备的电池的薄的、真空密封的袋状电池设计中所看到的。

聚合物基体的交联或热固化已用于达到凝胶电解质商业应用所需的机械稳固性。然而，交联之后，该电解质不再流动并且是不溶的，由此严重地限制后续的加工性以及该电解质与其它电池组件和包装的集成化。此外，交联的优化花费非常大。交联引起的体积变化在常规凝胶电解质的受控加工和制造过程中造成困难，并且交联倾向于降低离子电导率。此外，交联的材料通常是不可再循环的。

原型的凝胶聚合物电解质是基于例如聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和聚偏氟乙烯(PVdF)的材料。然而，在不进行交联的情况下，基于这些材料的电解质具有非常差的机械性能，特别是当用足够的液体电解质溶胀以达到用于电化学电池中的适当电导率时。聚合物电解质使得能够使用锂金属阳极，这提供了比使用常规的锂离子阳极更高的能量密度，但是，由于锂和氟之间的界面反应导致形成不希望的产物LiF，因此氟化聚合物与锂金属一起使用时不是化学稳定的。LiF提高电池的阻抗，并且用于形成LiF的锂不能再参与电池的充电和放电。结果，基于PVdF的电解质不适合具有锂金属阳极的电池。此外，溶剂的蒸发(尤其在高温下)导致这些系统的性能随着时间劣化，因而需要密封封装。

仍存在对于具有高离子电导率和高机械强度、与锂的低反应性，以及溶剂的低挥发性和汽化作用的非交联聚合物电解质材料的强烈需求。

附图说明

从下面结合附图的说明性实施方式的描述中，技术人员将很容易地理解前述方面和其它的方面。

图1A和1B为在结构网络中具有离子导电路径的网络的电解质材料的简图。

图2A为构成两相纳米结构凝胶聚合物电解质的多个线性聚合物二嵌段的示意图。

图2B为具有交替的第一域和第二域区域的两相纳米结构凝胶二嵌段聚合物电解质的一部分的示意图。

图3为根据本发明的实施方式的两域穿孔片状形态的一部分的示意图。

图4为由以A-B-A构型排列的两种类型的聚合物嵌段形成的多个线性聚合物三嵌段的示意图。

图5为具有交替的第一域和第二域区域的两相纳米结构凝胶三嵌段聚合物电解质的一部分的示意图。