[发明专利]离子凝胶电解质、储能设备及其制造方法

说明书

相关申请的引用

本申请要求于2010年9月13日提交的美国临时专利申请系列号61/382,027的优先权，将其全部内容通过引用结合在此。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

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通过引用光盘上提交材料的结合

不适用

材料受版权保护的公告

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技术领域

本发明一般涉及电化学电池，且更具体地涉及离子液体凝胶电解质化学组成和性质及制造可以与设备一起用作单次使用或可充电电源的电池的方法。

背景技术

减少电子设备形状因素及其功率需求有可能实现较薄的、紧凑的和轻便的新设备。便携式设备的发展可以部分归因于电池电极材料的进步及其与电解质材料相容性的结合。例如，开发更有效的高能量密度的锂和锂离子电极材料使得便携式的，紧凑的，高容量电池成为可能，而锂和锂离子固体聚合物和凝胶电解质的引入放松了对于电池刚性和坚硬包装的要求，带动了密封在袋状材料中的较薄电池的广泛应用。除了性能和形状因素的益处之外，固态、聚合物和凝胶电解质的使用在电池制造、成本和固有安全性方面引入了额外的改善。因此，将相当多的努力投入在固态、聚合物和凝胶电解质开发方面。

通过低功耗传感器，无线设备和印刷电子设备的增加的普遍性推动了对于较薄的，小型化的和低成本的电池的需求。减少电子设备的形状因素及其功率需求有可能实现完全集成的微型设备平台，其中计算，通信和传感能力全部由集成电源激活。具体地，基于MEMS的传感器和致动器（尤其在称为“智能尘埃（smart dust）”自主的集成平台中）在开发薄型电池和微型电池技术中已经得到了巨大的驱动。这些设备（尤其是自主式无线传感器节点）的广泛利用表明对于许多领域是关键的，包括：“物联网（internet of things）”、能够“自我量化”的可佩戴的电子设备、智能标签、智能玩具、结构监测、和家庭、工业、以及办公室能源消耗应用的成本有效的和能量有效的调节（仅举几个例子）。这些多种类型的设备需要可以根据应用提供微瓦（μW）至数百毫瓦（mW）的功率以及从微安时（μAh）至数百毫安时（mAh）的容量的电源。此外，对于许多便携式或普遍的应用，希望电源的尺寸不大于其供电的设备且在形状因素方面较薄。最后，低成本和大规模制造解决方案是至关重要的。

对于针对这些应用正在考虑的现有电池系统而言，尽管均具有限制其广泛应用的重大缺陷，薄膜，锂聚合物和半印刷电池是优先考虑的。由于材料沉积的限制，气相沉积的薄膜锂和锂离子电池具有较低的存储容量和功率能力。锂聚合物电池推动了口袋电池制造的快速进步，但是类似于薄膜锂和锂离子电池，由于对环境污染的敏感性，其被严格的气密封装要求所困扰。半印刷电池通常使用液体电解质，这增加了电池的几何形状以及制造的复杂性。

根据应用，这类微型设备需要覆盖面积小于1cm²和厚度为几毫米或更小的等级的电源，这种电源可以在微瓦（μW）至毫瓦（mW）的范围内供应能量。对于能够满足这类无线设备的功率要求并且具有可比较尺寸的微型电源的需要在微制造，能量获得和能量存储领域已经引起了研究热潮。对于自主性无线传感器，目前正在考虑的微型储能设备是微型电池和微型电容器。

虽然微型电池化学可能类似于宏观电池化学，低于厘米级的宏观电池的配置、包装和后处理是不可行的。因此，除了材料优化，微型电池的研究人员已经主要地集中于将微型电池直接集成在与它们正在供电的设备相同的基底上。

尚没有发现理想的微型电池（或微型电容器）解决方案。镍-锌系统存在着在循环过程中锌树枝状晶体产生并且电极形状改变的问题，因此降低了循环寿命。可再充电的碱性锰电池和锌-银氧化物电池存在着同样的问题。锂离子和锂聚合物系统要求严格的充电和放电规则且造成了易燃危险。

所需要的是能够使微型设备用于广泛多样应用中的安全的、长效的、廉价的微型电源。

发明内容

在本发明的一个方面，用室温离子液体电解质膨胀聚合物来形成非水凝胶从而代替锌-金属氧化物电池的常规的碱性和酸性液体电解质（和隔离物）。

在本发明的另一个方面，由夹在锌电极和金属氧化物电极之间的离子液体凝胶电解质制造印刷电池。