[发明专利]可伸展、无溶剂、完全非晶形固体电解质薄膜

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年10月20日提交的美国临时专利申请第61/549,416号的优先权。

技术领域

本发明大致涉及电解质。更具体来说，本发明涉及无溶剂并且柔性的固体电解质薄膜。在特定实施方案中，本发明涉及基于锂盐的固体电解质薄膜。

发明背景

用于聚合物锂电池的固体电解质的研发已成为储能工业中的主要难题。在本发明锂电池技术中，有机溶剂习惯上用作电离离子性锂盐和同时促进离子传输通过聚合膜的手段。然而，溶剂和电极之间的相互作用导致污染，其转而又缩短了电池保质期。另外，有机溶剂容纳在各种形状的金属容器中，使得这些电池又重又庞大，以至于预期应用(例如在电动汽车中)需要相当大的空间。此外，受损或者泄露的电池容器可能会呈现安全性风险。

因此，若干主要努力是有关制造非挥发性导电膜、特别是基于聚合物凝胶的电解质。常规聚合物电解质利用聚(氧化乙烯)(PEO)作为基质，但室温离子导电率比含有有机溶剂的常规锂电池低几个数量级。最近，研究者证明了通过掺杂丁二腈(SCN)塑性晶体用于锂离子传输来制备无溶剂固体电解质的可行性。其展示了仅需少量锂盐(1mol％)来实现相当高的离子导电率(大约10^-4S cm^-1)，尽管事实上SCN自身是弱离子性导体。然而，塑性晶体基质是蜡状物质而无可持续的机械完整性，从而阻碍其完全用作固体电解质。

其他人已尝试通过将PEO与光可固化的聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)(提供机械强度)和SCN(用于锂离子传输)组合来形成无溶剂聚合电解质膜。最近，借助于SCN塑性晶体基质实现了大约10^-4S cm^-1的相当好的室温离子导电率，从而导电率在高于80C的高温下达到10^-3Scm^-1的水平。尽管很有前途，但是这种聚合电解质必须依赖PEO/PEGDMA基质中的SCN的塑性晶体相来同时实现足够高的离子导电率和机械强度。

实际上，在美国公开专利申请第2012/0094187号中，本发明通过避免形成塑性晶体基质，反而聚焦于可交联聚醚/SCN/锂盐的完全非晶形混合物来脱离目前这种技术。

发明概要

本发明的第一实施方案提供了一种形成电解质薄膜的方法，其包括以下步骤：混合丁二腈(SCN)、锂盐和可交联聚醚添加物以形成各向同性非晶形混合物；并且使所述可交联聚醚交联以形成固化薄膜，其中所述固化薄膜仍是非晶形而未经历聚合诱导的相分离或者结晶过程。

第二实施方案提供了如第一实施方案中的方法，其中所述锂盐是选自双-三氟甲烷磺酰基亚胺锂(lithium bis-trifluoromethanesulfonylimide，LiTFSI)、双-全氟乙基磺酰基亚胺锂、四氟硼酸锂和高氯酸锂和其混合物。

第三实施方案提供了如第一实施方案或者第二实施方案中的方法，其中所述可交联聚醚添加物包括选自以下的可交联聚醚：聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)、聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)、聚(丙二醇)二丙烯酸酯(PPGDA)和聚(丙二醇)二甲基丙烯酸酯(PPGDMA)和其混合物。

第四实施方案提供了如第一到第三实施方案中任一种的方法，其中所述可交联聚醚的分子量是200或者200以上到12000或者12000以下。

第五实施方案提供了如第一到第四实施方案中任一种的方法，其中所述可交联聚醚的分子量是700或者700以上到6000。

第六实施方案提供了如第一到第五实施方案中任一种的方法，其中所述混合步骤进一步包括将交联剂混合到所述非晶形混合物中。

第七实施方案提供了如第一到第六实施方案中任一种的方法，其中所述交联剂占所述可交联聚醚添加物的1重量％或者1重量％以上到30重量％或者30重量％以下。

第八实施方案提供了如第一到第七实施方案中任一种的方法，其中所述交联剂占所述可交联聚醚添加物的8重量％或者8重量％以上到12重量％或者12重量％以下。

第九实施方案提供了如第一到第八实施方案中任一种的方法，其中所述交联剂是具有多个交联位点的分子。

第十实施方案提供了如第一到第九实施方案中任一种的方法，其中所述交联剂是选自三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、季戊四醇三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷乙氧基化物三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷丙氧基化物三丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和其混合物。