[发明专利]聚合物电解质膜

说明书

包括导电相和交联的网络相的共连续微区的聚合物电解质膜(PEMs)。所述导电相可包括一种或多种玻璃化转变温度低于室温的聚合物。所述交联的网络相可由至少一种单官能单体和至少一种二官能或更多官能的单体形成。

相关申请

本申请要求2013年5月24日提交的美国临时专利申请61/827,301的权益。

发明背景

固态锂离子电池的未来需要投资材料研究以产生可确保所需的安全性、循环能力和用于实施的高功率密度的电解质。在电池中使用纯金属锂阳极得到高能量密度，但是可损害电池的安全、长期操作。常规的液体电解质在使用中与金属锂阳极的使用不相容，因为它们允许锂枝晶生长，这可导致爆炸失效。已显示高模量电解质可抑制枝晶生长，但是它们的刚性通常不能提供实际应用所需的高离子电导率。因此，需要用于固态锂离子电池的新的电解质。

发明概述

公开了包括导电相和交联的网络相的共连续微区的聚合物电解质膜(PEM)。所述导电相可包括一种或多种玻璃化转变温度低于室温的聚合物。所述交联的网络相可由至少一种单官能单体和至少一种二官能或更多官能的单体形成。

还公开了包括阳极、阴极和在阳极和阴极之间布置的PEM的电池。所述PEM可包括导电相和交联的网络相的共连续微区。所述导电相可包括一种或多种玻璃化转变温度低于室温的聚合物。所述交联的网络相可由至少一种单官能单体和至少一种二官能或更多官能的单体形成。

还公开了形成聚合物电解质膜的方法。所述方法可包括形成反应混合物，所述反应混合物包括至少大分子链转移剂、单官能单体和二官能或更多官能的单体；和由所述反应混合物形成聚合物电解质膜。

阅读以下详细说明，这些和各种其它特征和优点将显而易见。

附图简述

图1包括所公开的聚合物电解质膜(PEM)样品的一个代表性实例的照片(图1a)；在共连续的形态中以约10 nm长度尺度存在的组成异质性的示意性表示(图1b)；与离子液体混合的连续导电相的示意性表示(图1c)；和连续的交联网络相的示意性表示(图1d)。

图2为用于合成所公开的PEM和其中可使用的示例性离子液体的化学反应的一个实例。

图3显示使用5和28 kDa聚(环氧乙烷) (PEO)和各种浓度的离子液体BMITFSI制备的PEM样品的小角X-射线散射(SAXS)数据。

图4a和4b显示使用5 (图4a)和28 kDa (图4b)聚(环氧乙烷) (PEO)和各种浓度的离子液体BMITFSI制备的PEM样品的SAXS数据。

图5显示使用28 kDa聚(环氧乙烷) (PEO)和各种浓度的离子液体EMITFSI制备的PEM样品的SAXS数据。

图6显示具有5 kg/mol PEO-CTA和4/1摩尔比的丙烯腈/二乙烯基苯和各种浓度的BMITFSI的PEM的SAXS数据。

图7a、7b、7c、7d、7e和7f为不具有离子液体的5 kDa PEO的低(图7a)和高(图7b)放大；具有5体积%离子液体的5 kDa PEO的低(图7c)和高(图7d)放大；和不具有离子液体的28kDa PEO的低(图7e)和高(图7f)放大。

图8a、8b和8c为低放大透射电子显微照片(TEM) (图8a)；TEM显微照片的相应的傅里叶变换(FT) (图8b)；和通过强度FT相对q的方位角积分产生的一维图(图8c)。

图9a和9b为在浸蚀前28 kg/mol PEO-CTA和21体积% BMITFSI样品的TEM；和在用57重量%含水氢碘酸浸蚀PEO和BMITFSI后，样品的扫描电子显微照片(SEM)。