[发明专利]固体离子传导性聚合物材料

说明书

一种固体、离子传导性、非导电聚合物材料，其具有多个单体和多个电荷转移络合物，其中各电荷转移络合物位于单体上。

关于联邦政府资助研究或开发的声明

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技术领域

本发明总体上涉及聚合物化学，特别地涉及固体聚合物电解质及其合成方法。

背景技术

电池的历史是缓慢进步和逐渐改进的历史。历史上，电池性能、成本和安全性一直是相互矛盾的目标，需要进行权衡，从而限制了最终应用(如电网级存储(grid-levelstorage)和移动电源(mobile power))的可行性。对转换电池的需求已经达到了国家利益的水平，推动了人们做出巨大努力以提供具有更高能量密度和更低成本的安全的电化学能量存储。

Alessandro Volta发明了变成被称为“伏打电堆”的第一个真正的电池。其由多对的锌盘和铜盘组成，所述锌盘和铜盘彼此一个叠一个地堆叠在一起，由浸在作为电解质的盐水中的一层布或纸板隔开。这一发现虽然并不切实可行，但却引起了对电化学电池和电解质作用的理解。

自Volta以来，发明人已经作出了液体电解质的改进，其中所述液体电解质基于填充有盐、碱或酸在水或有机溶剂中的浓溶液的多孔隔膜。这些液体电解质通常具有腐蚀性和/或可燃性，并且在许多情况下，与电极材料在热力学上不稳定，导致性能限制和安全隐患。这些挑战使得固态电解质在电池开发中极具吸引力。固体电解质可以提供显著的益处，例如不渗漏电解质、更具柔性的几何形状、能量密度更高的电极以及改进的安全性。

陶瓷和玻璃是第一批被发现并开发具有离子电导率的固体材料。接下来还有其它材料，但是所有这些材料都具有足够高的离子电导率仅在非常高的温度下才可获得的特征。例如，日本丰田已经宣布采用新“结晶态超离子晶体”的开发工作，其是一种玻璃态陶瓷Li₁₀GeP₂S₁₂。但是，这种材料只有在高于140℃才具有高的电导率，而陶瓷则具有可制备性和脆性的常见问题。陶瓷的制备挑战对于将材料加入电池电极来说会是特别令人望而却步的。

对聚合物电解质的最初关注由Peter V.Wright教授在1975年的下述发现引起，其发现了聚环氧乙烷(PEO)的络合物可以传导金属离子。不久之后，Michel Armand教授认识到PEO锂盐络合物在电池应用中的潜在用途。PEO和锂盐的组合已经发展了多年。这种材料的实例是P(EO)_n LiBETI络合物。在过去的三十年中，已经有许多尝试来改善聚环氧乙烷(PEO)-(CH₂CH₂O)_n-的电导率。在这些基于PEO的材料中，阳离子迁移率受聚合物链段运动支配。PEO的这种链段运动实际上是类似液体的机理，但是链缠结和部分结晶可以给电解质一些固体的本体性质(bulk property)。然而，链段运动对于PEO成为离子传导性的是必不可少的。

增塑聚合物-盐络合物通过将液体增塑剂以使固体聚合物和液体电解质之间存在折衷的方式添加到PEO中而制备。由于链段运动增加，室温电导率(ambient conductivity)的数值得到大幅度提高，但这是以膜的机械完整性劣化为代价的而且存在聚合物电解质对金属电极的腐蚀反应性增加。

凝胶电解质通过将大量液体溶剂/液体增塑剂掺入能够形成具有聚合物主体结构的凝胶的聚合物基质中来获得。液体溶剂保留在聚合物的基质中，并通过原本不导电的固体聚合物形成液体导电路径。凝胶电解质可以提供高的室温电导率，但是存在与增塑聚合物电解质所提及的类似的缺点。