[发明专利]具有固体聚合物电解质的高温锂电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2010年5月19日的美国临时专利申请号61/346409的优先权。本申请还涉及提交于2010年5月19日的美国临时专利申请号61/346398。这些申请均通过引用并入本文。

技术领域

本发明总的涉及应用固体聚合物电解质并可以在高温下工作的电化学电池。

背景技术

在此提到的所有出版物出于所有目的通过引用整体并入，犹如在此充分阐述。

对锂二次电池日益增长的需求导致针对改善其安全性和性能的研究和开发。许多电池采用液体电解质，并且与高度挥发性、可燃性和化学反应性相关。出于这种考虑，使用锂基电池系统以及固体电解质的想法引起了极大的兴趣。

对于锂离子电池，锂固体聚合物电解质可充电电池是一种特别有吸引力的技术，因为除了其他好处外，固体聚合物电解质具有高热稳定性、低自放电速率、在各种环境条件下稳定运行、增强的安全性、电池配置的灵活性、最小的环境影响以及低材料成本和处理成本。此外，固体聚合物电解质能够使用锂金属阳极，该锂金属阳极比传统的锂离子阳极提供更高的能量密度。

尽管固体聚合物电解质具有许多优点，但是其应用受到无法开发出同时具有高离子电导率和良好机械性能的电解质的制约。这种困难的产生是因为根据标准机理，高离子电导率需要高聚合物链移动性。但是根据标准机理，高聚合物链移动性趋向于产生机械上柔软的聚合物。

例如，原型聚合物电解质是一种由聚环氧乙烷(PEO)/盐混合物组成的电解质。PEO通常在室温下提供良好的机械性能。然而，PEO在室温下大部分是结晶的。结晶结构通常限制链的移动性，从而降低电导率。在高温(即，高于聚合物的熔点)下操作PEO电解质通过增加链的移动性解决了电导率的问题，且因此改善了离子电导率。然而，增加的电导率以材料机械性能的弱化为代价。在较高温度下，聚合物不再是刚性的。

现已提出嵌段共聚物是可能同时具有良好机械性能和良好电导率的材料。通过使用两个或更多个嵌段的微相分离的嵌段共聚物，至少一个嵌段可以赋予机械完整性，同时至少一个嵌段可以赋予高电导率。聚合物电解质与液体电解质相比受到不良电导率的困扰。聚合物电解质在较高温度下较好地导电，且在＞110℃的非常高的温度下操作时电化学电池的电导率与室温下的液体电解质相似。然而，这必须与机械嵌段的熔解温度进行权衡。到目前为止，还没有报道过可以在高温(＞150℃)下操作，同时保持高机械强度的嵌段共聚物。

因此，曾经有并且仍然有对具有这样一种电解质材料的电池的强烈需求，该电解质材料具有足够的机械稳定性，以在可以优化离子电导率的高温下操作。

附图说明

图1示出了作为温度的函数的PS-PEO嵌段共聚物和示例性PXE-PEO嵌段共聚物的模量测量。

图2是根据本发明的一个实施方式的二嵌段共聚物和其可形成的域结构的示意图。

图3是根据本发明的一个实施方式的三嵌段共聚物和其可形成的域结构的示意图。

图4是根据本发明的另一实施方式的三嵌段共聚物和其可形成的域结构的示意图。

图5示出了具有从阳极伸出的形成的树枝状物的电化学电池。

图6是离子电导率随温度变化的图，显示电导率随着温度的升高而增加。

图7是示出了根据本发明的一个实施方式用于操作电化学电池的步骤的示意图。

发明内容

本文公开了采用具有高软化温度的新微相域聚合物材料的电化学电池。该聚合物具有离子导电聚合物域和结构聚合物域，该结构聚合物域的软化温度(T_s)比之前离子导电聚合物中可能具有的软化温度(T_s)。在本发明的一个实施方式中，微相域聚合物材料具有由离子导电均聚物组成的域和由具有高软化温度(T_s)的结构均聚物组成的域。离子导电聚合物和结构聚合物自行成序，并且微相分离。在本发明的又一实施方式中，微相域聚合物材料是包括离子导电聚合物嵌段和具有高软化温度(T_s)的结构聚合物嵌段的嵌段共聚物。微相域聚合物材料与盐类(诸如锂盐)相结合，从而产生在所需的高工作温度下为固体的离子导电材料以用于电池等。