[发明专利]柔顺性固态离子导电复合材料及其制造方法

说明书

本文提供离子导电固态组合物，其包含在有机材料的基质中的离子导电无机颗粒。所得复合材料具有高的离子电导率和便于加工的机械性能。在特定的实施方案中，离子导电固态组合物是柔顺性的并且可以浇注成膜。在本发明的一些实施方案中，提供了包含离子导电固态组合物的固态电解质。在本发明的一些实施方案中，提供了包含离子导电固态组合物的电极。本发明进一步包括涉及制造离子导电固态组合物的方法和结合有离子导电固态组合物的电池的实施方案。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年5月26日提交的美国专利申请15/607,323和 以下的美国临时专利申请：2016年7月29日提交的美国临时专利申 请No.62/368,403；2016年11月23日提交的美国临时专利申请 No.62/425,911；2017年1月13日提交的美国临时专利申请No. 62/446,253；和2017年3月13日提交的美国临时专利申请No. 62/470,801的优先权。这些申请中的每一个都通过引用以其整体并入 并用于所有目的。

技术领域

本发明总体上涉及固态碱离子和碱金属电池领域。更具体地，本发 明涉及离子导电复合材料和结合了该离子导电复合材料的诸如电解质 和电极的电池组件。

背景技术

对于一次电池和二次电池来说，固态电解质呈现出优于液态电解 质的各种优点。例如，在锂离子二次电池中，无机固态电解质可能比 传统的液体有机电解质更不易燃。固态电解质还可通过抵抗枝晶形成 来促进锂金属电极的使用。固态电解质还可以在一系列条件下呈现高 能量密度、良好的循环稳定性和电化学稳定性的优点。然而，在固态 电解质的大规模商业化方面存在各种挑战。一个挑战是保持电解质与 电极之间的接触。例如，虽然诸如无机硫化物玻璃和陶瓷的无机材料 在室温下具有高的离子电导率(超过10^-4S/cm)，但由于在电池循环过 程中对电极的粘附性差，它们不能用作有效的电解质。另一个挑战是玻璃和陶瓷固态导体太脆而不能加工成致密的薄膜。由于膜太厚以及 枝晶形成(由于存在允许枝晶渗透的空隙)，因此可导致高的体电解 质电阻。甚至相对可延展的硫化物玻璃的机械性能也不足以将玻璃加 工成致密的薄膜。在不牺牲离子电导率的情况下改善这些机械性能是 特殊的挑战，因为诸如添加固体聚合物粘合剂的改善粘附性的技术倾 向于降低离子电导率。在引入少至1wt％的粘合剂的情况下，通常观 察到电导率降低超过一个数量级。固态聚合物电解质体系可以具有改 善的机械特性，其促进粘附和形成为薄膜，但在室温下具有低的离子 电导率。

对于固态电池的大规模生产和商业化，需要在室温下具有高的离 子电导率并且是足够柔顺性(compliant)的以便加工成薄且致密的膜而 不牺牲离子电导率的材料。

发明内容

本发明的组合物、方法和装置各自具有发明方面。本发明的一个 方面涉及一种固态组合物，其包含离子导电无定形无机材料、第一组 分和粘合剂，其中第一组分是数均分子量为500g/mol-50,000g/mol的 非离子导电聚合物，粘合剂是数均分子量为至少100kg/mol的非离子 导电聚合物，其中离子导电无定形无机材料占固态组合物重量的至少 40％，第一组分占固态组合物重量的至少10％，粘合剂占固态组合物 重量的0.5％至5％。

在一些实施方案中，固态组合物的离子电导率为至少 1×10^-4S·cm^-1。在一些实施方案中，固态组合物不包含添加的盐。在一 些实施方案中，第一组分是聚烷基聚合物、聚芳族聚合物或聚硅氧烷 聚合物，其具有选自氰基、硫醇基、酰胺基、氨基、磺酸基、环氧基、羧基或羟基的端基。第一组分的实例包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚 丁二烯(PBD)和聚苯乙烯。在一些实施方案中，第一组分是环烯烃聚 合物。在一些实施方案中，第一组分的数均分子量为约500g/mol至 40,000g/mol，或500g/mol至25,000g/mol。在一些实施方案中，粘合 剂包含苯乙烯。例如，粘合剂可以是苯乙烯-乙烯丁烯-苯乙烯(SEBS)。