[发明专利]具有基于四面体芳基硼酸根节点的聚合物电解质复合材料的电池组

说明书

固体电解质具有诸如高电导率、高迁移数、最佳可加工性和低脆性之类的有利的性质组合。复合电解质包含少量的一类具有高迁移数和高室温电导率的网络聚合物电解质以及附加聚合物组分以助于机械完整性和/或可加工性。所述固体电解质可包含具有由四面体芳基硼酸根组合物构成的连接节点的网络聚合物和作为复合材料与所述网络聚合物组合的线性聚合物。所述固体电解质可用于薄膜和用于固态电池组。

优先权声明和对在先申请的交叉引用

本申请是依据2017年7月31日提交的共同待审美国临时申请号62/539,207提出的发明专利并要求其优先权，其整个公开内容经此引用并入本文。

背景

自从其最初在20世纪90年代商业发布以来，锂离子（Li离子）电池组已稳步改进到成为电子产品中的主要组件的程度。近年来，Li离子电池组已促进平价电动汽车和混合动力汽车的发展。但是，商业级Li离子电池正接近其最大能量存储容量（~250 Wh/kg）并且仍无法提供具有足以让电动汽车行驶100+英里距离的存储量的安全的低成本电池组。迫切需要具有至少400 Wh/kg的能量密度、低成本（ $125/kWh）、优异安全性和低环境影响的新一代电池组。

最近已开发出具有高能量密度（ 400 Wh/kg）和极好安全性质的固态Li离子电池。迄今，抑制固态电池的商业化的一个关键因素是缺乏合适的电解质。现有的候选固体电解质具有不足的电导率和低迁移数（如聚合物电解质）、差可加工性和高边界电阻（如在陶瓷电解质中）、机械不稳定性（如在凝胶基电解质中）或对空气和水的严重化学不稳定性（如在使用硫化物材料的电解质中）。

已经研究了多种聚合物或低聚物电解质的共混物或复合材料。但是，主要由于不同的聚合物体系倾向于具有类似的优点和缺点并由此限制共混物的整体潜在益处，这些电解质尚未获得广泛认可。但是，不断涌现出在许多方面具有与陶瓷类似的性质的新型聚合物材料。这些材料是单离子导体或接近如此，并具有在室温下相对高（ 10^-5 S cm^-1）的离子电导率。不同于陶瓷固体，聚合物/低聚物复合材料通常具有开放网络，其使该复合电解质能够吸收液体、增塑剂或其它化合物；一些复合材料甚至需要这些附加组分才能发挥作用。与此一起，这些聚合物的可调节性和化学结构为分布式高表面积界面工程（distributed, high-surface area interfacial engineering）提供机会。

在固态电池组电池的类别内，理想的是使用聚合物电解质以（与陶瓷电解质相比）使电极材料和电解质之间的界面阻力最小化。聚合物往往比陶瓷更容易在空气中加工并且更机械稳健；它们的弹性和缺乏脆性使得它们是用于吸收体积变化的理想候选者。聚合物也没有陶瓷致密，由此提供比能的增进。但是，已知的Li离子聚合物电解质，如聚环氧乙烷（PEO）倾向于在室温下具有差的离子电导率（ 10^-5 S cm^-1）。此外，常规PEO电解质通常在所有相关温度下都具有低迁移数（ 0.3），这导致高浓度极化和因此低倍率性能。

公开概述

越来越需要具有改进的存储容量和安全性的商业上可行的固态电池组。本公开提供一种电解质材料，其至少部分含有具有高迁移数的基于硼酸根的网络聚合物相和可传导阴离子和/或阳离子或可仅充当粘合剂的聚合物相。这种新型电解质材料还可包含一种或多种增塑剂。所得复合材料是具有比单独的常规聚合物电解质（如聚环氧乙烷）可实现的更高电导率和更高迁移数的可加工电解质。本文中公开的电解质材料代表固态电池组领域中的重大进步。

本文中公开的固体电解质材料提供高电导率、高迁移数、化学稳定性、优异的可加工性和合适的机械性质。这些电解质的使用通过允许在聚合物固态电池组中使用更厚的活性材料层而带来提高的倍率性能以及改进的能量密度。在本公开的一个方面中，提供多种聚合物的复合材料，其包含至少一种具有迁移数t₊  0.9的基于硼酸根的网络聚合物。