[发明专利]固体离子传导聚合物，包含其的阴极和包括该阴极的电池

说明书

本发明涉及一种固体离子传导聚合物，包含该体离子传导聚合物的阴极，以及包括所述体离子传导聚合物和/或阴极的电化学电池和电池。

本申请是发明名称为“高容量聚合物阴极和包括该阴极的高能量密度可充电 电池”的第201580018411.6号中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种固体离子传导聚合物，包含该体离子传导聚合物的阴极，以及 包括所述体离子传导聚合物和/或阴极的电化学电池和电池。

背景技术

在现代社会中，无论是给许多便携式电子设备供电还是新型绿色技术中的关键元件，电池都变得越来越重要了。这些新技术为消除对当前造成副产物温室气体的 产生的能源诸如煤、石油产品、和天然气的依赖提供了前景。而且，既能够在静止 的又能够在移动的应用中存储能量的能力是新能源成功的关键，对所有尺寸先进电 池的需求可能会急速增加。尤其对于大型应用的电池来说，低的基础成本将是这些 应用的引入和全面成功的关键。

然而，常规的电池具有局限性。例如，锂离子和其它电池通常采用对人和对环 境有危险并且易于着火或爆炸的液体电解质。液体电解质电池被密封在钢或其它坚 固的封装材料中，封装材料增加了封装电池的重量和体积。常规的液体电解质受到 导致电池最终失效的电极/电解质界面处固体界面层的危害。常规的锂离子电池也显 示出慢的充电时间，并且由于电池内的化学反应达到完全以及腐蚀和枝晶的形成限 制了再充电能力而受到再充电次数有限的危害。液体电解质也限制了在约4.2伏时 开始下降的最大能量密度，而在新兴产业应用中经常需要4.8伏或更高。常规的锂 离子电池需要液体电解质隔膜允许离子流过但阻止电子流过，需要通风孔释放外壳 内的压力，此外还需要安全电路将潜在的危险过电流和过热最小化。

虽然用于许多先进应用的电池技术是锂离子，但是无论是对于便携式装置而言按照体积(Wh/L)还是对于电动车和其它大型应用而言按照重量(Wh/kg)，对于 更高能量密度的需求已经显示出需要获得远远超过当前的锂离子电池能力的技术。 一种这样的有前途的技术是锂/硫电池。硫基阴极由于比当前的锂离子金属氧化物阴 极活性材料好10倍的高理论能量密度(1672mAh/g)而令人侧目。硫也因为不像许 多当前诸如LiCoO₂的锂离子电池材料，是很富足的、低成本、环境友好的材料， 而令人兴奋。

最近，在锂/硫电池研究中进行了大量的活动，锂/硫电池的容量和循环寿命提 升了。活动包括阴极、阴极、电解质和隔膜的改进，目的都是降低多硫化物穿梭并 从而改进电池性能。这个研究在硫阴极中的应用集中在两个主要的领域：1)用工 程材料包围并且容纳硫和可溶解的锂化产物，例如参见：美国专利申请 2013/0065128，以及2)用与硫反应的导电聚合物产生“硫化的”复合阴极材料。“硫 化聚合物”的例子包括硫与聚丙烯晴(PAN)暴露于高温形成的反应产物【参见： Jeddi，K.等人，J.Power Sources 2014,245,656-662和Li，L.等人，J.Power Sources 2014,252,107-112】。硫阴极中采用的其它导电聚合物系统包括聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)【参见Zheng，G.等人，Nano Lett.2013,13,1265-1270】和聚吡咯(PPY)【参 见：Ma，G.等人，J.Power Sources 2014,254,353-359】。虽然这些方法在限制多硫化 物穿梭机制方面取得了不同程度的成功，但是它们都依赖于不是很适于大规模制备的昂贵材料的使用。

发明内容

提供一种在室温下和很宽的温度范围内均具有很高的离子扩散率和传导率的固态离子传导聚合物材料。该固态离子聚合物材料可以用作电池的固体电解质，也可 以用作制造电池电极的组分。该材料不限于电池应用，而是可以更广泛地用于其它 用途，诸如碱燃料电池、超级电容器、电致变色器件、传感器等。聚合物材料是不 可燃的并且能够自我熄灭，这对于否则可能会燃烧的应用特别有吸引力。此外，该 材料机械上坚固，可以使用本身公知的高体积聚合物加工技术和设备进行制备。