软固体结晶电解质组合物制造技术

本发明专利技术涉及包含由有机基质围绕的离子化合物的组合物，和用于制造所述组合物的方法。在多个实施方案中，本发明专利技术的组合物为有机化合物和盐的共晶体。所述有机化合物形成具有通道结构的基质，其中所述有机基质相对不良地与所述盐相互作用，因此允许通过所述通道结构的优秀离子迁移率。在一个实施方案中，所述组合物为包含如锂或钠的离子的软固体电解质，其可用于电池或其它电化学装置。本发明专利技术的电解质组合物展现相对高的离子电导率，关于离子迁移具有可忽略的活化障碍，即所述组合物展现无障碍离子导电。另外，所述组合物在极低温度下展现良好电导率，使得其适用于多种低温应用。在一个实施方案中，本发明专利技术另外涉及包含本发明专利技术的共晶体的自支撑膜，和用于制备所述膜的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年3月25日提交的系列号为61/970,146的美国专利申请的优先权，所述美国专利申请的完整内容以引用的方式并入本文。有关联邦政府发起的研究或开发的声明本专利技术是在政府支持下根据由美国国家科学基金会(NationalScienceFoundation)授权的授权号DMR1207221和CBET-1437814进行。政府对本专利技术享有某些权利。专利技术背景目前用于如锂/锂离子电池、氢离子燃料电池和太阳能电池的电化学装置中的电解质典型地为液体或凝胶电解质。然而，尽管具有＞1×10-3S/cm的良好室温电导率，这些液体或凝胶电解质具有安全考虑，如泄漏、归因于挥发性溶剂的爆炸、树枝状晶体形成以及比在固体电解质中快的降解产物的形成/迁移(Xu，K.，Nonaqueous，2004，ChemicalReviews104，(10)，4303-4417；Aurbach，D.；Zinigrad，E.；Cohen，Y.；Teller，H.，SolidStateIonics2002，148，(3-4)，405-416；Brissot，C.；Rosso，M.；Chazalviel，J.N.；Lascaud，S.，JoftheElectrochemicalSociety1999，146，(12)，4393-4400)。因此，需要具有在宽泛温度范围内促进增强的离子迁移的结构的新材料来替换电化学装置中的这些可燃液体或凝胶电解质。固态电解质先前已经由于与固态材料有关的安全性的预期增加而进行研究，但这些电解质典型地具有相对不良的离子电导率(Zaghib等人，2011，JofPowerSources196，3949-3954)。目前可得的具有最高离子电导率的固体电解质为陶瓷/玻璃和其它无机超离子导体，其中电导率潜在地在10-3至10-2S/cm范围内(Fergus，2010，JofPowerSources195，4554-4569)。在无机超离子导体的情况下，结晶系统典型地比玻璃更具导电性(Kanno和Maruyama，2001，JournaloftheElectrochemicalSociety148(7)，A742-A746)。关于固体电解质最初报道的具有高RT离子电导率(6×10-3S/cm)的Li+离子超离子导体Li3N具有低电化学稳定性窗口，使得其不适合作为固体电解质(Alpen等人，1977，AppliedPhysicsLetters30(12)，621-62；Lapp等人，1983，SolidStateIonics11(2)，97-103)。其它无机超离子固体电解质具有较佳的电化学稳定性，但具有较低的离子电导率(～10-3S/cm)，如结晶氧化物钙钛矿型钛酸锂镧(La0.5Li0.5TiO3)(Inaguma等人，1993，SolidStateCommunications86(10)，689-693)、一系列硫化物晶体(如具有γ-Li3PO4的构架结构的Li4-xGe1-xPxS4，被称作硫代-LISICON(例如Li3.25Ge0.25P0.75S4))(Kanno和Maruyama，2001，JournaloftheElectrochemicalSociety148(7)，A742-A746)、玻璃陶瓷(70Li2S-30P2S5)(Mizuno等人，2005，AdvancedMaterials17(7)，918-921；Hayashi等人，2008，JournalofMaterialsScience43(6)，1885-1889)和玻璃状材料(Li2S-SiS2-Li3PO4)(Kondo等人，1992SolidStateIonics53，1183-1186；Takada等人，1993，JournalofPowerSources43(1-3)，135-141)。仅Li2.9PO3.3N0.46(LiPON)在市面上用作微电池组中的固体电解质(Bates等人，1992，SolidStateIonics53，647-654；Bates等人，1993，JournalofPowerSources43(1-3)，103-110)。关于锂超离子导体的最高RT离子电导率近来已经关于Li10GeP2S12(12mS/cm)进行报道。用Sn取代Ge也形成超离子晶体Li10SnP2S12(7mS/cm)，并且两种材料均为亚稳的(Bron等人，2013，JAmChemSoc135(42)，15694-15697；Mo等人，2012，ChemistryofMaterials24(1)，15-17)。然而，这些电解质为脆性的，并且其由于在连续充电/放电循环期间的体积改变而对电极具有不良粘着。软固体电解质展现所需的柔性，但具有低于陶瓷/玻璃/无机导体的电导率(例如，在10-7至10-5S/cm范围内的电导率)。软固体电解质的实例包括聚环氧乙烷(PEO)(Abitelli等人，2010，ElectrochimicaActa55，5478-5484)、PEO/复合共混物(Croce等人，1998，Nature394，456-458；Croce等人，1999，JofPhysicalChemistryB103，10632-10638；Stephan等人，2009，JofPhysicalChemistryB113，1963-1971；Zhang等人，2010，ElectrochimicaActa55，5966-5974；Zhang等人，2011，MaterialsChemistryandPhysics121，511-518；Zhan等人，2011，JofAppliedElectrochemistry40，1475-1481；Uvarov，2011，JofSolidStateElectrochemistry15，367-389)、PEO共聚物/共混物(Tsuchida等人，1988，Macromolecules21，96-100；Ryu等人，2005，JoftheElectrochemicalSociety152，A158-A163；Park等人，2004，ElectrochimicaActa50，375-378)、分子或离子塑性晶体(Timmermans，1961，JofPhysicsandChemistryofSolids18，1-8；Sherwood，1979，ThePlasticallyCrystallineState：OrientationallyDisorderedCrystals，Wiley，Chichester，UK；MacFarlane和Forsyth，2001，AdvancedMaterials13，957-966；Pringle等人，2010，JofMaterialsChemistry20，2056-2062；Cooper和Angell，1986，SolidStateIonics18-9，570-576；Yoshizawa-Fujita等人，2007，ElectrochemistryCommunications9，1202-1205.)和低分子量甘醇二甲醚(H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软固体电解质组合物，其包含：离子化合物和有机化合物的共晶体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.25 US 61/970,1461.一种软固体电解质组合物，其包含：离子化合物和有机化合物的共晶体。2.如权利要求1所述的组合物，其中所述共晶体包含离子通道。3.如权利要求1所述的组合物，其中所述离子化合物为锂盐。4.如权利要求1所述的组合物，其中所述锂盐为氯化锂。5.如权利要求1所述的组合物，其中所述离子化合物为钠盐。6.如权利要求5所述的组合物，其中所述钠盐为高氯酸钠。7.如权利要求5所述的组合物，其中所述钠盐为六氟磷酸钠。8.如权利要求1所述的组合物，其中所述有机化合物为有机溶剂。9.如权利要求8所述的组合物，其中所述有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)。10.如权利要求8所述的组合物，其中所述有机溶剂为吡啶。11.如权利要求8所述的组合物，其中所述有机溶剂为异喹啉。12.如权利要求1所述的组合物，其中所述有机化合物为羰基化合物。13.如权利要求12所述的组合物，其中所述羰基化合物选自由二苯甲酮、苯乙酮和苯甲酸苯酯组成的组。14.如权利要求1所述的组合物，其中所述有机化合物为芳族烃。15.如权利要求14所述的组合物，其中所述芳族烃选自由二苯基甲烷(DPM)、三苯基甲烷、联苄、联苯和萘组成的组。16.如权利要求1所述的组合物，其中所述有机化合物为软路易斯供体。17.一种自支撑薄膜电解质组合物，其包含：如权利要求1至16中任一项所述的软固体电解质组合物，和粘合剂。18.如权利要求17所述的组合物，其中所述粘合剂为聚环氧乙烷(PEO)。19.如权利要求17所述的组合物，其中所述粘合剂为用八条聚乙二醇链官能化的聚八面体倍半硅氧烷(POSS-PEG8)。20.一种用于制备软固体电解质组合物的方法，所述方法包括以下步骤：将离子化合物溶解于有机化合物中以形成溶液，和添加沉淀剂至所述溶液中，其中所述离子化合物和所述有机化合物的共晶体从所述溶液沉淀。21.一种用于制备软固体电解质组合物的方法，所述方法包括以下步骤：将离子化合物溶解于有机化合物中以形成溶液，和降低所述溶液的温度，其中在冷却时所述离子化合物和所述有机化合物的共晶体从所述溶液沉淀。22.一种制备软固体电解质组合物的方法，所述方法包括以下步骤：混合离子化合物与有机化合物以形成混合物，加热所述混合物以形成所述离子化合物于所述有机化合物中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·J·兹迪拉，S·L·旺德，P·R·西纳姆，
申请(专利权)人：天普大学英联邦高等教育体系，
类型：发明
国别省市：美国;US