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制造技术

本发明专利技术特征在于可充电阴极和包括该阴极的电池。阴极包括固体离子传导聚合物材料和电活化的硫。电池包括：锂阳极；阴极；和电解质，其中阳极、阴极和电解质中的至少一个包括固体离子传导聚合物材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】有关联邦资助之研究或研发的声明无
技术介绍
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。这个研究在疏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.PowerSources2014，245，656-662和Li，L.等人，J.PowerSources2014，252，107-112】。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，NanoLett.2013，13，1265-1270】和聚吡咯(PPY)【参见：Ma，G.等人，J.PowerSources2014，254，353-359】。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。
技术实现思路
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。固体离子传导聚合物材料包括基础聚合物、掺杂剂和包括离子源的至少一种化合物。该掺杂剂包括电子给体、电子受体或氧化剂。在一个实施方案中，基础聚合物可以是聚苯硫醚、也称为PEEK的聚醚醚酮、或液晶聚合物。在该实施方案中，掺杂剂是一种电子受体，非限制的例子例如是2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、TCNE、三氧化硫、氯醌。可以采用其他用作电子受体或含有能够接受电子的功能团的掺杂剂。包括离子源的该化合物包括：含离子的化合物；或能够化学转换为含有所需离子的化合物的材料，包括但不限于氢氧化物、氧化物、盐类或其混合物，特别是Li2O、Na2O、MgO、CaO、ZnO、LiOH、KOH、NaOH、CaCl2、AlCl3、MgCl2、LiTFSI(双三氟甲磺酰亚胺锂)、LiBOB(双(草酸)硼酸锂)，或上述两种组分的混合物。固体离子传导聚合物材料显示在约172.5ppm、143.6ppm、127.7ppm和115.3ppm处的碳13核磁共振(在500MHz下的检测)的化学位移峰。电子受体的类似的碳13核磁共振扫描显示除了在约172.5ppm、143.6ppm、127.7ppm和115.3ppm处的化学位移峰，还在约195ppm和107.6ppm处有化学位移峰。换句话说，基础聚合物和电子受体之间的反应似乎消除了约195ppm和107.6ppm处的化学位移峰。此外，该固体离子传导聚合物的13C核磁共振谱在主峰(由芳香碳为主)从基础聚合物运动到固体离子传导聚合物。固体离子传导聚合物中主峰的化学位移大于基础聚合物中主峰的化学位移。固体离子传导材料具有至少或大于约30％的结晶度指数，并包括离子源的范围从10重量％至60重量％。掺杂剂摩尔比优选相对于基础聚合物为约1-16的范围。而且该材料还具有在20℃到26℃之间的室温下至少1×10-4秒/厘米的离子传导率、5-100MPa范围内的拉伸强度、在0.5～3.0GPa范围内的弹性模量以及0.5-30％范围内的延伸。在所述电池的一个实施方案中，电池包括阳极；阴极；并且其中阳极和阴极中的至少一个包括固体离子传导聚合物材料。电池可以是可充电的或初级的。电池还包括电解质，并且该电解质全部或部分地包括固体离子传导聚合物材料。电池可以选择性地或另外地包括电解质。固体离子传导聚合物材料是由包括基础聚合物、电子受体、和包括离子源的化合物的反应物产物形成的。固体离子传导聚合物材料可以用作阳极或阴极中的电解质。如果在电池中使用，所述电池的阴极可以包括选自以下组中的活性材料：铁酸盐、氧化铁、氧化亚铜、碘酸盐、氧化铜、氧化汞、氧化钴、氧化锰、二氧化铅、氧化银、氧、羟基氧化镍、二氧化镍、过氧化银、高锰酸盐、溴酸盐、银钒氧化物、一氟化碳、二硫化铁、碘、氧化钒、硫化铜、硫或碳及其组合。所述电池的阳极可以包括选自以下组中的活性材料：锂、镁、铝、锌、铬、铁、镍、锡、铅、氢、铜、银、钯、汞、铂或金及其组合以及其合金化材料。电池可以选择性地进一步在阳极或阴极中包括导电添加剂和/或功能性添加剂。导电添加剂可选自炭黑、天然石墨、合成石墨、石墨烯、导电性聚合物、金属粒子，以及至少两种前述组分的组合。电池电极(阳极或阴极)可以具有通过如注塑、管挤压和压缩成型的工艺形成的复合结构。在一个优选实施方案中，阴极电极包括硫作为活性材料，其还包括离子传导聚合物。如这里所用的硫是指任何来源的电活化硫，诸如元素硫、聚硫、黄铁矿和可以给阴极的电化学反应提供硫的其他材料。离子传导聚合物具有大于1×10-4S/cm的室温离子传导率，具有大于1×10-11平方米每秒的室温锂离子扩散率，并且是电绝缘的。阴极可以进一步包括导电填料以增加导电性，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阴极，包括：作为活性材料的硫；和离子传导聚合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.01 US 61/973,3251.一种阴极，包括：作为活性材料的硫；和离子传导聚合物。2.如权利要求1所述的阴极，其中所述聚合物在室温下具有大于1×10-4的离子传导率。3.如权利要求1所述的阴极，其中所述聚合物是电绝缘的。4.如权利要求1所述的阴极，其中所述聚合物具有大于1×10-11平方米每秒的室温锂离子扩散率。5.如权利要求1所述的阴极，还包括导电填料用来增加电导率。6.如权利要求1所述的阴极，其中固体离子传导聚合物材料包裹至少一个活性材料粒子。7.如权利要求1所述的阴极，其中固体离子传导聚合物材料由基础聚合物、电子受体和包括离子源的化合物的反应产物形成。8.如权利要求1所述的阴极，其中固体离子传导聚合物材料包括在Li+群存在下氧化掺杂的基础聚合物。9.如权利要求7所述的阴极，其中所述化合物包括的离子源是LiOH、Li2O或二者的混合物。10.如权利要求8所述的阴极，其中所述基础聚合物是能够被“氧化的”聚合物，并且该基础聚合物是共轭聚合...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·齐莫尔曼，R·莱辛，A·B·加夫里洛夫，K·史密斯，A·泰奥利，
申请(专利权)人：离子材料公司，
类型：发明
国别省市：美国;US