固态双极性电池制造技术

本发明专利技术涉及这样一种双极性电池，其具有固体离子传导性聚合物材料作为其电解质从而能够实现高电压放电。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固态双极性电池
本专利技术的一个或多个实施方案涉及含固体离子传导性(ionicallyconductive)聚合物材料的双极性电极、其制备方法和包含其的双极性电池。
技术介绍
美国专利627,009描述了一种铅酸电池，其构造方式为“末端电极和中间电极以电串联的方式连接……从而使得[集电器]在各个中间电极的相对侧之间形成唯一的导电连接”。双极性电池一直在努力克服隔离液体电解质的挑战，以防止电池单元(cell)间的连通和短路。典型的双极性电池聚焦于使用昂贵而复杂的内部密封机械装置(mechanism)来将液体电解质容纳到其单个电池单元中。为了避免使用密封机械装置，已经在双极性设计中尝试了低电导率固体电解质和具有密封的液体凝胶电解质。然而，低离子电导率和高内阻抗限制了这种设计的性能。本专利技术的实施方案克服了上述问题并提供了额外的优点。
技术实现思路
根据一个方面，提供了一种双极性电池，其包括：至少一个双极性电极，其各自具有在导电片的一侧上包含第一电化学活性材料的正极和在所述片的另一侧上包含第二电化学活性材料的负极；多个电解质层，其各自包含固体离子传导性聚合物材料；作为所述电池的外层包围所述双极性电池的终端负极和终端正极，其中所述终端负极与位于第一相邻的双极性电极上的正极相对布置，其间插有电解质层；其中所述终端正极与第二双极性电极上的负极层相对布置，其间插有电解质层；其中所述固体离子传导性聚合物材料在室温下具有玻璃态，并且包含至少一种阳离子扩散离子和至少一种阴离子扩散离子(bothatleastonecationicandanionicdiffusingion)，其中至少一种扩散离子在所述玻璃态下是可迁移的。在双极性电池的方面中，各个正极和相邻的阳极构成子叠层(sub-stack)，所述子叠层也包括插入的电解质层，其中各个子叠层通过导电片与相邻的子叠层隔开，其中各个子叠层具有电压。电池的其它方面可以包括以下特征中的一个或多个：该双极性电池，其中各个子叠层的电压等于或小于3伏。该双极性电池，其中所述第一电化学活性材料包括锌、铝、锂或嵌入(intercalation)材料。该双极性电池，其中所述第二电化学活性材料包括二氧化锰、硫或嵌入材料。该双极性电池进一步包括第二子叠层，所述第二子叠层包含位于第二阳极层和第二阴极层之间的含固体离子传导性聚合物电解质的第二隔膜层(separatorlayer)，其中所述第二子叠层与所述第一子叠层相邻布置且与所述第一子叠层电连通且离子连通；并且所述双极性电池进一步包括第三集电器层，所述第三集电器层与所述第二子叠层相邻布置且与所述第一集电器层相对布置。该双极性电池，其中各个正极包含所述固体离子传导性聚合物材料。该双极性电池，其中各个负极包含所述固体离子传导性聚合物材料。该双极性电池，其中所述电池的电压大于8伏，且所述终端正极与所述终端负极之间的距离小于6毫米。该双极性电池，其中所述电解质层是挤出的。该双极性电池，其中所述正极是挤出的。在该方面中，在该电池中，所述固体离子传导性聚合物电解质进一步包括：大于30％的结晶度；熔化温度；玻璃态；并且其中至少一种扩散离子在所述玻璃态下是可迁移的。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料还包含多个(apluralityof)电荷转移络合物。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含多个(apluralityof)单体，并且其中各电荷转移络合物位于单体上。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在室温下的电子传导率(electronicconductivity)小于1x10-8S/cm。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含：多个单体；多个电荷转移络合物，其中各电荷转移络合物位于单体上；其中所述固体离子传导性聚合物电解质在室温下的电子传导率小于1x10-8S/cm。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的结晶度大于30％。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料具有在低于所述固体离子传导性聚合物材料的熔化温度的温度下存在的玻璃态。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料进一步包含阳离子扩散离子和阴离子扩散离子，由此至少一种扩散离子在所述固体离子传导性聚合物电解质的玻璃态下是可迁移的，并且其中所述固体离子传导性聚合物电解质的结晶度大于30％。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的熔化温度大于250℃。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料是热塑性的。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的离子电导率是各向同性的。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料是不易燃的。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的杨氏模量等于或大于3.0MPa。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料具有玻璃态，并且包含至少一种阳离子扩散离子和至少一种阴离子扩散离子，其中各扩散离子在所述玻璃态下是可迁移的。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在室温下的离子电导率(ionicconductivity)大于1.0x10-5S/cm。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物电解质包含单一阳离子扩散离子，其中所述单一阴离子扩散离子包含锂，且其中所述阳离子扩散离子在室温下的扩散率(diffusivity)大于1.0x10-12m2/s。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含单一阴离子扩散离子，且其中所述阴离子扩散离子在室温下的扩散率大于1.0x10-12m2/s。该电池，其中所述至少一种阳离子扩散离子中的一种具有大于1.0x10-12m2/s的扩散率。该电池，其中所述至少一种阴离子扩散离子中的一种具有大于1.0x10-12m2/s的扩散率。该电池，其中所述至少一种阴离子扩散离子和所述至少一种阳离子扩散离子中的一种具有大于1.0x10-12m2/s的扩散率。该电池，其中固体离子传导性聚合物材料在室温下的离子电导率大于1x10-4S/cm。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在80℃的离子电导率大于1x10-3S/cm。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在-40℃的离子电导率大于1x10-5S/cm。该电池，其中锂的浓度大于3摩尔锂/升所述固体离子传导性聚合物材料。该电池，其中至少一种阳离子扩散离子和至少一种阴离子扩散离子各自具有扩散率，其中阳离子扩散率大于阴离子扩散率。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的阳离子迁移数大于0.5且小于1.0。该电池，其中至少一种扩散阴离子是单价的。该电池，其中至少一种阴离子扩散离子包含氢氧根、氟或硼。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含多个单体，且其中每个单体上存在至少一个阴离子扩散离子。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含多个单体，且其中每个单体上存在至少一个阳离子扩散离子。该电池，其中每升固体离子传导性聚合物电解质中存在至少1摩尔锂。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含多个单体，其中各单体包含位于所述单体的骨架中的芳香族结构或杂环结构。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料进一步包含掺入所述环结构中或位于与所述环结构相邻的骨架上的杂原子。该电池，其中所述杂原子选自硫、氧或氮。该电池，其中所述杂原子位于所述单体的与所述环结构相邻的骨架上。该电池，其中所述杂原子是硫。该电池，其中所述固体本文档来自技高网...

【技术保护点】
双极性电池，其包括：至少一个双极性电极，其各自具有在导电片的一侧上包含第一电化学活性材料的正极和在所述片的另一侧上包含第二电化学活性材料的负极；多个电解质层，其各自包含固体离子传导性聚合物材料；终端负极和终端正极，其中所述终端负极与位于第一相邻的双极性电极上的正极相对布置，其间插有电解质层；其中所述终端正极与第二相邻的双极性电极上的负极层相对布置，其间插有电解质层；其中所述固体离子传导性聚合物材料在室温下具有玻璃态，并且包含至少一种阳离子扩散离子和至少一种阴离子扩散离子，其中至少一种扩散离子在所述玻璃态下是可迁移的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.04 US 62/170,9591.双极性电池，其包括：至少一个双极性电极，其各自具有在导电片的一侧上包含第一电化学活性材料的正极和在所述片的另一侧上包含第二电化学活性材料的负极；多个电解质层，其各自包含固体离子传导性聚合物材料；终端负极和终端正极，其中所述终端负极与位于第一相邻的双极性电极上的正极相对布置，其间插有电解质层；其中所述终端正极与第二相邻的双极性电极上的负极层相对布置，其间插有电解质层；其中所述固体离子传导性聚合物材料在室温下具有玻璃态，并且包含至少一种阳离子扩散离子和至少一种阴离子扩散离子，其中至少一种扩散离子在所述玻璃态下是可迁移的。2.如权利要求1所述的双极性电池，其中各个正极和相邻的阳极构成子叠层，所述子叠层也包括电解质层，其中各个子叠层通过导电片与相邻的子叠层隔开，其中各个子叠层具有电压，且其中各个子叠层的电压等于或小于3伏。3.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述第一电化学活性材料包括锌、铝、锂或嵌入材料。4.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述第二电化学活性材料包括二氧化锰、硫或嵌入材料。5.如权利要求1所述的双极性电池，其进一步包括第二子叠层，所述第二子叠层包含位于第二阳极层和第二阴极层之间的含固体离子传导性聚合物电解质的第二隔膜层，其中所述第二子叠层与所述第一子叠层相邻布置且与所述第一子叠层电连通但不离子连通；并且所述双极性电池进一步包括第三集电器层，所述第三集电器层与所述第二子叠层相邻布置。6.如权利要求1所述的双极性电池，其中各个正极包含所述固体离子传导性聚合物材料。7.如权利要求1所述的双极性电池，其中各个负极包含所述固体离子传导性聚合物材料。8.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述电池的电压大于8伏，且所述终端正极与所述终端负极之间的距离小于6毫米。9.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述电解质层是挤出的。10.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述正极是挤出的。11.如权利要求1所述的电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料具有大于30％的结晶度。12.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料还包含多个电荷转移络合物。13.如权利要求12所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含多个单体，并且其中各电荷转移络合物位于单体上。14.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在室温下的电子传导率小于1x10-8S/cm。15.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含：多个单体；多个电荷转移络合物，其中各电荷转移络合物位于单体上；其中所述固体离子传导性聚合物电解质在室温下的电子传导率小于1x10-8S/cm。16.如权利要求15所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的结晶度大于30％。17.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的熔化温度大于250℃。18.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料是热塑性的。19.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的离子电导率是各向同性的。20.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料是不易燃的。21.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的杨氏模量等于或大于3.0MPa。22.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在室温下的离子电导率大于1.0x10-5S/cm。23.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含单一阳离子扩散离子，且其中所述阳离子扩散离子在室温下的扩散率大于1.0x10-12m2/s。24.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含单一阴离子扩散离子，且其中所述阴离子扩散离子在室温下的扩散率大于1.0x10-12m2/s。25.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述至少一种阳离子扩散离子中的一种具有大于1.0x10-12m2/s的扩散率。26.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述至少一种阴离子扩散离子中的一种具有大于1.0x10-12m2/s的扩散率。27.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述至少一种阴离子扩散离子和所述至少一种阳离子扩散离子中的一种具有大于1.0x10-12m2/s的扩散率。28.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在室温下的离子电导率大于1x10-4S/cm。29.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在80℃的离子电导率大于1x10-3S/cm。30.如权利要求1所述的双极性电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在-40℃的离子电导率大于1x10-5S/c...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·齐莫尔曼，R·莱辛，
申请(专利权)人：离子材料公司，
类型：发明
国别省市：美国,US