可充电电池的塑料电解质制造技术

一种固体聚合物电解质，包括在交联的三聚物网络中掺入盐，该交连三聚物网络是由一种含两个丙烯酰基官能团的第一单体、一种选自含一个丙烯酰基官能团单体和含一个烯丙基官能团单体的第二单体，和一种选自含丙烯酰基官能团和齐聚氧乙烯基团的第三单体经聚合而形成的，所述第二单体由于其中掺入有选自具有碳酸酯官能团和腈基官能团的化合物的高极性基团，也具有高的极性。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及可充电电池，在电池充电及放电周期中，源电极材料的离子穿过中间电解质在电池电极之间运动。更具体的说，涉及一种交联固体聚合物电解质，由三聚物网络、盐及增塑剂构成该离子导电聚合物电解质。此固体聚合物电解质形成的方法是，首先将电解质盐溶解于包括由所选单体及增塑剂结合一起的一种溶液中，再将溶液分散为薄层，并加热此薄层或使其经受一种能量处理而产生聚合。任何所得固体电解质部非常适用于固态电池、超电容器、燃料电池、传感器、电致变色器件等。过去曾有建议，将固态聚合物电解质用于代替在这样设备中的液体电解质，因为它们把电解质、分离器(separator)及电极材料粘结剂的功能结合在一种材料中，从而避免了最终结构的复杂性。使用固体聚合物电解质所特有的优点在于排除泄漏隐患，并可能防止了在有挥发性液体电解质存在时偶有发生的压力上升的危险。此外，可将固体聚合物电解质制成薄膜状以设计空间有效电池。也可以制备出柔性固体聚合物电解质，其允许电化学电池容积变化，而无界面触点的物理损坏。在已有技术中，曾建议使用一些固体聚合物电解质，诸如通过锂盐和线性聚醚例如聚环氧乙烷和聚环氧丙烷之间的络合作用形成的薄膜。尽管这些固体聚合物电解质确实具有某些显著的特点，如电化学和化学稳定性高的特征以及易于制成薄膜的特征，但由于在环境温度下这样的电解质导电性差，它们并未获得商业成功。在升温的电化学器件中限制应用这种电解质明显地限制了可能有效应用的范围。曾进行过各种尝试，试图通过选择新的聚合物材料诸如阳离子导电phosphazene和硅氧烷聚合物来改善聚合物电解质的离子导电性。其它的建议包括采用在聚合物电解质中添加增塑剂，以形成“湿”聚合物或“凝胶电解质”，这种方法确实改善了环境温度下的导电性，但却导致机械特征方面的损失。所以至今还没有开发出具有商业价值的薄膜型的固体聚合物电解质，其在用于如高能充电固态电池中或其它要求环境温度下离子导电性高的电化学装置应用场合下都具有良好的机械特性，室温下离子导电系数在≥10-3S/cm，以及高的电化学稳定性。专利技术概述本专利技术固体聚合物电解质是通过由所选单体、盐及增塑剂一起所构成并适合于形成机械特性优良和环境温度下导电性高的交联网络的任何一种溶液经聚合而得到的。在溶液聚合之前，可将溶液喷雾至电极表面上，再加热几分钟进行原位聚合或在室温下进行光固化(photocure)，或者可将其铸塑在固体表面上，经聚合形成具有优良机械特性的薄膜。另一种方式是，可将溶液喷雾在适宜的纤维上，使之在电极表面上形成一薄层，或涂布在平板表面上，再加热薄层几分钟，或于室温下对溶液进行光固化，形成增强固体聚合物电解质膜。这样产生的固体聚合物电解质很适用于高能充电固态电池。这些固体聚合物电解质在其它诸如超电容器、燃料电池、传感器及电致变色元件等电化学器件中也有应用。 附图说明图1为由本专利技术的一种类型的固态聚合物电解质构成的典型固态电池的顶视平面图；图2为图1所示电池的底部视图；图3表示在这里作为示意的具有固体聚合物电解质的碳/LiCoO2电池电势与电容量间的关系。图4表示在不同电流水平下电池放电时，电势与电容量百分率间的关系。专利技术详述一种作为实施例用于固态电池的典型固态聚合物电解质，是按照本专利技术对含有三种单体、一种电解质盐和一种增塑剂的一种溶液进行聚合制备的。所选单体之一是具有两个丙烯酰官能团起交联剂作用的化合物如二丙烯酸酯。另一种所选单体是具有一个丙烯酰基或烯丙基官能团并也含有高极性的基团诸如碳酸酯基或氰基的化合物。另一种所选单体是具有一个丙烯酰基官能团和齐聚氧乙烯基团(-CH2CH2O-)的化合物。在上述溶液聚合得到的固态电解质内，包括有氰基或碳酸酯基团的单体起到了增强导电系数作用，因为此二基团任意一个均可提供明显数目的接受体，来达到阴离子溶剂化要求，从而形成导电性更高的电解质盐。具有齐聚氧乙烯支链的单体使所得最后聚合物具有柔性和离子移动的自由空间，而且也使所得固体聚合物电解质能与增塑剂相匹配。这种溶液的聚合致使均匀的固体聚合物电解质膜的形成，而不致出现相分离。这些交联的固体聚合物电解质优选是具有下列结构的三聚物基网络 其中R1单独选自氢、C1-10烷基、氟化C1-10烷基的基团；R2选自具有下述结构单元的基团 R3为-CN或选自具有下述结构的基团 R4选自C1-10烷基、氟化C1-10烷基、C1-10芳基、氟化C1-10芳基的基团。x1、y1及z1可以是相同的或不同的，是在1～20范围包括1和20的整数。n、m及i为单体的摩尔分数，大于0和小于1。可以采用使由单体、盐及增塑剂组成的溶液喷雾在电极表面上的方法来原位形成固体聚合物电解质。在这样的表面上铸塑成薄膜层之后，将此溶液进行一段短时间的加热，或进行光固化过程，以原位形成薄至1密尔厚的固体聚合物电解质。另外，可将该单体、盐及增塑剂的溶液以一薄层喷雾在固体底物上，再进行加热或固化处理以陈化固体聚合物电解质，使之聚合成为机械强度适中的薄膜层。如果需要更坚固一些的薄膜，可将计量的溶液喷雾在电极表面或固体底物上涂布的增强纤维上，而后再通过加热或光固化步骤进行固化。这种增强的固体聚合物电解质的厚度可以用所需纤维厚度加以控制。如这里所述，所制备的固体电解质薄膜厚度在约1～4密尔范围，这样的薄膜在本文许多场合都是有用的。由于固体电解质薄膜是通过对单体与电解质盐和增塑剂进行聚合而得，因此聚合物与增塑剂之间的结合以及增塑剂与盐之间的络合都将是按分子水平进行的，即纳米络合。这就产生了一种于环境温度下离子导电性适用而又无相分离的固体聚合物电解质膜。特别地是，纤维增强固体聚合物电解质呈现有机械强度好和环境温度下导电系数高的特点。这种固体聚合物电解质的一种重要的应用在于生产包括正电极、负电极、及固体聚合物电解质膜的固态充电电池。负电极通常是金属锂或含碳材料如焦炭或石墨。另外，添加一些金属氧化物如氧化钨、氧化铁，也可能用作为负电极的材料。正电极可以用锂化金属氧化物(lithiated metal oxide)诸如LiCoO2、LiNiO2及LiMn2O4制备。也可以使用诸如V6O13的材料制备正电极。实施例1一种典型三聚物基固体聚合物电解质是通过将三种单体与一种锂盐及一种增塑剂原位聚合而制备的。这些单体是丙烯酸2-乙氧乙酯(EA)、乙二醇碳酸乙酯甲基丙烯酸酯(ethylene glycol ethyl carbonate methacrylate，EGECM)及二甲基丙烯酸三(乙二醇)酯(TEDM)。EA及TEDM均是从Aldrich Chemical Company(Milwaukee，Wisconsin)公司购得，而EGECM是按下述方法合成而得 产生乙二醇碳酸乙酯甲基丙烯酸酯的反应按如下进行取500毫升双颈烧瓶装上氩气入口及电磁搅拌器，取26.03克(0.20摩尔)甲基丙烯酸2-羟乙基酯，150毫升无水四氢呋喃和17.40克(0.22摩尔)干燥吡啶，装入其中。冷却烧瓶至0～5℃和于氩气气氛下1小时内滴加加入23.87克(0.22摩尔)的氯甲酸乙酯。当加入氯甲酸乙酯时，形成吡啶盐酸盐沉淀。添加完成之后，在室温下搅拌该混合物14小时。接着再对混合物进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙录应，
申请(专利权)人：电池工程公司，
类型：发明
国别省市：