用于电解质的双官能离子液体制造技术

公开了固体聚合物电解质，该固体聚合物电解质包括具有能够与锂离子相互作用的官能团的交联的离子液体(IL)基质；含有聚合性离子液体(IL)材料(单体)的聚合性PEM制剂，所述聚合性离子液体(IL)材料具有能够与锂离子相互作用的官能团和能够交联的反应性聚合性官能团；公开了由包括以下的聚合性制剂制备的电解质：锂传导盐、增塑剂、交联剂和聚合性IL化合物，所述聚合性IL化合物含有至少一个能够与锂离子相互作用的官能团和能够交联的反应性聚合性官能团；公开了含有电解质的电化学电池，所述电解质掺入有含有经聚合的离子液体(IL)材料的这些固体PEM；和公开了其方法。和公开了其方法。和公开了其方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电解质的双官能离子液体


[0001]本公开内容涉及聚合性(polymerizable,可聚合)聚合物电解质材料制剂、固体聚合物电解质、含有所述固体聚合物电解质的电化学电池及其方法。
[0002]专利技术背景
[0003]根据美国环境保护局(EPA)在2017年提供的信息，仅运输行业就占全球温室气体排放的29％。电动车辆在世界各地的适应将有助于大幅减少该数量。随着电动汽车以及混合电动汽车的全球市场的增长，以及锂离子(Li离子)电池在消费电子产品中的共同特征，开发具有高充电和放电速率、长寿命和高能量密度的电池是至关重要的。最重要的是，需要集中精力使这些设备在正常和不利条件下安全。在索尼于1991年将第一个电池商业化以后，Li离子电池已经大量用于大多数消费电子设备中。在20世纪初，电动车辆(EV)竞争个人车辆销售的市场主导地位，但内燃机(ICE)的优点(即能量密集的燃料和更多的动力)意味着EV的发展是零星的，直到1990年代通用汽车(GM)发布其EV
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1并且由于加州的零排放汽车(ZEV)授权，EV的发展才得以普及。EV的主要部件之一是能量存储系统(ESS)，并且改进电池技术可以对EV的商业化具有潜在影响并有助于减少对化石燃料的需求。电池是车辆或设备的昂贵部件，因此电池维持车辆或设备的寿命是重要的。这意味着与当前现有技术的Li离子技术相比，EV和电子设备中使用的下一代Li离子电池将需要所有部件的显著改进。
[0004]正离子和负离子在电池电极之间的穿梭是电解质的主要功能。历史上，研究人员一直专注于开发电池电极，而电解质开发一直受到限制。传统的Li离子电池使用基于碳酸酯的电解质，其可传输锂离子，但收到高易燃性和挥发性的困扰。很大一部分电解质研究致力于开发可以在电极上反应以防止或限制电解质与电极反应的添加剂。还研究了阻燃添加剂，但它们不能防止电池中的不利热反应，并且仅限制火灾的严重程度和规模。
[0005]最近，室温离子液体(RTIL)因其电化学性质而被广泛研究，因为它们是用于Li离子电池中电解质的有前景的材料。离子液体(IL)是具有大阳离子和无机阴离子的有机盐，熔点低于100℃。离子液体中的晶格能由于大体积阳离子而降低，因此熔点较低。IL是用于锂电池的常规电解质的可能的替代物，因为它们的蒸气压可忽略不计、不易燃、电化学窗口宽、化学稳定性和热稳定性高、以及离子传导性良好。
[0006]Kang等人的美国专利第6,727,024号和美国专利第6,395,429号报道了使用基于锂盐的固体电解质和二烷基醚作为增塑剂，以及丙烯酸酯和其他官能化交联剂。由于现有技术电解质中使用的交联剂分子固有的低离子传导性(conductivity,电导率)，本领域缺乏掺入双官能聚合性离子液体以改善高能Li离子电池和基于锂的电池的离子传导性。

技术实现思路

[0007]根据本公开内容的一个方面，提供聚合性聚合物电解质材料(PEM)制剂，包括：聚合性离子液体(IL)单体，该聚合性离子液体(IL)单体含有至少一个能够与锂离子相互作用的官能团以及能够交联所述单体的反应性聚合性官能团；锂离子传导盐；增塑剂；和交联剂。
[0008]根据本公开内容的另一方面，提供固体聚合物电解质，包括：交联的离子液体(IL)基质，该交联的离子液体(IL)基质包括具有能够与锂离子相互作用的官能团、具有多个侧基(pendant group)的聚合物骨架，并且其中多个阳离子部分连接到所述聚合物骨架的多个侧基中的一个或多个，所述阳离子部分是氮阳离子部分、磷阳离子部分和硫阳离子部分中的至少一种；锂离子传导盐；和增塑剂。
[0009]根据本公开内容的另一方面，提供电化学电池，其包括在固体聚合物电解质中彼此间隔开的正电极和负电极。
[0010]根据本公开内容的另一方面，提供制备固体聚合物电解质的方法，包括：
[0011]a.形成包括以下的反应混合物：
[0012]i.聚合性离子液体(IL)单体，其含有能够与锂离子相互作用的官能团和反应性聚合性官能团，含有氮阳离子部分、磷阳离子部分和硫阳离子部分中的至少一种；
[0013]ii.锂离子传导盐；
[0014]iii.增塑剂；
[0015]iv.聚合引发剂；和
[0016]v.交联剂；和
[0017]b.在所述反应混合物中引发聚合以形成PEM，其中双官能IL单体形成聚合物结构的核的一部分。
[0018]在阅读随后的具体实施方式和所附权利要求后，本公开内容的这些方面和其他方面将变得显而易见。
附图说明
[0019]图1显示了现有技术的聚合性IL单体(ILA)以及根据本公开内容的聚合性IL单体(ILB)和(ILC)的分子结构；
[0020]图2显示了根据本公开内容的合成的聚合性IL单体I
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IV的分子结构；
[0021]图3显示了交联固体电解质(PEM)的设计和合成；
[0022]图4显示了使用根据本公开内容的聚合性IL单体合成的PEM膜中离子传导基质的实施方案；
[0023]图5是描绘用于测量PEM膜的离子传导性的Swagelok电池的各个部分的图片；
[0024]图6显示了用于基于体电阻计算PEM膜的离子传导性的Nyquist图；
[0025]图7显示了在高温下显示优异热稳定性的PEM膜的TGA数据；和
[0026]图8显示了根据本公开内容的聚合性IL单体V
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XVI的分子结构。
具体实施方式
[0027]本公开内容的技术一般涉及锂电池电解质。特别地，该技术涉及用于锂离子传输的不易燃、非挥发性固态电解质。该技术还涉及适用于消费电子产品和电动驱动车辆的能量存储系统中有用的电解质。
[0028]本公开内容描述了不易燃且非挥发性的固体电解质，其克服了当前现有技术的Li离子电池以及下一代基于锂的电池中的安全问题。该技术基于可形成固体聚合物电解质的新颖的交联的聚合性IL。所得的离子传导聚合物(ion conducting polymer)电解质材料
(PEM)(包括膜状物(membrane)、膜(film)、块等)同时克服了多年来困扰锂电池电解质的差的热稳定性和电化学稳定性以及安全问题。它们为具有化学和机械可调性的工程化电解质提供了平台，这扩展了对于汽车应用以及消费电子产品可得的可用电池形状因子(form factor)的范围。由于交联的PEM的固有宽电化学稳定性窗口，它们可用于显著增强所有基于锂的电池的操作温度范围和安全性。
[0029]本公开内容涉及聚合性离子液体(IL)材料(单体)，其含有至少一个能够与锂离子相互作用的官能团以及一个反应性聚合性官能团；含有所述聚合性离子液体(IL)材料(单体)的聚合性PEM制剂；含有经聚合的离子液体(IL)材料的固体经聚合的PEM；和含有电解质的电化学电池，所述电解质掺入这些含有经聚合的离子液体(IL)材料的固体PEM。
[0030]合适的聚合性离子液体(I本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.聚合性聚合物电解质材料(PEM)制剂，其包含：聚合性离子液体(IL)单体，该聚合性离子液体(IL)单体含有能够与锂离子相互作用的官能团和能够交联的反应性聚合性官能团；锂离子传导盐；增塑剂；和交联剂。2.权利要求1所述的聚合性制剂，其中所述能够与锂离子相互作用的官能团包括单键碳
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氧
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碳结构。3.权利要求1所述的聚合性制剂，其中所述能够与锂离子相互作用的官能团选自醚、腈、硅烷基、氟代烷基、硅氧烷、磺酸根、碳酸根、酯、环氧乙烷或其组合。4.权利要求1所述的聚合性制剂，其中所述能够交联的反应性聚合性官能团选自乙烯基、烯丙基、丙烯酸酯、苄基乙烯基和丙烯酰基。5.权利要求1所述的聚合性制剂，其中所述能够交联的反应性聚合性官能团含有氮阳离子部分、磷阳离子部分和硫阳离子部分中的至少一种。6.权利要求5所述的聚合性制剂，其中所述氮阳离子部分选自咪唑鎓、铵、吡啶鎓、哌啶鎓、吡咯烷鎓、吖庚因鎓和吗啉鎓部分。7.权利要求5所述的聚合性制剂，其中所述硫阳离子部分选自锍部分。8.权利要求5所述的聚合性制剂，其中所述磷阳离子部分选自鏻部分。9.权利要求1所述的聚合性制剂，其中所述锂离子传导盐以所述制剂的10重量％至50重量％的范围存在。10.权利要求1所述的聚合性制剂，其中所述增塑剂以所述制剂的5重量％至50重量％的范围存在。11.权利要求9所述的聚合性制剂，其中所述增塑剂是室温离子液体(RTIL)。12.权利要求1所述的聚合性制剂，其中所述聚合性离子液体(IL)单体以所述制剂的0.1重量％至50重量％的范围存在。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：S莫甘蒂，R维迪亚，J西尼克罗皮，Y吴，G托雷斯，
申请(专利权)人：诺姆斯科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：