小域大小多嵌段共聚物电解质制造技术

已经开发了比以前所报道的其他嵌段共聚物电解质具有更高电导率的新型嵌段聚合物电解质。该新材料是由域大小相对较低的多个嵌段（>5个）构建而成的。小的域大小在电化学电池中提供了避免在相对于锂循环期间形成树枝状物的更大防护，而大的总分子量确保了较差的长距离排列，这导致更高的电导率。除了具有更高的电导率以外，由于对试剂纯度水平要求的降低，这些材料能够更容易地合成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】已经开发了比以前所报道的其他嵌段共聚物电解质具有更高电导率的新型嵌段聚合物电解质。该新材料是由域大小相对较低的多个嵌段（>5个）构建而成的。小的域大小在电化学电池中提供了避免在相对于锂循环期间形成树枝状物的更大防护，而大的总分子量确保了较差的长距离排列，这导致更高的电导率。除了具有更高的电导率以外，由于对试剂纯度水平要求的降低，这些材料能够更容易地合成。【专利说明】小域大小多嵌段共聚物电解质 相关申请的交叉引用本申请要求提交于2012年4月14日的美国临时专利申请61/624，253的优先权，该临时申请通过引用并入本文。 政府支持声明本文所描述并请求保护的专利技术是部分地利用了由美国能源部根据合同号DE-0E0000223提供的经费而完成的。政府在本专利技术中享有一定的权利。 专利技术背景
本专利技术总体上涉及用于电化学电池的电解质，更具体地涉及具有高电导率和足够的硬度以防止在相对于锂循环时形成树枝状物(dendrites)且可简单合成的嵌段共聚物电解质。已表明，包含交替的、纳米长度级别的硬域和软域的聚合物电解质可在电化学电池中提供足够的电导率和相对于Li金属阳极的出色的循环稳定性。这种纳米级别的有序结构已由提供离子导电的软聚合物和提供机械完整性的硬聚合物的共聚物形成。在维持硬域与软域的期望体积比的同时，通过控制交替域的大小与方向已获得了最优电导率。几何因素，如域大小和域长距离排列(long range alignment)的程度,可通过改变包含硬域和软域的共聚物的架构而改变。通常，具有较高分子量的聚合物具有较好的机械性质。对于嵌段共聚物尤其是这样。当采用常规方法制备高分子量嵌段共聚物时，包含不同嵌段的域的大小可能很大，大于约lOOnm。使用相对于单体量来说少量的引发剂来确保反应产生更少的高分子量(即，长)链，而不是更多的低分子量(即，短)链。高纯度在制备高分子量聚合物中尤其关键，因为当期望得到较高分子量时，使用较少量的引发剂(少于用于制备低分子量聚合物的引发剂的量)。但是混合物中的杂质会在达到期望的分子量之前终止反应。较之低分子量聚合物，高分子量聚合物中存在多得多的与邻近聚合物分子的链缠结。虽然这导致宏观水平上较优的机械韧性，但是这些缠结限制了分子可移动性，并且可能导致自组装变差及相分离域的长距离排列减少。相反，低分子量嵌段共聚物具有很少的缠结或无缠结，因此具有更高的分子可移动性以组装成在多个连续域内具有良好的长距离排列的相分离域。较差的长距离排列似乎是产生良好电导率的影响因素，所以当制备用作电解质的材料时使用高分子量聚合物是最理想的。当采用嵌段共聚物制备电解质时，已使用含有非常大的嵌段(200，000道尔顿数量级或更大)的高分子量嵌段共聚物链来制备包含非常大的域的材料。已假定大嵌段和高分子量是相关联的，因此对于高电导率而言非常大的域是理想的。然而，对于高分子量嵌段共聚物材料，尚未很好地理解域大小对电导率的影响，并且这些材料中尚无法相对于总分子量独立控制域大小。若能够通过对嵌段共聚物电解质的分子量、域大小和长距离排列的独立控制而同时优化电导率和机械性质，并且具有制备这类不如此严格依赖于极端纯度的嵌段共聚物电解质的方法，将是有用的。【专利附图】【附图说明】当连同附图一起阅读时，技术人员根据以下说明性实施方案的描述将很容易地理解前述方面和其他方面。图1A是具有大嵌段的高分子量嵌段共聚物分子的示意图。图1B是由图1A中的分子制成的、具有大域的高分子量嵌段共聚物材料的示意图。图2A是具有小嵌段的低分子量三嵌段共聚物分子的示意图。图2B是通过将图2A所示的低分子量嵌段共聚物分子串在一起制成的高分子量嵌段共聚物分子的示意图。图2C是根据本专利技术的一个实施方案由图2B中的分子制成的、尽管是高分子量但却具有小域的高分子量嵌段共聚物材料的示意图。图3A是具有小嵌段的低分子量二嵌段共聚物分子的示意图。图3B是通过将图3A所示的嵌段共聚物分子串在一起制成的高分子量嵌段共聚物分子的示意图。图3C是根据本专利技术的一个实施方案由图3B中的分子制成的、尽管是高分子量但却具有小域的高分子量嵌段共聚物材料的示意图。图4A是具有小嵌段的低分子量三嵌段共聚物分子的示意图。图4B是通过将图4A所示的嵌段共聚物分子串在一起制成的高分子量嵌段共聚物分子的示意图。图4C是根据本专利技术的一个实施方案由图4B中的分子制成的、尽管是高分子量但却具有小域的高分子量嵌段共聚物材料的示意图。图5A是具有小嵌段的低分子量三嵌段共聚物分子的示意图。图5B是通过将图5A所示的嵌段共聚物分子串在一起制成的高分子量嵌段共聚物分子的示意图。图5C是根据本专利技术的一个实施方案由图5B中的分子制成的、尽管是高分子量但却具有小域的高分子量嵌段共聚物材料的示意图。
技术实现思路
在本专利技术的一个实施方案中，提供了一种线性嵌段共聚物电解质。该嵌段共聚物是由多条分子量大于约100，000道尔顿的线性聚合物链制成的，并且每条链跨越多个连续的层状域。第一层状域包含多个分子量为约500-10，000道尔顿的第一线性聚合物嵌段和盐，是电解质材料的导电部分。第二层状域包含多个分子量为约500-10，000道尔顿的第二线性聚合物嵌段。第二层状域与第一层状域相邻，是电解质材料的结构部分。在本专利技术的一个实施方案中，聚环氧乙烷(PEO)用作导电嵌段。PEO可由纯度为约98-99.5%的环氧乙烷合成。在本专利技术的一个实施方案中，聚苯乙烯(PS)用作结构嵌段。PS可由纯度为约95-99.5%的苯乙烯合成。在本专利技术的一个实施方案中，嵌段共聚物电解质在90°C下具有至少IXKr5ScnT1的离子电导率。在本专利技术的另一实施方案中，提供了一种合成嵌段共聚物电解质的方法。该方法包括形成具有第一离子导电嵌段和第二结构嵌段的单个嵌段共聚物链。每个嵌段具有约250-10, 000道尔顿的分子量。使单个嵌段共聚物链连接起来形成分子量大于约100，000道尔顿的较大嵌段共聚物分子。将盐如锂盐加入嵌段共聚物中。【具体实施方式】以用于锂电池的聚合物电解质为例阐述了优选的实施方案。然而，技术人员将很容易地领会到，本文所公开的材料和方法将可应用于许多其他需要固体聚合物离子导电的情况，特别是合成的容易程度至关重要的情况。本文所引用的所有出版物均出于所有目的通过引用整体并入本文，犹如在此充分地描述。本文给出的分子量是重均分子量。现在将参照附图，其中相似的标号自始至终表示相似的部分。有许多方法可用于合成嵌段共聚物电解质。一个实例是活性阴离子聚合。将导电聚合物嵌段的单体加入至结构聚合物嵌段分子的活性阴离子聚合混合物中。单体连接至结构聚合物分子的末端并长成长的嵌段共聚物链。在阴离子聚合中保持非常高的纯度是很重要的，因为杂质可能结合至链端从而阻止更多的单体与之连接。因此，在达到期望的分子量之前杂质可能使反应停止。若不存在显著的杂质，反应可进行至完成，之后用适当的试剂来终止。只有在非常可控的条件下才能发生期望的反应，这使得高分子量嵌段共聚物的工业合成变得困难并且成本高昂。其他合成嵌段共聚物电解质的方法，如阳离子聚合、反应性共混以及受控自由基聚合，本身也很复杂，这也使得这样的生产过程很昂贵。此外，这些聚合技术本身可能将杂质引入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·皮斯托里诺，哈尼·埃陶尼，
申请(专利权)人：西奥公司，
类型：
国别省市：