[发明专利]聚合物离子电解质

说明书

发明背景

本发明涉及离子液体(ionic liquids)和它们的制备方法。特别地，本发明涉及在相对低的温度下为液体的离子液体。根据本发明的离子液体化合物在低于约100℃的温度下为液体，并且优选在低于约60℃下为液体，并且更优选在环境温度或环境温度附近为液体。本发明进一步涉及聚合物离子电解质(polymeric ionic electrolytes)和它们的制备方法。特别地，本发明涉及通过加入某些聚合物来胶凝本发明的离子液体。根据本发明的聚合物化合物在约0℃-约200℃的温度下为凝胶状，并且在环境温度下或环境温度附近具有大于5毫西门子/cm的电导率。

当前对于使用离子液体作为溶剂用于广泛范围的应用中有极大的兴趣。离子液体是全部由离子组成、具有可忽略的蒸汽压的低熔点盐。通过在广泛范围的可能的阳离子和阴离子中仔细选择，可以制备在低温下为液体的离子液体。还可以控制许多其他的溶剂性能，例如极性和决定液体作为溶剂用于给定的最终应用的适合性的其他因素。

传统的有机溶剂处于有害化学物质列表的前列，因为它们通常是大量使用的挥发性液体并且产生难以容忍的有害蒸汽。另一方面，离子液体是非挥发的、非易燃的并且高度稳定的溶剂，并且因此迅速地上升为有希望的传统挥发性有机溶剂的替代物。

离子液体不仅可用作工业溶剂，而且它们也适合于例如作为用于制备化学的高极性溶剂和作为催化剂。离子液体可忽略的蒸汽压有助于通过分馏将产品分离。它们还在电化学例如在电池组、燃料电池和光电器件以及在电沉积工艺中具有特殊应用。

国际申请No.PCT/GB00/01090披露了作为锌、锡和铁卤化物的特定季铵盐的离子液体。据报道，所披露的离子液体在60℃以下是液体并且制备廉价。据报道，所述锌和锡以及铁卤化物的季铵盐与较早的现有技术离子液体(三氯化铝的季铵盐)相比水敏感性更低。

Hagiwara等，J.Fluorine Chem.，99，1(1999)和J.Electrochem.Soc.，149，D1(2002)近来披露了几种离子液体，其包含以1∶2.3的特定摩尔比与氟化氢组合的多种咪唑氟化物。相反，现有技术的盐导电性极小并且全部是粘性液体。仍然需要具有更大流动性用于溶剂应用并且具有更适用于电化学应用的导电性的离子液体。

目前对于使用聚合物凝胶作为电解质用于广泛范围的应用中也有极大的兴趣。聚合物凝胶是低挥发性的、高度粘性的材料，其几乎全部由聚合物组成，具有可忽略的汽压。

常规电解质处于有害化学物质列表的前列，因为它们通常是大量使用的挥发性液体并且产生在消费者应用中难以容忍的有害溢出物(spills)。另一方面，离子凝胶是非挥发的、非易燃的并且高度稳定的材料，并且因此迅速地上升为有希望的传统液体电解质的替代物。它们还在电化学例如在超级电容器、电池组、燃料电池和光电器件以及在电沉积工艺中具有特殊应用。

Yoshida等，Sci.Tech.J.38，39-45(2002年6月)披露了通过将纤维素材料和交联剂加入到LiBF₄于碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯的混合物中的电解质溶液中而形成的聚合物电解质凝胶。该披露内容表明这些凝胶的电导率小于3毫西门子/cm。因此还需要具有更高电导率的聚合物凝胶。

发明概述

这些需要由本发明满足。现已发现，由杂环胺使用约3摩尔氟化氢/每摩尔胺氮形成的离子液体的导电性比锌、锡和铁卤化物的季铵盐大许多数量级。更特别地，已经发现当将杂环胺与每摩尔胺氮约2.8-3.2mol的氟化氢/混合时，获得具有所希望的盐状性质、将形成高度导电的聚合物凝胶的离子液体。

因此，根据本发明的一个方面，提供了熔点低于约100℃的离子液体，其通过杂环胺与每摩尔胺氮约2.8-约3.2mol的无水氟化氢反应形成，向其中加入数量为有效胶凝该离子液体的聚丙烯酸或其I族金属盐。

适用于本发明的离子液体根据本发明可以由单一杂环胺的盐组成，或者由两种或多种杂环胺的盐组成。单一的杂环化合物可以包含多个胺氮原子，每一个胺氮原子都被转化成盐。