[发明专利]可极化离子导电材料

说明书

背景技术

可极化器件具有广泛的应用，例如能量存储、数据存储以及电开关。通常所使用的可极化器件中有电介质电容器和双层电容器。

电介质电容器具有低电容，例如0.1μF/cm²至1μF/cm²。因而，它们的应用非常有限。另一方面，将电荷储存在其两个电极层中的双层电容器具有更大的电容，例如0.5μF/cm²至5.0μF/cm²。然而，双层电容器昂贵并且不容易按比例放大。

需要开发可放大且便宜的可极化离子导电材料。

发明内容

本文公开了一种既便宜又可放大的可极化离子导电材料。

可极化离子导电材料包括可动离子和由具有与所述可动离子的电荷相反电荷的离子基团的聚合物形成的基体。该材料具有至少0.2mC/g的极化（优选为2mC/g至25C/g，并且更优选为0.1C/g至25C/g）、至少0.1mF/g的电容（优选为1mF/g至80F/g，并且更优选为0.5C/g至80F/g）以及至少5秒的极化保持时间（优选为至少10秒，更优选为至少60秒）。

此外，该材料可以具有1W·h/kg至30W·h/kg的能量密度（优选为5W·h/kg至30W·h/kg）以及100W/kg至5000W/kg的功率密度（优选为500W/kg至5000W/kg）。

在一个实施方案中，可动离子为阳离子（例如H⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺、NH₄⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Sn²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Ag⁺、Au²⁺及其组合）并且离子基团带负电荷（例如，磺基、羧基、膦酸基、烯醇基、硫醇基、苯氧基及其组合）。

在另一实施方案中，可动离子为阴离子（例如，OH^-离子、F^-离子、Cl^-离子、Br^-离子、I^-离子及其组合）并且离子基团带正电荷（例如，铵基）。

可极化离子导电材料可以为任何形状和任何尺寸，例如实心圆柱、实心管（solid tube）、凝胶、糊、板、粉末、颗粒以及膜。当其为膜时（例如，厚度为1nm至1cm；优选为1μm至10mm；并且更优选为0.05mm至5mm），其可以具有至少0.2mC/g的极化、至少0.1mF/g的电容、至少5秒的极化保持时间、1W·h/kg至30W·h/kg的能量密度、100W/kg至5000W/kg的功率密度以及0.0001S/cm至100S/cm（例如0.001S/cm至100S/cm）的离子电导率。

用于存储电荷的器件也在本发明的范围之内。该器件包括上述的可极化离子导电材料、第一导电层和第二导电层。可极化离子导电材料布置在第一导电层与第二导电层之间。在充电时，可动离子向第一导电层迁移从而使可极化离子导电材料极化；并且，在放电时，可动离子向第二导电层迁移从而使可极化离子导电材料去极化。第一导电层和第二导电层可以独立地由石墨片、碳基导电材料、铜、铁、钢、铝、银、金、铂或其组合制成。

在以下描述中对本发明的一个或更多个实施方案的细节进行说明。根据说明书和权利要求，本发明的其他特征、目标以及优势将是明显的。

具体实施方式

本发明的可极化离子导电材料具有各种应用，包括能量存储、数据存储、离子导电以及电开关。特别地，可极化离子导电材料可以用在能量存储电容器和锂离子电池中，也可以用作燃料电池离子导电膜、固态电解质以及微波吸收材料。