[发明专利]微球复合电解质

说明书

关于政府支持的声明

本文描述和请求保护的发明是部分利用由美国能源部根据合同号DE-OE0000223提供的资金而完成的。政府对本发明具有一定的权利。

技术领域

本发明总体上涉及新合成的两相聚合物电解质材料，更具体地说，涉及一种两相聚合物电解质，该电解质具有嵌入较软聚合物电解质材料基质中的刚性的、共价结合的微球。

对锂二次电池日益增长的需求导致对改善其安全性和性能的研究和开发。许多电池采用液体电解质，并且与高度的挥发性、可燃性和化学反应性相关。出于这种考虑，对锂基电池系统使用固体电解质的想法引起了极大的兴趣。

对于锂离子电池，锂固体聚合物电解质可充电电池是一种特别有吸引力的技术，因为除了其他好处外，固体聚合物电解质还展示出高热稳定性、低自放电速率、在广泛的环境条件下稳定运行、增强的安全性、电池配置的灵活性、最小的环境影响以及低材料成本和加工成本。此外，固体聚合物电解质使得能够使用锂金属阳极，该锂金属阳极比传统的锂离子阳极提供更高的能量密度。

尽管它们具有许多优点，但是固体聚合物电解质的应用受到无法开发出展示出高离子电导率和良好机械性质的电解质的制约。这种困难的产生是因为根据标准机理，高离子电导率需要高聚合物链移动性。但是根据标准机理，高聚合物链移动性倾向于产生机械上柔软的聚合物。

例如，原型聚合物电解质是一种由聚环氧乙烷（PEO）/盐混合物组成的电解质。PEO通常在室温下提供良好的机械性质。然而，PEO在室温下主要也是结晶的。结晶结构通常限制链的移动性，从而降低电导率。在高温（即，高于聚合物的熔点）下操作PEO电解质通过增加链的移动性解决了电导率的问题，且因此改善了离子电导率。然而，增加的电导率以材料的机械性质的弱化为代价。在较高温度下，聚合物不再是刚性的。

现已提出嵌段共聚物作为可能能够展示出良好机械性质和良好电导率的材料。通过使用两个或更多个嵌段的微相分离的嵌段共聚物，至少一个嵌段可以赋予机械完整性，同时至少一个嵌段可以赋予高电导率。聚合物电解质与液体电解质相比受到不良电导率的困扰。聚合物电解质在较高温度下较好地导电，且在>110℃的非常高的温度下操作电化学电池导致与室温下的液体电解质相似的电导率。然而，这必须与机械嵌段的熔解温度进行权衡。到目前为止，还没有报道过可以在高温（>150℃）下操作，同时保持高机械强度的嵌段共聚物。

因此，对于包含具有足够的机械稳定性的电解质材料以便在离子电导率可以被优化的高温下工作的电池单元，曾经有并且仍然有强烈的需求。

聚合物电解质多年来一直是学术和商业电池研究的主题。聚合物电解质之所以受到格外的关注在一定程度上是由于其与锂的反应性低。

在循环过程中，锂金属电极容易形成金属锂丝状物（或枝晶（dendrites）），所述金属锂丝状物（或枝晶）能够通过软电解质材料生长并导致电池故障。当聚合物电解质足够坚硬时，它们可以作为形成枝晶的障碍物。

虽然液体电解质主宰了当今的锂基技术，但是固体电解质可能构成锂基电池的下一波进展。对于锂离子电池，锂固体聚合物电解质可充电电池是一种特别有吸引力的技术，因为除了其他好处外，固体聚合物电解质还展示出高热稳定性、低自放电速率、在广泛的环境条件下稳定运行、增强的安全性、电池配置的灵活性、最小的环境影响以及低材料成本和加工成本。此外，固体聚合物电解质使得能够使用锂金属阳极，该锂金属阳极比传统的锂离子阳极提供更高的能量密度。

附图说明

结合附图，本领域技术人员根据以下对示例性实施方式的描述将会很容易地理解前述的方面以及其他方面。

图1是根据本发明的一个实施方式的复合电解质材料的示意性二维横截面图。

图2是锂金属枝晶撞击根据本发明的一个实施方式的复合电解质材料的示意性二维横截面图。

图3是采用根据本发明的一个实施方式的复合电解质材料的电化学电池的示意性二维横截面图。

发明内容

在本发明的一个实施方式中，提供了一种复合电解质材料。该材料具有由结构性材料的随机地、密堆积的球体构成的第一域以及由所述球体之间的间隙空间构成的第二域。该第二域填充有离子传导性电解质。在本发明的一个实施方式中，所述结构性材料是聚合物。在本发明的另一个实施方式中，所述结构性材料是陶瓷。在各种配置中，至少50%或至少75%或至少90%的球体相互融合。在各种配置中，球体占据电解质材料的至少50%或至少60%。

具体实施方式