[发明专利]用于碱性电池的杂化固体单离子传导电解质

说明书

Nitash P.Balsara，Irune Villaluenga，Dominica H.C.Wong，Joseph M.DeSimone

联邦支持的声明

本发明在美国能源部授予的合同号DE-AC02-05CH11231的政府支持下完成。政府具有本发明中的一定权利。

相关申请

本申请要求2015年5月21日提交的美国临时专利申请序列号62/165,079和2015年11月12日提交的美国临时专利申请序列号62/254,486的权益，其公开内容通过引用以其整体并入本文中。

发明领域

本发明涉及用于电池如锂离子电池、锂-空气电池和钠-空气电池的杂化固体电解质组合物。

发明背景

在为个人电子设备和电动汽车供电的锂离子电池中所使用的电解质包含溶解于易燃有机液体的锂盐。灾难性的电池故障可能导致易燃电解质的燃烧。另外，电解质和阳极颗粒之间的副反应导致连续的容量衰减。副反应的副产物中的一些可以溶解于电解质并且从一个电极迁移到另一个。该效应在固体电解质的情况下由于有限的溶解性和缓慢的扩散可以最小化。液体和盐的混合物具有额外的限制。电流的通过导致盐在一个电极附近积聚而在另一个电极附近损耗，因为仅阳离子参与电化学反应。过度集中和损耗的电解质均具有较低的传导率，并且这加重电池极化并降低功率容量。

固体电解质如无机硫化物玻璃(Li₂S-P₂S₅)是在室温具有高剪切模量(18-25GPa)和高离子传导率(超过10^-4S/cm)的单离子导体。然而，这些材料不能独自作为高效的电解质，因为它们不能随着它们充电和放电而附着至活性颗粒在电池电极中的移动边界。Hayashi等人通过混合硫化物玻璃和聚(氧化乙烯)(PEO)聚合物来制备杂化电解质(Hayashi，A.；Harayama，T.；Mizuno，F.；Tatsumisago，M.J.Power Sources 2006，163，289-293)。尽管这改善机械柔性，但是由于PEO绝缘的本性而存在离子传导率的急剧降低。例如，17重量百分比(wt.％)的PEO(400g/mol的分子量，Mw)的添加导致离子传导率的百倍降低。

附图简述

图1.(a)通过机械化学反应的杂化电解质77(75Li₂S.25P₂S₅).23PFPE(r＝0.04)的合成。(b)实施例中所描述的玻璃小球电解质、杂化小球电解质、杂化膜电解质和液体电解质的特性。

图2.(a)无机硫化物玻璃电解质(75Li₂S.25P₂S₅)和(b)杂化电解质(77(75Li₂S.25P₂S₅).23PFPE(r＝0.04))的³¹P-NMR谱。

图3.(a)液体电解质(PFPE-二醇/LiTFSI(r＝0.04))和(b)杂化电解质(77(75Li₂S.25P₂S₅).23PFPE(r＝0.04))的¹⁹F-NMR谱。(c)液体电解质和杂化电解质的¹⁹F-NMR的化学位移。

图4.(a，b)硫化物玻璃小球和(c，d)杂化电解质膜的SEM图像。

图5.(a)杂化膜的SEM图像。(b)硫(S)、(c)磷(P)和(d)氟(F)的元素分布图。(e)杂化膜的电子能谱。

图6.在30℃测量的杂化电解质的(●)储存(G′)和(○)损耗(G″)模量的频率(ω)相关性。

图7.离子传导率σ，作为温度倒数的函数。(●)玻璃小球，(▲)杂化膜，(○)来自Minami等人的玻璃小球，和(◇)来自Wong等人的PFPE-二醇/LiTFSI。(---)虚线曲线显示使用等式2计算的杂化物的传导率。

图8.杂化电解质的在30℃的典型阻抗谱。(◇)实验数据和(-)线对应于使用插图中所示的等效电路的拟合。