[发明专利]具有固体离子传导性聚合物材料的电化学电池

说明书

本发明提供具有阳极和阴极的电化学电池；其中阳极和阴极的至少一个包括可以离子传导氢氧离子的固体离子传导聚合物材料。

发明背景

电池在现代社会中已经变得越来越重要，给众多便携式电子装置供电，以及作为新的绿色技术中的关键部件。由于这些新技术，可以不再依赖于有助于产生副产物温室气体的当前能源，例如煤炭、石油产品和天然气。此外，在固定和移动应用中能够储存能量对于新能源的成功是至关重要的，并且很可能会大幅增加对所有尺寸的先进电池的需求。特别是对于电池的大型应用，较低的电池基本成本对于这些应用的引进和全面成功是关键的。

然而，常规电池具有局限性。例如，锂离子与其他电池通常使用液体电解质，其对人体与环境有害，并且可能发生火灾或爆炸。液体电解质电池被气密密封在钢或其他牢固的包装材料内，这增加了包装电池的重量和体积。常规液体电解质在电极/电解质界面遭受固体界面层的积聚，其导致电池的最终失效。由于电池内的化学反应达到完成，并且由于腐蚀和枝晶形成限制再充电能力，常规锂离子电池还表现出缓慢的充电时间以及有限的再充电次数。液体电解质还限制了最大能量密度，其在约4.2伏时开始损坏，而新工业应用常常需要4.8伏以及更高的电压。常规锂离子电池要求允许离子流而阻隔电子流的液体电解质隔膜、减轻在壳体内压力的通风口以及此外的最小化潜在危险的过电流与过温度的安全电路。

至于依赖于OH^-离子输送而导电的碱性电池，电解质在某一点变得离子(例如，Zn/MnO₂电池放电期间的锌酸根离子)饱和，并且最终阳极耗尽水。在可再充电碱性电池中，反应在充电期间是相反的。然而，使电解质饱和的同种离子的形成可能会阻碍放电。阴极反应导致OH-离子的释放。然而，可溶性低价物质的形成(例如，Zn/MnO₂电池放电过程中的Mn物质)可以对活性材料的利用产生不利影响。尽管MnO₂理论上可以经历616mAh/g的理论容量的双电子还原(2-electron reduction)，但在实践中，接近理论双电子放电的比容量尚未得到证实。形成不活跃相且可溶性产物向外扩散的晶体结构重排限制阴极电容。

美国专利7,972,726描述了五价铋金属氧化物在提升碱性电池的整体放电性能中的用途。与100％MnO₂的287mAh/g以及100％的AgBiO₃的200mAh/g相比，含有10％AgBiO₃和90％的电解MnO₂的阴极被证明在10mA/g的放电速率下提供351mAh/g至0.8V截止。351mAh/g的比容量对应于MnO₂的1.13电子放电，并且代表在实际有用的放电速率和电压范围内提供的最高比容量。在US 5,156,934和US 5,660,953中公开的铋改性或铅改性的MnO₂材料被宣称为能够在很多周期中提供约80％的理论双电子放电容量。在文献[Y.F.Yao,N.Gupta,H.S.Wroblowa,J.Electroanal.Chem.,223(1987),107；H.S.Wroblowa,N.Gupta,J.Electroanal.Chem.,238(1987)93；D.Y.Qu,L.Bai,C.G.Castledine,B.E.Conway,J.Electroanal.Chem.,365(1994),247]中理论论述铋或铅的阳离子能够在放电过程中稳定MnO₂的晶体结构和/或允许通过涉及可溶性Mn²⁺物质的异质机制来进行双电子还原。含有所述Mn²⁺物质似乎是获得MnO₂高利用率以及可逆性的关键。根据US 5,156,934与US 5,660,953，在高碳含量(30-70％)的阴极内，所得高度多孔结构能够吸收可溶性物质。然而，没有数据表明，利用这些阴极的完整的电池被制得，或者这可以通过使用Zn阳极而起效。