[发明专利]包含咪唑衍生物的聚合物及其在电化学电池中的用途

说明书

本发明公开了含有衍生自乙烯基咪唑衍生物的单体单元的聚合物以及它们在电极材料和/或电解质组合物中的用途，及其制备方法。还描述了包含所述聚合物的电极材料、电极和电化学电池，以及它们的用途。

相关申请

本申请要求2017年7月6日递交的美国临时申请No.62/529,146的优先权，将其内容全部引入文本以供参考。

技术领域

本发明的技术领域总体涉及含有衍生自乙烯基咪唑衍生物的单体单元的聚合物，它们的制备方法，以及它们在电化学电池中的用途，例如在复合电极中和/或在聚合物电解质中的用途。

背景技术

在可充电电池的领域中，聚合物粘合剂通常用于促进在活性材料粒子之间的粘接以及活性材料对集电器的力学粘合性。包含在复合电极中的常规的聚合物粘合剂不具有电化学活性，并且在所用的电势范围内是化学惰性的。但是，它们对电池的质量和稳定性作出显著贡献(参见Yamamoto,H等,锂离子电池：科学和技术(Lithium-Ion Batteries:Scienceand Technologies),Springer New York,2009,163-179)。

在常规电池中最常用的聚合物是溶解在有机溶剂例如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中的聚偏二氟乙烯(PVDF)。已知NMP是有毒的，具有不利的环境影响，并且具有非常高的沸腾温度(202℃)(Guerfi,A.等,Journal of Power Sources,163.2(2007):1047-1052；Lux,S.F.等,Journal of Electrochemical Society,157.3(2010):A320-A325)。虽然，溶解在NMP中的PVDF是有效的电化学惰性聚合物粘合剂，但是其在用于工业应用时存在显著的缺点，例如在生产成本和溶剂蒸发后电极涂层方面，这需要大量的能量(Lux,S.F.等,同上)。另外，当与电池电解质接触时，PVDF引起形成氟化锂，这加速了粘合剂的化学降解(参见Guerfi,A.等，同上)，进而提高了电池降解速率，导致其使用寿命减少。

羧基甲基纤维素(CMC)与苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)的组合使用是用于可充电电池领域中的聚合物涂料的另一个常规例子。在这种含水聚合物粘合剂中，SBR对涂料与集电器之间的粘合做出贡献，同时CMC帮助增稠分散以及在活性材料粒子之间的粘合(Guerfi，A.等，同上)。CMC/SBR粘合剂可以与活性材料例如LiFePO₄和LTO组合使用(Chou,S.L.等，Physical Chemistry Chemical Physics,16.38(2014):20347-20359)，但是已知在诸如LCO等的材料的情况下不是有效的(Lee,J.T.等,Journal of Power Sources 173.2(2007):985-989)。同样，像PVDF/NMP一样，CMC/SBR粘合剂是电化学非活性的，并且对于电池效率没有积极的贡献。

聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯酸(PAA)和聚乙烯(PVA)已经作为聚合物粘合剂用于复合电极(Cai，Z.P.等,Journal of Power Sources,189.1(2009):547-551；Gong,L.等,Electrochemistry Communications,29(2013):45-47；Park,H.K.等,ElectrochemistryCommunications,13.10(2011):1051-1053)。但是，这些聚合物通常缺少柔性(高的玻璃化转变温度)，这对它们的应用造成主要的障碍。实际上，在电极的多次循环时，已知这些聚合物粘合剂形成裂纹，导致丧失复合电极的完整性(Tran,B.等,Electrochimica Acta 88(2013):536-542)。