固态凝胶薄膜的制作方法

专利名称：固态凝胶薄膜的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及固态凝胶薄膜，特别是涉及一种以聚合物为基的离子导电的固态凝胶薄膜。
本发明的技术背景电化学装置通常含有电解质，以提供产生电化学反应所必需的阴离子或阳离子。以锌/空气系统为例来说，它需要氢氧阴离子的扩散，并且通常使用氢氧化钾水溶液作为电解液。但是，这种蓄电池的使用寿命受到以下几个因素的限制。第一，裸露的锌阳极被含水的电解液和空气所腐蚀。第二，空气阴极的排气道逐渐被来自电解液的水所堵塞。第三，电解液被自阳极扩散的氧化锌生成物所污染。
到目前为止，针对以锌阳极为基础的系统(例如锌/空气燃料电池)使用含水电解液的许多问题，采用了各种各样的方法。举例来说，在电解液中加入添加剂，来延长系统的使用寿命和保护阳极免受腐蚀。美国专利4,118,551公开了使用无机添加剂(例如汞、铟、锡、铅、铅化合物、镉或氧化铊)来减小对锌电极的腐蚀。但是，其中的许多添加剂不仅价格昂贵，而且更为重要的是，有很强的毒性。美国专利4,378,414公开了在正电极和负电极之间使用一种多层隔膜来减小对阳极的腐蚀和氧化锌生成物对电解液的污染。另外，还给锌/空气装置引入了疏水性材料，以防止水渗入阴极的排气道。但是，疏水性材料的引入，是一个复杂的工艺技术，而且可能会造成阴极性能的下降。
除了锌/空气系统之外，其他金属/空气系统，例如铝/空气、锂/空气、镁/空气和铁/空气系统，由于在理论上有着高的安时容量、电压和能量密度，因而，也具有应用于许多不同用途的潜力。但实际上，这些非常有希望的理论数值，因金属阳极在电解质中的腐蚀，而被大大地降低。
美国专利5,688,613公开了一种固态氢氧化物导电电解质聚苯并咪唑(PBI)薄膜，这种PBI薄膜包括一个聚合物支承体结构，电解质活性核素分散在其中，聚合物结构直接和阳极及阴极相接触。但是，这种PBI薄膜并不吸收水，因此，不保持薄膜内的水，从而，使薄膜很快脱水变干。
美国专利3,871,918公开了一种电化学电池，电池中含有一个由悬浮在凝胶内的锌粉末颗粒所组成的电极，凝胶是由亚甲基双丙烯酰胺(methylenebisacrylamide)、丙烯酸及丙烯酰胺组成。氢氧化钾作为电解质，并被包含在凝胶之中。
就依靠阳离子导电的装置而言，虽然在本领域进行了大量的研究工作，但是，大多数质子导电薄膜不仅造价非常昂贵，而且通常不能够在室温下工作。例如，在1970年推出的一种全氟化聚合物薄膜NAFION(杜邦公司，Wilmington，德国，美国)，后来的质子导电薄膜就是以此为基础发展起来的。
美国专利5,468,574公开了一种质子导电薄膜，这是一种由成块共聚物所组成的高度磺化聚合物薄膜，成块共聚物由磺化聚苯乙烯、乙烯及丁烯块组成。1997年，美国国家航空航天局喷气推进实验室公开了一种由磺化聚醚(醚醚酮)组成的改进型质子导电薄膜，这种薄膜通常被称之为H-SPEEK。
电池或蓄电池中的隔膜，在物理上将不同极性的电极分隔开来并使不同极性的电极绝缘。在作为不同电极的活性材料的迁移屏障的同时，隔膜还应当能够提供离子导电。良好的离子导电性，是确保电化学电池/蓄电池能够为指定用途输出大小合适的电能所必需的。
在可充电的电化学电池中，隔膜还用来防止在充电过程中因金属枝晶穿透所造成的短路。举例来说，在一个可充电的锌/空气电池中，在放电过程中，位于锌负电极(阳极)表面上的锌，以锌酸盐离子的形式被溶解进入电解液。这样，在充电过程中，当充电电流通常低于20mA/cm2时(取决于所使用的具体阳极)，锌酸盐离子会形成锌的枝晶，枝晶是针状的而且是从负电极朝着充电电极方向生长。不幸的是，这些针状结构能够穿透一般的隔膜，造成内部短路。电池的寿命因此而被终结。除了防止枝晶穿透之外，隔膜还必须在电池的充电和放电过程中能够交换电解离子。
在可充电电池中，最常用的隔膜是聚烯烃、聚乙烯醇(PVA)、酰胺纤维或赛璐玢的多孔性绝缘薄膜。丙烯酸复合物也可以辐射接合到这些隔膜上，以使电解质更好地湿润和渗透隔膜。虽然为了提高隔膜的性能，已经进行了大量的工作，但是，枝晶穿透问题在上述或其他一般隔膜上还是经常遇到，而且反应生成物(例如金属氧化物)扩散到电池其他部分的问题也是经常遇到。
就一般隔膜而言，控制隔膜的孔隙尺寸，是避免枝晶穿透和阻止反应产物扩散的唯一有效途径。但是，采用这种做法，将会大大降低隔膜的离子导电性。这会对高的充电—放电电流密度操作造成瓶颈，在一些应用场合(例如电动车辆)中，高的充电—放电电流密度操作是重要的条件。
美国专利5,549,988公开了一种电解质系统隔膜，隔膜位于可充电电化学蓄电池的阴极与阳极之间。这种电解质系统包括一个利用聚丙烯酸或其衍生物所准备的聚合物基体。电解核素，例如KOH或H2SO4，被加入聚合物基体，形成电解质系统。但是，正如该专利所描述的那样，对所公开的电解质—聚合物薄膜进行测量，发现其离子导电率低，从0.012S/cm～0.066S/cm。虽然上述导电率对于一些用途来说是可以接受的，但是，对于一些高导电率要求的应用场合(包括电动车辆在内)来说，上述导电率却是不够的。
电化学反应还与电色装置(ECD，即，electrochromic device)的工作有关。电色化，被概括性地定义为一个可逆光吸收变化，这种可逆光吸收变化通过引入材料、利用电化学氧还原法来实现。通常，一种电化学装置含有两种不同的、具有互补特性的电色材料(ECM)一种材料通常是还原材料，在还原过程中，进行从色彩(1)到色彩(2)的变换；另一种材料是氧化材料，在损失电子时，进行一个类似的变换。
根据电色材料在电色装置中的位置，基本上有两种类型的电色装置。在薄膜型电色装置中，两种电色材料是被涂敷在两个电极上，而且在氧化还原着色过程中，两种电色材料依然保持在两个电极上。在液相型电色装置中，两种电色材料是被溶解在电解液中，而且在着色过程中，两种电色材料依然保持在电解液中。通常，液相型电色装置的可靠性较高而且寿命较长，但是，为了保持着色状态，必须施加一个不间断的外部电源。由于薄膜型电色装置不需要外部电源来保持其着色状态，因此，薄膜型电色装置的电力消耗大大减小，从而，有利于节能应用场合，例如，智能型窗口(smart windows)。薄膜型电色装置的缺点是寿命短。在一定次数的循环之后，电色材料薄膜就会失去与电极的接触，即电色材料薄膜可能不再能够进行相变，从而，电色装置报废。
以液相型电色装置为例来说，美国专利5,128,799公开了一种降低保持着色状态所需电流的方法，这种方法需要给装置加入凝胶。但是，给装置加入凝胶，在降低装置能耗的同时，也会大大减慢装置的转变速度。就薄膜型电色装置而言，延长其寿命的方法包括改变薄膜的晶体结构。虽然改变薄膜的晶体结构能够在一定程度上提高薄膜型电色装置的寿命，但这类装置的一般寿命也依然不能令人满意。
因此，上述问题是燃料电池(一种绿色能源)及电色装置(例如具有节能、装饰及信息显示用途的智能型窗口及平板显示器)成功研制及实现商业化的主要障碍。就可充电电化学电池的问题而言，显然非常需要一种隔膜，在能够提供高的离子导电率的同时，还可以有效地防止金属枝晶的穿透及反应产物的扩散。
本发明的概述本发明提供了以聚合物为基的固态凝胶薄膜，薄膜在凝胶的液相之内含有离子核素，而且薄膜具有高的阴离子或阳离子导电性。举例来说，根据本发明的原理，固态凝胶薄膜可以用于金属/空气电池(例如锌/空气、镉/空气系统、锂/空气系统、镁/空气系统、铁/空气及铝/空气系统)，Zn/Ni电池，Zn/MnO2电池，Zn/AgO电池，Fe/Ni电池，铅酸电池，Ni/Cd电池，以及氢燃料电池；还可以用于电色装置，例如，智能型窗口及平板显示器。另外，即时聚合物固态凝胶薄膜也可以用于可充电的电化学电池，其中，固态凝胶薄膜被用作一个隔膜，位于充电电极与阳极之间。
以一种锌/空气燃料蓄电池为例来说，本发明的导电薄膜可用来保护阳极和阴极。在这样的系统中，离子核素被包含在固态凝胶薄膜的液相之内，使薄膜具有液态电解质的特性，但没有缺点。这种薄膜保护阳极免受腐蚀(因电解质和空气所引起的)，并避免来自阳极的氧化锌生成物对电解质造成污染。就阴极而言，由于薄膜呈固态，没有水来堵塞阴极的排气通道。因此，这种系统的使用寿命将得以延长。
在本文中，术语“阳极”指的是术语“负电极”，并且可以与术语“负电极”互换。同样，术语“阴极”指的是术语“正电极”，并且可以与术语“正电极”互换。
本发明还包括可再充电的电化学电池，它在阳极与充电电极之间使用固态凝胶薄膜作为隔膜。这样的隔膜能够提供一般隔膜所不具备的许多优点。举例来说，这种隔膜能够提供一个不能穿透的平滑表面，这个表面允许在电池充电及放电过程中进行离子交换，同时，还能够防止快速的枝晶穿透和阻止反应生成物(例如金属氧化物)扩散到电池的其他部分。另外，就本发明的固态凝胶薄膜而言，测量到的离子导电率，远远高于现有技术的固体电解质或电解质—聚合物薄膜的离子导电率。举例来说，就本发明的隔膜而言，观测到的导电率，令人吃惊地约为0.10S/cm或者更高。更为令人吃惊的是，测量到了高达0.36S/cm的离子导电率，而且仍有可能观测到更高的离子导电率数值。因此，这些独特的、无可比拟的特性，将本发明的隔膜与现有技术的隔膜区别开来，现有技术的隔膜仅仅捕获枝晶生长和减慢枝晶穿透。
因此，就本发明的第一方面而言，涉及一种可再充电的电化学电池，它包括一个隔膜、一个阳极、一个阴极及一个充电电极。可选择的是，也可以将一种液态电解质(例如本文中所提到到的和/或本领域普通技术人员所共知的那些液态电解质中的一种液态电解质)包含在可再充电的电池之中。这种液体(含水)电解质接触到隔膜，每一个电极，还有多孔隔片(如果使用的话)。隔膜包括一种以聚合物为基的离子导电的固态凝胶薄膜，这种薄膜包括一个支承体(suport)，在支承体上，形成以聚合物为基的凝胶，该凝胶具有包含在液相之内的离子核素。支承体可以是纺织品或非纺织品或一个电极。
这种以聚合物为基的凝胶包括一种由一种单体或多种单体聚合而成的聚合物，单体选自一组水溶性的乙烯不饱和的酰胺和酸。这种以聚合物为基的凝胶，还包括一个水溶性的或水膨胀性的聚合物，用作加强元件。另外，还可以选择包括一种化学聚合引发剂(在后面列出)。在聚合反应之前，离子核素被加入到含有聚合反应引发剂(如果使用的话)、单体及加强元件的溶液中，在聚合反应之后，离子核素保留嵌入在聚合物凝胶之内。
聚合反应是在室温～大约130℃温度范围内的一个温度下来进行的，但是，最好是将温度提高到在大约75℃～大约100℃温度范围内的一个温度。较高的加热温度，例如95℃～100℃，能够形成强度较高的聚合物表面，在可充电电池中，这是一个所希望具备的特性。可选择的是，也可以利用辐射与加热相结合的方法来实现聚合反应。另外，也可以在不提高原料温度的情况下，仅利用辐射的方法，依靠辐射强度来实现聚合反应。举例来说，辐射类型包括但并不局限于紫外线辐射、γ射线辐射或x射线辐射。
在可再充电的电池中，阴极和充电电极可以是一个双功能电极，也可以是分立的独立电极。隔膜位于阳极与充电电极之间。在碱性系统中，氢氧离子通常来自氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或其混合物的碱性水溶液。以氢氧化钾溶液为例来说，氢氧化钾的浓度可取范围是大约0.1％(重量)～大约55％(重量)，最好是在大约37.5％(重量)。在酸性系统中，质子来自酸性水溶液中，例如高氯酸、硫酸、盐酸或其混合物的酸性水溶液。以高氯酸溶液为例来说，高氯酸的浓度可取范围是大约0.5％(重量)～大约70％(重量)，最好是在大约13.4％(重量)。薄膜隔膜也可以应用于中性系统，其中，离子来自氯化铵和硫酸钾的饱和中性水溶液；氯化铵、硫酸钾及氯化钠的饱和溶液；或硫酸钾和氯化铵的饱和中性溶液。
当阴极和充电电极是分立的独立电极时，充电电极位于隔膜与阴极之间，而且多孔隔片可以被选择设置在充电电极与阴极之间。
就本发明的第二方面而言，是一种可再充电的电化学电池，它包括一个隔膜、一个金属阳极(最好是锌)、一个空气阴极及一个充电电极。在这种系统中，隔膜是一种以聚合物为基的氢氧化物导电的固态凝胶薄膜，薄膜包括一个支承体，在支承体上面，形成以聚合物为基的凝胶，该凝胶具有包含在液相之内的氢氧离子核素。这种以聚合物为基的凝胶包括一个用作加强成份的聚砜以及一种由聚合反应引发剂、亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酰胺和甲基丙烯酸所生成的聚合物。氢氧离子核素来自碱性水溶液(氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或其混合物的浓度范围为大约0.1％(重量)～55％(重量))，离子核素是在聚合反应之前加入到聚合反应引发剂、亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酸及聚砜之中的。空气阴极和充电电极可以是一个双功能电极，也可以是分立的独立电极。隔膜位于金属阳极与充电电极之间。隔膜的离子导电性的范围通常在大约0.10S/cm～大约0.36S/cm，但是也可能更高。
就本发明的第三个方面而言，是一种电化学电池，它包括第一电极、第二电极及设置在这两个电极之间的一个或多个以聚合物为基的固态凝胶薄膜。就第一实施例而言，这种电化学电池是一个锌/空气电池，电池有一个阳极保护固态凝胶薄膜及一个氢氧化物导电固态凝胶薄膜，氢氧化物导电固态凝胶薄膜设置在锌阳极与空气阴极之间。就锌/空气系统的另一个实施例而言，阳极和阴极均被本发明的固态凝胶薄膜所保护，在阴极和阳极之间放置的是含水电解质。
就这一方面的第二实施例而言，电化学电池是一个铝/空气电池，其中，氢氧化物导电固体凝胶薄膜被加到铝阳极上，以保护铝阳极免受腐蚀。
就这一方面的第三个实施例而言，电化学电池是一个铝/空气电池，其中，氢氧化物导电固态凝胶薄膜位于铝阳极与空气阴极之间。
因此，本发明的重点是提供了一种防止金属/空气燃料电池系统(含有一个金属阳极和一个空气阴极)中的金属阳极受到腐蚀的方法。这种方法包括在阳极与阴极之间放置一个或多个以聚合物为基的固态凝胶薄膜。
就本发明的又一个实施例而言，这种电化学电池是一种质子或氢氧化物导电电源，例如氢燃料电池系统。在这个实施例中，可以将一个质子或氢氧化物导电固态凝胶薄膜夹在氢阳极与空气阴极之间，从而，薄膜在允许质子或氢氧粒子扩散的同时，把氢和空气分开。这个实施例在几个方面胜过了现有技术的质子导电薄膜，其优点是与现有技术的薄膜相比，本发明的固态凝胶薄膜不仅制作大大简化，而且成本也大幅降低，而且更为重要的是，与此先的薄膜不同，本发明的固态凝胶薄膜将能够在室温下有效地工作。
本发明的特点适用于电色装置。电色装置的电色材料包含在固态凝胶薄膜之内，从而，所提供的电色装置因使用液相型电色系统而具有较高的可靠性及较长的使用寿命，而且所提供的电色装置还因使用液相型电色系统而具有节能存储特性。
因此，本发明的再一个实施例是一种电色装置，其中，电色材料被包含在以聚合物为基的固态凝胶薄膜之内。这种电色装置通常包括两个电极基体和两种电色材料，电色材料被包含在位于电极之间的固态凝胶薄膜之内。可以选择的是，这种电色装置可以在固态凝胶薄膜之间包括一种含水电解质或一种固态电解质。举例来说，电极基体可以包括下述材料铂、金、导电玻璃(例如铟-锡氧化物玻璃)等。
附图的简要说明本发明的其他优点及特点，通过结合附图来阅读后面详细描述的最佳实施例，可变得明显易懂，其中

图1为示意图，表示一种锌/空气燃料电池，电池采用了本发明的阳极保护薄膜及氢氧化物导电薄膜；
图2为示意图，表示锌/空气燃料电池的另一个实施例，电池采用了本发明的阳极保护薄膜及阴极保护薄膜；图3为示意图，表示一种铝/空气燃料电池，电池采用了本发明的氢氧化物导电薄膜；图4为示意图，表示一种氢/空气燃料电池，电池采用了本发明的质子或氢氧化物导电薄膜；图5为示意图，表示一种电色装置，其中，电色材料被包含在本发明的薄膜之内；图6为示意图，表示一种可再充电的金属/空气蓄电池，电池有三个电极、一个多孔隔片以及一个根据本发明的用作隔膜的固态凝胶薄膜；以及图7为示意图，表示一种可再充电的金属/空气蓄电池，电池有一个阳极、一个双功能电极以及一个根据本发明的用作隔膜的固态凝胶薄膜。
最佳实施例的详细说明现参看附图，图1表示一种典型的锌/空气燃料电池，其中，两个以聚合物为基的固态凝胶薄膜(1，2)位于锌阳极(3)与空气阴极(4)之间。第一薄膜是阳极保护薄膜(1)，而第二薄膜是氢氧化物导电薄膜(2)。这两个薄膜不仅是离子核素源和具有高的离子导电性，而且也给电极提供了一个避免电池因常见原因而损坏的保护层。薄膜阻止氧化锌生成物扩散到含水电解溶液中，避免锌电极受到电解溶液或空气的腐蚀，并且防止阴极排气道被来自电解溶液的水所堵塞。图2表示锌/空气系统，其中，在锌阳极(3)和空气阴极(4)的表面上有保护且导电的固态凝胶薄膜(5，6)，在两个薄膜之间有含水的电解溶液(7)。
现参看图3，图3表示一种铝/空气燃料电池系统，电池在铝阳极(9)与空气阴极(10)之间采用了固态凝胶氢氧化物导电薄膜(8)。与锌/空气系统中一样，本实施例中的固态凝胶薄膜也能够防止与使用纯液态电解质有关的腐蚀问题，并且用作离子导电介质。
正如图4所示的那样，当用于氢燃料电池时，本发明的原理提供一种质子或氢氧化物导电薄膜，与现有的质子导电薄膜相比，这种薄膜不仅易于制作，成本大大降低，而且还能够在室温下有效地工作。由于实际导电介质是保持在聚合物凝胶构架内的含水溶液之中，从而，这种薄膜的导电性与液态电解质的导电性相当，在室温下，这种薄膜具有相当高的导电性。就本发明的这个实施例而言，质子或氢氧化物导电薄膜(11)是夹在氢阳极(12)与空气阴极(13)之间，借此，将氢和空气分开。
如图5所示，本发明的原理也适用于电色系统。在此，电色材料分布在固态凝胶薄膜的聚合物凝胶框架的液相之内。由于电色材料是处于溶解状态，因此，这种电色装置能够表现出优良的可靠性及长的使用寿命，除此之外，由于电色材料在物理上是被密封的，电色材料不能够扩散进入到电色装置的大容积电解质中，因此，这种电色装置还能够表现出薄膜型电色装置的出色存储能力。如图5所示，这种电色装置包括两个电极基体(14，15)，封装着电色材料的固态凝胶薄膜(16，17)位于这两个电极基体之间。如图5所示，这种电色装置在固态凝胶薄膜(16，17)之间可选择包括一种含水电解质或固态电解质(18)。
现参看图6，图中示出了一种可再充电的电化学电池(100)，它带有三个电极总成(20，30，40)并被包含在外壳(90)之内。电极(20)为负电极，即金属阳极；电极(40)为正电极，即空气阴极；而电极(30)为一个多孔充电电极。就这个实施例而言，电极(40)和充电电极(30)是分立的电极，而且充电电极(30)是位于阴极(40)与固态凝胶隔膜之间。如图6所示，三个电极(20，30，40)彼此之间是被平行间隔设置的。这种可再充电的电化学电池(100)可选择包括液态(含水)电解质(80)，电解质与每一个电极、隔膜(60)及多孔隔片(50)(如果使用的话)相接触，电极、隔膜及多孔隔片通常是被电解质所浸没。
金属阳极(20)是用可氧化金属制成的，金属可选择锌、镉、锂、镁、铁或铝，但是，金属阳极(20)最好是用锌制成。空气阴极(40)最好具有至少200mA/cm2的电流密度。在题为《供燃料电池使用的电化学电极》(ELECTROCHEMICAL ELECTRODE FORFUEL CELL)、申请日为1999年10月8日、共同转让的、悬而未决的美国专利申请09/415,449中，公开了一种适用于本发明的空气阴极。这种示例性空气阴极包括一个集流体(current collector)，集流体有一个由连通孔隙网络构成的多孔金属海绵基体。一个活性层(最好包括一种碳/聚合物混合物)及一个疏水性微孔气体扩散层，位于金属海绵基体的一个或多个表面上。这种微孔层是一种塑料材料，例如一种含氟聚合物(即PTFE)。这种阴极还包括一个利用较强粘结进行加强的微粒显微结构，较强粘结是通过烧结在金属海绵基体的三维互联孔隙内的聚合物粘合剂来实现的。反应层最好是利用相同的粘合剂材料来制成。但应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，显而易见的一点是，根据性能的要求，也可以使用其他的空气阴极。本发明决不局限于使用在此所描述的这种示例性空气阴极。
如图6所示，多孔充电电极(30)位于金属阳极(20)与空气阴极(40)之间，并与金属阳极(20)和空气阴极(40)相互平行。多孔充电电极(30)可以使用任何一种惰性材料来制作。举例来说，材料包括但并不局限于铂、镍、氧化镍、钙钛矿及其衍生物、碳和钯。另外，还可以给充电电极(30)钻孔或打眼，以帮助离子通过。重要的是，这些电极在物理上彼此之间互不接触，而且必须提供足够的间距，以形成供电解质使用的间隙。
另外，有时还希望在充电电极(30)与空气阴极(40)之间放置多孔隔片(50)，作为确保在充电电极(30)与空气阴极(40)之间具有足够间距的装置。当多孔隔片(50)被放置到可再充电的电化学电池(100)内时，则在多孔隔片(50)、空气阴极(40)及充电电极(30)的每一侧，都形成一个供电解质使用的间隙。但是，本发明并不局限于引入多孔隔片(50)的结构。任何能够防止电极发生物理接触的方法都可以使用，例如将电极在壳体内固定分隔开来。不过，在使用多孔隔片(50)时，多孔隔片(50)通常是用多孔塑性材料(例如酰胺纤维)制成的，而且其厚度通常是在大约0.1mm～大约2mm的范围内。
如图6所示，隔膜(60)位于充电电极(30)与金属阳极(20)之间，并与电极(20，30，40)相互之间平行间隔布置。在隔膜(60)的每一侧具有供电解质使用的间隙。或者，(但图中未示出)，当隔膜是辐射接合到三个电极中的一个电极上时，这个电极为隔膜提供支承，从而，这个隔膜与在上面构成隔膜的这个电极之间，并不存在间隙。根据本发明，隔膜(60)部分地起到避免在空气阴极(40)与金属阳极(20)之间发生短路的作用。
隔膜(60)包括一个离子导电的以聚合物为基的固态凝胶薄膜。这个薄膜部分地包括支承体材料或基体，这最好是一种纺织纤维或非纺织纤维，例如聚烯烃、聚乙烯醇、纤维素或聚酰胺(例如酰胺纤维)。另一方面，基体/支承体也可以是阳极、充电电极或阴极(图中未示出)。一种以聚合物为基的凝胶构成隔膜(60)，这种形成在支承体上的凝胶在其液相内具有离子核素。更具体地讲，这种以聚合物为基的凝胶或薄膜部分，含有一种液体状态的电解质，这种聚合物是通过引发剂和一种或多种水溶解性乙烯不饱和酰胺或酸单体发生聚合反应来获得的，水溶解性乙烯不饱和酰胺或酸单体最好是亚甲基双丙烯酰胺、乙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸、1-乙烯-2-吡咯烷酮或其混合物。其他适用的单体将在后面列出。
在引发聚合反应之前，将各种原料溶解到水中，而且，就本实施例而言，再加入一种含水的氢氧化物电解溶液(例如KOH溶液)，以产生离子核素，这种氢氧化物电解溶液的氢氧离子浓度在大约0.1％(重量)～大约55％(重量)的范围内，最好是在大约37.5％(重量)。另一方面，离子核素也可以来自一种利用氯化胺、硫酸钾和/或氯化钠所制备的中性含水溶液。电解质在聚合反应之前被加入到单体溶液之中，而且在聚合反应之后，仍保持液态。
而且，在进行聚合反应之前，一种离子聚合物，例如聚硫化物(阴离子的)或聚(钠-4-苯乙烯硫酸盐)，被加入到单体溶液之中，用作加强成分。这种加强原料的加入，能够提高隔膜的离子导电性和机械强度。可以选择的是，在聚合反应中，也可以使用一种交联剂，例如亚甲基双丙烯酰胺或乙撑双丙烯酰胺。对于本领域的普通技术人员来说，显而易见的一点是，也可以使用其他的交联剂和加强原料，例如后面所列出的多种材料中的一种。
为了形成图6中所示的隔膜(60)[在图7中表示为标号(61)]，举例来说，将一片纺织纤维或非纺织纤维(例如尼龙，即一种聚酰胺)作为支承体，并将选用的纤维浸入单体溶液。将敷有溶液的纤维进行冷却，而且，举例来说，可选择的是，添加胺基高硫酸盐作为一种聚合反应引发剂。其他适用的化学聚合引发剂包括碱金属高硫酸盐和过氧化物。然后，将这种敷有单体薄膜溶液的纤维放置在玻璃与聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜之间。在加热之后，通过辐射(例如紫外线辐射)这种“夹层”塑性/单体薄膜，使单体溶液进一步聚合，这样，以聚合物为基的凝胶薄膜或隔膜就被制作出来。氢氧离子(或其他离子)在聚合反应之后，依然保持在液相中。因此，聚合反应最好是在一个提高的温度下(最高可达130℃)，利用化学聚合引发剂和辐射来实现。但是，形成以聚合物为基的凝胶的聚合反应，可以通过下述方法之一来实现加热并且使用一种化学聚合引发剂(不使用辐射)；加热+辐射(不使用化学聚合引发剂)；或在室温下进行辐射，依靠辐射强度来实现聚合反应。
这样，隔膜(60)就被制作出来，其厚度通常为大约0.3mm。最好的是，隔膜的厚度可以薄到0.1mm。但是，本发明并不局限于厚度在0.1mm～0.3mm的隔膜。对于本领域的普通技术人员来说，明显的一点是，具体隔膜的厚度是过厚还是过薄，需要看它在具体场合的应用效果。这种隔膜提供了一个氢氧离子(或其他离子)源，而且对于离子核素具有高的导电性。
重要的是，在本发明的可再充电的电化学电池中，利用固态凝胶薄膜隔膜获得了意想不到的高的离子导电性(迄今为止，最高为0.36S/cm)，据了解，这种导电性在现有技术的系统中是得不到的。这部分是因为在聚合反应之前，将电解质加入到了单体溶液之中。在聚合反应之后，离子核素保持在作为以聚合物为基的固态凝胶的一部分的溶液中，这种固态凝胶被配置在支承体或纤维上，以形成以聚合物为基的固态凝胶薄膜隔膜(60)[或图7中的(61)]。这种固态凝胶薄膜或隔膜还能够防止枝晶穿透隔膜，因此，在电池充电过程中使负电极避免形成枝晶。另外，这种固态凝胶隔膜还能够阻止金属氧化生成物扩散到电解质溶液中，避免电池因此而受到损害。
图7表示本发明的一种可再充电的电化学电池(110)，其中，阴极和充电电极构成一个双功能电极(41)，也就是说，这个电极既被用作蓄电池的正电极也被用作充电电极。可选择的是，在电池壳体内，也可以使用液态(含水)电解质。隔膜(61)位于阳极(21)和双功能电极(41)之间。电化学电池(110)还包括壳体(91)。
图7所示的双功能电极/隔膜的布置形式，可应用于数种不同类型的可再充电蓄电池系统。举例来说，阳极(21)可以是一种可氧化金属，例如前面结合图6所列出的可氧化金属中的一种(最好是锌)；而双功能电极(41)可以是前面所描述过的空气阴极。就另一个实施例而言，阳极(21)是锌或氧化锌，而双功能电极(41)是氧化镍、二氧化锰、氧化银或氧化钴。另外，阳极(21)也可以是铁或镉，而双功能电极(41)是氧化镍。就这些系统而言，离子核素(包含在以聚合物为基的凝胶薄膜隔膜(61)中)，最好是来自于前面所描述过的氢氧化物浓度适当的碱性氢氧化物含水溶液。但是，就本发明的可再充电金属/空气电池而言，也可以使用中性薄膜隔膜(61)，其中的离子核素，是来自于前面所描述过的中性含水溶液中的一种。
在酸性系统中，酸性薄膜可以被用作隔膜(61)，例如可再充电的铅酸蓄电池，其中，阳极(21)是铅，而双功能电极(41)为氧化铅。就这个实施例而言，包含在隔膜(61)内的离子核素，是来自于高氯酸、硫酸、盐酸、磷酸或其混合物的含水溶液。
就充电电化学电池的其他配置形式而言，虽然图中未示出，但曾经在前面提到过，在利用一个电极的情况下，以聚合物为基的离子导电的固态凝胶可以被直接接合到阳极、充电电极、阴极或双功能电极上。在这种情况下，隔膜或薄膜的支承由电极基体所提供，以聚合物为基的固态凝胶被形成在电极上。
电解溶液的容积形状或外壳形状，在图6中用标号(90)表示而在图7中用标号(91)表示，并不局限于方形或长方形。它可以是圆形、椭圆形、多边形或其他任何所希望的形状。另外，电池的外壳还可以用任何一种化学惰性高的绝缘材料来制成，例如塑料，电化学电池和碱性蓄电池的传统使用材料。
使用时，将导线(图中未示出，通常是铜条)连接到金属阳极、充电电极及阴极和/或双功能电极的外露部分。这些导线用来给电池提供一个外加电压，给电池的阳极充电。通常使用绝缘环氧树脂来覆盖外露的接点。
实例下面，将借助于以例示方式而非限制方式所提供的实例，对本发明的最佳实施例进行详细地描述。在下面所描述的反应中，所使用的反应物及试剂都是易于获得的材料。这些材料或是能够按照普通的制备方法来方便地进行制备，或是能够从商业途径获得。
实例1下述步骤是用来制备一种供本发明使用的稳定的聚合物薄膜。将0.75克亚甲基双丙烯酸酰胺、0.56克丙烯酰胺、4.70克甲基丙烯酸及0.25克聚(钠-4-苯乙烯磺酸盐)溶于10毫升水中，然后，在所配制的溶液中，再加入20毫升40％的KOH，将溶液保持在室温下。然后，再将0.05克过硫酸铵加入到这个溶剂中。将一片纤维浸入所配制好的溶液中，然后，再将这个纤维夹在一片玻璃与一片PET透明薄膜之间。在热板上将其加热1分钟，而后，再在强紫外线下照射5分钟，借此，制成一种稳定的聚合物薄膜。
制成的这种薄膜具有高的离子导电性，从而，使其适用于碱性氢燃料电池。这里，薄膜位于空气阴极与氢阳极之间，它在允许氢氧离子扩散的同时，将空气和氢相分开。
实例2在这个实例中，根据本发明的原理来制备一种以聚合物为基的固态凝胶薄膜，并将这个薄膜加到阴极表面上。将0.75克亚甲基双丙烯酸酰胺、0.56克丙烯酰胺、4.70克甲基丙烯酸及1.5克聚砜(阴离子的)溶于10毫升水中，然后，在所配制的溶液中，再加入20毫升40％的KOH，将溶液保持在室温下。而后，将已溶于1毫升水中的0.038克过硫酸铵加入到这个溶液中。将配制好的溶液浇到空气阴极的表面上。然后，给空气阴极覆盖上一片PET薄膜。在温度为75℃的热板上将其加热1分钟，而后，再在强紫外线下进行照射，借此，制成一种稳定的聚合物薄膜。
这种阴极，在相应的金属/空气燃料蓄电池内，可以和按照实例3所制作的阳极一起使用，或者直接和一个金属平板一起使用，例如锌、铝、镉、锂、镁或铅。另一方面，正如前面所描述过的那样，根据本发明，象实例2这样的被接合上固态凝胶的阴极，可以在可充电电化学电池(金属/空气)中形成一个隔膜/双功能电极，或者可以在燃料电池中位于邻近充电电极的位置，如上所述。
实例3根据本发明的原理，制备一种以聚合物为基的离子导电薄膜，并将这个薄膜加到阳极表面上。将0.75克亚甲基双丙烯酸酰胺、1.5克聚(钠-4-苯乙烯磺酸盐)、5.18克1-乙烯-2-吡喀烷酮及3.36克丙烯酸溶入30毫升的NH4CL和K2SO4饱和含水溶液中，然后，再加入0.1克过硫酸铵。将所配制好的溶液浇到阳极表面上，而后，给阳极覆盖上一个PET薄膜，此后，再在强紫外线下进行照射，借此，形成一个稳定的聚合物薄膜，用作接合到阳极上的隔膜。在使用一个薄膜的情况下，在燃料电池中，这个隔膜/阳极位于邻近阴极的位置，而在可充电电化学电池中，这个隔膜/阳极位于邻近充电电极或者双功能电极的位置。
实例4根据本发明的原理，制备一种以聚合物为基的固态凝胶薄膜，并对其进行处理来形成一种质子导电薄膜。将6.4克70％高氯酸、0.75克亚甲基双丙烯酸酰胺、5.18克丙烯酸及0.1克亚硫酸钾(还原剂)溶入27毫升水中，然后，再将0.1克过硫酸铵加入到溶液中。将一片纤维浸入所配制成的单体溶液，然后，将纤维片夹在一片玻璃与一片PET薄膜之间。将其在温度为85℃的热板上加热1分钟，而后，再将其在强紫外线下照射8分钟，借此，制成一种稳定的聚合物薄膜。
制成的薄膜具有高的质子(氢离子)导电性，从而，使薄膜适用于氢燃料电池或适用于作为酸性可充电电化学电池(例如可充电铅酸蓄电池)中的隔膜。在氢燃料电池中，这种薄膜位于空气阴极与氢阳极之间，薄膜在允许氢离子扩散的同时，将空气和氢相分开。
实例5本发明的原理还适用于电色装置。举例来说，将一种或数种电色材料溶解到一种含水的单体溶液之中，而后，将溶液施加到电极基体上。举例来说，基体材料可以是铂、金、导电玻璃(例如铟-锡氧化玻璃)或其他导电材料。根据前面所描述过的两种方法中的任意一种方法，使溶液发生聚合反应，溶液中的电色材料被包含在形成于电极基体表面上的聚合物薄膜之内。这样的两个改进型电极(含有相同或不同电色材料)，被应用于电色装置之中，一个电极充当阳极，而另一个电极充当阴极。两个电极可以封装在一起，作为一个完整的显示装置，或者可以通过一种液态或固态电介质来分开。
实例6下述步骤是用来制备一种稳定的聚合物薄膜，用这种稳定的聚合物薄膜作为可再充电的电化学电池中的隔膜。将1.5克聚砜(阴离子的)、0.75克亚甲基双丙烯酸酰胺、0.56克丙烯酸胺及4.70克甲基丙烯酸溶入10毫升水中，并将溶液保持在室温下。然后，在所配制的溶液中，再加入20毫升50％KOH。而后，将一片能够从Frendenberg Nonwovens公司购买到的尼龙纤维(FS2213E)浸入所配制的单体溶液。将溶液放入冰浴器内，并给溶液加入0.10克过硫酸铵。然后，从溶液中取出隔膜，并夹在透明的PET薄膜与玻璃之间。而后，将这种被夹着的隔膜的每一面都放置在一个温度为90℃的热板上加热20分钟，然后，再将其每一面都在强紫外线下照射7分钟。制成的薄膜具有0.11S/cm的导电率。
可以用来制作本发明的固态凝胶薄膜和隔膜的其他单体包括任何一种水溶性乙烯不饱和酰胺或酸，包括但并不局限于N-异丙烯基丙烯酸胺、富马酰胺、富马酸、N，N-二甲基丙烯酸胺、3，3二甲基丙烯酸及乙烯磺酸钠盐。
其他交联剂的实例包括任何一种水溶性N，N’-次烷基-双(乙烯不饱和酰胺)。
除聚(钠-4-苯乙烯磺酸盐)之外，可在固态凝胶电介质内用作加强成份的其他聚合物的实例包括任何一种水溶性或水膨胀性聚合物，例如羧甲基纤维素、聚砜(阴离子的)、聚(苯乙烯磺酸-co-马来酸)钠盐及玉米淀粉。
可以加入单体溶液的适用纤维的实例包括纺织纤维或非纺织纤维，例如聚烯烃、聚酰胺、聚乙烯醇及纤维素。
就引发聚合反应的化学引发剂而言，例如；过硫酸铵、碱金属过硫酸盐或过氧化物，可以选择的是，将其使用与基本制作方法(例如辐射，包括紫外线、X射线及γ射线辐射等)结合起来。但是，如果仅仅利用辐射而辐射强度又足以引发聚合反应的话，则不需要加入化学引发剂，如前所述，聚合反应可以在室温～大约130℃温度范围内的一个温度下来进行。
前面以具体实施例的形式，对本发明进行了详细说明。但是，应当知道，这些实施例仅仅是示例，从而，本发明不必局限于此。举例来说，本发明的原理还能够应用于制备一种供其他电化学电池系统(例如Ni/Cd电池和Zn/MnO2电池)使用的固态凝胶薄膜。另外，也可以使用前面没有指出过的其他单体、聚合物、化学聚合引发剂、还原剂等。对本领域的普通技术人员来说，在不偏离本发明的实际精神和范围的情况下，对任一给定材料及制备步骤进行改进及变化将是件容易的事情，因此，所有的这类改进和变化都被包括在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种可再充电的电化学电池，包括一个隔膜、一个阴极、一个阳极和一个充电电极，其中所述的隔膜包括一种离子导电的以聚合物为基的固态凝胶薄膜，该薄膜有一个支承体，以聚合物为基的凝胶形成在支承体的上面，所述的凝胶具有包含在液相之中的离子核素；所述的以聚合物为基的凝胶包括由一种或多种单体所生成的一种聚合物及一种加强成分，所述的单体选自一组水溶性乙烯不饱和酰胺和酸，加强成分选自一组水溶性和水膨胀性聚合物；所述的离子核素，在聚合反应之前，被加入到一种或多种单体及加强成分之中；所述的阴极和充电电极是一个双功能电极，或者是分立的独立电极；所述的隔膜位于阳极与充电电极之间。
2.根据权利要求1所述的可再充电的电化学电池，其中，隔膜的离子导电率至少大约为0.10S/cm。
3.根据权利要求1所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的一种或多种单体是选自于下述一组材料亚甲基双丙烯酸酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸、1-乙烯-2-吡喀烷酮、N-异丙烯基丙烯酸胺、富马酰胺、富马酸、N，N-二甲基丙烯酸胺、3，3二甲基丙烯酸、乙烯磺酸钠盐及其它们的混合物。
4.根据权利要求1所述的可再充电的电化学电池，其中，加强成分是选自于下述一组材料聚(钠-4-苯乙烯磺酸盐)、羧甲基纤维素、聚砜(阴离子的)、聚(苯乙烯磺酸-co-马来酸)钠盐及玉米淀粉。
5.根据权利要求4所述的可再充电的电化学电池，其中，以聚合物为基的凝胶包括由下述材料所生成的聚合物(a)亚甲基双丙烯酸酰胺、丙烯酰胺和甲基丙烯酸；(b)亚甲基双丙烯酸酰胺、丙烯酸、1-乙烯-2-吡喀烷酮及一种还原剂；(c)亚甲基双丙烯酸酰胺、丙烯酸及一种还原剂。
6.根据权利要求1所述的可再充电的电化学电池，其中，聚合反应是在从室温～大约130℃温度范围内的一个温度下，利用基本辐射来完成的，辐射方式从X-射线、γ-射线及紫外线辐射中选择。
7.根据权利要求6所述的可再充电的电化学电池，其中，一种化学聚合引发剂是在聚合反应之前到被加入到一种或多种单体及加强成分之中，化学聚合引发剂是选自于下述一组材料过硫酸铵、碱金属过硫酸盐及过氧化物。
8.根据权利要求1所述的可再充电的电化学电池，其中，聚合反应是在从室温～大约130℃温度范围内的一个温度下来完成的，可有选择性地利用基本辐射来完成聚合反应，辐射方式从X-射线、γ-射线及紫外线辐射中选择，而且，一种化学聚合引发剂是在聚合反应之前被加入到一种或多种单体及加强成分之中，该化学聚合引发剂从过硫酸铵、碱金属过硫酸盐及过氧化物中选择。
9.根据权利要求1所述的可再充电的电化学电池，其中，阴极和充电电极是分立的独立电极，而且充电电极位于隔膜与阴极之间。
10.根据权利要求9所述的可再充电的电化学电池，其中，还包括一个设置在充电电极与阴极之间的多孔隔片。
11.根据权利要求9所述的可再充电的电化学电池，其中，阳极是选自于下述一组金属锌、镉、锂、镁、铁及铝，而阴极为空气阴极。
12.根据权利要求11所述的可再充电的电化学电池，其中，充电电极是选自于下述一组材料铂、镍、氧化镍、钙钛矿及其衍生物、碳及钯。
13.根据权利要求12所述的可再充电的电化学电池，其中，阳极是锌。
14.根据权利要求12所述的可再充电的电化学电池，其中，还包括一个设置在充电电极与空气阴极之间的多孔隔片。
15.根据权利要求12所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的离子核素是来自于氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或其混合物的含水碱性溶液，而且，所述的氢氧化物的浓度是在大约0.1％(重量)～大约55％(重量)的范围内。
16.根据权利要求12所述的可再充电的电化学电池，其中，氢氧化物的浓度大约为37.5％(重量)。
17.根据权利要求12所述的可再充电的电化学电池，其中，隔膜的离子导电率至少大约为0.10S/cm。
18.根据权利要求12所述的可再充电的电化学电池，其中，离子核素是来自于一种中性含水溶液，该溶液中包括(a)氯化铵和硫酸钾；(b)氯化铵、硫酸钾和氯化钠；或(c)硫酸钾和氯化铵。
19.根据权利要求1所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的阴极和充电电极是一个双功能电极。
20.根据权利要求19所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的阳极是选自于下述一组金属锌、镉、锂、镁、铁及铝，而且所述的一个双功能电极是空气阴极。
21.根据权利要求20所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的离子核素是来自于氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或其混合物的含水碱性溶液，而且，所述的氢氧化物的浓度是在大约0.1％(重量)～大约55％(重量)的范围内。
22.根据权利要求21所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的氢氧化物的浓度大约为37.5％(重量)。
23.根据权利要求21所述的可再充电的电化学电池，其中，所述隔膜的离子导电率至少大约为0.10S/cm。
24.根据权利要求20所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的离子核素是来自于一种中性含水溶液，该溶液中包括(a)氯化铵和硫酸钾；(b)氯化铵、硫酸钾和氯化钠；或(c)硫酸钾和氯化铵。
25.根据权利要求20所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的阳极是锌。
26.根据权利要求19所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的阳极是锌或氧化锌，而所述的双功能电极是选自于下述一组材料氧化镍、二氧化锰、氧化银或氧化钴。
27.根据权利要求26所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的离子核素是来自于氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或其混合物的含水碱性溶液，而且，所述的氢氧化物的浓度是在大约0.1％(重量)～大约55％(重量)的范围内。
28.根据权利要求27所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的氢氧化物的浓度大约为37.5％(重量)。
29.根据权利要求28所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的隔膜的离子导电率至少大约为0.10S/cm。
30.根据权利要求19所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的阳极可以选择铁或镉，而所述的双功能电极是氧化镍。
31.根据权利要求30所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的离子核素是来自于氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或其混合物的含水碱性溶液，而且，所述的氢氧化物的浓度是在大约0.1％(重量)～大约55％(重量)的范围内。
32.根据权利要求31所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的氢氧化物的浓度大约为37.5％(重量)。
33.根据权利要求31所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的隔膜的离子导电率至少大约为0.10S/cm。
34.根据权利要求19所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的阳极是铅，而所述的双功能电极是氧化铅。
35.根据权利要求34所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的离子核素是来自于高氯酸、硫酸、盐酸、磷酸或其混合物的含水酸性溶液。
36.根据权利要求35所述的可再充电的电化学电池，其中，所述隔膜的离子导电率至少大约为0.10S/cm。
37.根据权利要求1所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的隔膜是直接形成在阳极、充电电极或阴极的上面，从而，分别由所述的阳极、充电电极或阴极来提供支承。
38.根据权利要求1所述的可再充电的电化学电池，其中，所述的支承体为一种纺织纤维或非纺织纤维，其选自于聚烯烃、聚酰胺、聚乙烯醇及纤维素。
39.根据权利要求1所述的可再充电的电化学电池，其中，还包括一种与所述的隔膜、阳极、阴极及充电电极相接触的含水电解质。
40.一种可再充电的电化学电池，包括一个隔膜、一个金属阳极、一个空气阴极和一个充电电极，其中所述的隔膜包括一种氢氧化物导电的、以聚合物为基的固态凝胶薄膜，该薄膜有一个支承体，以聚合物为基的凝胶形成在支承体的上面，所述的凝胶具有包含在液相之中的离子核素；所述的以聚合物为基的凝胶包括聚砜和一种由亚甲基双丙烯酸酰胺、丙烯酰胺和甲基丙烯酸所生成的聚合物；所述的氢氧化物核素来自于一种浓度在大约0.1％(重量)～大约55％(重量)范围的氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或其混合物的含水碱性溶液；所述的氢氧化物核素，在聚合反应之前，被加入到亚甲基双丙烯酸酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酸及聚砜之中；所述的空气阴极和充电电极是一个双功能电极，或者是两个分立的独立电极；所述的隔膜位于金属阳极与充电电极之间；所述的聚合反应是利用基本辐射来实现的，辐射方式从X-射线、γ-射线及紫外线辐射中选择；所述隔膜的离子导电性至少约为0.10S/cm。
41.根据权利要求40所述的可再充电的电化学电池，其中，聚合反应引发剂在聚合反应之前被加入到亚甲基双丙烯酸酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酸及氢氧化物核素之中。
42.根据权利要求40所述的可再充电的电化学电池，其中，还包括一种与所述的隔膜、阳极、阴极及充电电极相接触的液态电解质。
43.一种用于电化学电池的以聚合物为基的固态凝胶薄膜，所述的薄膜具有包含在所述以聚合物为基的凝胶液相之中的离子核素，其中所述的以聚合物为基的固态凝胶包括一种由下述材料所生成的聚合物聚合反应引发剂、选自一组水溶性乙烯不饱和酰胺和酸的单体以及选自一组水溶性和水膨胀性聚合物的加强成分；所述的离子核素，是在聚合反应之前，被加入到聚合反应引发剂、单体及加强成分之中；以及所述的以聚合物为基的固态凝胶薄膜是形成在一个纺织或非纺织纤维的基体上，或阳极的表面上，或阴极的表面上。
44.根据权利要求43所述的以聚合物为基的固态凝胶薄膜，其中，单体是选自于下述一组材料亚甲基双丙烯酸酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸、1-乙烯-2-吡喀烷酮、N-异丙烯基丙烯酸胺、富马酰胺、富马酸、N，N-二甲基丙烯酸胺、3，3二甲基丙烯酸、乙烯磺酸钠盐及其混合物。
45.根据权利要求43所述的以聚合物为基的固态凝胶薄膜，其中，加强成份是选自于下述一组材料聚(钠-4-苯乙烯磺酸盐)、羧甲基纤维素、聚砜(阴离子的)、聚(苯乙烯磺酸-co-马来酸)钠盐及玉米淀粉。
46.根据权利要求45所述的以聚合物为基的固态凝胶薄膜，其中，以聚合物为基的凝胶包括一种聚合物，它由聚合反应引发剂及下列材料所生成(a)亚甲基双丙烯酸酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酸及聚(钠-4-苯乙烯磺酸盐)；(b)亚甲基双丙烯酸酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酸及聚砜(阴离子的)；(c)亚甲基双丙烯酸酰胺、聚(钠-4-苯乙烯磺酸盐)、丙烯酸、1-乙烯-2-吡喀烷酮及一种还原剂；或者(d)亚甲基双丙烯酸酰胺、丙烯酸及一种还原剂。
47.一种电化学电池，包括第一电极、第二电极及位于两个电极之间的一个或多个根据权利要求43所述的以聚合物为基的固态凝胶薄膜。
48.根据权利要求47所述的电化学电池，其中，第一电极是锌阳极，而第二电极是空气阴极。
49.根据权利要求48所述的电化学电池，其中，第一保护性的以聚合物为基的固态凝胶薄膜位于锌阳极的上面，而第二以聚合物为基的氢氧化物导电固态凝胶薄膜位于第一薄膜与阴极之间。
50.根据权利要求48所述的电化学电池，其中，第一保护性的以聚合物为基的固态凝胶薄膜位于阳极的上面，而第二保护性的以聚合物为基的氢氧化物导电固态凝胶薄膜位于阴极上，而且，这种电化学电池在第一薄膜与第二薄膜之间还包括一种含水电介质。
51.根据权利要求47所述的电化学电池，其中，第一电极是铝阳极，第二电极是空气阴极，而且，在第一电极与第二电极之间，还设置有一个以聚合物为基的氢氧化物导电固态凝胶薄膜。
52.根据权利要求47所述的电化学电池，其中，第一电极是氢阳极，第二电极是空气阴极，而且，在第一电极与第二电极之间，还设置有一个以聚合物为基的质子导电固态凝胶薄膜。
53.根据权利要求47所述的电化学电池，其中，第一电极是氢阳极，第二电极是空气阴极，而且，在第一电极与第二电极之间，还设置有一个以聚合物为基的氢氧化物导电固态凝胶薄膜。
54.一种电色装置，其中，电色材料被包含在以聚合物为基的固态凝胶薄膜的液相之中。
55.根据权利要求54所述的电色装置，包括第一电极基体、第二电极基体、第一以聚合物为基的固态凝胶薄膜及第二以聚合物为基的固态凝胶薄膜，两个固态凝胶薄膜位于两个电极基体之间，每个薄膜都在其液相内含有电色材料。
56.根据权利要求55所述的电色装置，还包括一个电介质活性层，它位于第一以聚合物为基的固态凝胶薄膜与第二以聚合物为基的固态凝胶薄膜之间。
57.根据权利要求55所述的电色装置，其中，第一电极基体和第二电极基体是由铂、金或导电玻璃制成。
58.根据权利要求57所述的电色装置，其中，导电玻璃为铟-锡氧化玻璃。
59.一种使金属/空气燃料电池系统中的金属阳极免受腐蚀的方法，所述的金属/空气燃料电池系统采用金属阳极和空气阴极，所述的方法包括在阳极与阴极之间设置一个或多个以聚合物为基的、在液相内含有离子核素的固态凝胶薄膜；其中所述的以聚合物为基的凝胶包括一种由下述材料所生成的聚合物聚合反应引发剂、选自一组水溶性乙烯不饱和酰胺和酸的单体以及选自一组水溶性和水膨胀性聚合物的加强成分；所述的离子核素，是在聚合反应之前，被加入到聚合反应引发剂、单体及加强成分之中；所述的以聚合物为基的固态凝胶薄膜，是形成在金属阳极的一个表面上。
60.根据权利要求59所述的方法，其中，金属/空气燃料电池系统为铝/空气、锌/空气、镉/空气、锂/空气、镁/空气或铁/空气燃料电池系统中的一种。
全文摘要
一种以高导电性聚合物为基的固态凝胶薄膜。这种薄膜特别适用于电化学装置,例如:金属/空气、Zn/MnO
文档编号C08F283/00GK1341283SQ00804335
公开日2002年3月20日 申请日期2000年2月25日 优先权日1999年2月26日
发明者陈慕国, 蔡则彬, 姚文斌, 张元民, 李林峰, 卡伦·汤姆 申请人:瑞威殴公司