固态双极性电池的制作方法

本发明的一个或多个实施方案涉及含固体离子传导性(ionicallyconductive)聚合物材料的双极性电极、其制备方法和包含其的双极性电池。
背景技术：
：美国专利627,009描述了一种铅酸电池，其构造方式为“末端电极和中间电极以电串联的方式连接……从而使得[集电器]在各个中间电极的相对侧之间形成唯一的导电连接”。双极性电池一直在努力克服隔离液体电解质的挑战，以防止电池单元(cell)间的连通和短路。典型的双极性电池聚焦于使用昂贵而复杂的内部密封机械装置(mechanism)来将液体电解质容纳到其单个电池单元中。为了避免使用密封机械装置，已经在双极性设计中尝试了低电导率固体电解质和具有密封的液体凝胶电解质。然而，低离子电导率和高内阻抗限制了这种设计的性能。本发明的实施方案克服了上述问题并提供了额外的优点。技术实现要素：根据一个方面，提供了一种双极性电池，其包括：至少一个双极性电极，其各自具有在导电片的一侧上包含第一电化学活性材料的正极和在所述片的另一侧上包含第二电化学活性材料的负极；多个电解质层，其各自包含固体离子传导性聚合物材料；作为所述电池的外层包围所述双极性电池的终端负极和终端正极，其中所述终端负极与位于第一相邻的双极性电极上的正极相对布置，其间插有电解质层；其中所述终端正极与第二双极性电极上的负极层相对布置，其间插有电解质层；其中所述固体离子传导性聚合物材料在室温下具有玻璃态，并且包含至少一种阳离子扩散离子和至少一种阴离子扩散离子(bothatleastonecationicandanionicdiffusingion)，其中至少一种扩散离子在所述玻璃态下是可迁移的。在双极性电池的方面中，各个正极和相邻的阳极构成子叠层(sub-stack)，所述子叠层也包括插入的电解质层，其中各个子叠层通过导电片与相邻的子叠层隔开，其中各个子叠层具有电压。电池的其它方面可以包括以下特征中的一个或多个：该双极性电池，其中各个子叠层的电压等于或小于3伏。该双极性电池，其中所述第一电化学活性材料包括锌、铝、锂或嵌入(intercalation)材料。该双极性电池，其中所述第二电化学活性材料包括二氧化锰、硫或嵌入材料。该双极性电池进一步包括第二子叠层，所述第二子叠层包含位于第二阳极层和第二阴极层之间的含固体离子传导性聚合物电解质的第二隔膜层(separatorlayer)，其中所述第二子叠层与所述第一子叠层相邻布置且与所述第一子叠层电连通且离子连通；并且所述双极性电池进一步包括第三集电器层，所述第三集电器层与所述第二子叠层相邻布置且与所述第一集电器层相对布置。该双极性电池，其中各个正极包含所述固体离子传导性聚合物材料。该双极性电池，其中各个负极包含所述固体离子传导性聚合物材料。该双极性电池，其中所述电池的电压大于8伏，且所述终端正极与所述终端负极之间的距离小于6毫米。该双极性电池，其中所述电解质层是挤出的。该双极性电池，其中所述正极是挤出的。在该方面中，在该电池中，所述固体离子传导性聚合物电解质进一步包括：大于30％的结晶度；熔化温度；玻璃态；并且其中至少一种扩散离子在所述玻璃态下是可迁移的。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料还包含多个(apluralityof)电荷转移络合物。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含多个(apluralityof)单体，并且其中各电荷转移络合物位于单体上。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在室温下的电子传导率(electronicconductivity)小于1x10-8S/cm。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含：多个单体；多个电荷转移络合物，其中各电荷转移络合物位于单体上；其中所述固体离子传导性聚合物电解质在室温下的电子传导率小于1x10-8S/cm。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的结晶度大于30％。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料具有在低于所述固体离子传导性聚合物材料的熔化温度的温度下存在的玻璃态。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料进一步包含阳离子扩散离子和阴离子扩散离子，由此至少一种扩散离子在所述固体离子传导性聚合物电解质的玻璃态下是可迁移的，并且其中所述固体离子传导性聚合物电解质的结晶度大于30％。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的熔化温度大于250℃。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料是热塑性的。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的离子电导率是各向同性的。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料是不易燃的。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的杨氏模量等于或大于3.0MPa。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料具有玻璃态，并且包含至少一种阳离子扩散离子和至少一种阴离子扩散离子，其中各扩散离子在所述玻璃态下是可迁移的。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在室温下的离子电导率(ionicconductivity)大于1.0x10-5S/cm。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物电解质包含单一阳离子扩散离子，其中所述单一阴离子扩散离子包含锂，且其中所述阳离子扩散离子在室温下的扩散率(diffusivity)大于1.0x10-12m2/s。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含单一阴离子扩散离子，且其中所述阴离子扩散离子在室温下的扩散率大于1.0x10-12m2/s。该电池，其中所述至少一种阳离子扩散离子中的一种具有大于1.0x10-12m2/s的扩散率。该电池，其中所述至少一种阴离子扩散离子中的一种具有大于1.0x10-12m2/s的扩散率。该电池，其中所述至少一种阴离子扩散离子和所述至少一种阳离子扩散离子中的一种具有大于1.0x10-12m2/s的扩散率。该电池，其中固体离子传导性聚合物材料在室温下的离子电导率大于1x10-4S/cm。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在80℃的离子电导率大于1x10-3S/cm。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在-40℃的离子电导率大于1x10-5S/cm。该电池，其中锂的浓度大于3摩尔锂/升所述固体离子传导性聚合物材料。该电池，其中至少一种阳离子扩散离子和至少一种阴离子扩散离子各自具有扩散率，其中阳离子扩散率大于阴离子扩散率。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料的阳离子迁移数大于0.5且小于1.0。该电池，其中至少一种扩散阴离子是单价的。该电池，其中至少一种阴离子扩散离子包含氢氧根、氟或硼。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含多个单体，且其中每个单体上存在至少一个阴离子扩散离子。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含多个单体，且其中每个单体上存在至少一个阳离子扩散离子。该电池，其中每升固体离子传导性聚合物电解质中存在至少1摩尔锂。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含多个单体，其中各单体包含位于所述单体的骨架中的芳香族结构或杂环结构。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料进一步包含掺入所述环结构中或位于与所述环结构相邻的骨架上的杂原子。该电池，其中所述杂原子选自硫、氧或氮。该电池，其中所述杂原子位于所述单体的与所述环结构相邻的骨架上。该电池，其中所述杂原子是硫。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料是π共轭的。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料包含多个单体，其中各单体的分子量大于100克/摩尔。该电池，其中所述电荷转移络合物通过聚合物、电子受体和离子化合物的反应形成，其中各阳离子扩散离子和阴离子扩散离子是所述离子化合物的反应产物。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料由至少一种离子化合物形成，其中所述离子化合物各自包含至少一种阳离子扩散离子和至少一种阴离子扩散离子。该电池，其中所述电荷转移络合物通过聚合物和电子受体的反应形成。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料在离子化合物的存在下在掺杂电子受体后变为离子传导性的，所述离子化合物包含阳离子扩散离子和阴离子扩散离子，或者可通过与所述电子受体的反应而转化为阳离子扩散离子和阴离子扩散离子。该电池，其中所述固体离子传导性聚合物材料由基础聚合物、电子受体和离子化合物的反应产物形成。该电池，其中所述基础聚合物是共轭聚合物。该电池，其中所述基础聚合物是PPS或液晶聚合物。该电池，其中使所述电解质层成形为膜，其中所述膜的厚度为200微米～15微米。该电池，其中所述第一电化学活性材料包括嵌入材料。该电池，其中所述第一电化学活性材料包括锂氧化物，所述锂氧化物含有镍、钴或锰或者这些元素中的两种或全部三种的组合。该电池，其中所述第一电化学活性材料相对于锂金属的电化学电位大于4.2伏。该电池，其中所述阴极相对于锂金属的电极电位大于4.2伏。该电池，其中将所述第一电化学活性材料与导电材料和所述固体离子传导性聚合物电解质混合。该电池，其中所述导电材料包括碳。该电池，其中所述阴极包含70～90重量％的所述第一电化学活性材料。该电池，其中所述阴极包含4～15重量％的所述固体离子传导性聚合物材料。该电池，其中所述阴极包含2～10重量％的导电材料。该电池，其中所述导电材料包括碳。该电池，其中所述阴极由浆料形成。该电池，其中所述阴极位于阴极集电器(collector)上。该电池，其中所述第一电化学活性材料包含锂氧化物或锂磷酸盐，所述锂氧化物或锂磷酸盐含有镍、钴或锰。该电池，其中所述第一电化学活性材料包括锂嵌入材料，其中所述锂嵌入材料包含锂。该电池，其中所述锂嵌入材料包括：锂镍钴铝氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁磷酸盐、锂锰氧化物、锂钴磷酸盐或锂锰镍氧化物、锂钴氧化物、LiTiS2、LiNiO2或它们的组合。该电池，其中所述第一电化学活性材料包括与锂发生固态氧化还原反应的电化学活性阴极化合物。该电池，其中所述电化学活性阴极材料包括金属卤化物、硫、硒、碲、碘、FeS2或Li2S。该电池，其中所述锂嵌入材料包括锂镍钴锰氧化物，其中所述锂镍钴锰氧化物中镍的原子浓度大于钴或锰的原子浓度。该电池，其中所述阴极的厚度为约15～115微米。该电池，其中阴极涂布密度(coatingdensity)为1.2～3.6g/cc。该电池，其中所述第二电化学活性材料包括嵌入材料。该电池，其中所述阳极还包含所述固体离子传导性聚合物材料，其中所述第一电化学活性材料与所述固体离子传导性聚合物材料混合。该电池，其中所述第二电化学活性材料包含锂金属。该电池，其中所述阳极中锂金属的厚度为20微米以下。该电池，其进一步包含与所述阳极离子连通的阳极集电器，其中当对所述电池充电时，锂沉积在集电器上。该电池，其中沉积在所述阳极或所述集电器的阳极侧上的锂的密度大于0.4g/cc。该电池，其中所述第二电化学活性材料包括硅、锡、锑、铅、钴、铁、钛、镍、镁、铝、镓、锗、磷、砷、铋、锌、碳及它们的混合物。该电池，其中所述第二电化学活性材料包含嵌入材料，其中所述第一电化学活性材料包含锂金属。该电池，其中扩散离子在室温下以大于0.5mA/cm2的比率(rate)在阳极和阴极之间循环。该电池，其中扩散离子在室温下以大于1.0mA/cm2的比率在阳极和阴极之间循环。该电池，其中扩散离子在阳极和阴极之间循环超过150次循环。该电池，其中扩散离子在室温下以大于3.0mAh/cm2的比率在阳极和阴极之间循环超过10个循环。该电池，其中扩散离子以大于18.0mAh/cm2的比率在阳极和阴极之间循环。该电池，其中扩散离子在室温下以大于0.25mAh/cm2的比率在阳极和阴极之间循环超过150次循环。该电池，其中循环效率大于99％。该电池，其中所述第二电解质包含所述固体离子传导性聚合物电解质，并且使所述第二电解质成形为膜并将其附接到阴极上。该电池，其中使电解质层成形为膜并且将其附接到阳极上。该双极性电池，其中所述电池的充电电压(chargedvoltage)大于8伏。如权利要求1所述的双极性电池，其中所述电池的充电电压大于12伏。如权利要求1所述的双极性电池，其中所述电池的充电电压大于20伏。如权利要求1所述的双极性电池，其具有大于99％的第二次循环循环效率(secondcyclecyclingefficiency)。如权利要求1所述的双极性电池，其中所述电池的电压大于12伏，并且其中所述电池提供大于3mA/cm2的安培数比率(amperagerate)。在一个方面中，提供了制造双极性电池的方法，其包括以下步骤：将聚合物与电子受体混合以形成第一混合物；加热所述第一混合物以形成包含多个电荷转移络合物的反应产物；将至少一种离子化合物与所述反应产物混合以形成固体离子传导性聚合物材料。该制造电池的方法的其它方面可以包括以下特征中的一个或多个：该方法，还包括将第一电化学活性材料与所述固体离子传导性聚合物材料混合以形成阴极。该方法，其中阴极形成步骤进一步包括将导电材料与所述第一电化学活性材料和所述固体离子传导性聚合物材料混合。该方法，其中阴极形成步骤还包括其中阴极的密度增大的压延步骤。该方法，其中使所述固体离子传导性聚合物材料成形为膜，以形成固体离子传导性聚合物电解质。该方法，其中掺杂剂为醌。该方法，其中聚合物为PPS、共轭聚合物或液晶聚合物。该方法，其中离子化合物是含有锂的盐、氢氧化物、氧化物或其它材料。该方法，其中离子化合物包括氧化锂、氢氧化锂、硝酸锂、双(三氟甲磺酰亚胺)锂、双(氟磺酰基)酰亚胺锂、双草酸硼酸锂(Lithiumbis(oxalato)borate)、三氟甲磺酸锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、或六氟砷酸锂、及它们的组合。该方法，其中在加热步骤中，将第一混合物加热至250～450℃的温度。该方法，其中将阴极与导电双极性集电器的第一侧相邻放置，且将阳极与所述双极性集电器的第二侧相邻放置，以形成双极性电极组装件(assembly)。该方法，其中使所述固体离子传导性聚合物材料成形为膜以形成两部分的固体离子传导性聚合物电解质，并使其位于双极性电极组装件的每一侧上。该方法，其进一步包括外壳，并且进一步包括组装步骤，其中使所述双极性电极位于两个集电器之间以形成电池组装件，并且将所述电池组装件放置在所述外壳内。该方法，在双极性电极组装步骤中，将所述膜附接到所述阳极和/或所述阴极上。该方法，其中，在附接步骤中，将所述膜与所述阳极和/或所述阴极共挤出。通过参考以下说明书、权利要求书和附图，本领域技术人员将进一步理解和领会本发明的这些和其它特征、优点和目的。附图说明在附图中：图1是双极性电池截面的图示；图2A是实施例5中描述的双极性电池的容量-电压(CV)充电曲线的图；图2B是实施例5中描述的双极性电池的容量-电压(CV)脉冲放电曲线的图；图3是实施例6中描述的电池的循环图；图4是实施例6中描述的电池的循环图；图5是实施例7中描述的电池的开路伏安法图；图6是实施例7中描述的电池的开路伏安法图；图7是实施例7中描述的电池的阻抗图。具体实施方式本申请要求2015年6月4日提交的美国临时专利申请No.62/170,959的权益，在此将其通过援引加入的方式纳入本文；并且还通过援引加入的方式纳入了2015年5月8日提交的美国临时专利申请No.62/158,841、2014年12月3日提交的美国专利申请14/559,430、2013年12月3日提交的美国临时专利申请No.61/911,049、2013年4月11日提交的美国专利申请No.13/861,170、以及2012年4月11日提交的美国临时专利申请No.61/622,705。本文描述了通过固体离子传导性聚合物材料能够在高电压下有效工作的双极性电池。提供以下对术语的解释以更好地详细描述将在本节中阐述的方面、实施方案和对象。除非另外解释或限定，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。为了便于阅读本公开的各种实施方案，提供了对特定术语的以下解释：去极化剂是电化学活性物质的同义词，即在电化学反应和电化学活性物质的电荷转移步骤中改变其氧化态、或者参与化学键的形成或断裂的物质。热塑性是塑料材料或聚合物在特定温度(常常在其熔化温度附近或为其熔化温度)以上变得易弯曲或可模压并在冷却时凝固的特征。“固体”的特征是能够无限长的一段时间保持其形状，并与液相材料区别开来且不同。固体的原子结构可以是结晶的或非晶的。固体可以与复合结构中的组分混合或为复合结构中的组分。然而，为了本申请及其权利要求的目的，除非另外说明，否则固体材料要求该材料为通过固体而非通过任何溶剂、凝胶或液相离子传导性的。为了本申请及其权利要求的目的，将依赖于液体获得离子电导率的凝胶(或湿)聚合物和其它材料定义为不是固体电解质，因为它们依赖于液相获得其离子电导率。聚合物通常是有机的并且由碳基大分子构成，其中所述碳基大分子中的每一种都具有一种或多种重复单元或单体。聚合物重量轻、易延展、通常不导电，且在相对较低的温度下熔化。聚合物可以通过注塑成型工艺、吹塑成型工艺和其它成型工艺、挤出、压制、冲压、三维印刷、机械加工和其它塑料工艺制成产品。聚合物通常在低于玻璃化转变温度Tg的温度下具有玻璃态。这种玻璃化温度是链柔性的函数；并且当系统中有足够的振动(热)能量时，这种玻璃化温度会出现以产生足够的自由体积，以使聚合物大分子的链段序列可以作为单位一起移动。然而，在聚合物的玻璃态下，通常没有聚合物的链段运动。聚合物不同于被定义为无机非金属材料的陶瓷；其通常是由与氧、氮或碳共价键合的金属构成的、脆性的、坚固的且不导电的化合物。在一些聚合物中发生的玻璃化转变是在冷却聚合物材料时过冷液态与玻璃态之间的中点温度。玻璃化转变的热力学测量是通过测量聚合物的物理性质(例如，体积、焓或熵以及其它衍生性质)与温度的函数来完成的。玻璃化转变温度在这样的曲线上作为选定性质(焓的体积)的破坏观察到或由在转变温度下的斜率变化(热容量或热膨胀系数)观察到。在将聚合物从高于Tg冷却至低于Tg时，聚合物分子的迁移速度减慢直至聚合物达到其玻璃态。由于聚合物可包含非晶相和结晶相两者，所以聚合物结晶度是该结晶相的量相对于聚合物的量，并以百分比表示。结晶度百分比可以经由聚合物的X射线衍射通过分析非晶相和结晶相的相对面积来计算。聚合物薄膜通常被描述为聚合物的薄部分，但应理解为等于或小于300微米厚。重要的是，注意离子电导率与电导率(electricalconductivity)不同。离子电导率取决于离子扩散率，这两个性质通过NernstEinstein方程相关。离子电导率和离子扩散率都是离子迁移率的量度。如果离子在材料中的扩散率为正值(大于零)，或者其有助于正电导率，则所述离子在所述材料中是可迁移的。除非另有说明，所有这些离子迁移率测量均在室温(约21℃)下进行。由于离子迁移率受温度影响，因而其可能难以在低温下检测。设备检测限度可能是确定小迁移率量中的一个因素。迁移性可以理解为离子扩散率为至少1x10-14m2/s，优选至少1x10-13m2/s，这两者均使得离子在材料中是可迁移的。固体聚合物离子传导性材料是包含聚合物并传导离子的固体，如下文进一步描述。一个方面包括由至少三种不同组分合成固体离子传导性聚合物材料的方法：聚合物、掺杂剂和离子化合物。为材料的特定应用而选择合成的组分和方法。聚合物、掺杂剂和离子化合物的选择也可以基于材料的所需性能而变化。例如，所需的合成的组分和方法可以通过优化所需的物理特性(例如离子电导率)来确定。合成：合成方法也可以根据具体组分和最终材料的所需形式(例如薄膜、颗粒等)而变化。然而，该方法包括以下基本步骤：首先混合组分中的至少两种，在任选存在的第二混合步骤中加入第三组分，以及加热组分/反应物以在加热步骤中合成固体离子传导性聚合物材料。在本发明的一个方面中，所得混合物可以任选地形成为所需尺寸的薄膜。如果第一步骤生成的混合物中不存在掺杂剂，则可以随后将其加入到混合物中，同时加热和任选存在的施加压力(正压或真空)。所有三种组分都可以存在并将其混合加热，以一步完成固体离子传导性聚合物材料的合成。但是，这个加热步骤可以在与任何混合分开的步骤中进行，或者可以在混合进行时完成。加热步骤可以与混合物的形式(例如薄膜、颗粒等)无关地进行。在合成方法的一个方面中，将所有三种组分混合，然后挤出成薄膜。该薄膜进行加热以完成合成。当合成固体离子传导性聚合物材料时，由于反应物颜色是相对浅的颜色，而固体离子传导性聚合物材料是相对深的颜色或黑色，所以发生可以目视观察到的颜色变化。据信，当正在形成电荷转移络合物时，发生这种颜色变化；并且这种颜色变化可以根据合成方法逐渐或快速发生。合成方法的一个方面是将基础聚合物、离子化合物和掺杂剂混合在一起，并在第二步中加热混合物。由于掺杂剂可以处于气相中，因而加热步骤可以在掺杂剂的存在下实施。混合步骤可以在挤出机、搅拌机、研磨机或塑料加工的典型其它设备中实施。加热步骤可以持续数小时(例如二十四(24)小时)，并且颜色变化是合成完全或部分完成的可靠指示。合成后的额外加热(颜色变化)似乎不会对材料产生负面影响。在合成方法的一个方面中，可以首先混合基础聚合物和离子化合物。然后将掺杂剂与聚合物-离子化合物混合物混合并加热。可以在第二混合步骤期间或在混合步骤之后对混合物加热。在合成方法的另一个方面中，首先将基础聚合物和掺杂剂混合，然后加热。这个加热步骤可以在混合之后或者在此期间施加，并且产生颜色变化，从而指示电荷转移络合物的形成以及掺杂剂和基础聚合物之间的反应。然后将离子化合物混合到反应的聚合物掺杂剂材料中以完成固体离子传导性聚合物材料的形成。添加掺杂剂的典型方法是本领域技术人员已知的，并且可以包括含有基础聚合物和离子化合物的薄膜的气相掺杂(vapordoping)以及本领域技术人员已知的其它掺杂方法。在掺杂时，固体聚合物材料变为离子传导性的；据信掺杂起到激活固体聚合物材料的离子组分的作用，因此所述离子组分为扩散离子。可以将其它非反应性组分在最初混合步骤、第二混合步骤或加热后的混合步骤期间加入到上述混合物中。这样的其它组分包括但不限于：去极化剂或电化学活性材料如阳极或阴极活性材料，导电材料如碳，流变剂如粘合剂或挤出助剂(例如乙烯丙烯二烯单体“EPDM”)，催化剂和可用于实现混合物的所需物理性质的其它组分。在固体离子传导性聚合物材料的合成中可用作反应物的聚合物是可以被电子受体氧化的电子给体或聚合物。结晶度指数大于30％和大于50％的半结晶聚合物是合适的反应物聚合物。完全结晶的聚合物材料如液晶聚合物(“LCP”)也可用作反应物聚合物。LCP是完全结晶的，因此其结晶度指数被定义为100％。无掺杂的共轭聚合物和诸如聚苯硫醚(“PPS”)等聚合物也是合适的聚合物反应物。聚合物通常不导电。例如，原生PPS具有10-20Scm-1的电导率。非导电聚合物是合适的反应物聚合物。在一个方面中，可用作反应物的聚合物可以具有在每个重复单体基团的骨架中的芳香族或杂环组分，并且掺入所述杂环中或者沿所述骨架位于与芳香环相邻的位置的杂原子。杂原子可以直接位于骨架上或与直接位于骨架上的碳原子键合。在杂原子位于骨架上或与位于骨架上的碳原子键合这两种情况下，骨架原子位于与芳香环相邻的骨架上。用于本发明的这一方面中的聚合物的非限制性实例可以选自PPS、聚对苯醚(“PPO”)、LCP、聚醚醚酮(“PEEK”)、聚邻苯二甲酰胺(“PPA”)、聚吡咯、聚苯胺和聚砜。还可以使用包括列出的聚合物的单体的共聚物和这些聚合物的混合物。例如，对羟基苯甲酸的共聚物可以是合适的液晶聚合物基础聚合物。表1详细描述了可用于固体离子传导性聚合物材料的合成中的反应物聚合物的非限制性实例以及单体结构和一些物理性质信息，这些信息应被认为是非限制性的，因为聚合物可以采取可影响其物理性质的多种形式。表1在固体离子传导性聚合物材料的合成中可用作反应物的掺杂剂是电子受体或氧化剂。据信，掺杂剂起到释放离子以获得离子传输和迁移率的作用，并且据信起到生成类似于电荷转移络合物的位点或聚合物内允许离子电导率的位点的作用。可用的掺杂剂的非限制性实例是：醌，例如还被称为“DDQ”的2,3-二氰基-5,6-二氯二氰醌(C8Cl2N2O2)和还被称为氯醌的四氯-1,4-苯醌(C6Cl4O2)；还被称为TCNE的四氰基乙烯(C6N4)；三氧化硫(“SO3”)；臭氧(三氧或O3)；氧气(O2，包括空气)；过渡金属氧化物(包括二氧化锰(“MnO2”))；或任何合适的电子受体等；及它们的组合。在合成加热步骤的温度下温度稳定的那些掺杂剂是可用的，并且温度稳定的醌和其它掺杂剂以及强氧化剂醌是非常可用的。表2提供了掺杂剂的非限制性列表以及它们的化学图表。表2在固体离子传导性聚合物材料的合成中可用作反应物的离子化合物是在固体离子传导性聚合物材料的合成期间释放所需离子的化合物。离子化合物不同于掺杂剂之处在于，需要离子化合物和掺杂剂两者。合成中包含的具体离子化合物取决于材料所需的用途。例如，在其中需要在固体离子传导性聚合物材料中具有可离子迁移的锂阳离子的方面中，可转化为锂离子和氢氧根离子的氢氧化锂或氧化锂将是合适的。任何在合成期间释放锂阴极和扩散阴离子的含锂化合物也将是合适的。这样的锂离子化合物的非限制性实例包括在有机溶剂中用作锂盐的那些。非限制性实例包括Li2O、LiOH、LiNO3、LiTFSI(双三氟甲烷磺酰亚胺锂)、LiFSI(双(氟磺酰基)酰亚胺锂)、双(草酸根合)硼酸锂(LiB(C2O4)2“LiBOB”)、三氟甲磺酸锂LiCF3O3S(三氟甲烷磺酸锂)、LiPF6(六氟磷酸锂)、LiBF4(四氟硼酸锂)、LiAsF6(六氟砷酸锂)和其它锂盐及它们的组合。这些化合物的水合形式(例如一水合物(monhydride))可用于简化化合物的处理。无机氧化物、氯化物和氢氧化物是合适的离子化合物，因为它们在合成期间解离产生至少一种阴离子和阳离子扩散离子。任何解离产生至少一种阴离子扩散离子和阳离子扩散离子的这种离子化合物同样是合适的。多种离子化合物也可以是可用的，导致多种阴离子扩散离子和阳离子扩散离子可以是优选的。材料的纯度是潜在重要的，以防止任何不期望的副反应，并使合成反应的有效性最大化以产生高导电性材料。具有一般高纯度的掺杂剂、基础聚合物和离子化合物的实质上纯的反应物是可用的，并且更可用的是纯度大于98％，甚至更高纯度例如LiOH：99.6％，DDQ：>98％，氯醌：>99％也是可用的。为了进一步描述固体离子传导性聚合物材料的用途和固体离子传导性聚合物材料的上述合成方法的通用性，描述了所述固体离子传导性聚合物材料在双极性电化学应用的某些方面中的使用：双极性电池设计的技术优势横跨几个领域，包括电池所提供的总电压的灵活性、提高的能量密度、降低的内阻抗、以及在离子双极性电池的情况下具有非常高安全性的高电压电池单元。通过双极性设计能够实现的电压灵活性对于电池单元的市场应用是重要的，其中可以匹配想要的电压窗口(例如4V锂离子，对于汽车而言12V等)，并在下面对其进行讨论。然而，灵活性方面中还存在强大的好处：这种设计考虑到了通常由于较低电压而被忽视的电极耦合体(electrodecouple)。这些电极耦合体的较低电压可以通过双极性设计(即，堆叠双极性电池单元以及产生较高的总电池电压)来抵消。使用低电压电极材料的潜在益处可以包括低成本、高容量、改进的稳定性和循环寿命、固有的安全性和对环境无害的材料性质。因此，双极性电池设计不仅可以产生较大的电池电压灵活性，而且还可以开发多得多的材料选择来改善制造。双极性电池的另一个方面是高电压系统与基本安全的电池化学的组合。双极性电池的安全性测试表明，在直接短路和苛刻穿刺测试(abusivepuncturetest)过程中温度较低。这表明高电压电池可以替代传统的液态锂离子电池使用，并且对于苛刻环境也是非常安全和良好的。这为电池的最终用户提供了明显的益处。双极性电池结构的优势——增加的能量、降低的阻抗、改善的安全性和电压灵活性——提供优于一系列市场应用中的现有电池解决方案的直接优势。电压灵活性可能是这些优势中最重要的之一。目前，最终应用的电池化学选择和设计选择是相互关联的决定——化学的电压影响最终应用的设计，并且应用的电压要求缩小了潜在化学选择的清单。例如，许多消费电子设备都设计在4伏锂离子电池上运行，从而使得更为廉价且更低电压的化学物质(例如碱金属氢化物和镍金属氢化物)成为不合意的匹配物。另一方面，电动车辆被设计成在高电压系统上运行，从而使得具有串联以增加电压的多个模块的复杂且庞大的电池组成为必需。双极性电池提供比现有解决方案多得多的电压灵活性。通过允许低电压化学品与更昂贵的锂离子技术竞争，并且通过使得用于电动车辆和其它应用的高电压电池的组装最小，双极性电池具有成本和性能优于现有技术的优点。包含固体离子传导性聚合物材料的四层双极性镍金属氢化物电池例如是4.8伏，并且可以用于其中电池成本是驱动因素的消费电子应用中。此外，对于高电压应用，具有固体离子传导性聚合物材料的十层锂离子电池具有接近40伏的电势；其与十个串联连接的四伏锂离子电池单元相比，具有显著较少的组装。双极性电池试图内部串联连接多个电化学电池单元。在该配置中，第一电池单元的阴极与下一电池单元的阳极共用集电器以形成串联连接。电子直接通过该集电器从阳极流向阴极。在串联中的最后一个阳极处，电子流出进入到电池的末端集电器中，所述末端集电器连接到外部终端(terminal)。这种配置导致电池的总电压是单个电池单元电压的总和，从而与传统电池单元布局相比实现了大得多的电压灵活性。图1显示了三电池单元双极性电池的这种配置。参考图1，其示出了双极性电池截面的图示。双极性电池10包括多个双极性电极以及阳极-阴极耦合体(couple)或者子叠层组件，后者由V1、V2和V3标记这些耦合体所提供的子电压(sub-voltage)。各个双极性电极包括双极性集电器20a和20b。与各个双极性集电器相邻的是阳极30a和30b以及阴极40a和40b。双极性电极通过固体离子传导性聚合物材料电解质层50a彼此隔开。终端电极：阳极30d和阴极40c分别位于与阴极40b和阳极30a相对的耦合位置，并分别由包括固体离子传导性聚合物电解质的插入电解质50b和50c分开。当各个终端电极位于电池末端时，使末端集电器60a和60b位于与各个终端电极电连接的位置。末端集电器可以充当电池终端，或者在一个方面中可以与电池终端电连接。电池终端可连接到开路或负载，其中电池将向所述负载提供开路电压e-或电子流。双极性电池包括至少一个双极性电极，并且在图1中，示出了两个位置彼此相邻的双极性电极。在其中存在多个双极性电极的方面中，各个双极性电池将类似地定位，其间具有电解质层。各个双极性电极包括在导电片的一侧上具有第一电化学活性材料的正极和在该片的另一侧上具有第二电化学活性材料的负极。各自包括固体离子传导性聚合物材料的电解质层的数量取决于双极性电极的数量，并且需要多个+1个电解质层以容纳多个双极性电极。包含固体离子传导性聚合物材料的各个电解质层在室温下能够实现显著的离子电导率，这使得双极性电池能够既是稳定的系统又以高流失率(drainrate)工作。各个终端电极(即，终端负极(阳极)30d和终端正极(阴极)40c)不是双极性电极的部件，而是与作为双极性电极部件的相对电极形成子叠层。终端负极与位于第一相邻双极性电极上的正极相对并与其处于电化学耦合关系中，其间插入有电解质层。类似地，终端正极与第二相邻双极性电极上的负极层相对，其间插入有电解质层。在双极性电池10中，各个正极40a、40b、40c和相邻的阳极30a、30b、30d构成子叠层，所述子叠层也包括电解质层。例如，部件40b、50b和30d构成产生电压V3的第一子叠层。各个子叠层通过导电片与相邻的子叠层隔开，其中所述导电片将来自各个子叠层的电子串联传导以产生集总电池电压(aggregatebatteryvoltage)，因为其在电池中与各个子叠层电连通。包含位于阳极30b和阴极40a之间的电解质层50a的子叠层产生电压V2。第二子叠层与所述第一子叠层相邻布置且与所述第一子叠层经由双极性集电器20b电连通但不离子连通，并且还经由双极性集电器20a与第三子叠层电连接，其中所述双极性集电器20a与所述第二子叠层相邻布置并且在一末端与所述第二子叠层结合，其中所述双极性集电器20b与集电器层20a相对布置并与相对末端结合。各个子叠层的电压取决于所包含的电极的相对电极电位。子叠层电压可以等于或小于3伏，或者非常高，例如，大于4.2伏或大于5伏。电极的电极电位取决于所包含的电化学活性材料的电极电位。阳极电极可以包括锌、铝、锂、嵌入材料和许多其它电化学活性材料。阴极电极可以包括二氧化锰、硫、嵌入材料和许多其它电化学活性材料。双极性集电器20a和20b用于相邻双极性电池单元的阴极40a和40b以及阳极30a和30b。双极性电池10对于各个电化学对使用少一个集电器，这减小了不活动的(inactive)部件所占据的体积和重量。取决于电池中双极性电池单元的数量(其在大型高电压电池中可能相当多)，从设计中省去的集电器的数量可能是相当大的。此外，由于双极性集电器在阴极和阳极之间穿过电极的整个表面直接转移电子，集电器的厚度可以非常薄，即使对于最高倍率(rate)的电池单元设计也是如此。因此，该双极性电池单元结构导致了体积能量密度和重量能量密度的显著增加，其中需要较少的集电器，并且可以使用薄的集电器。真正的能量密度改善将取决于系统中使用的具体设计，但据估计仅集电器数量的减少就可以将能量密度提高10％至15％。高倍率设计中薄集电器的使用以及串联连接的多个电池单元的外部电池单元组装(电池外壳和终端)的省去，据估计能够提供另外10％至25％的能量密度提高，这再次取决于所讨论的双极性电池单元的尺寸和电压。双极性电池特别可用于高倍率应用，因为与传统电池设计相比，双极性设计提供较低的内阻抗。该较低的内阻抗导致电池能够以更快的速率充电和放电并为要求高的大功率应用提供更高的电流。双极性电池固有地具有较低阻抗的原因是由于直流电流穿过双极性电池单元之间的电极的整个面。在传统的电池单元中，电流从电极接头(tab)沿着电极向下流动到最远点。在双极性电池单元中，电流可以在阴极和阳极之间贯穿双极性集电器的整个区域内直接转移，行进的距离是几微米而不是几十厘米，该距离对应于双极性集电器的厚度。这在降低电池单元的阻抗和DC电阻(Rdc)方面提供了显著的益处，并且导致电池单元在负载下提供更高的电压。双极性集电器20a和20b可以是铜、铝、不锈钢或任何高度导电的材料，其较薄且使其成形以位于阳极和阴极之间。末端集电器60a和60b可以是与双极性集电器相同的材料或相同的组分。在一个方面中，末端集电器可以是导电接头，其被附接(affix)到末端电极以将电流从相应终端传入和传出电池。与在其电极的整个相邻表面上延伸的双极性集电器不同，由于不存在电极耦合体，所以末端集电器不需要起到防止双极性电极的阳极和阴极邻近的作用。各个阳极30a、30b和30d可以包含适合于所需电化学系统的电化学活性材料。阳极-阴极耦合体不是限制性的，因为双极性电池10可以包括任何电化学耦合体，其包括固体材料作为电化学活性耦合体(阳极和阴极)。尽管描述了锂电池，但是锂电池是一个方面而不是唯一的电化学系统。在其中电化学耦合体包含锂作为阳极的电化学活性材料的方面中，阳极可以在一个方面中包含锂金属，或在另一个方面中包含锂嵌入材料。在其中使用阳极嵌入材料作为阳极电化学活性材料的方面中，可用的阳极材料包括典型的阳极嵌入材料，其包括：锂钛氧化物(LTO)、硅(Si)、锗(Ge)和锡(Sn)阳极，其可为掺杂的或未掺杂的；以及其它元素，例如锑(Sb)、铅(Pb)、钴(Co)、铁(Fe)、钛(Ti)、镍(Ni)、镁(Mg)、铝(Al)、镓(Ga)、锗(Ge)、磷(P)、砷(As)、铋(Bi)和锌(Zn)，其可为掺杂的或未掺杂的；前述物质的氧化物、氮化物、磷化物和氢化物；和碳(C)，包括纳米结构碳、石墨、石墨烯(graphene)和含碳的其它材料，以及它们的混合物。在这个方面中，可以将阳极嵌入材料与固体离子传导性聚合物材料混合并将其分散在所述固体离子传导性聚合物材料内，从而使得所述固体离子传导性聚合物材料可以在嵌入和脱嵌(或锂化/脱锂化)期间将锂离子离子性地传导到嵌入材料中并从所述嵌入材料脱离。可以将导电添加剂额外地添加到此种嵌入阳极中，以使电子能够从电化学活性材料流至相邻的集电器。在其中使用锂金属的方面中，可以将锂与阴极材料一起添加，作为锂箔添加到阳极中，分散在固体离子传导性聚合物材料中，或者添加到两种电池组件中。固体离子传导性聚合物电解质的作用是将锂金属传输到阳极和从阳极传输出，因此必须将其放置在电池内以便能够实现该功能。因此，可以将固体离子传导性聚合物电解质作为膜层或者使固体离子传导性聚合物电解质能够发挥其锂离子传导作用的任何其它形状放置。固体离子传导性聚合物电解质的厚度可以在均匀厚度的所需范围内，例如200至25微米或更薄。为了有助于固体离子传导性聚合物电解质的挤出，可以以实现所需的挤出性质所必须的量加入流变助剂或挤出助剂例如EPDM(乙烯-丙烯-二烯单体)。各个阴极40a、40b和40c可以包含适合于所需的电化学系统和阳极-阴极耦合体的电化学活性材料，因为双极性电池10可以包括任何电化学耦合体，所述电化学耦合体包括固体材料作为电化学活性耦合体(阳极和阴极)。尽管描述锂电池，但是锂电池是一个方面，而不是唯一的电化学系统。可以使用的典型电化学活性阴极化合物包括但不限于：NCA-锂镍钴铝氧化物(LiNiCoAlO2)；NCM(NMC)-锂镍钴锰氧化物(LiNiCoMnO2)；LFP-锂铁磷酸盐(LiFePO4)；LMO-锂锰氧化物(LiMn2O4)；LCO-锂钴氧化物(LiCoO2)；含有镍、钴或锰的锂氧化物或磷酸盐，以及LiTiS2、LiNiO2和其它层状材料，其它尖晶石、其它橄榄石和tavorite，以及它们的组合。在一个方面中，电化学活性阴极化合物可以是嵌入材料或下述阴极材料，其与锂或其它电化学活性阴极材料发生固态氧化还原或转化反应。此种转化阴极材料包括：金属卤化物，包括但不限于金属氟化物，如FeF2、BiF3、CuF2和NiF2，金属氯化物包括但不限于FeCl3、FeCl2、CoCl2、NiCl2、CuCl2和AgCl；硫(S)；硒(Se)；碲(Te)；碘(I)；氧(O)；和相关材料，例如但不限于黄铁矿(FeS2)和Li2S。由于固体离子传导性聚合物电解质在高电压(相对于阳极电化学活性材料超过5.0V)下是稳定的，所以一个方面是通过实现尽可能高的电压的电池来增加能量密度，因此高电压阴极化合物在这个方面中是优选的。某些NCM或NMC材料可以高浓度的镍原子提供这样的高电压。在一个方面中，具有大于钴或锰的原子百分比的镍原子百分比的NCM(例如NCM712、NCM721、NCM811、NCM532和NCM523)可用于提供相对于阳极电化学活性材料更高的电压。与阳极一样，可以将阴极通过与固体离子传导性聚合物材料以及导电材料(例如碳或石墨)混合而分散在所述固体离子传导性聚合物材料内。可以使阴极在双极性集电器上成形，或者作为独立的结构成形并与双极性集电器相邻放置。下面的实施例中描述了双极性电池、其结构和其功能的一些方面。实施例在此描述了电池制品及其部件，并且在以下实施例中示例了制造和使用其的方法。实施例1将PPS和氯醌粉末以4.2:1的摩尔比(基础聚合物单体与掺杂剂之比大于1:1)混合。然后将混合物在氩气或空气中、高达350℃的温度、大气压下加热约24小时。观察到颜色变化，从而确认在聚合物-掺杂剂反应混合物中产生电荷转移络合物。然后将反应混合物重新研磨至1～40微米的小平均粒度。然后将LiTFSI粉末(全部混合物的12重量％)与反应混合物混合以产生合成的固体离子传导性聚合物材料。在这个方面中用作固体离子传导性聚合物电解质的固体离子传导性聚合物材料在如此使用时被称为固体聚合物电解质。固体离子传导性聚合物电解质可以用在电池中的多个位置，包括电极中，或者作为被插入电极之间的独立介电非电化学活性电解质。当如此使用时，固体离子传导性聚合物电解质在所有电池应用中可以是相同的材料，并且在锂电池的方面中，如果使锂的离子迁移率最大，则固体离子传导性聚合物电解质的这种性质和属性允许所述固体离子传导性聚合物电解质在阳极、阴极中以及作为被插入在阳极电极和阴极电极之间的独立介电非电化学活性电解质起到良好作用。然而，在一个方面中，固体离子传导性聚合物电解质可以变化以适应在应用中可能需要的不同性质。在一个非限制性实例中，可以将电子传导性材料添加到固体离子传导性聚合物电解质中，或者在其合成期间集成到所述固体离子传导性聚合物电解质中，从而提高所述固体离子传导性聚合物电解质的电导率并使其适合用于电极中，并减少和/或消除在这种电极中添加额外的导电添加剂的需要。如果这样使用，则这种配制物将不适合用作被插入在阳极电极和阴极电极之间的独立介电非电化学活性电解质，因为其是导电的并且将起到使电池短路的作用。此外，固体离子传导性聚合物电解质在阳极、阴极中以及作为被插入阳极电极和阴极电极之间的独立介电非电化学活性电解质的使用使得电池设计者能够利用所述固体离子传导性聚合物电解质的热塑性。独立的介电非电化学活性电解质可以通过加热和固定在阳极或阴极上(例如在层合过程中)、或通过与电极一起共挤出并由此成形而热成型在所述阳极或阴极上。在一个方面中，所有三个电池组件包含固体离子传导性聚合物电解质，并且将其一起热成型或者共挤出以形成电池。合成的材料的电子传导率是通过使用恒电势法在阻塞电极之间测量的，并且测得为6.5x10-9S/cm或低于1x10-8S/cm(与1x10-8S/cm相比，较不导电)。对合成的材料进行扩散率测量。通过使用Varian-SDirectDrive300(7.1T)光谱仪进行PGSE-NMR测量。使用魔角旋转技术来平均化化学位移各向异性和偶极相互作用。使用脉冲梯度自旋受激回波脉冲序列用于自扩散(扩散率)测量。通过分别使用1H和7Li核测量各个材料样品中阳离子和阴离子的自扩散系数。材料在室温下的阳离子扩散率D(7Li)为0.23x10-9m2/s，在室温下的阴离子扩散率D(1H)为0.45x10-9m2/s。为了确定会降低材料电导率的离子缔合程度，通过使用测量的扩散测量结果经由Nernst-Einstein方程计算材料的电导率，确定相关的计算电导率远大于测量电导率。差异平均为至少一个数量级(或10倍)。因此，认为通过改善离子解离可以提高电导率，并且计算电导率可以被认为在电导率范围内。可以通过式(1)由扩散系数数据估算阳离子迁移数：t+～D+/(D++D-)(1)其中D+和D-分别指Li阳离子和TFSI阴离子的扩散系数。由以上数据，固体离子传导性聚合物材料中获得约0.7的t+值。高阳离子迁移数这一性质对电池性能有重要的影响。理想情况下，优选的是t+值为1.0，这意味着Li离子承载全部电流。阴离子迁移率导致可能会限制锂电池性能的电极极化效应。并不认为0.7的计算迁移数已在任何液体或PEO基电解质中观察到。虽然离子缔合可能影响计算，但电化学结果证实迁移数范围为0.65～0.75。据信由于锂阳离子扩散较高，t+取决于阴离子扩散。由于阳离子扩散大于相应的阴离子扩散，所以阳离子迁移数总是高于0.5；并且因为阴离子是可迁移的，阳离子迁移数也必须小于1.0。据信作为离子化合物的锂盐的调查将产生大于0.5且小于1.0的这个范围的阳离子迁移数。作为比较例，已经报道了一些陶瓷具有高扩散数，但是这样的陶瓷仅传输单一离子，因此当D-为零时，阳离子迁移数减少到1.0。实施例2表3中列出了另外的固体离子传导性聚合物材料、通过使用实施例1的合成方法制备的实施例1中所合成和描述的材料(PPS-氯醌-LiTFSI)以及它们的反应物和相关的室温下离子电导率(EIS方法)。表3：测量固体离子传导性聚合物材料的各种物理性质，并确定所述固体离子传导性聚合物材料：所述固体离子传导性聚合物材料在室温下的电子传导率小于1x10-8S/cm；可以被模塑至200微米下到20微米的厚度；在非常低的温度(如-40℃)下具有显著的离子迁移率，且在室温下的离子电导率大于1.0E-05S/cm、1.0E-04S/cm和1.0E-03S/cm，并且这些离子电导率包括作为通过所述固体离子传导性聚合物材料传导的可迁移离子之一的锂。实施例3使用实施例2的固体离子传导性聚合物电解质(具体为PPS/氯醌/LiTFSI-LiFSI-LiBOB)制造双极性二次锂电池单元。所述电池单元包含锂金属阳极，并且使用所述固体离子传导性聚合物电解质作为电解质层并将其插入阳极和浆状阴极之间。所述浆状阴极也包含所述固体离子传导性聚合物电解质，且所述阴极通过使用逐步法制造。该方法最初包括在溶剂——例如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)或二甲基乙酰胺(DMA)——中的聚偏二氟乙烯(PVDF)粘合剂。然后在第一混合步骤中加入导电碳和石墨以及固体离子传导性聚合物电解质，其中所述碳和固体离子传导性聚合物电解质保持稳定并且不溶于粘合剂溶剂。然后将该第一混合物在第二混合步骤中与电化学活性阴极材料(例如锂钴氧化物(LiCoO2)(“LCO”)混合，以形成浆状混合物，然后将其涂布到阴极集电器上。在其中将粘合剂溶剂从阴极中排出的干燥步骤之后，将阴极压延以形成高密度阴极。表4详细描述了所描述浆状阴极处理中包含的各个阴极组分的组成范围。表4阴极组分重量％电化学活性材料70～90固体离子传导性聚合物电解质4～15导电碳1～5导电石墨1～5粘合剂3～5高密度阴极的厚度为约15～115微米，并且其阴极涂布密度为1.2～3.6g/cc。实施例4双极性电池通过使用Li金属阳极组装。阴极通过纳入表5中列出的电化学活性材料并且根据实施例3中所述的方法制备，并将锂金属阳极与集电器上的阴极相对放置以形成包含固体离子传导性聚合物材料的双极性电极。使所述固体离子传导性聚合物材料的膜位于阳极和阴极层之间或双极性电极之间。在电池中使用三层双极性电极，从而得到表5中列出的总电池单元电压。由于在该电池中使用了固体离子传导性聚合物材料，所以没有试图在双极性电极之间进行密封；并且将所有的层都彼此直接相邻地堆叠在一起。这与液体电解质系统不同，在液体电解质系统中，需要非常小心和精心的电池单元设计来确保液体电解质被密封并且不会从一个双极性电极跨越到另一个双极性电极。导电接头被附接在终端阴极层和终端阳极层上。在通过使用所描述的电极和固体离子传导性聚合物材料组装双极性电池之后，将该电池以这样一种方式真空密封在铝层合袋材料中，从而使得导电接头从袋中突出以充当双极性袋式电池单元的终端引线。表5电池单元阳极材料阴极材料阴极编号初始OCV(V)160217-9-5锂金属NCM26.80160219-11-3锂金属NCM310.22160226-13-1锂金属LCO39.65160228-16-1锂金属LCO39.44160325-22-4锂金属LCO39.75实施例5测试来自实施例4的双极性袋式电池单元(电池)以确定电压稳定性、性能、循环效率和储存期限。参考图2A和图2B，测试包含NCM阴极的双极性袋式电池单元的稳定性。图2A是示出电池单元的第一次循环的稳定电压的充电曲线。图2B示出了该相同双极性电池单元的高比率脉冲放电，并且证明了所述双极性电池单元能够处理高达3.0mA/cm2的电流密度，远高于电池的最小电压。对Li金属/固体离子传导性聚合物材料/NCM双极性电池单元以5、20、40、80和120mA的电流进行脉冲放电测试达5秒脉冲长度。这些电流分别对应于0.125、0.5、1.0、2.0和3.0mA/cm2的电流密度。这里使用的所有电流都很容易被所述电池单元处理，其中最小电压显著高于电池单元的9V最小电压。实施例6另外测试来自实施例4的双极性袋式电池单元(电池)以确定电压稳定性、性能、循环效率和储存期限。具体而言，将包含LCO阴极的双极性袋式电池单元之一进行循环，其中在充电后休息(rest)九(9)小时。参考图3，第一次循环时充电电压超过12伏，第二次循环中重复该充电电压。初始充电后九(9)小时的休息时间表明电池单元的电压稳定性，因为开路储存电压(storagepressure)保持稳定，在此时间段内保持在12V以上。参考图4，其示出了更长的放电曲线，其展示了整个第二次循环。从前两次充电-放电循环中，可以通过使用充电所需的库仑和放电期间导出的库仑来计算循环效率。对于mAh/g容量测量，可将库仑测量相对于电化学活性阴极材料的重量归一化。对于循环，将放电值除以充电值并乘以100以得到n次循环效率。计算第一次循环充电容量，其为162.8mAh/g，相关的放电容量为146.3mAh/g。在第二次循环中，计算第一次循环充电容量，其为149.1mAh/g，相关的放电容量为148.6mAh/g，获得的第二次循环循环效率超过99％。参考图5，其示出了多天内同一双极性袋式电池单元的开路电压图。在电极之间出现短路、桥接或其它相互作用的情况下，OCV将显示出变化。然而，双极性电池单元在多周时间内是稳定的。实施例7双极性电池通过使用Li金属阳极以及纳入硫电化学活性材料和来自实施例1的固体离子传导性聚合物材料的硫阴极来组装，其中使导电铜集电器位于所述阳极与所述阴极间以形成双极性电极。使所述固体离子传导性聚合物材料的膜位于双极性电极之间，并将其插入相邻的阳极和阴极之间。在电池中使用三层阳极/固体离子传导性聚合物材料/阴极，从而得到约7.0V的总电池单元电压(各子叠层向总的双极性电池电压贡献约2.33V)。由于在该电池中使用了固体离子传导性聚合物材料，所以没有试图在双极性层之间进行密封；并且将所有的层都直接一个堆叠在另一个的上面/彼此相邻地堆叠。这与液体电解质系统不同，在液体电解质系统中，需要非常小心和精心的电池单元设计来确保液体电解质被密封并且不会从一个双极性电池单元叠层跨越到另一个双极性电池单元叠层，从而造成电池短路。在通过使用所描述的电极和聚合物电解质组装双极性电池之后，将该电池真空密封在铝层合袋材料中。在几个月内监测该双极性电池的开路电压以确定电池单元的稳定性。预期稳定的电池单元化学具有随时间稳定的开路电压。结果在图6中给出，其示出了半年以上处于预测的7.0伏的OCV稳定性。在双极性Li/硫电池单元的四个月储存期间，阻抗变化非常小，并且随时间而变化，最可能是由于阻抗测量期间室温的轻微变化。参考图7(其包括几乎相同的初始阻抗和4个月储存阻抗)，电池单元在几个月的储存期间的阻抗不会改变——因此电池单元具有非常稳定的组分。这些数据指示出了稳定的电化学系统，并且示出了本申请聚合物电解质在阴极中和作为用于这种双极性系统的固体离子传导性聚合物材料的用途提供了稳定的电池。本领域技术人员可以领会，本发明导致了在这些双极性电池的实际应用中极大的灵活性。双极性电池单元层的数量可以变化以产生所需的输出电压，从而满足特定装置的需要。因此，高输出电压可以通过单个紧凑且能量密集的双极性电池来递送。实施例8另外的双极性电池通过使用两个或三个双极性电池单元叠层来组装。这些双极性电池通过使用MnO2阴极(与固体离子传导性聚合物材料和导电石墨或类似材料混合的MnO2)和铝阳极构造，两者均含有固体离子传导性聚合物材料。该固体离子传导性聚合物材料根据实施例1制备，然而使用的离子化合物是氢氧化锂一水合物(monhydride)。使用碱性液体电解质(氢氧化钾溶液)并将其适当密封在这些电池单元中。没有观察到电池单元短路或电解质漏泄。这些电池单元已经示出为电子设备(例如iPodNano、LED灯等)供电的能力。尽管已经根据本发明的某些方面详细描述了本发明，但是本领域技术人员在不脱离本发明精神的情况下可以实现其中的许多修改和变化。因此，申请人的目的仅受限于所附权利要求的范围，而不通过描述在此所示的实施方案的细节和手段来限制。应该理解的是，在不脱离本发明的构思的情况下，可以对上述结构进行变化和修改，并且应当理解的是，这些构思意欲被所附权利要求所涵盖，除非这些权利要求中另有明文规定。当前第1页1 2 3