离子液体激发的具有高电导率和高传输数的两性离子

本公开涉及电解质和其制造方法。

背景技术：

1、(注意：本技术引用了多个不同的参考文献，如说明书中括号中的一或多个参考文献所指示的，例如(x)。根据这些参考号订购的这些不同公开的列表可以在下文题为“参考文献”的部分找到。这些参考文献中的每个参考文献均通过引用并入本文)。

2、电化学能量的高效和安全储存对于如电动车和便携式电子装置等新兴技术至关重要。下一代二次电池的实际要求包含更高的能量密度和充放电速率，这取决于新的高压阴极材料以及具有高离子电导率(σ)的电极和电解质组分。这种电池的广泛操作电位窗口超过了当前基于有机溶剂的电解质的安全操作极限，并且需要设计防漏、电化学稳定和不可燃的替代性电解质。固体聚合物电解质(spe)由于其稳定性和机械稳健性在此领域引起了极大的关注。然而，由于聚合物节段弛豫速率与离子迁移率的强关联，在不损害机械特性的情况下，在整个电池操作温度范围内获得足够高的离子电导率仍然具有挑战性。所需要的是具有改善的离子传导和机械特性的固体电解质。本公开满足了此需要。

技术实现思路

1、为了解决这些挑战，本公开描述了离子液体激发的结晶两性离子(zi)固体电解质，其被设计成使离子传输与基质的流动性解关联。此解关联赋予了类似于无机固态电解质的超离子性能的超离子性能，而周围基质导致了类似于传统聚合物电解质的可加工性和延展性。

2、说明性实施例包含但不限于以下实例。

3、1.一种固体电解质，其包括：

4、固体，所述固体包括两性离子化合物，所述两性离子化合物各自包括一或多种阳离子和一或多种阴离子，所述两性离子化合物包括两性离子分子或电荷中性聚合物中的至少一种，所述电荷中性聚合物包括两性离子侧基；以及

5、电解质盐，所述电解质盐被分布成通过所述固体，使得所述固体传导从所述盐获得的碱金属离子，并且所述两性离子化合物各自包含零或多个无定形区域和一或多个结晶区域，所述一或多个结晶区域的特征在于：

6、在所述固体的x射线衍射测量中存在布拉格衍射峰(bragg diffraction peak)；以及

7、在以下情况时，所述固体在50摄氏度的温度下的离子电导率任选地为至少10-4s/cm：

8、所述盐与所述电荷中性聚合物中的两性离子单体单元的摩尔比r为0.9，并且任选地当所述盐与所述两性离子分子中的所述两性离子单元的所述摩尔比r为0.9。

9、2.根据实例1所述的固体电解质，其中所述固体包括所述两性离子分子和所述电荷中性聚合物的共混物。

10、3.根据实例1至2中任一实例所述的固体电解质，其中所述电荷中性聚合物各自包括：

11、主链，所述主链包括多个主链单体；以及

12、多个侧链，所述侧链中的每一个与所述主链单体之一连接，其中：

13、所述侧链中的至少一个各自包含所述两性离子单体单元中的至少一个，所述两性离子单体单元包括具有补偿电荷的所述阳离子中的至少一个和所述阴离子中的至少一个；并且

14、所述电荷中性聚合物包括所述结晶区域中的一或多个和所述无定形区域中的一或多个。

15、4.根据实例1至3中任一实例所述的固体电解质，其中：

16、所述两性离子分子各自包括所述阳离子中的一或多个和所述阴离子中的一或多个；并且

17、所述两性离子分子定位于所述结晶区域中的一或多个中。

18、5.根据实例中任一实例所述的固体电解质，其中所述阳离子和所述阴离子的大小和形状使得所述结晶区域包含足够大以选择性地允许所述碱金属离子穿过空隙或空位使得所述固体传导的所述碱金属离子的传输数为至少0.5的空隙空间或空位或由其分隔。

19、6.根据实例1至5中任一实例所述的固体电解质，其中所述碱金属离子优先地传输通过所述结晶区域，所述结晶区域通过包括所述固体的材料的周围基质形成渗滤路径。

20、7.根据实例1至6中任一实例所述的固体电解质，其中所述固体未交联，并且由此保持可溶和/或可熔融加工。

21、8.根据实例1至7中任一实例所述的固体电解质，其中所述结晶区域被布置成且大小被设定成使得所述碱金属离子的传导以晶体中的弹道传输为特征。

22、9.根据实例1至8中任一实例所述的固体电解质，其中所述固体的特征在于在0.1hz的变形频率下在室温(30摄氏度)下的线性弹性模量为至少100千帕。

23、10.根据实例1至9中任一实例所述的固体电解质，其中所述摩尔比r在0.05≤r≤2的范围内。

24、11.根据实例1至10中任一实例所述的固体电解质，其中：

25、所述结晶区域的大小被设定成且被布置成使得所述固体在30摄氏度的温度下的离子电导率为至少10-4s/cm，并且

26、所述碱金属离子的所述传输数为至少0.5。

27、12.根据实例1至11中任一实例所述的固体电解质，其中：

28、所述结晶区域的大小被设定成且被布置成使得所述固体在-15摄氏度的温度下的离子电导率为至少10-6s/cm，并且

29、所述碱金属离子的所述传输数为至少0.5。

30、13.根据实例1至12中任一实例所述的固体电解质，其中：

31、所述结晶区域的大小被设定成且被布置成使得所述固体在0摄氏度的温度下的离子电导率为至少10-5s/cm，并且

32、所述碱金属离子的所述传输数为至少0.5。

33、14.根据实例1至13中任一实例所述的固体电解质，其中所述碱金属离子为锂离子、锌离子、镁离子、铜离子、钠离子或钙离子。

34、15.根据实例2至14中任一实例所述的固体电解质，其中：

35、所述侧链沿着所述主链具有规则的或周期性的间隔；并且

36、所述阳离子和所述阴离子足够大以允许在所述侧链之间形成自由体积，所述自由体积的大小被设定成使得所述碱金属离子传输通过所述自由体积。

37、16.根据实例1至15中任一实例所述的固体电解质，其中：

38、所述侧链各自具有将两性离子单体与所述主链连接的烷基、醚或硅氧烷接头，并且

39、所述接头的长度在1-30个原子的范围内，以允许所述侧链结晶化。

40、17.根据实例1至16中任一实例所述的固体电解质，其中所述阳离子包括咪唑正离子，并且所述阴离子包括具有式-so2n-so2-的基团。

41、18.根据实例1至17中任一实例所述的固体电解质，其中所述阳离子包括铵，并且所述阴离子包括具有式-so2n-so2-的基团。

42、19.根据实例2至18中任一实例所述的固体电解质，其中所述电荷中性聚合物具有图21a-21d所示的结构之一，

43、其中：

44、br、br1、br2是所述主链单体，

45、所述阳离子包括c、c1或c2，

46、所述阴离子包括a、a1、a2，

47、所述侧链包括l、l'、l1、l1'、l2、l2'，其包括将所述两性离子单体与所述主链单体共价连接的脂肪族接头部分，并且

48、t、t'、t1、t2包括封端所述侧链的端基。

49、20.根据实例1至15中任一实例所述的固体电解质，其中所述主链包括聚硅氧烷主链、聚烯烃主链、聚苯乙烯主链、聚丙烯酸酯主链、聚甲基丙烯酸酯主链或乙烯基聚合物主链。

50、21.根据实例1至20中任一实例所述的固体电解质，其中所述固体包括包含所述两性离子化合物和添加剂、粘合剂或另外组分的共混物。

51、22.根据实例21所述的固体电解质，其中所述添加剂或所述另外组分包括成核剂或增强所述结晶区域的结晶度或所述固体的机械特性的组分。

52、23.根据实例1至22中任一实例所述的固体电解质，其中所述一或多个结晶区域包括一或多个近晶晶体。

53、24.根据实例1至23中任一实例所述的固体电解质，其包括晶体学无序。

54、25.根据实例1至24中任一实例所述的固体电解质，其中所述两性离子化合物包括所述两性离子分子，但不包括所述电荷中性聚合物。

55、26.根据实例1至25中任一实例所述的固体电解质，其中所述固体已在溶解或熔融加工期间或之后交联，以增强其机械性能。

56、27.根据实例中任一实例所述的固体电解质，其中在不存在所述盐的情况下，所述电解质的离子电导率<10-11s/cm，使得大部分所述电导率包括所述碱金属离子的电导率。

57、28.根据实例1至27中任一实例所述的固体电解质，其中所述传输数t+被定义为由所述碱金属离子产生的所述离子电导率的比例，并且如果阴离子和阳离子的相对浓度相等，则所述传输数可如下确定：

58、

59、其中σ+是所述固体电解质的由所述碱金属离子(阳离子)产生的电导率的第一分量，并且σ-是由与所述碱金属离子不同的任何其它离子，包含阴离子产生的电导率的第二分量。

60、29.根据实例1至28中任一实例所述的固体电解质，其包括固体聚合物电解质。

61、30.根据实例1至29中任一实例所述的固体电解质，其中所述结晶区域是三维的，并且用于传导所述碱金属离子通过所述固体的渗滤路径在3维中延伸。

62、31.根据实例1至30中任一实例所述的固体电解质，其中包含所述阳离子和所述阴离子的盐在与所述两性离子化合物分离时的熔融温度低于100摄氏度。

63、32.根据实例1至31中任一实例所述的固体电解质，其中所述阴离子为离子液体状的或大于包括so3的阴离子。

64、33.根据实例1至32中任一实例所述的固体电解质，其中所述阴离子和所述阳离子选自以下：

65、单价阳离子：

66、

67、二价阳离子：

68、

69、单价阴离子：

70、

71、二价阴离子：

72、

73、或者所述两性离子化合物包括或选自以下中的一或多者：

74、

75、34.根据实例1至33中任一实例所述的固体电解质，其中所述两性离子化合物包括离子液体激发的两性离子，所述离子液体激发的两性离子包括在使用或操作所述电解质的温度下形成包括结晶固体的所述固体电解质的所述阴离子和所述阳离子。

76、35.根据实例1至34中任一实例所述的固体电解质，其中当所述碱金属离子的传输数为至少0.5时，所述固体在50摄氏度的温度下的离子电导率为至少10-4s/cm。

77、36.一种电池，其包括与阳极和阴极接触的根据实例1至35中任一实例所述的固体电解质。