胶状电解质和制备其的方法
【专利说明】胶状电解质和制备其的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月15日提交的并且题目为“用于安全、高性能锂离子电池组的具有热保护能力的胶状电解质(Gum-Like Electrolytes with Thermal-Protect1nCapability for Safe, High-Performance Lithium-1on Batteries) ” 的美国临时专利申请号61/789,972和2013年5月14日提交的并且题目为“用于安全、高性能锂离子电池组的具有热保护能力的胶状电解质(2) (Gum-Like Electrolytes with Thermal-Protect1nCapability for Safe, High-Performance Lithium-1on Batteries (2)) ” 的美国临时专利专利申请号61/823，377的优先权益处，其通过引用以它们的整体并入本文。
【背景技术】
[0003]已经增加了对高级合适的能量储存设备，比如电池组和电容器的需求。因为锂离子电池组(LIB)已经成为电子学、电动车辆、航空器、生物医学电子学等的最有利选择，所以各种工业已经特别关注高性能和安全的LIB的开发。
[0004]但是，安全性问题可由LIB技术的使用产生。例如，在使用液态电解质比如离子性液体电解质的LIB中，渗漏或在高温下的产生气体的反应可能是关注的原因。一般而言，与LIB技术相关的安全性问题可包括渗漏、爆炸，原因是电池组中的压力积聚，和电池组的极端过热。
[0005]其他人已经尝试通过在LIB中使用凝胶电解质修复这些安全性问题，因为凝胶电解质具备高离子电导率并且保持期望的机械性能。但是，这样的凝胶电解质仍需要大量的液体电解质，以在LIB中起作用，其导致在液体电解质LIB中观察到的相同问题。
[0006]固体聚合物电解质(SPE)也已经用于缓解安全性忧虑。但是，低的离子电导率和可能的电解质/电极界面问题已经限制了 SPE的开发和功能应用。
[0007]也已经尝试了各种传感器或添加剂，比如氧化还原穿梭电对(redox shuttles)或可聚合的有机物。但是，这些传感器或添加剂可能需要满足电池组适当起作用的某些条件。例如，氧化还原穿梭电对的使用需要液体环境，以适当起作用，因为氧化还原穿梭电对通过电解质的扩散必须足够快，以当过度充电时稳定电池组的电压。这样的要求不适于下一代电池组的设计弹性。而且，液体环境也是锂枝晶(lithium dendrites)生长的前提条件，其使得LIB遭受差的安全性和循环性能。
【发明内容】
[0008]在一种实施方式中，形成胶状电解质组合物的方法可包括提供蜡乳液，将至少一种电解质添加至蜡乳液，以获得电解质蜡乳液，和将聚合物溶液添加至电解质蜡乳液，以获得混合物。聚合物溶液可包括聚合物和溶剂。方法可进一步包括从混合物去除溶剂，以获得胶状电解质组合物。
[0009]在一种实施方式中，胶状电解质组合物可包括下述的混合物:至少一种蜡颗粒、至少一种电解质，和具有至少一种聚合物的聚合物基质。蜡颗粒和电解质可分散在聚合物基质中。混合物可以是展性材料。
[0010]在一种实施方式中，制品可包括下述的胶状混合物:至少一种蜡颗粒、至少一种电解质，和具有至少一种聚合物的聚合物基质。蜡颗粒和电解质可分散在聚合物基质中。混合物可以是展性材料。
【附图说明】
[0011]图1描绘了根据实施方式的示意性胶状电解质组合物的一部分。
[0012]图2描绘了根据实施方式的胶状电解质组合物的意示性核壳颗粒。
[0013]图3描绘了在(a)第一温度和(b)较高的第二温度的电极之间的胶状电解质组合物的示意图。
[0014]图4描绘了根据实施方式形成胶状电解质组合物的方法的示意性示意图。
[0015]图5描绘了根据实施方式形成胶状电解质组合物的方法的流程图。
[0016]发明详述
[0017]本公开不限于描述的具体系统、设备和方法，因为这些可以改变。在说明书中使用的术语是仅仅为了描述具体形式或实施方式的目的，并且不旨在限制范围。
[0018]如在该文档中使用，单数形式“一个(a) ”、“一个(an) ”和“所述”包括复数提及物，除非上下文明确另外指出。除非另外定义，本文使用的所有的技术和科学术语具有如本领域普通技术人员通常理解的相同含义。本公开决不解释为认可本公开中描述的实施方式由于之前的发明而不能早于这些公开。如在该文档中使用，术语“包括”意思是“包括但不限于”。
[0019]本公开一般涉及胶状电解质组合物，其可用于导电粘合剂或电储存设备，比如电池组等。尤其，本文公开的胶状电解质组合物具有胶状或展性特质，其使得溶液安全用于电储存设备，较少忧虑渗漏、气体积聚和电储存设备产生的过量的热。这样的组合物可展示高离子电导率并且可在任意变形，比如，例如，扭曲、压缩、拉伸等维持结构完整性。这样的组合物也可展示期望的机械性能比如模量、弹性或伸长性(例如，在5Hz的频率下约0.1MPa的弹性模量)和粘合特性，如在本文更详细描述。
[0020]当在电池组或导电粘合剂中使用时，胶状电解质组合物可一般放置在一个或多个电极，比如，例如，两个电极之间。如在本文更详细描述，胶状电解质组合物可接触一个或多个电极放置并且配置为在某些条件下在电极上形成绝缘屏障。本公开不限制电极，并且可一般是本领域通常已知的用于能量储存设备或导电粘合剂的任何电极。示意性电极可由下述制备:钴酸锂(lithium cobalt oxide)、锂金属、钠金属、磷酸锂铁、焦磷酸钠铁、锂镍猛钴合金(lithium nickel manganese cobalt)、氟磷酸锂铁、氧化锂猛、娃、碳纳米管、石墨、石墨稀、碳纳米纤维、碳纤维、氧化银(V)等，以及其任意组合。
[0021]本公开不限制能量储存设备，并且可一般是包含任何组件，尤其是通常用于能量储存设备或导电粘合剂的组件的任何制品。示意性组件包括温度传感器、电压转换器、调整电路(regulator circuits)、电压分接头(voltage taps)、电池组充电状态监测器、柔性电池组、弹性电池(stretchable batteries)、柔性电池组、弹性电容器、离子导电粘结剂、膜分离器等。
[0022]在一些实施方式中，胶状电解质组合物可包括下述的混合物:至少一种蜡颗粒、至少一种电解质和包括至少一种聚合物的聚合物基质。至少一种蜡颗粒和至少一种电解质可分散在聚合物基质中。至少一种蜡颗粒可至少部分由至少一种电解质围绕(encase)，以形成至少一种核壳颗粒。至少一种核壳颗粒可分散在聚合物基质中。聚合物基质可以是聚合物链网络，使得至少一种核壳颗粒可布置在聚合物链网络中。
[0023]图1描绘了根据实施方式的胶状电解质组合物，其一般指定为100。胶状电解质组合物100可一般是具有至少一种核壳颗粒200和聚合物基质202的混合物。核壳颗粒200包括围绕蜡颗粒205的电解质210。在一些实施方式中，多个核心蜡颗粒205可提供定位电解质210壳的表面。核壳颗粒200可以以结构化的方式布置，比如在可以是聚合物链网络等的聚合物基质202中。在一些实施方式中，胶状电解质组合物100可具有多网络结构。在一些实施方式中，多网络结构可以是双渗滤网络结构(double percolat1n networkstructure)，比如由核心蜡颗粒205的填充网络支撑的液体电解质210的渗滤网络。这样的液体渗滤网络可使得各种途径运输液体电解质205、聚合物基质202或二者中存在的离子215 (如虚线箭头指示)。
[0024]在各种实施方式中，核壳颗粒200可在彼此之间具有间隔。在一些实施方式中，任何两个核壳颗粒200之间的间隔可以是约50纳米(nm)至约500nm，比如约50nm、约lOOnm、约200nm、约300nm、约400nm、约500nm，或这些值的任何两个之间的任何值或范围(包括端点)。颗粒200之间这样的间隔可提供足够的蜡颗粒205与聚合物基质202的比(图2)，如在本文中更详细描述。在一些实施方式中，按重量计蜡颗粒与聚合物基质的比是约0.2至约3，比如约0.2、约0.5、约1、约2、约3，或这些值的任何两个之间的任何值或范围(包括端点)。该比可提供胶状电解质组合物的大的表面积，其可有助于强的粘合。
[0025]在各种实施方式中，胶状电解质组合物100可展示粘合特性，其可使得组合物粘附至任何表面。胶状电解质组合物100可由平均粘合强度定义，其由下式表达:
[0026]F_/A
[0027]其中？_是组合物100可持住的最大力和A是组合物和组合物所粘附的表面的接触面积。在一些实施方式中，平均粘合强度是至少约0.1MPa，或约0.03MPa至约IMPa，比如约 0.03MPa、约 0.05MPa、约 0.1MPa、约 0.2MPa、约 0.3MPa、约 0.4MPa、约 0.5MPa、约 0.6MPa、约0.7MPa、约0.8MPa、约0.9MPa、约IMPa，或这些值的任何两个之间的任何值或范围(包括端点)。在一些实施方式中，平均粘合强度可以是约0.34MPa。在一些实施方式中，组合物100可足够湿润其粘附的表面，以使得无缺陷(无空隙)或基本上无缺陷地粘附至表面。这样的无缺陷或基本上无缺陷的粘附可允许增加的粘合强度，如本文所描述。
[0028]图2描绘了根据实施方式分散在聚合物基质202中的示意性核壳颗粒200。在一些实施方式中，聚合物基质202可包含一种或多种聚合物220。在一些实施方式中，蜡颗粒205可在其表面具有一种或多种表面活性剂分子225，如在本文中更详细描述。
[0029]在一些实施方式中，蜡颗粒205、电解质210和聚合物基质202的混合物可包括按混合物的重量计约10%至按混合物的重量计约70%的量的液相。具体的例子包括约按重量计10 %的液体、约按重量计15 %的液体、约按重量计20 %的液体、约按重量计25 %的液体、约按重量计30 %的液体、约按重量计35 %的液体、约按重量计40 %的液体、约按重量计45 %的液体、约按重量计50 %的液体、约按重量计55 %的液体、约按重量计60 %的液体、约按重量计65%的液体、约按重量计70%的液体，或这些值的任何两个之间的任何值或范围(包括端点)。例如，液相可以是电解质210，其定位在核壳颗粒200的蜡颗粒205上。在具体的实施方式中，混合物可包括按混合物的重量计约40%至按混合物的重量计约70%的量的液相，以提供混合物展示胶状特性。在一些实施方式中，电解质210可以是液体电解质。在一些实施方式中，混合物可以是弹性凝胶。弹性凝胶可通常是具有弹性样特质的凝胶，其使得凝胶在任意变形下保持其结构。在一些实施方式中，混合物可以是膜。在一些实施方式中，混合物可以是纤维。
[0030]在各种实施方