具有固体聚合物电解质的二次电池单元的制作方法

本公开内容总体上涉及电极，且更特定言之涉及具有固体聚合物电解质的二次电池单元(secondary battery cell)。

背景技术：

1、二次电能单元(secondary energy cell)，诸如用于可充电电池中的那些单元，促进电能的重复放电及再充电。在二次电池或单元(cell)中，促进在正电极及负电极处的能量储存的化学反应是可逆的。二次电池或单元的电极能够通过向其中施加电荷多次再生(即，再充电)。

技术实现思路

1、在实施方式中，固体聚合物电解质前体组合物包括(i)一种或多种有机溶剂；(ii)溶解于该一种或多种有机溶剂中的一种或多种纤维素聚合物(cellulosic polymer)；(iii)溶解或分散于该一种或多种有机溶剂中的一种或多种聚合性组分(polymerizablecomponent)；(iv)溶解或分散于该一种或多种有机溶剂中的一种或多种光引发剂，其中该一种或多种光引发剂中的至少一者在用光照射之后促进该一种或多种聚合性组分中的至少一者的聚合；(v)溶解或分散于该一种或多种有机溶剂中的一个或多个(一种或多种)锂离子源，其中各锂离子源包括锂离子盐或锂离子络合物；(vi)溶解或分散于该一种或多种有机溶剂中的一种或多种增塑剂；及(vii)溶解或分散于该一种或多种有机溶剂中的一种或多种陶瓷颗粒，其中所述陶瓷颗粒包括金属氧化物。

2、在另一实施方式中，制备固体聚合物电解质前体组合物的方法包括将一种或多种纤维素聚合物溶解于一种或多种有机溶剂中，从而制备聚合物在溶剂的溶液。将一种或多种聚合性组分与该聚合物在溶剂中的溶液组合。将一种或多种光引发剂与该聚合物在溶剂中的溶液组合，其中该一种或多种光引发剂中的至少一者在用光照射之后促进该一种或多种聚合性组分中的至少一者的聚合。将一个或多个锂离子源与该聚合物在溶剂中的溶液(polymer-in-solvent solution)组合。各锂离子源包括锂离子盐或锂离子络合物。将一种或多种增塑剂与该聚合物在溶剂中的溶液组合。将一种或多种陶瓷颗粒与该聚合物在溶剂中的溶液组合。所述陶瓷颗粒包括金属氧化物。

3、在又一实施方式中，二次电池单元(secondary battery cell)包括第一电极材料的阴极、第二电极材料的阳极及安置于该阴极与该阳极之间的固体聚合物电解质层。该固体聚合物电解质包括与该阴极接触的第一表面及与该阳极接触的第二表面。该固体聚合物电解质层包括纤维素聚合物基质。该纤维素聚合物基质包括该纤维素聚合物的网络。锂离子分散于该纤维素聚合物基质中。陶瓷颗粒分散于该纤维素聚合物基质中。所述陶瓷颗粒包括金属氧化物。一种或多种增塑剂分散于该纤维素聚合物基质中。一种或多种聚合物网络与纤维素聚合物基质接触(例如至少部分延伸至纤维素聚合物基质的网络中)。该一种或多种聚合物网络包括含丙烯酸酯的聚合物。

4、在又一实施方式中，制备半互穿聚合物网络固体聚合物电解质的方法包括制备前体。通过将一种或多种纤维素聚合物与一种或多种有机溶剂组合来制备该前体。将一种或多种聚合性组分与一种或多种有机溶剂组合。将一种或多种光引发剂与一种或多种有机溶剂组合。将一种或多种光引发剂中的至少一者在用光照射之后促进一种或多种聚合性组分中的至少一者的聚合。将一个或多个锂离子源与一种或多种有机溶剂组合。各锂离子源包括锂离子盐或锂离子络合物。将一种或多种增塑剂与一种或多种有机溶剂组合。将一种或多种陶瓷颗粒与一种或多种有机溶剂组合。所述陶瓷颗粒包括金属氧化物。将该前体的至少一部分施加至基板的表面。将所施加的前体暴露于光(例如，用光照射)。

5、大多数二次电池使用液体电解质促进阳极与阴极之间的电荷转移。然而，这样的电解质具有若干缺点。举例而言，液体电解质可能有毒和/或可燃，使得电解质的渗漏会导致相当大的伤害。一些替代电电解质已在研发中。然而，这些电解质材料通常由于在室温下机械稳定性差和/或离子电导率低而不适用于很多应用。添加陶瓷颗粒不足以增加导电性。

6、本发明认识到，用作电化学电池中电极之间的隔板及电解质两者的材料应包括以下特性：(1)与单元中所用电极材料的化学相容性；(2)足以耐受制造及使用的严格要求的机械强度；(3)能够以适当厚度制备(例如，可能需要薄材料以最小化离子传输距离且最大化离子传输速率)；及(4)在室温下的高离子电导率。本发明中所描述的独特半互穿聚合物网络固体聚合物电解质(半ipn spe)及相关前体组合物解决先前技术的问题且提供上文认定的所需特性。

7、本发明中所描述的半ipn spe在室温下提供10-3西门子/厘米(s/cm)或与其接近的离子电导率，且因此可用于代替先前液体电解质。半ipn spe具有高热稳定性，其促进具有简化的壳体模组及冷却系统的二次单元的生产，由此减少含有此类单元的电池的重量及体积且增加此类电池的能量密度。如本公开内容中所描述而制备的多个单元可在单一部件中组合(例如堆叠)，从而促进具有大容量和/或提供高电压的电池的制备。本公开内容中所描述的制备方法与诸如卷轴式(roll-to-roll)制造的高产量方法相容。这些制备方法亦可在相对较低的温度下进行，从而相比于先前电解质制备策略产生成本节约及改良的安全性。半ipn spe具有高电化学稳定性且适用于高电压应用(例如便携式电动工具、电动车辆等)。举例而言，本公开内容中所描述的半ipn spe可提供宽的电化学窗口(例如，高达5v或更高)，其有助于使用高电压电极材料。

8、某些实施方式可不包括上述技术优势、包括上述技术优势中的一些或全部。一个或多个其他技术优势对于本领域技术人员而言自本文中所包括的附图、描述及权利要求书可为易于明晰的。

技术特征：

1.二次电池单元，包含：

2.权利要求1的二次电池单元，该固体聚合物电解质层进一步包含分散于该纤维素聚合物基质中或与该纤维素聚合物基质接触的一种或多种乙烯类主链聚合物，该一种或多种乙烯类主链聚合物包含乙烯类主链及小于100,000克/摩尔的分子量。

3.权利要求1的二次电池单元，其中该固体聚合物电解质层包含25重量％至60重量％的该纤维素聚合物基质、10重量％至25重量％的该含丙烯酸酯的聚合物、20重量％至35重量％的锂离子源、2重量％至7重量％的该一种或多种增塑剂及10重量％至25重量％的所述陶瓷颗粒。

4.权利要求1的二次电池单元，其中该固体聚合物电解质层的离子电导率为至少1×10-4西门子/厘米。

5.权利要求1的二次电池单元，其中所述陶瓷颗粒包含钛氧化物、铝氧化物、硅氧化物、锆氧化物、锡氧化物、钨氧化物及钽氧化物中的一者或多者的纳米颗粒。

6.权利要求1的二次电池单元，其中该纤维素聚合物基质的该纤维素聚合物包含纤维素酯、乙酸纤维素及乙酸丙酸纤维素中的一者或多者。

7.权利要求1的二次电池单元，该固体聚合物电解质层进一步包含一个或多个锂离子源，该一个或多个锂离子源选自：硝酸锂(lino3)、碘化锂(lii)、硫化锂(li2s)、高氯酸锂(liclo4)、三氟甲磺酸锂(licf3so3)、六氟砷酸锂(v)(liasf6)、六氟磷酸锂(lipf6)及四氟硼酸锂(libf4)。

8.固体聚合物电解质，包含：

9.权利要求8的固体聚合物电解质，进一步包含分散于该纤维素聚合物基质中或与该纤维素聚合物基质接触的一种或多种乙烯类主链聚合物，该一种或多种乙烯类主链聚合物包含乙烯类主链及小于100,000克/摩尔的分子量。

10.权利要求8的固体聚合物电解质，进一步包含25重量％至60重量％的该纤维素聚合物基质、10重量％至25重量％的该含丙烯酸酯的聚合物、20重量％至35重量％的锂离子源、2重量％至7重量％的该一种或多种增塑剂及10重量％至25重量％的所述陶瓷颗粒。

11.权利要求8的固体聚合物电解质，其中该固体聚合物电解质的离子电导率为至少1×10-4西门子/厘米。

12.权利要求8的固体聚合物电解质，其中所述陶瓷颗粒包含钛氧化物、铝氧化物、硅氧化物、锆氧化物、锡氧化物、钨氧化物及钽氧化物中的一者或多者的纳米颗粒。

13.权利要求8的固体聚合物电解质，其中该纤维素聚合物基质的该纤维素聚合物包含纤维素酯、乙酸纤维素及乙酸丙酸纤维素中的一者或多者。

14.权利要求8的固体聚合物电解质，进一步包含一个或多个锂离子源，该一个或多个锂离子源选自：硝酸锂(lino3)、碘化锂(lii)、硫化锂(li2s)、高氯酸锂(liclo4)、三氟甲磺酸锂(licf3so3)、六氟砷酸锂(v)(liasf6)、六氟磷酸锂(lipf6)及四氟硼酸锂(libf4)。

15.制备半互穿聚合物网络固体聚合物电解质的方法，该方法包括：

16.权利要求15的方法，进一步包括向所施加的前体施加热量。

17.权利要求15的方法，进一步包括，在将所施加的前体暴露于光之后：

18.权利要求17的方法，进一步包括在向该阴极-电解质-阳极夹心结构施加压力的同时，将热量施加至该阴极-电解质-阳极夹心结构。

19.权利要求15的方法，其中该基板为用于二次电池单元中的阳极或阴极。

20.权利要求15的方法，其中该半互穿聚合物网络固体聚合物电解质包含：

技术总结
二次电池单元，包括第一电极材料的阴极、第二电极材料的阳极及安置于该阴极与阳极之间的固体聚合物电解质层。该固体聚合物电解质包括与该阴极接触的第一表面以及与该阳极接触的第二表面。该固体聚合物电解质层包括纤维素聚合物基质。该纤维素聚合物基质包括该纤维素聚合物的网络。锂离子分散于该纤维素聚合物基质中。陶瓷颗粒分散于该纤维素聚合物基质中。所述陶瓷颗粒包括金属氧化物。一种或多种增塑剂分散于该纤维素聚合物基质中。一种或多种聚合物网络与该纤维素聚合物基质接触。该一种或多种聚合物网络包括含丙烯酸酯的聚合物。

技术研发人员：D.舒克拉,G.R.蒙特内格鲁加林多,K.M.多诺万,Z.杨
受保护的技术使用者：CMC材料股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12