用于电化学电池的高分子量官能化聚合物的制作方法

本主题公开涉及聚合物电解质，更具体地，涉及用于电化学电池(例如，锂离子电池)的高分子量官能化聚合物。

背景技术：

1、非水电池例如锂离子电池的特征在于高能量密度，因此已被广泛用作小型和便携式设备应用的电源。最近，这样的电池的能量密度和可靠性已经提高到可以用于所有电气化机动车的水平。在取得这些进展的同时，确保安全也很重要。

2、现代li离子电池通常由三个部件组成：(1)正极，(2)负极，和(3)电绝缘但离子导电的中间层(即，隔膜)。

技术实现思路

1、本文公开了高分子量官能化聚合物以及相关的使用和制造方法。本公开的高分子量官能化聚合物具有相对高的介电常数(例如，大于10)以及相对低的玻璃化转变温度(例如，低于-30℃)。当聚合物用作电化学电池如锂离子电池中的聚合物电解质时，这些特性表现出独特的优势。例如，材料的高介电常数允许离子强烈解离，这继而导致锂盐的高溶解度。

2、聚合物的玻璃化转变温度(tg)指示聚合物链在结构内自由移动的难易程度，因此也指示离子通过结构传输的难易程度。无定形聚合物的玻璃化转变温度代表聚合物从硬而脆转变为软而有弹性的温度。因此，通过降低聚合物的玻璃化转变温度，链段运动增加，因此电导率增加。

3、与以前的方法相比，在公开的聚合物材料中使用支化聚合物代替线性聚合物也是有利的，因为支化阻碍(即，干扰)链堆积，防止聚合物结晶。这表现为由于聚合物的玻璃化转变温度降低，聚合物是相对粘稠的液体状聚合物而不是固体。本公开的高分子量官能化聚合物(在本文中也称为“高介电聚合物”)具有高介电常数和低玻璃化转变温度，使得它们非常适合用作锂离子电池中的聚合物电解质。

4、所公开的高介电聚合物可以利用加成聚合或阴离子开环来生产，以产生含有大量残余亲核体的线性或支化聚合物主链。然后，可以进行亲核取代以官能化残余的亲核体。迈克尔(michael)加成是一种合适的亲核取代方法，但也可以使用烷基卤化物进行更标准的sn2型亲核取代。对于迈克尔加成，在第一步中产生的含有质子亲核体(-oh、-sh、-nh2)的线性或支化聚合物起始材料充当聚合物迈克尔供体。具有与强吸电子基团(ewg)连接的α,β-不饱和c＝c键的官能团充当迈克尔受体。供体和受体在催化剂的存在下反应，使迈克尔受体连接到聚合起始材料上。然后可以纯化这种官能化聚合物。

5、在一个方面，公开了生产高介电聚合物的方法，该方法包括使含有至少三个亲核位点的起始材料与交联剂反应以生产聚供体，其中聚供体是含有多个反应性亲核位点的支化聚合物，官能化聚供体的多个反应性亲核位点以生产高介电聚合物，以及纯化高介电聚合物。在所公开的方法中，起始材料可以选自由以下组成的组：聚醇(polyalcohol)(多元醇(polyol))、山梨醇、季戊四醇、肌醇、季戊四醇、二季戊四醇、氨基醇、三(羟甲基)氨基甲烷、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇、半胱氨酸、二硫苏糖醇、其它硫醇和/或聚乙烯亚胺。在这些和其他方法中，起始材料可以是迈克尔供体。在一些实施方案中，多个亲核位点可以包括-oh、-nh2和/或-sh基团。在这些和其他实施方案中，交联剂可以是双官能交联剂。在一些这样的实施方案中，交联剂可以是二缩水甘油醚、二氯化物、二溴化物、二异氰酸酯、表氯醇、二丙烯酸酯、二乙烯基和/或二醛(例如，二乙烯基砜、甘油二缩水甘油醚、peg-二缩水甘油醚和/或表氯醇)。如果需要，所公开的方法可以进一步包括纯化聚供体。在这些和其他实施方案中，官能化多个反应性亲核位点可以通过亲核加成来实现。在选择的实施方案中，官能化多个反应性亲核位点可以通过迈克尔加成来实现。该方法还可以包括将高介电聚合物与电化学活性材料结合以形成聚合物电解质。在一些这样的实施方案中，该方法还可以包括将聚合物电解质作为阳极电解质或阴极电解质结合到锂离子电池中。

6、另一方面，公开了一种电化学电池，其包括具有第一电化学活性材料的阳极、具有第二电化学活性材料的阴极、位于阳极或阴极内的第一电解质、以及介于阳极和阴极之间的第二电解质。第一电解质和第二电解质中的至少一种包括介电常数大于10且玻璃化转变温度低于-30℃的高介电聚合物。在一些这样的实施方案中，高介电聚合物的介电常数大于20，玻璃化转变温度低于-70℃。在这些和其他实施方案中，第二电化学活性材料包括锂离子。在一些这样的实施方案中，第一电解质可以包括高介电聚合物。

7、在又一方面，公开了一种高介电聚合物，其包括支化且官能化的聚合物主链，并且该高介电聚合物具有大于10的介电常数和低于-30℃的玻璃化转变温度。在一些实施方案中，高介电聚合物可以通过官能化聚供体的多个亲核位点来制备。可以形成电化学电池，其包括含有所公开的高介电聚合物的聚合物电解质。在一些这样的实施方案中，电化学电池可以是锂离子电池。

技术特征：

1.一种生产高介电聚合物的方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述起始材料选自由以下组成的组：聚醇(多元醇)、山梨醇、季戊四醇、肌醇、季戊四醇、二季戊四醇、氨基醇、三(羟甲基)氨基甲烷、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇、半胱氨酸、二硫苏糖醇、其它硫醇和/或聚乙烯亚胺。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述起始材料是迈克尔供体。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个亲核位点包括-oh、-nh2和/或-sh基团。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述交联剂是双官能交联剂。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述交联剂是二缩水甘油醚、二氯化物、二溴化物、二异氰酸酯、表氯醇、二丙烯酸酯、二乙烯基和/或二醛。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述交联剂选自由二乙烯基砜、甘油二缩水甘油醚、peg-二缩水甘油醚和表氯醇组成的组。

8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括纯化聚供体。

9.根据权利要求1所述的方法，其中官能化多个反应性亲核位点通过亲核加成来实现。

10.根据权利要求1所述的方法，其中官能化多个反应性亲核位点通过迈克尔加成来实现。

11.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将高介电聚合物与电化学活性材料结合以形成聚合物电解质。

12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括将聚合物电解质作为阳极电解质或阴极电解质结合到锂离子电池中。

13.一种电化学电池，其包括：

14.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述高介电聚合物的介电常数大于20，并且玻璃化转变温度低于-70℃。

15.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述第二电化学活性材料包含锂离子。

16.根据权利要求15所述的电化学电池，其中所述第一电解质包含高介电聚合物。

17.一种包含支化且官能化的聚合物主链的高介电聚合物，其中所述高介电聚合物的介电常数大于10，玻璃化转变温度低于-30℃。

18.根据权利要求17所述的高介电聚合物，其中所述高介电聚合物通过官能化聚供体的多个亲核位点来产生。

19.一种电化学电池，其包含含有根据权利要求17所述的高介电聚合物的聚合物电解质。

20.根据权利要求19所述的电化学电池，其中所述电化学电池是锂离子电池。

技术总结
本文公开了高分子量官能化聚合物(“高介电聚合物”)以及相关的使用和制造方法。高介电聚合物具有相对高的介电常数(例如，大于10)以及相对低的玻璃化转变温度(例如，低于‑30℃)。聚合物可以利用加成聚合或阴离子开环来生产，以产生含有大量残余的亲核体的线性或支化聚合物主链。然后，可以进行亲核取代以官能化残余的亲核体。如果需要，官能化聚合物然后可以被纯化并用作电化学电池中的聚合物电解质(例如，用作二次锂离子电池中的非水聚合物电解质)。

技术研发人员：亚历山大·阿里·易卜拉欣·穆罕默德,安德鲁·保罗·莱特纳
受保护的技术使用者：离子材料公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12