硅氧烷共聚物和包含該硅氧烷共聚物的固體聚合物電解質(zhì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種包含第一單體：具有包含聚醚的側(cè)基和可聚合的乙烯側(cè)基的甲基硅氧烷主鏈；以及第二單體：羥基取代的烷基丙烯酸酯或羥基取代的烷基甲基丙烯酸酯的共聚物。所述共聚物可用于形成包含：(i)所述共聚物(ii)塑化劑和(iii)鹽的固體聚合物電解質(zhì)組合物。所述固體聚合物電解質(zhì)可用于形成固體聚合物電解質(zhì)膜，其可適用于各種尺寸的電化學(xué)裝置（例如鋰離子電池）以及適合于廣泛的應(yīng)用范圍。
【專利說明】硅氧烷共聚物和包含該硅氧烷共聚物的固體聚合物電解質(zhì)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本發(fā)明要求2011年8月12日提交的、名稱為“硅氧烷共聚物和包含該硅氧烷共聚物的固體聚合物電解質(zhì)”的美國實(shí)用新型專利申請第13/208，864號(hào)的權(quán)益，其全文通過引用并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明提供可交聯(lián)的硅酮聚醚、包含該硅酮聚醚的水凝膠共聚物以及包含該水凝膠共聚物的固體聚合物電解質(zhì)組合物。更具體地，本發(fā)明提供具有甲基硅氧烷主鏈和烷氧基末端的聚醚和連接于所述硅氧烷主鏈的可交聯(lián)的聚醚側(cè)鏈的硅酮聚醚。所述水凝膠共聚物包含所述硅酮聚醚與單體的交聯(lián)網(wǎng)。所述固體聚合物電解質(zhì)包含由所述水凝膠共聚物形成的膜、塑化劑和鹽。所述固體聚合物電解質(zhì)組合物具有高離子電導(dǎo)率并可形成適用于各種尺寸的電化學(xué)裝置(例如鋰離子電池)及適合于廣泛應(yīng)用范圍的膜。
【背景技術(shù)】
[0004]離子導(dǎo)電材料用于包括一次電池、二次電池、太陽能電容器、傳感器、電化學(xué)顯不器等的各種各樣的電化學(xué)裝置中。常見的離子導(dǎo)電材料為采用含有鋰鹽的、以碳酸烴基酯的混合物為基礎(chǔ)的液體的電解質(zhì)。這些材料能在陽極和陰極的周圍形成鈍化膜，其能夠使電池有效地運(yùn)行。在鋰離子電池中使用的大多數(shù)已知的離子導(dǎo)電電解質(zhì)為液體，其在電池應(yīng)用中由于泄露而造成問題。這除了提高制作它們的成本外，還需要使用更貴的金屬容器以防止泄露。此外，這種電解質(zhì)材料也可為高度反應(yīng)性和易燃的，其可造成安全問題特別是如果所述電池過度充電至125°C以上的溫度。
[0005]已開發(fā)出固體電解質(zhì)材料比如聚合物電解質(zhì)和凝膠電解質(zhì)(本文統(tǒng)稱為固體聚合物電解質(zhì)或SPE)以供作為電池 應(yīng)用中的導(dǎo)電材料。固體聚合物電解質(zhì)具有極好的特性包括薄膜形成性能、柔韌性、質(zhì)輕、彈性和透明性。這些材料也沒有表現(xiàn)出與其它離子導(dǎo)電材料關(guān)聯(lián)的泄露，可防止重復(fù)使用期間電池容量的下降和正負(fù)電極材料的短路。固體聚合物電解質(zhì)也可表現(xiàn)出高的充電/放電效率，其連同形成膜的能力允許這些材料用于不同尺寸和形狀的各種類型的電池中。
[0006]使用固體聚合物電解質(zhì)技術(shù)的電池一般使用用有機(jī)碳酸酯溶劑溶脹的多孔聚(亞乙烯基)氟化物(PVdF)膜。然而，這些膜可造成易燃性危險(xiǎn)和歸因于有限使用年限的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種新的硅酮聚醚。在另一方面，本發(fā)明提供一種包含該硅酮聚醚并且其可用于固體聚合物電解質(zhì)組合物以提供顯示極好的機(jī)械性能和離子電導(dǎo)率的固體聚合物電解質(zhì)膜的新的水凝膠共聚物。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，所述硅酮聚醚通過對側(cè)鏈官能度和特定功能化側(cè)鏈的數(shù)目的選擇而提供允許結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的靈活性和控制交聯(lián)密度的程度的材料。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，控制交聯(lián)密度的程度允許對所述固體聚合物電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率的控制。
[0008]在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種包含聚甲基硅氧烷主鏈、包含連接于所述硅氧烷主鏈的聚醚側(cè)鏈的式I的硅酮聚醚，其中所述聚醚側(cè)鏈包括烷氧基末端的聚醚側(cè)鏈和可交聯(lián)的聚醚側(cè)鏈:
[0009]
【權(quán)利要求】
1.一種共聚物，其包含: 式(I)的第一單體
2.權(quán)利要求1所述的共聚物，其中所述第二單體選自丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸烷基酯、烷氧基烷基丙烯酸酯、烷氧基烷基甲基丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚酯甲基丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、環(huán)氧丙烯酸酯、羥基取代的烷基丙烯酸酯、羥基取代的烷基甲基丙烯酸酯、或其兩種或以上的組合羥基取代的烷基丙烯酸酯、羥基取代的烷基甲基丙烯酸酯、或其兩種或以上的組合。
3.權(quán)利要求1或2所述的共聚物，包含從約IOwt.%至約90wt.%的第一單體和從約90wt.%至約IOwt.%的第二單體。
4.權(quán)利要求1或2所述的共聚物，包含從約40wt.%至約60wt.%的第一單體和從約60wt.%至約40wt.%的第二單體。
5.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的共聚物，其中，m為約2至約30并且η為約2至約30。
6.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的共聚物，其中，m為約8至約20并且η為約8至約20。
7.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的共聚物，其中，m+n為36。
8.權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的共聚物，其中，m為m+n的約25%至約75%，并且η為m+n的約75%至約25%。
9.權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的共聚物，其中，m為m+n的約40%至約60%，并且η為m+n的約60%至約40%。
10.權(quán)利要求1或2所述的共聚物，其中，m+n為36，m為10至18，η為18-26，所述第一單體為所述共聚物的約50wt.%至約90wt.%，并且所述第二單體為所述共聚物的約50wt.%至約 IOwt.%。
11.權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的共聚物，其中，m:η的比值為約1:1至約1:11。
12.權(quán)利要求1_6、8、9或11任一項(xiàng)所述的共聚物，其中，A為烷基丙烯?；?，P為1，并且q為I，這樣式⑴的第一單體由式⑶表不:
13.權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)所述的共聚物，其中，第二單體為羥乙基甲基丙烯酸酯。
14.一種固體聚合物電解質(zhì)組合物，其包含: (i)共聚物，其包含(a)由式(I)表示的第一單體

15.權(quán)利要求14所述的組合物,其中，所述共聚物(i)包含約10wt%至約90wt%的所述第一單體和約90wt%至約10wt%的所述第二單體。
16.權(quán)利要求14或15所述的組合物,其中，所述共聚物(i)包含約40wt%至約60wt%的所述第一單體和約60wt%至約40wt%的所述第二單體。
17.權(quán)利要求14-16任一項(xiàng)所述的組合物，其中，m為約2至約30并且η為約2至約30。
18.權(quán)利要求14-16任一項(xiàng)所述的組合物，其中，m為約8至約20并且η為約8至約20。
19.權(quán)利要求14-18任一項(xiàng)所述的組合物，其中，m+n為約36。
20.權(quán)利要求14-19任一項(xiàng)所述的組合物，其中，m為m+n的約25%至約75%，并且η為m+n的約75%至約25%。
21.權(quán)利要求14-19任一項(xiàng)所述的組合物，其中，m為m+n的約40%至約60%，并且η為m+n的約60%至約40%。
22.權(quán)利要求14所述的組合物，其中，m+n為36，m為10至18，η為18-26，所述第一單體為所述共聚物的約50wt%至約90wt%,并且所述第二單體為所述共聚物的約50wt%至約10wt%o
23.權(quán)利要求14-22任一項(xiàng)所述的組合物，其中，A為烷基丙烯?；琍為1，并且q為1，這樣所述第一單體由式(3)表示:Cl；, CH
24.權(quán)利要求14-23任一項(xiàng)所述的組合物，其中，所述共聚物⑴的第二單體為2-羥乙基甲基丙烯酸酯。
25.權(quán)利要求14-24任一項(xiàng)所述的組合物，其中，所述共聚物(i)使用乙二醇二甲基丙烯酸酯進(jìn)行交聯(lián)。
26.權(quán)利要求14-24任一項(xiàng)所述的組合物，其中，所述共聚物(i)使用光引發(fā)劑(2-羥基-2-甲基苯丙酮)進(jìn)行固化。
27.權(quán)利要求14-26任一項(xiàng)所述的組合物，其中，所述塑化劑包括碳酸烴基酯、環(huán)狀碳酸酯、甘醇二甲醚、聚亞烷基二醇二烴基醚或其兩種或以上的組合。
28.權(quán)利要求14-27任一項(xiàng)所述的組合物，其中，所述塑化劑包括選自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯或其兩種或以上的組合的碳酸烴基酯。
29.權(quán)利要求14-28任一項(xiàng)所述的組合物，其中，所述塑化劑包括兩種碳酸烴基酯以約3:1到約1:1比例的混合物。
30.權(quán)利要求14-29任一項(xiàng)所述的組合物，其中，所述鹽為鋰鹽。
31.權(quán)利要求14-30任一項(xiàng)所述的組合物，包含約40%至約95%重量的共聚物，和包含約0.5%至約20%重量所述鹽的約5%至約60%重量的塑化劑。
32.—種由權(quán)利要求14-31任一項(xiàng)所述的組合物制成的固體聚合物電解質(zhì)膜。
33.權(quán)利要求32所述的膜，具有約1.0XKT5S-CnT1或更大的離子電導(dǎo)率。
34.權(quán)利要求32所述的膜，具有約1.0X IO-4S-CnT1或更大的離子電導(dǎo)率。
35.權(quán)利要求32所述的膜，具有約1.0X IO-3S-CnT1或更大的離子電導(dǎo)率。
36.一種包含權(quán)利要求32-35任一項(xiàng)所述膜的電化學(xué)裝置。
37.一種共聚物，其包含:式(3)的第一單體
38.權(quán)利要求37所述的共聚物,包含約IOwt.%至約90wt.%的第一單體,和約90wt.%至約IOwt.%的第二單體。
39.權(quán)利要求37或38所述的共聚物，其中，m為m+n的約25%至約75%，并且η為m+n的約75%至約25%。
40.權(quán)利要求37-39任一項(xiàng)所述的共聚物，其中R2為甲基。
41.權(quán)利要求37-40任一項(xiàng)所述的共聚物，其中Rl和R2為甲基。
42.權(quán)利要求37、39、40或41任一項(xiàng)所述的共聚物，包含約40wt.%至約60wt.%的第一單體和約60wt.%至約40wt.%的第二單體，其中m為2至30并且η為2至30。
43.權(quán)利要求37-42任一項(xiàng)所述的共聚物，其中，m+n為36。
44.權(quán)利要求43所述的共聚物，其中，m:η的比值為約1:1至約1:11。
45.權(quán)利要求43所述的共聚物，其中，m:η的比值為1:1。
46.一種固體聚合物電解質(zhì)組合物，其包含(i)權(quán)利要求37-45任一項(xiàng)所述的共聚物；(?)塑化劑；以及(iii)鹽。
47.一種由權(quán)利要求46所述的固體聚合物電解質(zhì)組合物形成的膜。
48.一種包含權(quán)利要求47所述的膜的電化學(xué)裝置。
【文檔編號(hào)】C08G77/20GK103732656SQ201280039526
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月12日
【發(fā)明者】尼拉·古譜塔, 阿南塔拉曼·達(dá)納巴蘭, 那根迪蘭·尚穆加姆, 維韋卡·卡雷 申請人:莫門蒂夫性能材料股份有限公司