固态凝胶薄膜制造技术

一种以高导电性聚合物为基的固态凝胶薄膜。这种薄膜特别适用于电化学装置，例如：金属／空气、Ｚｎ／ＭｎＯ↓［２］、Ｎｉ／Ｃｄ及氢燃料电池，还适用于电色装置，例如：智能型窗口及平板显示器。而且，在可再充电的电化学电池中，这种固态凝胶薄膜还能够在阳极与充电电极之间充当一个高效的隔膜。根据本发明专利技术的原理，这种高导电性薄膜包括：一个支承体或基体；以及一种以聚合物为基的、离子核素被包含在液相之内的凝胶。这种以聚合物为基的凝胶，是通过将离子核素加入到单体溶液中，而后，进行聚合反应来制成的。在聚合反应之后，离子核素被保持在以聚合物为基的凝胶之内。这种以聚合物为基的固态凝胶薄膜起到电解质的用作，同时，还提供一个可以进行离子交换，但不会被穿透的平滑表面。这种新颖的薄膜所具有的一项优点是：所测量到的离子导电性远远高于已知的固态电解质或电解质－聚合物薄膜的导电性。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及固态凝胶薄膜，特别是涉及一种以聚合物为基的离子导电的固态凝胶薄膜。本专利技术的技术背景电化学装置通常含有电解质，以提供产生电化学反应所必需的阴离子或阳离子。以锌/空气系统为例来说，它需要氢氧阴离子的扩散，并且通常使用氢氧化钾水溶液作为电解液。但是，这种蓄电池的使用寿命受到以下几个因素的限制。第一，裸露的锌阳极被含水的电解液和空气所腐蚀。第二，空气阴极的排气道逐渐被来自电解液的水所堵塞。第三，电解液被自阳极扩散的氧化锌生成物所污染。到目前为止，针对以锌阳极为基础的系统(例如锌/空气燃料电池)使用含水电解液的许多问题，采用了各种各样的方法。举例来说，在电解液中加入添加剂，来延长系统的使用寿命和保护阳极免受腐蚀。美国专利4,118,551公开了使用无机添加剂(例如汞、铟、锡、铅、铅化合物、镉或氧化铊)来减小对锌电极的腐蚀。但是，其中的许多添加剂不仅价格昂贵，而且更为重要的是，有很强的毒性。美国专利4,378,414公开了在正电极和负电极之间使用一种多层隔膜来减小对阳极的腐蚀和氧化锌生成物对电解液的污染。另外，还给锌/空气装置引入了疏水性材料，以防止水渗入阴极的排气道。但是，疏水性材料的引入，是一个复杂的工艺技术，而且可能会造成阴极性能的下降。除了锌/空气系统之外，其他金属/空气系统，例如铝/空气、锂/空气、镁/空气和铁/空气系统，由于在理论上有着高的安时容量、电压和能量密度，因而，也具有应用于许多不同用途的潜力。但实际上，这些非常有希望的理论数值，因金属阳极在电解质中的腐蚀，而被大大地降低。美国专利5,688,613公开了一种固态氢氧化物导电电解质聚苯并咪唑(PBI)薄膜，这种PBI薄膜包括一个聚合物支承体结构，电解质活性核素分散在其中，聚合物结构直接和阳极及阴极相接触。但是，这种PBI薄膜并不吸收水，因此，不保持薄膜内的水，从而，使薄膜很快脱水变干。美国专利3,871,918公开了一种电化学电池，电池中含有一个由悬浮在凝胶内的锌粉末颗粒所组成的电极，凝胶是由亚甲基双丙烯酰胺(methylenebisacrylamide)、丙烯酸及丙烯酰胺组成。氢氧化钾作为电解质，并被包含在凝胶之中。就依靠阳离子导电的装置而言，虽然在本领域进行了大量的研究工作，但是，大多数质子导电薄膜不仅造价非常昂贵，而且通常不能够在室温下工作。例如，在1970年推出的一种全氟化聚合物薄膜NAFION(杜邦公司，Wilmington，德国，美国)，后来的质子导电薄膜就是以此为基础发展起来的。美国专利5,468,574公开了一种质子导电薄膜，这是一种由成块共聚物所组成的高度磺化聚合物薄膜，成块共聚物由磺化聚苯乙烯、乙烯及丁烯块组成。1997年，美国国家航空航天局喷气推进实验室公开了一种由磺化聚醚(醚醚酮)组成的改进型质子导电薄膜，这种薄膜通常被称之为H-SPEEK。电池或蓄电池中的隔膜，在物理上将不同极性的电极分隔开来并使不同极性的电极绝缘。在作为不同电极的活性材料的迁移屏障的同时，隔膜还应当能够提供离子导电。良好的离子导电性，是确保电化学电池/蓄电池能够为指定用途输出大小合适的电能所必需的。在可充电的电化学电池中，隔膜还用来防止在充电过程中因金属枝晶穿透所造成的短路。举例来说，在一个可充电的锌/空气电池中，在放电过程中，位于锌负电极(阳极)表面上的锌，以锌酸盐离子的形式被溶解进入电解液。这样，在充电过程中，当充电电流通常低于20mA/cm2时(取决于所使用的具体阳极)，锌酸盐离子会形成锌的枝晶，枝晶是针状的而且是从负电极朝着充电电极方向生长。不幸的是，这些针状结构能够穿透一般的隔膜，造成内部短路。电池的寿命因此而被终结。除了防止枝晶穿透之外，隔膜还必须在电池的充电和放电过程中能够交换电解离子。在可充电电池中，最常用的隔膜是聚烯烃、聚乙烯醇(PVA)、酰胺纤维或赛璐玢的多孔性绝缘薄膜。丙烯酸复合物也可以辐射接合到这些隔膜上，以使电解质更好地湿润和渗透隔膜。虽然为了提高隔膜的性能，已经进行了大量的工作，但是，枝晶穿透问题在上述或其他一般隔膜上还是经常遇到，而且反应生成物(例如金属氧化物)扩散到电池其他部分的问题也是经常遇到。就一般隔膜而言，控制隔膜的孔隙尺寸，是避免枝晶穿透和阻止反应产物扩散的唯一有效途径。但是，采用这种做法，将会大大降低隔膜的离子导电性。这会对高的充电—放电电流密度操作造成瓶颈，在一些应用场合(例如电动车辆)中，高的充电—放电电流密度操作是重要的条件。美国专利5,549,988公开了一种电解质系统隔膜，隔膜位于可充电电化学蓄电池的阴极与阳极之间。这种电解质系统包括一个利用聚丙烯酸或其衍生物所准备的聚合物基体。电解核素，例如KOH或H2SO4，被加入聚合物基体，形成电解质系统。但是，正如该专利所描述的那样，对所公开的电解质—聚合物薄膜进行测量，发现其离子导电率低，从0.012S/cm～0.066S/cm。虽然上述导电率对于一些用途来说是可以接受的，但是，对于一些高导电率要求的应用场合(包括电动车辆在内)来说，上述导电率却是不够的。电化学反应还与电色装置(ECD，即，electrochromic device)的工作有关。电色化，被概括性地定义为一个可逆光吸收变化，这种可逆光吸收变化通过引入材料、利用电化学氧还原法来实现。通常，一种电化学装置含有两种不同的、具有互补特性的电色材料(ECM)一种材料通常是还原材料，在还原过程中，进行从色彩(1)到色彩(2)的变换；另一种材料是氧化材料，在损失电子时，进行一个类似的变换。根据电色材料在电色装置中的位置，基本上有两种类型的电色装置。在薄膜型电色装置中，两种电色材料是被涂敷在两个电极上，而且在氧化还原着色过程中，两种电色材料依然保持在两个电极上。在液相型电色装置中，两种电色材料是被溶解在电解液中，而且在着色过程中，两种电色材料依然保持在电解液中。通常，液相型电色装置的可靠性较高而且寿命较长，但是，为了保持着色状态，必须施加一个不间断的外部电源。由于薄膜型电色装置不需要外部电源来保持其着色状态，因此，薄膜型电色装置的电力消耗大大减小，从而，有利于节能应用场合，例如，智能型窗口(smart windows)。薄膜型电色装置的缺点是寿命短。在一定次数的循环之后，电色材料薄膜就会失去与电极的接触，即电色材料薄膜可能不再能够进行相变，从而，电色装置报废。以液相型电色装置为例来说，美国专利5,128,799公开了一种降低保持着色状态所需电流的方法，这种方法需要给装置加入凝胶。但是，给装置加入凝胶，在降低装置能耗的同时，也会大大减慢装置的转变速度。就薄膜型电色装置而言，延长其寿命的方法包括改变薄膜的晶体结构。虽然改变薄膜的晶体结构能够在一定程度上提高薄膜型电色装置的寿命，但这类装置的一般寿命也依然不能令人满意。因此，上述问题是燃料电池(一种绿色能源)及电色装置(例如具有节能、装饰及信息显示用途的智能型窗口及平板显示器)成功研制及实现商业化的主要障碍。就可充电电化学电池的问题而言，显然非常需要一种隔膜，在能够提供高的离子导电率的同时，还可以有效地防止金属枝晶的穿透及反应产物的扩散。本专利技术的概述本专利技术提供了以聚合物为基的固态凝胶薄膜，薄膜在凝胶的液相之内含有离子核素，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可再充电的电化学电池，包括一个隔膜、一个阴极、一个阳极和一个充电电极，其中：所述的隔膜包括一种离子导电的以聚合物为基的固态凝胶薄膜，该薄膜有一个支承体，以聚合物为基的凝胶形成在支承体的上面，所述的凝胶具有包含在液相之中的离子核素； 所述的以聚合物为基的凝胶包括由一种或多种单体所生成的一种聚合物及一种加强成分，所述的单体选自一组水溶性乙烯不饱和酰胺和酸，加强成分选自一组水溶性和水膨胀性聚合物；所述的离子核素，在聚合反应之前，被加入到一种或多种单体及加强成分之中； 所述的阴极和充电电极是一个双功能电极，或者是分立的独立电极；所述的隔膜位于阳极与充电电极之间。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈慕国，蔡则彬，姚文斌，张元民，李林峰，卡伦汤姆，
申请(专利权)人：瑞威欧公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]