TWI854362B - 電解質組合物、類固態電解質以及包含其之鋰離子電池 - Google Patents
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Abstract
本揭露提供一種電解質組合物、類固態電解質以及包含其之鋰離子電池。該電解質組合物包含成份(A)、成份(B)、以及成份(C)。成份(A)係一第一聚合物(A1)與一第二聚合物(A2)的組合、或一第三聚合物(A3)，其中該第一聚合物(A1)具有式(I)所示的重複單元、該第二聚合物(A2)具有式(II)所示的重複單元、以及該第三聚合物(A3)具有式(I)所示的重複單元以及式(II)所示的重複單元
，其中R
1、R
2、R
3、R
4、R
5、Z
1、以及Z
3如說明書中所定義 ；成份(B)係一鋰鹽；以及，成份(C)係一溶劑。
Description
本揭露關於一種電解質組合物、類固態電解質以及包含其之鋰離子電池。
鋰離子電池已成為商業化電池之主流，並朝向更輕薄短小、能量密度更高、壽命更長及更安全之方向努力。
現行液態鋰離子電池之重量能量密度偏低，循環壽命有限，導致單位蓄電成本居高不下。但是單方面提升電池之能量密度，容易加速誘發電化學電池一連串安全問題，其中包括漏液、膨罐、發熱、冒煙、燃燒、或爆炸等問題，嚴重限制使用性。
此外，當提昇鋰離子電池的操作電壓時，易使得電解質的氧化反應加速，導致電池在高電壓充電時的穩定性差。雖然，業界進一步提出加入聚合物作為電解質添加劑來改善穩定性，但傳統用
於電解質的聚合物其於電解質系統中的界面阻抗仍然偏高，且亦無法有效達到阻燃的效果。
因此，業界需要一種新穎的電解質，以應用於鋰離子電池中解決上述問題。
根據本揭露實施例，本揭露提供一種電解質組合物，其中該電解質組合物可經由一開環聚合反應得到一用於電池的類固態電解質。該電解質組合物可包含成份(A)、成份(B)、以及成份(C)，其中成份(A)的含量為1wt%至10wt%，以該成份(A)、成份(B)以及成份(C)的總重為基準。成份(A)可為一第一聚合物(A1)與一第二聚合物(A2)的組合，或者成份(A)可為一第三聚合物(A3)。該第一聚合物(A1)可具有式(I)所示的重複單元、該第二聚合物(A2)可具有式(II)所示的重複單元、以及該第三聚合物(A3)可具有式(I)所示的重複單元以及式(II)所示的重複單元
，其中R1可為氫、或甲基；R2可為環氧乙烷基(oxiranyl group)、甲基環氧乙烷基(methyloxiranyl group)、環氧丙基(glycidyl group)、甲基環氧丙基(methylglycidyl group)、氧雜環丁烷基(oxetanyl group)、或(3,4-環氧基環己基)甲基((3,4-epoxycyclohexyl)methyl group)；Z1可為C1-10伸烷基、
、或
；n>1；Z2可為C1-10伸烷基；R3可為氫、或甲基；R4及R5可為各自獨立為C1-10烷基、C1-10烷氧基、C4-8環烷基(cycloalkyl group)、C4-8環烷氧基(cycloalkoxy group)、C5-12環烷烷基(cycloalkylalkyl group)、C5-12環烷烷氧基(cycloalkylalkoxy group)、取代或未取代苯基(phenyl group)、取代或未取代苯氧基(phenoxy group)、取代或未取代之苯甲基(benzyl group)、或取代或未取代之苯甲氧基(benzyloxy group)，又或R4可為取代或未取代苯基(phenyl group)、R5可為取代或未取代苯氧基(phenoxy group)，且R4及R5與其鍵結的磷原子構成一六員環；Z3可為C1-10伸烷基、
、
、
、
、
或
；Z4、Z5、及Z6可為各自獨立為C1-10伸烷基；m>1；以及，i>1。成份(B)可為一鋰鹽，以及成份(C)可為一溶劑。根據本揭露實施例，該鋰鹽與該溶劑的重量比為1：19至7：13。
根據本揭露實施例，本揭露提供一種類固態電解質，其中該類固態電解質可為本揭露上述電解質組合物經一開環聚合反應(ring opening polymerization)的產物。
根據本揭露其他實施例，本揭露提供一種鋰離子電池，例如鋰離子二次電池。該鋰離子電池可包括一正極、一負極、一隔離膜、以及上述類固態電解質。其中，該隔離膜配置於該正極與該負極之間；以及，該類固態電解質可設置於該正極與負極之間。
10:負極
20:正極
30:隔離膜
40:電解質
100:鋰離子電池
第1圖為本揭露實施例所述鋰離子電池之示意圖。
以下針對本揭露之電解質組合物、類固態電解質以及包含其之鋰離子電池作詳細說明。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本揭露之不同樣態。以下所述特定的元
件及排列方式僅為簡單描述本揭露。當然，這些僅用以舉例而非本揭露之限定。本揭露中，用詞「約」係指所指定之量可增加或減少一本領域技藝人士可認知為一般且合理的大小的量。
且在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式，此外，特定之實施例僅為揭示本揭露使用之特定方式，其並非用以限定本揭露。
再者，說明書與請求項中所使用的序數例如”第一”、”第二”、”第三”等之用詞，以修飾請求項之元件，其本身並不意含及代表該請求元件有任何之前的序數，也不代表某一請求元件與另一請求元件的順序、或是製造方法上的順序，該些序數的使用僅用來使具有某命名的一請求元件得以和另一具有相同命名的請求元件能作出清楚區分。
本揭露提供一種電解質組合物。本揭露所述電解質組合物為液態，因此可輕易灌注進入電池腔體中。此外，本揭露所述電解質組合物可經由一開環聚合反應，將液態電解質組合物轉換成類固態電解質。由於本揭露類固態電解質具有含磷聚合物，除了可防止電解液揮發及鋰枝晶生長外，更可達到阻燃的技術效果，以強化電池的安全性。此外，本揭露所述類固態電解質包含具有立體網狀結構的聚合物(易於吸附鋰鹽及溶劑)，可降低聚合物的使用量，如此一來可降低電解質的界面阻抗、提昇電解質的離子導電度。根據本揭露實施例，
本揭露亦提供一種鋰離子電池，其中該鋰離子電池係包括上述類固態電解質。藉由本揭露所述類固態電解質的特定成份，可使本揭露所述類固態電解質具有阻燃性，增加電池在使用上的安全性。
根據本揭露實施例，本揭露提供一種電解質組合物。該電解質組合物可經由一開環聚合反應(例如一加熱製程)得到一用於電池的類固態電解質。
該電解質組合物可包含成份(A)、成份(B)、以及成份(C)。成份(A)可為一第一聚合物(A1)與一第二聚合物(A2)的組合，或者成份(A)可為一第三聚合物(A3)。該第一聚合物(A1)可具有式(I)所示的重複單元、該第二聚合物(A2)可具有式(II)所示的重複單元、以及該第三聚合物(A3)可具有式(I)所示的重複單元以及式(II)所示的重複單元
，其中R1可為氫、或甲基；R2可為環氧乙烷基(oxiranyl group)、甲基環氧乙烷基(methyloxiranyl group)、環氧丙基(glycidyl group)、甲基環氧丙基(methylglycidyl group)、氧雜環丁烷基
(oxetanyl group)、或(3,4-環氧基環己基)甲基((3,4-epoxycyclohexyl)methyl group)；Z1可為C1-10伸烷基、
(Z1係以氧原子與R2連接)、或
(Z1係以氧原子與R2連接)；n>1(例如：5,000
n>1、3,000
n>1、2,000
n>1、1,000
n>1、或500
n>1)；Z2可為C1-10伸烷基；R3可為氫、或甲基；R4及R5可為各自獨立為C1-10烷基、C1-10烷氧基、C4-8環烷基(cycloalkyl group)、C4-8環烷氧基(cycloalkoxy group)、C5-12環烷烷基(cycloalkylalkyl group)、C5-12環烷烷氧基(cycloalkylalkoxy group)、取代或未取代苯基(phenyl group)、取代或未取代苯氧基(phenoxy group)、取代或未取代之苯甲基(benzyl group)、或取代或未取代之苯甲氧基(benzyloxy group)，又或R4可為取代或未取代苯基(phenyl group)、R5可為取代或未取代苯氧基(phenoxy group)，且R4及R5與其鍵結的磷原子構成一六員環；Z3可為C1-10伸烷基、
(Z3係以Z4與P連接)、
(Z3係以氧原子與P連接)、
(Z3係以氧原子與P連
接)、
(Z3係以氧原子與P連接)、或
(Z3係以氧原子與P連接)；Z4、Z5、及Z6可為各自獨立為C1-10伸烷基；m>1(例如：5,000
m>1、3,000
m>1、2,000
m>1、1,000
m>1、或500
m>1)；以及，i>1(例如：5,000
i>1、3,000
i>1、2,000
i>1、1,000
i>1、或500
i>1)。成份(B)可為一鋰鹽，以及成份(C)可為一溶劑。
根據本揭露實施例，該第一聚合物(A1)、該第二聚合物(A2)、以及該第三聚合物(A3)皆不相同。根據本揭露實施例，該第一聚合物(A1)可為一均聚物(homopolymer)，即該第一聚合物(A1)除了式(I)所示的重複單元之外，不包含其他重複單元。根據本揭露實施例，該第二聚合物(A2)亦可為一均聚物(homopolymer)，即該第二聚合物(A2)除了式(II)所示的重複單元之外，不包含其他重複單元。根據本揭露實施例，該第三聚合物(A3)係一異聚物(heteropolymer)，且第三聚合物(A3)除了式(I)所示的重複單元以及式(II)所示的重複單元之外，不包含其他重複單元。此外，根據本揭露某些實施例，在該第三聚合物(A3)中，式(I)所示的重複單元以及式(II)所示的重複單元係以嵌段方式排列。根據本揭露其他實施例，在該第三聚合物(A3)中，式(I)所示的重複單元以及式(II)所示的重複單元係以無規方式排列。
根據本揭露實施例，C1-10伸烷基(alkanediyl group)可為直鏈或分支鏈(linear or branched)的伸烷基。舉例來說，C1-10伸烷基可為伸甲基(methanediyl group)、伸乙基(ethanediyl group)、伸丙基(propanediyl group)、伸丁基(butanediyl group)、伸戊基(pentanediyl group)、伸己基(hexanediyl group)、伸庚基(heptanediyl group)、伸辛基(octanediyl group)、伸壬基(nonanediyl group)、伸癸基(decanediyl group)、或其異構體(isomer)。
根據本揭露實施例，C1-10烷基可為直鏈或分支鏈(linear or branched)的烷基。舉例來說，C1-10烷基可為甲基(methyl)、乙基(ethyl)、丙基(propyl)、丁基(butyl)、戊基(pentyl)、己基(hexyl)、庚基(heptyl group)、辛基(octyl group)、壬基(nonyl group)、癸基(decyl group)、或其異構體(isomer)。
根據本揭露實施例，C1-10烷氧基(alkoxy group)可為直鏈或分支(linear or branched)鏈的烷氧基。舉例來說，C1-10烷氧基可為甲氧基(methoxy)、乙氧基(ethoxy)、丙氧基(propoxy)、丁氧基(butoxy)、戊氧基(pentoxy)、己氧基(hexoxy)、庚氧基(heptoxy group)、辛氧基(octoxy group)、壬氧基(nonoxy group)、癸氧基(decoxy group)、或其異構體(isomer)。
根據本揭露實施例，C4-8環烷基(cycloalkyl group)可為環丁基(cyclobutyl group)、環戊基(cyclopentyl group)、環
己基(cyclohexyl group)、環庚基(cycloheptyl group)、或環辛基(cyclooctyl group)。
根據本揭露實施例，C4-8環烷氧基(cycloalkoxy group)可為環丁氧基(cyclobutoxy group)、環戊氧基(cyclopentoxy group)、環己氧基(cyclohexoxy group)、環庚氧基(cycloheptoxy group)、環辛氧基(cyclooctoxy group)。
根據本揭露實施例，C5-12環烷烷基(cycloalkylalkyl group)可為取代的C1-4烷基。本揭露所述取代的C1-4烷基是指該C1-4烷基之至少一者碳上的氫被C4-8環烷基(cycloalkyl group)(例如環丁基(cyclobutyl group)、環戊基(cyclopentyl group)、環己基(cyclohexyl group)、環庚基(cycloheptyl group)、或環辛基(cyclooctyl group))所取代。
根據本揭露實施例，C5-12環烷烷氧基(cycloalkylalkoxy group)可為取代的C1-4烷氧基。本揭露所述取代的C1-4烷氧基是指該C1-4烷氧基之至少一者碳上的氫被C4-8環烷基(cycloalkoxy group)(例如環丁氧基(cyclobutoxy group)、環戊氧基(cyclopentoxy group)、環己氧基(cyclohexoxy group)、環庚氧基(cycloheptoxy group)、環辛氧基(cyclooctoxy group))所取代。
根據本揭露實施例，本揭露所述取代的苯基(phenyl group)是指該苯基之至少一者碳上的氫被C1-4烷基所取代。根據本
揭露實施例，本揭露所述取代的苯氧基(phenoxy group)是指該苯氧基之至少一者碳上的氫被C1-4烷基所取代。根據本揭露實施例，本揭露所述取代的苯甲基(benzyl group)是指該苯甲基之至少一者碳上的氫被C1-4烷基所取代。根據本揭露實施例，本揭露所述取代的苯甲氧基(benzyloxy group)是指該苯甲氧基之至少一者碳上的氫被C1-4烷基所取代。
根據本揭露實施例，本揭露所述式(I)所示的重複單元可為
或
，其中Z1可為伸甲基(methanediyl group)、伸乙基(ethanediyl group)、伸丙基(propanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸丙基)、伸丁基(butanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸丁基)、伸戊基(pentanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸戊基)、伸己基(hexanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸己基)、伸庚基(heptanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸庚基)、伸辛基(octanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸辛基)、伸壬基(nonanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸壬基)、或伸癸基
(decanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸癸基)；以及，R2可為環氧乙烷基(oxiranyl group)、甲基環氧乙烷基(methyloxiranyl group)、環氧丙基(glycidyl group)、甲基環氧丙基(methylglycidyl group)、氧雜環丁烷基(oxetanyl group)、或(3,4-環氧基環己基)甲基((3,4-epoxycyclohexyl)methyl group)。
根據本揭露實施例，本揭露所述式(I)所示的重複單元可為
、
、
、或
，其中R2可為環氧乙烷基(oxiranyl group)、甲基環氧乙烷基(methyloxiranyl group)、環氧丙基(glycidyl group)、甲基環氧丙基(methylglycidyl group)、氧雜環丁烷基(oxetanyl group)、或(3,4-環氧基環己基)甲基((3,4-epoxycyclohexyl)methyl group)；n>1；以及，Z2可為伸甲基(methanediyl group)、伸乙基(ethanediyl group)、伸丙基(propanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸丙基)、伸丁基(butanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸丁基)、伸戊基(pentanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸戊基)、伸己基(hexanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸己基)、伸庚基(heptanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸庚基)、伸辛基(octanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸辛基)、伸壬基(nonanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸壬基)、或伸癸基(decanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸癸基)。
根據本揭露某些實施例，本揭露所述式(I)所示的重複單元可為
、
、、
、
，其中Z1可為C1-10伸烷基、
、或
；n>1(例如：5,000
n>1、3,000
n>1、2,000
n>1、1,000
n>1、或500
n>1)；以及，Z2可為C1-10伸烷基。
根據本揭露實施例，本揭露所述式(II)所示的重複單元可為
，其中Z3可為伸甲基(methanediyl group)、伸乙基(ethanediyl group)、伸丙基(propanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸丙基)、伸丁基(butanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸丁基)、伸戊基(pentanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸戊基)、伸己基(hexanediyl
group)(例如直鏈或分支鏈的伸己基)、伸庚基(heptanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸庚基)、伸辛基(octanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸辛基)、伸壬基(nonanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸壬基)、或伸癸基(decanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸癸基)；以及R4及R5可各自獨立為C1-10烷基、C1-10烷氧基、C4-8環烷基(cycloalkyl group)、C4-8環烷氧基(cycloalkoxy group)、C5-12環烷烷基(cycloalkylalkyl group)、C5-12環烷烷氧基(cycloalkylalkoxy group)、取代或未取代苯基(phenyl group)、取代或未取代苯氧基(phenoxy group)、取代或未取代之苯甲基(benzyl group)、或取代或未取代之苯甲氧基(benzyloxy group)。此外，根據本揭露某些實施例，當R4為取代或未取代苯基(phenyl group)以及R5為取代或未取代苯氧基(phenoxy group)時，R4及R5可與其鍵結的磷原子構成一六員環。
根據本揭露實施例，R4及R5可各自獨立為甲基(methyl group)、乙基(ethyl group)、丙基(propyl group)(例如直鏈或分支鏈的丙基)、丁基(butyl group)(例如直鏈或分支鏈的丁基)、戊基(pentyl group)(例如直鏈或分支鏈的戊基)、己基(hexyl group)(例如直鏈或分支鏈的己基)、庚基(heptyl group)(例如直鏈或分支鏈的庚基)、辛基(octyl group)(例如直鏈或分支鏈的辛基)、壬基(nonyl group)(例如直鏈或分支鏈的壬基)、癸基(decyl group)(例如直鏈或分支鏈的癸基)、甲氧基(methoxy group)、乙氧
基(ethoxy group)、丙氧基(propoxy group)(例如直鏈或分支鏈的丙氧基)、丁氧基(butoxy group)(例如直鏈或分支鏈的丁氧基)、戊氧基(pentoxy group)(例如直鏈或分支鏈的戊氧基)、己氧基(hexoxy group)(例如直鏈或分支鏈的己氧基)、庚氧基(heptoxy group)(例如直鏈或分支鏈的庚氧基)、辛氧基(octoxy group)(例如直鏈或分支鏈的辛氧基)、壬氧基(nonoxy group)(例如直鏈或分支鏈的壬氧基)、癸氧基(decoxy group)(例如直鏈或分支鏈的癸氧基)、環丁基(cyclobutyl group)、環戊基(cyclopentyl group)、環己基(cyclohexyl group)、環庚基(cycloheptyl group)、環辛基(cyclooctyl group)、環丁氧基(cyclobutoxy group)、環戊氧基(cyclopentoxy group)、環己氧基(cyclohexoxy group)、環庚氧基(cycloheptoxy group)、環辛氧基(cyclooctoxy group)、苯基(phenyl group)、苯氧基(phenoxy group)、苯甲基(benzyl group)、或苯甲氧基(benzyloxy group)。
根據本揭露實施例，本揭露所述式(II)所示的重複單元可為
、
、
、
、或
，其中Z4、Z5、及Z6可各自獨立為伸甲基(methanediyl group)、伸乙基(ethanediyl group)、伸丙基(propanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸丙基)、伸丁基(butanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸丁基)、伸戊基(pentanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸戊基)、伸己基(hexanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸己基)、伸庚基(heptanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸庚基)、伸辛基(octanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸辛基)、伸壬基(nonanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸壬基)、或伸癸基(decanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸癸基)；m>1(例如：5,000
m>1、3,000
m>1、2,000
m>1、1,000
m>1、或500
m>1)；i>1(例如：5,000
i>1、3,000
i>1、2,000
i>1、1,000
i>1、或500
i>1)；以及，R4及R5可各自獨立為C1- 10烷基、C1-10烷氧基、C4-8環烷基(cycloalkyl group)、C4-8環烷氧基(cycloalkoxy group)、C5-12環烷烷基(cycloalkylalkyl group)、C5-12環烷烷氧基(cycloalkylalkoxy group)、取代或未取代苯基(phenyl group)、取代或未取代苯氧基(phenoxy group)、取代或未取代之苯甲基(benzyl group)、或取代或未取代之苯甲氧基(benzyloxy group)。此外，根據本揭露某些實施例，當R4為取代或未取代苯基(phenyl group)以及R5為取代或未取代苯氧基(phenoxy group)時，R4及R5可與其鍵結的磷原子構成一六員環。
根據本揭露實施例，本揭露所述式(II)所示的重複單元可為
、
、
、或
，其中R3係氫、或甲基；Z3係C1-10伸烷基、
、
、
；Z4、Z5、及Z6係各自獨立為伸甲基(methanediyl group)、伸乙基(ethanediyl group)、伸丙基(propanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸丙基)、伸丁基(butanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸丁基)、伸戊基(pentanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸戊基)、伸己基
(hexanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸己基)、伸庚基(heptanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸庚基)、伸辛基(octanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸辛基)、伸壬基(nonanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸壬基)、或伸癸基(decanediyl group)(例如直鏈或分支鏈的伸癸基)；m>1(例如：5,000
m>1、3,000
m>1、2,000
m>1、1,000
m>1、或500
m>1)；i>1(例如：5,000
i>1、3,000
i>1、2,000
i>1、1,000
i>1、或500
i>1)；以及，R6、R7、及R8係各自獨立為甲基(methyl group)、乙基(ethyl group)、丙基(propyl group)(例如直鏈或分支鏈的丙基)、丁基(butyl group)(例如直鏈或分支鏈的丁基)、戊基(pentyl group)(例如直鏈或分支鏈的戊基)、己基(hexyl group)(例如直鏈或分支鏈的己基)、庚基(heptyl group)(例如直鏈或分支鏈的庚基)、辛基(octyl group)(例如直鏈或分支鏈的辛基)、壬基(nonyl group)(例如直鏈或分支鏈的壬基)、癸基(decyl group)(例如直鏈或分支鏈的癸基)。
根據本揭露實施例，成份(A)可由該第一聚合物(A1)與該第二聚合物(A2)所組成，其中該第一聚合物(A1)與該第二聚合物(A2)不同。根據本揭露實施例，該第一聚合物(A1)與該第二聚合物(A2)的重量比例可為1：4至4：1，例如1：3、1：2、1：1、2：1、或3：1。若該第二聚合物(A2)的含量過低，則由所得電解質組合物所形成的類固態電解質之阻燃性質將會降低。
根據本揭露實施例，成份(A)可由該第一聚合物(A1)與該第二聚合物(A2)所組成，其中該第一聚合物(A1)與該第二聚合物(A2)不同。根據本揭露實施例，該第一聚合物(A1)與該第二聚合物(A2)的重量比例可為1：4至4：1，例如1：3、1：2、1：1、2：1、或3：1。若第一聚合物(A1)的含量過低，則由所得電解質組合物所形成的類固態電解質其溶劑吸附性將降低，導致電解質無法固化。若第一聚合物(A1)的含量過高，則由所得電解質組合物所形成的類固態電解質易形成緻密網狀結構，造成界面阻抗上昇以離子導電度下降。若該第二聚合物(A2)的含量過低，則由所得電解質組合物所形成的類固態電解質之阻燃性質將會降低。
根據本揭露實施例，成份(A)係該第三聚合物(A3)。在該第三聚合物(A3)中，式(I)所示的重複單元以及式(II)所示的重複單元的數量比例為1：4至4：1，例如1：3、1：2、1：1、2：1、或3：1。若式(I)所示的重複單元的數量過低，則由所得電解質組合物所形成的類固態電解質其溶劑吸附性將降低，導致電解質無法固化。若式(I)所示的重複單元的數量過高，則由所得電解質組合物所形成的類固態電解質易形成緻密網狀結構，造成界面阻抗上昇以離子導電度下降。若式(II)所示的重複單元的數量過低，則由所得電解質組合物所形成的類固態電解質之阻燃性質將會降低。
根據本揭露實施例，該第一聚合物(A1)可為一第一組合物經一反應(例如均聚合(homopolymerization)反應)之產物。該
第一組合物可包含一第一單體以及一起始劑，其中該第一單體可具有式(III)所示結構
，其中R1係氫、或甲基；R2係環氧乙烷基(oxiranyl group)、甲基環氧乙烷基(methyloxiranyl group)、環氧丙基(glycidyl group)、甲基環氧丙基(methylglycidyl group)、氧雜環丁烷基(oxetanyl group)、或(3,4-環氧基環己基)甲基((3,4-epoxycyclohexyl)methyl group)；Z1係C1-10伸烷基、
、或
；n>1(例如：5,000
n>1、3,000
n>1、2,000
n>1、1,000
n>1、或500
n>1)；以及，Z2係C1-10伸烷基。根據本揭露實施例，該第一聚合物(A1)係由該第一單體製備而得的均聚物(homopolymer)。
根據本揭露實施例，該第一單體可為丙烯酸縮水甘油酯(glycidyl acrylate)、甲基丙烯酸縮水甘油酯(glycidyl methacrylate、GMA)、2-羥基乙基丙烯酸酯縮水甘油醚(2-hydroxyethyl acrylate glycidyl ether)、2-羥基乙基甲基丙烯酸酯縮水甘油醚(2-hydroxyethyl methacrylate glycidyl ether)、4-羥基丁基丙烯酸酯縮水甘油醚(4-hydroxybutyl acrylate glycidyl ether)、4-羥基丁基甲基丙烯酸酯縮水甘油醚(4-hydroxybutyl
methacrylate glycidyl ether)、甲基縮水甘油丙烯酸酯(methylglycidyl acrylate)、甲基縮水甘油甲基丙烯酸酯(methylglycidyl methylacrylate)、丙烯酸3,4-環氧環己基甲酯(3,4-epoxycyclohexylmethyl acrylate)、或甲基丙烯酸3,4-環氧環己基甲酯(3,4-epoxycyclohexylmethyl methacrylate)。
根據本揭露實施例，本揭露所述第一聚合物(A1)的重量平均分子量(Mw)可為約500(g/mol)至200,000(g/mol)，例如約1,000(g/mol)、2,000(g/mol)、5,000(g/mol)、10,000(g/mol)、20,000(g/mol)、50,000(g/mol)、或150,000(g/mol)。本揭露所述第一聚合物(A1)之重量平均分子量(Mw)可以凝膠滲透色層分析法(GPC)測得(以聚苯乙烯作為標準品製作檢量線)。
根據本揭露實施例，該第一組合物可由該第一單體以及該起始劑所組成。根據本揭露實施例，該起始劑可使該第一單體的丙烯酸酯基團(或甲基丙烯酸酯基團)彼此進行聚合反應。舉例來說，該起始劑可為光起始劑、熱起始劑、或上述之組合。根據本揭露實施例，該起始劑的含量可為約0.01wt%至20wt%(例如：0.1wt%、0.5wt%、1wt%、2wt%、3wt%、4wt%、5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、9wt%、10wt%、11wt%、12wt%、13wt%、14wt%、15wt%、16wt%、17wt%、18wt%、或19wt%)，以該第一單體的總重為基準。
根據本揭露實施例，該第一組合物可在20℃至150℃下反應60分鐘至24小時，以使該第一組合物進行一均聚合反應，得到該第一聚合物(A1)。
根據本揭露實施例，該第二聚合物(A2)可為一第二組合物經一反應(例如均聚合(homopolymerization)反應)之產物。該第二組合物可包含一第二單體以及一起始劑，其中該第二單體可具有式(IV)所示結構
，其中R3可為氫、或甲基；R4及R5可各自獨立為C1-10烷基、C1-10烷氧基、C4-8環烷基(cycloalkyl group)、C4-8環烷氧基(cycloalkoxy group)、C5-12環烷烷基(cycloalkylalkyl group)、C5-12環烷烷氧基(cycloalkylalkoxy group)、取代或未取代苯基(phenyl group)、取代或未取代苯氧基(phenoxy group)、取代或未取代之苯甲基(benzyl group)、或取代或未取代之苯甲氧基(benzyloxy group)，又或R4可為取代或未取代苯基(phenyl group)、R5可為取代或未取代苯氧基(phenoxy group)，且R4及R5與其鍵結的磷原子構成一六員環；Z3係可為C1-10伸烷基、
、
、
；Z4、Z5、及Z6可各自獨立為C1-10伸烷基；m
1(例如：5,000
m
1、3,000
m
1、2,000
m
1、1,000
m
1、或500
m
1)；以及，i
1(例如：5,000
i
1、3,000
i
1、2,000
i
1、1,000
i
1、或500
i
1)。根據本揭露實施例，該第二聚合物(A2)係由該第二單體製備而得的均聚物(homopolymer)。
根據本揭露實施例，本揭露所述第二聚合物(A2)的重量平均分子量(Mw)可為約500(g/mol)至200,000(g/mol)，例如約1,000(g/mol)、2,000(g/mol)、5,000(g/mol)、10,000(g/mol)、20,000(g/mol)、50,000(g/mol)、或150,000(g/mol)。本揭露所述第二聚合物(A2)之重量平均分子量(Mw)可以凝膠滲透色層分析法(GPC)測得(以聚苯乙烯作為標準品製作檢量線)。
根據本揭露實施例，該第二組合物可由該第二單體以及該起始劑所組成。根據本揭露實施例，該起始劑可使該第二單體的丙烯酸酯基團(甲基丙烯酸酯基團、或烯基)彼此進行聚合反應。舉例來說，該起始劑可為光起始劑、熱起始劑、或上述之組合。根據本揭
露實施例，該起始劑的含量可為約0.01wt%至10wt%(例如：0.1wt%、0.5wt%、1wt%、2wt%、3wt%、4wt%、5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、或9wt%)，以該第二單體的總重為基準。
根據本揭露實施例，該第二組合物可在20℃至150℃下反應60分鐘至24小時，以使該第二組合物進行一均聚合反應，得到該第二聚合物(A2)。
根據本揭露實施例，該第二單體可為磷酸二乙基烯丙酯(diethyl allyl phosphate)、烯丙基膦酸二乙酯(diethyl allyl phosphonate)、磷酸二乙基丙烯醯氧基乙酯(diethyl 2-(acryloyloxy)ethyl phosphate)、磷酸二乙基甲基丙烯醯氧基乙酯(diethyl 2-(methacryloyloxy)ethyl phosphate)、磷酸二丁基丙烯醯氧基乙酯(dibutyl 2-(acryloyloxy)ethyl phosphate)、磷酸二丁基甲基丙烯醯氧基乙酯(dibutyl 2-(methacryloyloxy)ethyl phosphate)、磷酸二苯基丙烯醯氧基乙酯(diphenyl 2-(acryloyloxy)ethyl phosphate)、磷酸二苯基甲基丙烯醯氧基乙酯(diphenyl 2-(methacryloyloxy)ethyl phosphate)、丙烯酸(6-氧代-6H-二苯並[C,E][1,2]氧雜磷雜己環-6-基)甲酯((6-Oxido-6H-dibenz[c,e][1,2]oxaphosphorin-6-yl)methyl acrylate)、或甲基丙烯酸(6-氧代-6H-二苯並[C,E][1,2]氧雜磷雜己環-6-基)甲酯((6-Oxido-6H-dibenz[c,e][1,2]oxaphosphorin-6-yl)methyl methacrylate)。
根據本揭露實施例，該第三聚合物(A3)可為一第三組合物經一反應(例如共聚合(copolymerization)反應)之產物。該第三組合物可包含該第一單體、該第二單體以及起始劑。根據本揭露實施例，該第三聚合物(A3)係由該第一單體以及該第二單體製備而得的共聚物(copolymer)。
根據本揭露實施例，本揭露所述第三聚合物(A3)的重量平均分子量(Mw)可為約500(g/mol)至500,000(g/mol)，例如約1,000(g/mol)、2,000(g/mol)、5,000(g/mol)、10,000(g/mol)、20,000(g/mol)、50,000(g/mol)、150,000(g/mol)、200,000(g/mol)、300,000(g/mol)、或400,000(g/mol)。本揭露所述第三聚合物(A3)之重量平均分子量(Mw)可以凝膠滲透色層分析法(GPC)測得(以聚苯乙烯作為標準品製作檢量線)。
根據本揭露實施例，該第三組合物可由該第一單體、該第二單體以及起始劑所組成。根據本揭露實施例，該起始劑可使該第一單體的丙烯酸酯基團(甲基丙烯酸酯基團、或烯基)或/與第二單體的丙烯酸酯基團(甲基丙烯酸酯基團、或烯基)彼此進行聚合反應。舉例來說，該起始劑可為光起始劑、熱起始劑、或上述之組合。根據本揭露實施例，該起始劑的含量可為約0.01wt%至20wt%(例如：0.1wt%、0.5wt%、1wt%、2wt%、3wt%、4wt%、5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、9wt%、10wt%、11wt%、12wt%、13wt%、14wt%、
15wt%、16wt%、17wt%、18wt%、或19wt%)，以該第一單體以及第二單體的總重為基準。
根據本揭露實施例，該第三組合物可在20℃至150℃下反應60分鐘至24小時，以使該第三組合物進行一共聚合反應，得到該第三聚合物(A3)。
根據本揭露實施例，該起始劑可為自由基聚合反應起始劑。根據本揭露實施例，該起始劑可以為安息香系(benzoin-based)化合物、苯乙酮系(acetophenone-based)化合物、噻噸酮系(thioxanthone-based)化合物、縮酮(ketal)化合物、苯甲酮系(benzophenone-based)化合物、α-氨基苯乙酮(α-aminoacetophenone)化合物、醯基氧化膦(acylphosphineoxide)化合物、二咪唑系(biimidazole-based)化合物、三嗪系(triazine-based)化合物或上述之組合。安息香系化合物，例如安息香(benzoin)、安息香甲基醚(benzoin methyl ether)、或安息香二甲醚(benzyl dimethyl ketal)；苯乙酮系化合物，例如對二甲胺苯乙酮(p-dimethylamino-acetophenone)、α,α’-二甲氧基氧化偶氮苯乙酮(α,α’-dimethoxyazoxy-acetophenone)、2,2’-二甲基-2-苯基苯乙酮(2,2’-dimethyl-2-phenyl-acetophenone)、對甲氧基苯乙酮(p-methoxy-acetophenone)、2-甲基-1-(4-甲基硫代苯基)-2-嗎啉代-1-丙酮(2-methyl-1-(4-methylthiophenyl)-2-morpholino-1-propanone)、2-苄基-2-氮，氮-二甲胺-1-(4-嗎啉代
苯基)-1-丁酮(2-benzyl-2-N,N-dimethylamino-1-(4-morpholinophenyl)-1-butanone)；苯甲酮系化合物，例如二苯甲酮(benzophenone)、4,4-雙(二甲基氨基)二苯甲酮(4,4-bis(dimethylamino)benzophenone)、4,4-雙(二乙基氨基)二苯甲酮(4,4-bis(diethylamino)benzophenone)、2,4,6-三甲基氨基二苯甲酮醯(2,4,6-trimethylaminobenzophenone)、鄰苯甲醯苯甲酸甲酯(methyl-o-benzoyl benzoate)、3,3-二甲基-4-甲氧基二苯甲酮(3,3-dimethyl-4-methoxybenzophenone)、及3,3,4,4-四(叔丁基過氧化羰基)二苯甲酮(3,3,4,4-tetra(t-butylperoxycarbonyl)benzophenone)；噻噸酮系化合物，例如噻噸酮(thioxanthone)、2,4-二乙基噻噸酮(2,4-diethyl-thioxanthanone)、噻噸酮-4-碸(thioxanthone-4-sulfone)；二咪唑系化合物，例如2,2’-雙(鄰-氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基二咪唑[2,2’-bis(o-chlorophenyl)-4,4’,5,5’-tetraphenyl-biimidazole]、2,2’-雙(鄰-氟苯基)-4,4’,5,5’-四苯基二咪唑[2,2’-bis(o-fluorophenyl)-4,4’,5,5’-tetraphenyl-biimidazole]、2,2’-雙(鄰-甲基苯基)-4,4’,5,5’-四苯基二咪唑[2,2’-bis(o-methylphenyl)-4,4’,5,5’-tetraphenyl-biimidazole]、2,2’-雙(鄰-甲氧基苯基)-4,4’,5,5’-四苯基二咪唑[2,2’-bis(o-methoxyphenyl)-4,4’,5,5’-tetraphenyl-biimidazole]、2,2’-雙(鄰-乙基苯基)-4,4’,5,5’-四苯基二咪唑[2,2’-bis(o-
ethylphenyl)-4,4’,5,5’-tetraphenyl-biimidazole]、2,2’-雙(對甲氧基苯基)-4,4’,5,5’-四苯基二咪唑[2,2’-bis(p-methoxyphenyl)-4,4’,5,5’-tetraphenyl-biimidazole]、2,2’-雙(2,2’,4,4’-四甲氧基苯基)-4,4’,5,5’-四苯基二咪唑[2,2’-bis(2,2’,4,4’-tetramethoxyphenyl)-4,4’,5,5’-tetraphenyl-biimidazole]、2,2’-雙(2-氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基二咪唑[2,2’-bis(2-chlorophenyl)-4,4’,5,5’-tetraphenyl-biimidazole]、2,2’-雙(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基二咪唑[2,2’-bis(2,4-dichlorophenyl)-4,4’,5,5’-tetraphenyl-biimidazole]；氧化膦系化合物，例如2,4,6-三甲基苯甲醯基二苯基氧化膦(2,4,6-trimethylbenzoyl diphenylphosphine oxide)及雙(2,6-二甲氧基苯甲醯基)-2,4,4-三甲基戊基氧化膦(bis(2,6-dimethoxybenzoyl)-2,4,4-trimethylpentylphosphine oxide)；三嗪系化合物，例如為3-{4-[2,4-雙(三氯甲基)-s-三嗪-6-基]苯硫基}丙酸(3-{4-[2,4-bis(trichloromethyl)-s-triazine-6-yl]phenylthio}propionic acid)、1,1,1,3,3,3-六氟異丙基-3-{4-[2,4-雙(三氯甲基)-s-三嗪-6-基]苯硫基}丙酸酯(1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropyl-3-{4-[2,4-bis(trichloromethyl)-s-triazine-6-yl]phenylthio}propionate)、乙基-2-{4-[2,4-雙(三氯甲基-s-三嗪-6-基]苯硫基}乙酸甲酯(ethyl-2-{4-[2,4-bis(trichloromethyl)-s-triazine-6-yl]phenylthio}acetate)、2-
環氧乙基-2-{4-[2,4-雙(三氯甲基)-s-三嗪-6-基]苯硫基}乙酸酯(2-epoxyethyl-2-{4-[2,4-bis(trichloromethyl)-s-triazine-6-yl]phenylthio}acetate)、環己基-2-{4-[2,4-雙(三氯甲基)-s-三嗪-6-基]苯硫基}乙酸酯(cyclohexyl-2-{4-[2,4-bis(trichloromethyl)-s-triazine-6-yl]phenylthio}acetate)、芐基-2-{4-[2,4-雙(三氯甲基)-s-三嗪-6-基]苯硫基}乙酸酯(benzyl-2-{4-[2,4-bis(trichloromethyl)-s-triazine-6-yl]phenylthio}acetate)、3-{氯-4-[2,4-雙(三氯甲基)-s-三嗪-6-基]苯硫基}丙酸(3-{chloro-4-[2,4-bis(trichloromethyl)-s-triazine-6-yl]phenylthio}propionic acid)、3-{4-[2,4-雙(三氯甲基)-s-三嗪-6-基]苯硫基}丙醯胺(3-{4-[2,4-bis(trichloromethyl)-s-triazine-6-yl]phenylthio}propionamide)、2,4-雙(三氯甲基)-6-對甲氧基苯乙烯基-S-三嗪(2,4-bis(trichloromethyl)-6-p-methoxystyryl-s-triazine)、2,4-雙(三氯甲基)-6-(1-對-二甲基氨基苯基)-1,3-丁二烯基-s-三嗪(2,4-bis(trichloromethyl)-6-(1-p-dimethylaminophenyl)-1,3,-butadienyl-s-triazine)、或2-三氯甲基-4-氨基-6-對甲氧基苯乙烯基-s-三嗪(2-trichloromethyl-4-amino-6-p-methoxystyryl-s-triazine)。
根據本揭露實施例，該起始劑可以為偶氮類(azo)化合物、氰基戊酸系(cyanovaleric-acid-based)化合物、過氧化物(peroxide)或上述之組合。該偶氮類化合物，例如2,2’-偶氮雙(2,4-
二甲基戊腈)(2,2’-azobis(2,4-dimethyl valeronitrile))、二甲基-2,2’-偶氮雙(2-丙酸甲酯)(dimethyl 2,2’-azobis(2-methylpropionate))、2,2-偶氮二異丁腈(2,2-azobisisobutyronitrile，以下簡稱AIBN)、2,2-偶氮雙(2-甲基異丁腈)(2,2-azobis(2-methylisobutyronitrile))、1,1’-偶氮雙(環己烷-1-腈)1,1’-azobis(cyclohexane-1-carbonitrile))、2,2’-偶氮雙[N-(2-丙烯基)-2-甲基丙醯胺](2,2’-azobis[N-(2-propenyl)-2-methylpropionamide])、1-[(氰基-1-甲基乙基)-偶氮基]甲醯胺(1-[(cyano-1-methylethyl)azo]formamide)、2,2’-偶氮雙(N-丁基-2-甲基丙醯胺)(2,2’-azobis(N-butyl-2-methylpropionamide))、或2,2’-偶氮雙(N-環己基-2-甲基丙醯胺)(2,2’-azobis(N-cyclohexyl-2-methylpropionamide))；該過氧化物，例如苯甲醯基過氧化物(benzoyl peroxide)、1,1-雙(第三丁基過氧基)環己烷(1,1-bis(tert-butylperoxy)cyclohexane)、2,5-雙(第三丁基過氧基)-2,5-二甲基環己烷(2,5-bis(tert-butylperoxy)-2,5-dimethylcyclohexane)、2,5-雙(第三丁基過氧基)-2,5-二甲基-3-環己炔(2,5-bis(tert-butylperoxy)-2,5-dimethyl-3-cyclohexyne)、雙(1-(第三丁基過氧基)-1-甲基乙基)苯(bis(1-(tert-butylpeorxy)-1-methy-ethyl)benzene)、第三丁基過氧化氫(tert-butyl hydroperoxide)、第三丁基過氧化物(tert-butyl peroxide)、過氧化苯甲酸第三丁基酯(tert-butyl
peroxybenzoate)、異丙苯過氧化氫(cumene hydroperoxide)、環己酮基過氧化物(cyclohexanone peroxide)、過氧化二異丙苯(dicumyl peroxide)、或過氧化月桂醯基(lauroyl peroxide)。
根據本揭露實施例，由於本揭露所述電解質組合物包含一具有式(I)所示重複單元的聚合物，因此當本揭露所述電解質組合物經一加熱製程進行開環聚合反應後，可形成具有立體網狀結構的聚合物。基於上述，在本揭露所述電解質組合物中，聚合物(成份(A))不需過度添加，即可在後續加熱製程中得到易於吸附鋰鹽及溶劑的類固態電解質。如此一來，可避免過高的聚合物添加量增加電解質的界面阻抗以及降低電解質的離子導電度。根據本揭露實施例，由於本揭露所述電解質組合物包含一具有式(II)所示重複單元的聚合物，因此由本揭露所述電解質組合物經開環聚合反應後所得之類固態電解質具有阻燃性。根據本揭露實施例，成份(A)的含量可為1wt%至10wt%(例如2wt%、3wt%、4wt%、5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、或9wt%)，以該成份(A)、成份(B)以及成份(C)的總重為基準。若成份(A)的含量過高，則所得類固態電解質具有較低的離子導電度、及較高的界面阻抗。若成份(A)的含量過低，則所得類固態電解質的未固化殘液量將增加，且阻燃性無法提昇。
根據本揭露實施例，本揭露所述電解質組合物除了成份(A)之外，不包含其他聚合物。根據本揭露實施例，本揭露所述電解質組合物由成份(A)、成份(B)以及成份(C)所組成。
根據本揭露實施例，本揭露所述電解質組合物不包含反應性單體，其中該反應性單體係指可經由一聚合反應形成一聚合物的單體。根據本揭露實施例，本揭露所述電解質組合物不包含可用來形成具有式(I)所示重複單元的聚合物之單體；以及，本揭露所述電解質組合物不包含可用來形成具有式(II)所示重複單元的聚合物之單體。
根據本揭露實施例，該鋰鹽(成份(B))與該溶劑(成份(C))的重量比可為約1：19至7：13，例如約2：18、3：17、4：16、5：15、或6：14。根據本揭露實施例。該鋰鹽係六氟磷酸鋰(lithium hexafluorophosphate，LiPF6)、過氯酸鋰(lithium perchlorate，LiClO4)、雙氟磺醯亞胺鋰(bis(fluorosulfonyl)imide lithium，LiN(SO2F)2)(LiFSI)、二氟草酸硼酸鋰(lithium difluoro(oxalato)borate，LiBF2(C2O4))(LiDFOB)、四氟硼酸鋰(lithium tetrafluoroborate，LiBF4)、三氟甲磺酸鋰(lithium trifluoromethanesulfonate，LiSO3CF3)、雙(三氟甲磺醯基)醯亞胺鋰(bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium，LiN(SO2CF3)2)(LiTFSI)、雙(五氟乙基磺醯基)亞胺鋰(lithium bis perfluoroethanesulfonimide，LiN(SO2CF2CF3)2)、六氟砷酸鋰(LiAsF6)、六氟銻酸鋰(LiSbF6)、四氯鋁酸鋰(LiAlCl4)、四氯鎵酸鋰(LiGaCl4)、硝酸鋰(LiNO3)、三(三氟甲基磺醯)甲基鋰(tris(trifluoromethanesulfonyl)methyllithium，
LiC(SO2CF3)3)、硫氰酸鋰水合物(lithium thiocyanate hydrate，LiSCN)、LiO3SCF2CF3、LiC6F5SO3、LiO2CCF3、氟磺酸鋰(lithiumfluorosulfonate，LiSO3F)、四(五氟苯基)硼酸鋰(Lithium tetrakis(pentafluorophenyl)borate，LiB(C6H5)4)、二草酸硼酸锂(lithium bis(oxalato)borate，LiB(C2O4)2)(LiBOB)、LiFePO4、LiLaTi2O6、Li2.9PO3.3N0.46、Li3PO4、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO4)3、Li3.6Si0.6P0.4O4、Li5La3Ta2O12、或上述之組合。
根據本揭露實施例，該溶劑可為有機溶劑，例如酯類溶劑、酮類溶劑、碳酸酯類溶劑、醚類溶劑、烷類溶劑、醯胺類溶劑、或上述之組合。根據本揭露實施例，該溶劑可為1,2-二乙氧基乙烷(1,2-diethoxyethane)、1,2-二甲氧基乙烷(1,2-dimethoxyethane)、1,2-二丁氧基乙烷(1,2-dibutoxyethane)、四氫呋喃(tetrahydrofuran)、2-甲基四氫呋喃(2-methyl tetrahydrofuran)、二甲基乙醯胺(dimethylacetamide，DMAc)、N-甲基吡咯酮(N-methyl-2-pyrrolidone，NMP)、乙酸甲酯(methyl acetate)、乙酸乙酯(ethyl acetate)、丁酸甲酯(methyl butyrate)、丁酸乙酯(ethyl butyrate)、丙酸甲酯(methyl proionate)、丙酸乙酯(ethyl proionate)、乙酸丙酯(propyl acetate，PA)、丁基內酯(γ-butyrolactone，GBL)、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸丙烯酯(propylene carbonate，PC)、碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)、碳酸甲乙酯
(ethylmethyl carbonate，EMC)、碳酸二甲酯(dimethyl carbonate，DMC)、碳酸乙烯基酯(vinylene carbonate)、碳酸丁烯酯(butylene carbonate)、1,3-丙磺酸內酯(1,3-propanesultone)、碳酸二丙基酯(dipropyl carbonate)、或上述之組合。
根據本揭露實施例，該鋰鹽(成份(B))在該溶劑(成份(C))中的的濃度為約0.5M至6M，例如約0.7M、0.8M、0.9M、1M、1.2M、1.3M、1.4M、1.5M、2M、3M、4M、或5M。
根據本揭露實施例，該電解質組合物的製備方式包含將成份(A)、成份(B)、以及成份(C)混合。根據本揭露實施例，為確保本揭露所述電解質組合物可經由一開環聚合反應轉換成類固態電解質，本揭露所述電解質組合物可更包含成份(D)，其中該成份(D)可為一開環聚合起始劑，其中該成份(D)的含量可為0.1wt%至20wt%(例如0.2wt%、0.5wt%、1wt%、2wt%、3wt%、4wt%、5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、9wt%、10wt%、11wt%、12wt%、13wt%、14wt%、15wt%、16wt%、17wt%、18wt%、或19wt%)，以該成份(A)、成份(B)、成份(C)、以及成份(D)的總重為基準。根據本揭露實施例，本揭露所述電解質組合物由成份(A)、成份(B)、成份(C)、以及成份(D)所組成。
根據本揭露實施例，該開環聚合起始劑可為一離子化合物，且該開環聚合起始劑與作為成份(B)的鋰鹽不同。根據本揭露
實施例，該離子化合物之陽離子可為Na+、Li+、K+、Ag+、或NH4 +，以及該離子化合物之陰離子可為H3COO-、OH-、BF4 -、PF6 -、ClO4 -、N(SO2F)2 -、N(SO2CF3)2 -、N(SO2CF2CF3)2 -、BF2(C2O4)-、AsF6 -、或SbF6 -。
根據本揭露實施例，當作為成份(B)的鋰鹽包含三氟甲磺酸鋰(lithium trifluoromethanesulfonate，LiSO3CF3)、四氯鋁酸鋰(LiAlCl4)、四氯鎵酸鋰(LiGaCl4)、硝酸鋰(LiNO3)、三(三氟甲基磺醯)甲基鋰(tris(trifluoromethanesulfonyl)methyllithium，LiC(SO2CF3)3)、硫氰酸鋰水合物(lithium thiocyanate hydrate，LiSCN)、LiO3SCF2CF3、LiC6F5SO3、LiO2CCF3、氟磺酸鋰(lithiumfluorosulfonate，LiSO3F)、四(五氟苯基)硼酸鋰(Lithium tetrakis(pentafluorophenyl)borate，LiB(C6H5)4)、二草酸硼酸锂(lithium bis(oxalato)borate，LiB(C2O4)2)(LiBOB)、LiFePO4、LiLaTi2O6、Li2.9PO3.3N0.46、Li3PO4、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO4)3、Li3.6Si0.6P0.4O4、或Li5La3Ta2O12時，本揭露所述電解質組合物可更包含成份(D)。
根據本揭露實施例，當作為成份(B)的鋰鹽包含六氟磷酸鋰(lithium hexafluorophosphate，LiPF6)、過氯酸鋰(lithium perchlorate，LiClO4)、二氟草酸硼酸鋰(lithium difluoro(oxalato)borate，LiBF2(C2O4))(LiDFOB)、四氟硼酸鋰
(lithium tetrafluoroborate，LiBF4)、雙氟磺醯亞胺鋰(bis(fluorosulfonyl)imide lithium，LiN(SO2F)2)(LiFSI)、雙(三氟甲磺醯基)醯亞胺鋰(bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium，LiN(SO2CF3)2)(LiTFSI)雙(五氟乙基磺醯基)亞胺鋰(lithium bis perfluoroethanesulfonimide，LiN(SO2CF2CF3)2)、六氟砷酸鋰(LiAsF6)、或六氟銻酸鋰(LiSbF6)時，本揭露所述電解質組合物可不包含成份(D)。
根據本揭露實施例，本揭露所述電解質組合物可更包含成份(E)，其中該成份(E)可為一填充物，其中該成份(E)的含量可為0.1wt%至30wt%(例如0.5wt%、1wt%、2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%、12wt%、14wt%、16wt%、18wt%、20wt%、22wt%、24wt%、26wt%、28wt%或29wt%)，以該成份(A)、成份(B)、成份(C)、成份(E)的總重(或成份(A)、成份(B)、成份(C)、成份(D)、或成份(E)的總重)為基準。根據本揭露實施例，本揭露所述電解質組合物由成份(A)、成份(B)、成份(C)、成份(D)、以及成份(E)所組成。
根據本揭露實施例，本揭露所述電解質組合物加入填充物的目的在於增加電解質機械強度、提高離子導電度、改善安全性，其中該填充物可為氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅、氧化鋯、氧化矽、鋰鑭鋯氧(lithium lanthanum zirconate、LLZO)、鋰鑭鈦氧(lithium lanthanum titanate、LLTO)、鋰鋁鍺磷酸鹽(LAGP)、鋰鋁鈦磷酸鹽(LATP)、或前述之組合。
根據本揭露實施例，本揭露亦提供一類固態電解質，其係為本揭露所述電解質組合物經一開環聚合反應的產物。本揭露所述類固態電解質的製備方法可包含：對本揭露所述電解質組合物進行一加熱製程(溫度可為20℃至150℃、以及時間可為60分鐘至24小時)使具有式(I)重複單元的聚合物(例如第一聚合物(A1)或第三聚合物(A3))經開環聚合反應，得到本揭露所述類固態電解質。
根據本揭露實施例，本揭露亦提供一鋰離子電池，包括上述類固態電解質。請參照第1圖，該鋰離子電池100包括一負極10、一正極20、以及一隔離膜30，其中該負極10係以該隔離膜30與該正極20相隔。根據本揭露實施例，該電池100可包括一類固態電解質40，且該電解質40設置於該負極10與正極20之間。換言之，該負極10、隔離膜30與正極20的相互堆疊結構是位於該類固態電解質40中。根據本揭露實施例，類固態電解質是散佈於整個電池100內。根據本揭露實施例，本揭露所述鋰離子電池的製備方法可包含以下步驟。首純，將該負極10、該正極20、以及該隔離膜30所構成的疊層置於一電池腔體中。接著，將本揭露所述電解質組合物灌注進入電池腔體。最後，對電解質組合物進行一加熱製程，使電解質組合物轉換成類固態電解質40。
根據本揭露實施例，該負極10包含一負極活性層，其中該負極活性層包含一負極活性材料。根據本揭露實施例，該負極活性材料可為鋰金屬、鋰合金、過渡金屬氧化物、穩相球狀碳(MCMB)、
奈米碳管(CNT)、石墨烯、焦炭、石墨(例如人造石墨、天然石墨)、碳黑、碳纖維、中間相碳微球、玻璃質碳、含鋰化合物、含矽化合物、錫、含錫化合物、或上述之組合。根據本揭露實施例，該含鋰化合物可包含LiAl、LiMg、LiZn、Li3Bi、Li3Cd、Li3Sb、Li4Si、Li4.4Pb、Li4.4Sn、LiC6、Li3FeN2、Li2.6Co0.4N、或Li2.6Cu0.4N。根據本揭露實施例，該含矽化合物可包含氧化矽、碳修飾之氧化矽、矽碳或純矽材料、或上述之組合。根據本揭露實施例，該含錫化合物可包含錫銻合金(SnSb)和錫氧化物(SnO)。根據本揭露實施例，該過渡金屬氧化物可包含Li4Ti5O12、或TiNb2O7。根據本揭露實施例，該鋰合金可例如為含鋁鋰之合金(aluminum-lithium-containing alloy)、含鋰鎂之合金(lithium-magnesium-containing alloy)、含鋰鋅之合金(lithium-zinc-containing alloy)、含鋰鉛之合金(lithium-lead-containing alloy)、或含鋰錫之合金(lithium-tin-containing alloy)。
根據本揭露實施例，該負極活性層可更包含一導電添加劑，其中該導電添加劑可例如為碳黑、導電石墨、奈米碳管、碳纖維、或石墨烯。根據本揭露實施例，該負極活性層可更包含一黏著劑，其中該黏著劑可包含聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纖維素鈉、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯丁二烯共聚物、氟化橡膠、聚氨脂、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸乙脂、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚丁二烯、聚丙烯酸、或上述的組合。
根據本揭露實施例，該負極10可更包含一負極集電層，而該負極活性材料配置於該負極集電層之上。根據本揭露實施例，該負極活性材料可配置於該隔離膜及該負極集電層之間。根據本揭露實施例，該負極集電層可為導電性碳基材、金屬箔、或具有多孔結構的金屬材料，例如碳布、碳氈、或碳紙、銅箔、鎳箔、鋁箔、鎳網、銅網、鉬網、發泡鎳、發泡銅、或發泡鉬。根據本揭露實施例，具有多孔結構的金屬材料可具有一孔隙率約為10%至99.9%(例如：約60%、或70%)。
根據本揭露實施例，該負極活性層可由一負極漿料所製備而得。根據本揭露實施例，該負極漿料可包含負極活性材料、導電添加劑、黏著劑、以及一溶劑，其中該負極活性材料、導電添加劑、黏著劑分散於該溶劑中，其中該負極漿料的固含量可為40wt%至80wt%。根據本揭露實施例，該負極的製備方式可包含以下步驟。首先，將負極漿料以一塗佈製程形成在該負極集電層的表面，形成一塗層。接著，對該塗層進行一乾燥製程(製程溫度可為50℃至180℃)，得到具有負極活性層的負極。根據本揭露實施例，該溶劑可為N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基甲醯胺(DMF)、N,N-二甲基乙醯胺(DMAc)、吡咯烷酮(pyrrolidone)、N-月桂基吡咯烷酮(N-dodecylpyrrolidone)、γ-丁內酯(γ-butyrolactone)、水(water)、或上述之組合。根據本揭露實施例，該塗佈製程可為網印、旋轉塗佈法(spin coating)、棒狀塗佈法(bar coating)、刮刀塗佈法(blade
coating)、滾筒塗佈法(roller coating)、溶劑澆鑄法(solvent casting)、或浸漬塗佈法(dip coating)。
根據本揭露實施例，在該負極活性層中，該負極活性材料可具有一重量百分比為約80wt%至99.8wt%、該導電添加劑可具有一重量百分比為約0.1wt%至10wt%、以及該黏著劑可具有一重量百分比為約0.1wt%至10wt%，以該負極材料、該導電添加劑、及該黏著劑之總重為基準。
根據本揭露實施例，該正極10包含一正極活性層，其中該正極活性層包含一正極活性材料。根據本揭露實施例，該正極活性材料可為硫、有機硫化物、硫碳複合物(sulfur-carbon composite)、含金屬之氧化鋰、含金屬之硫化鋰、含金屬之硒化鋰、含金屬之碲化鋰、含金屬之磷化鋰、含金屬之矽化鋰、含金屬之硼化鋰、或上述之組合，其中該金屬係擇自由鋁、釩、鈦、鉻、銅、鉬、鈮、鐵、鎳、鈷、及錳所組成的族群中之至少一者。根據本揭露實施例，該正極材料可為氧化鋰鈷(lithium cobalt oxide)、氧化鋰鎳(lithium nickle oxide)、氧化鋰錳(lithium manganese oxide)、氧化鋰鈷錳(lithium cobalt manganese oxide)、氧化鋰鎳鈷(lithium nickel cobalt oxide)、氧化鋰錳鎳(lithium nickle manganese oxide)、氧化鋰鎳錳鈷(lithium nickle manganese cobalt oxide)、磷酸鋰鈷(lithium cobalt phosphate)、氧化鋰錳鉻(lithium-chromium-manganese oxide)、氧化鋰鎳釩(lithium-
nickel-vanadium oxide)、氧化鋰錳鎳(lithium-manganese-nickel oxide)、氧化鋰鈷釩(lithium-cobalt-vanadium oxide)、氧化鋰鎳鈷鋁(lithium-nickle-cobalt-aluminum oxide)、磷酸鋰鐵(lithium iron phosphate)、磷酸鋰錳鐵(lithium manganese iron phosphate)、或上述之組合。
根據本揭露實施例，該正極活性層可更包含一導電添加劑，其中該導電添加劑可例如為碳黑、導電石墨、奈米碳管、碳纖維、或石墨烯。根據本揭露實施例，該正極活性層可更包含一黏著劑，其中該黏著劑可包含聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纖維素鈉、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯丁二烯共聚物、氟化橡膠、聚氨脂、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸乙脂、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚丁二烯、聚丙烯酸、或上述的組合。
根據本揭露實施例，該正極可更包含一正極集電層，而該正極活性材料配置於該正極集電層之上。根據本揭露實施例，該正極活性材料可配置於該隔離膜及該正極集電層之間。根據本揭露實施例，該正極集電層可為導電性碳基材、金屬箔、或具有多孔結構的金屬材料，例如碳布、碳氈、或碳紙、銅箔、鎳箔、鋁箔、鎳網、銅網、鉬網、發泡鎳、發泡銅、或發泡鉬。根據本揭露實施例，具有多孔結構的金屬材料可具有一孔隙率約為10%至99.9%(例如：約60%、或70%)。
根據本揭露實施例，該正極活性層可由一正極漿料所製備而得。根據本揭露實施例，該正極漿料可包含正極活性材料、導電添加劑、黏著劑、以及一溶劑，其中該正極活性材料、導電添加劑、黏著劑分散於該溶劑中，其中該正極漿料的固含量可為40wt%至80wt%。根據本揭露實施例，該正極的製備方式可包含以下步驟。首先，將正極漿料以一塗佈製程形成在該正極集電層的表面，形成一塗層。接著，對該塗層進行一乾燥製程(製程溫度可為90℃至180℃)，得到具有正極活性層的正極。根據本揭露實施例，該溶劑可為N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基甲醯胺(DMF)、N,N-二甲基乙醯胺(DMAc)、吡咯烷酮(pyrrolidone)、N-月桂基吡咯烷酮(N-dodecylpyrrolidone)、γ-丁酸內酯(γ-butyrolactone)、或上述之組合。根據本揭露實施例，該塗佈製程可為網印、旋轉塗佈法(spin coating)、棒狀塗佈法(bar coating)、刮刀塗佈法(blade coating)、滾筒塗佈法(roller coating)、溶劑澆鑄法(solvent casting)、或浸漬塗佈法(dip coating)。
根據本揭露實施例，在該正極活性層中，該正極活性材料可具有一重量百分比為約80wt%至99.8wt%、該導電添加劑可具有一重量百分比為約0.1wt%至10wt%、以及該黏著劑可具有一重量百分比為約0.1wt%至10wt%，以該正極材料、該導電添加劑、及該黏著劑之總重為基準。
根據本揭露實施例，該隔離膜30可為絕緣材料，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)、聚四氟乙烯膜、聚醯胺膜、聚氯乙烯膜、聚二氟乙烯膜、聚苯胺膜、聚醯亞胺膜、聚對苯二甲二乙酯(polyethylene terephthalate)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、纖維素(cellulose)、或上述組合。舉例來說，該隔離膜可例如為PE/PP/PE多層複合結構。根據本揭露實施例，該隔離膜的厚度並無特別限制，所屬技術領域中具有通常知識者可視實際需要加以調整。根據本揭露實施例，舉例來說，該隔離膜30的厚度可約為1μm至1,000μm(例如約10μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、或900μm)。若隔離膜的厚度過高，則降低電池的能量密度。若隔離膜的厚度過低，則膜材機械強度不足增加正負極短路風險，同時增加電池自放電現象，且影響電池循環穩定性。
為讓本揭露之上述內容和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
聚合物的製備
製備例1
將100重量份甲基丙烯酸縮水甘油酯(glycidyl methacrylate、GMA)溶解100重量份於丁酮(methyl ethyl ketone，MEK)中，並加入3重量份偶氮二異丁腈(AIBN)作為起始劑，
得到一混合物。接著，對該混合物進行一加熱製程(製程溫度為70℃)使得甲基丙烯酸縮水甘油酯進行自由基聚合反應。在反應24小時後，將所得物冷卻至室溫，並所得物與乙醚(diethyl ether)(所得物與乙醚的體積比為1：20)混合。在充份混合並靜置後，收集沉澱固體並進行乾燥，得到聚合物(1)。
對所得聚合物(1)進行重量平均分子量之量測，可得知聚合物(1)之重量平均分子量為約24,000(g/mol)。重量平均分子量的量測採用膠體透析層析儀(GPC)(型號為RI Model 2414)。接著，利用核磁共振光譜分析聚合物(1)，所得之光譜資訊如下所示：1H NMR(CDCl3,500MHz)4.23-4.51(m),3.72-3.92(m),3.12-3.35(s),2.79-2.93(s),2.58-2.74(s),0.78-2.18(m)。
製備例2
將100重量份磷酸二乙基甲基丙烯醯氧基乙酯(diethyl 2-(methacryloyloxy)ethyl phosphate，結構為
)溶解100重量份於丁酮(methyl ethyl ketone，MEK)中，並加入3重量份偶氮二異丁腈(AIBN)作為起始劑，得到一混合物。接著，對該混合物進行一加熱製程(製程溫度為70℃)使得磷酸二乙基甲基丙烯醯氧基乙酯進行自由基聚合反應。在反應24小時後，將所得物冷卻至室溫，並所得物與乙醚(diethyl
ether)(所得物與乙醚的體積比為1：20)混合。在充份混合並靜置後，收集沉澱固體並進行乾燥，得到聚合物(2)。
對所得聚合物(2)進行重量平均分子量之量測，可得知聚合物(2)之重量平均分子量為約6,000(g/mol)。接著，利用核磁共振光譜分析聚合物(2)，所得之光譜資訊如下所示：1H NMR(CDCl3,500MHz)4.09-4.27(m),0.78-2.18(m)。
製備例3
將100重量份磷酸二苯基甲基丙烯醯氧基乙酯(diphenyl 2-(methacryloyloxy)ethyl phosphate，結構為
)溶解100重量份於丁酮(methyl ethyl ketone，MEK)中，並加入3重量份偶氮二異丁腈(AIBN)作為起始劑，得到一混合物。接著，對該混合物進行一加熱製程(製程溫度為70℃)使得磷酸二苯基甲基丙烯醯氧基乙酯進行自由基聚合反應。在反應24小時後，將所得物冷卻至室溫，並所得物與乙醚(diethyl ether)(所得物與乙醚的體積比為1：20)混合。在充份混合並靜置後，收集沉澱固體並進行乾燥，得到聚合物(3)。
製備例4
將100重量份甲基丙烯酸(6-氧代-6H-二苯並[C,E][1,2]氧雜磷雜己環-6-基)甲酯((6-Oxido-6H-
dibenz[c,e][1,2]oxaphosphorin-6-yl)methyl methacrylate，結構為
)溶解100重量份於丁酮(methyl ethyl ketone，MEK)中，並加入3重量份偶氮二異丁腈(AIBN)作為起始劑，得到一混合物。接著，對該混合物進行一加熱製程(製程溫度為70℃)使得甲基丙烯酸(6-氧代-6H-二苯並[C,E][1,2]氧雜磷雜己環-6-基)甲酯進行自由基聚合反應。在反應24小時後，將所得物冷卻至室溫，並所得物與乙醚(diethyl ether)(所得物與乙醚的體積比為1：20)混合。在充份混合並靜置後，收集沉澱固體並進行乾燥，得到聚合物(4)。
製備例5
將50重量份甲基丙烯酸縮水甘油酯(glycidyl methacrylate、GMA)、以及50重量份磷酸二乙基甲基丙烯醯氧基乙酯(diethyl 2-(methacryloyloxy)ethyl phosphate，結構為
)溶解100重量份於丁酮(methyl ethyl ketone，MEK)中，並加入3重量份偶氮二異丁腈(AIBN)作為起始劑，得到一混合物。接著，對該混合物進行一加熱製程(製程溫度為70℃)使得甲基丙烯酸縮水甘油酯與磷酸二乙基甲基丙烯醯氧基乙酯進行
自由基聚合反應。在反應24小時後，將所得物冷卻至室溫，並所得物與乙醚(diethyl ether)(所得物與乙醚的體積比為1：20)混合。在充份混合並靜置後，收集沉澱固體並進行乾燥，得到聚合物(5)。
對所得聚合物(5)進行重量平均分子量之量測，可得知聚合物(5)之重量平均分子量為約22,000(g/mol)。接著，利用核磁共振光譜分析聚合物(5)，所得之光譜資訊如下所示：1H NMR(CDCl3,500MHz)4.23-4.51(m),4.09-4.27(m),3.72-3.92(m),3.12-3.35(s),2.79-2.93(s),2.58-2.74(s),0.78-2.18(m)。
電解液組合物的製備
實施例1
將93重量份的電解液(包含LiPF6、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸甲乙酯(ethylmethyl carbonate、EMC)、以及碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)，其中LiPF6的濃度為1M，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、以及碳酸二乙酯(DEC)的體積比為3：5：2)、2重量份的開環聚合起始劑(LiBF2(C2O4))、2重量份的聚合物(1)、以及3重量份的聚合物(2)混合，得到電解質組合物(1)。
實施例2
將93重量份的電解液(包含LiPF6、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸甲乙酯(ethylmethyl carbonate、EMC)、以及碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)，其中LiPF6的濃度為1M，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、以及碳酸二乙酯
(DEC)的體積比為3：5：2)、2重量份的開環聚合起始劑(LiBF2(C2O4))、2重量份的聚合物(1)、以及3重量份的聚合物(3)混合，得到電解質組合物(2)。
實施例3
將93重量份的電解液(包含LiPF6、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸甲乙酯(ethylmethyl carbonate、EMC)、以及碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)，其中LiPF6的濃度為1M，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、以及碳酸二乙酯(DEC)的體積比為3：5：2)、2重量份的開環聚合起始劑(LiBF2(C2O4))、2重量份的聚合物(1)、以及3重量份的聚合物(4)混合，得到電解質組合物(3)。
實施例4
將95重量份的電解液(包含LiPF6、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸甲乙酯(ethylmethyl carbonate、EMC)、以及碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)，其中LiPF6的濃度為1M，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、以及碳酸二乙酯(DEC)的體積比為3：5：2)、2重量份的開環聚合起始劑(LiBF2(C2O4))、以及3重量份的聚合物(5)混合，得到電解質組合物(4)。
比較例1
將96重量份的電解液(包含LiPF6、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸甲乙酯(ethylmethyl carbonate、EMC)、以及碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)，其中LiPF6的
濃度為1M，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、以及碳酸二乙酯(DEC)的體積比為3：5：2)、2重量份的開環聚合起始劑(LiBF2(C2O4))以及2重量份的聚合物(1)混合，得到電解質組合物(5)。
類固態電解質的製備
分別將電解質組合物(1)、(2)及(5)進行一加熱製程(製程溫度為在55℃，時間為14小時)，使組合物中的聚合物(1)進行經開環聚合反應，分別得到類固態電解質(1)-(3)。
自熄時間測試
取類固態電解質(1)-(3)各1克，並分別置於直徑為47mm的容器中。接著，點燃類固態電解質(1)-(3)使其燃燒，並紀錄每一類固態電解質從點燃到熄滅的時間(自熄時間(self-extinguish time，SET)(單位為秒/克(sec/g))，結果如表1所示。根據文獻J.of Electrochem.Soc.2002,149,A6225，SET>20為可燃性材料，6<SET<20為阻燃性材料，SET<6為難燃性材料。
由表1可得知，若電解質組合物僅包含本揭露所述之第一聚合物(即電解質組合物(5))，則所得之類固態電解質其自熄時間與純電解液無異。當電解質組合物同時包含本揭露所述之第一聚合物及第二聚合物(即電解質組合物(1)及(2))，則所得之類固態電解質明顯具有阻燃的效果。
鋰離子電池的製備
實施例5
將標準鋰離子電池正極漿料(包括97.3wt%NMC811(LiNiiMnjCokO2；其中i：0.83~0.85；j：0.4~0.5；k：0.11~0.12)(商品編號為NMC811-S85E，由寧波容百新能源科技公司製造)、1wt%Super-P(導電碳粉，購自Timcal)、1.4wt%PVDF-5130、以及0.3wt%奈米碳管(商品編號為TUBALLTM BATT，購自OCSiAl)；其中，NMC811-S85E、Super-P、PVDF-5130、奈米碳管均勻分散於N-甲基砒喀
烷酮中)塗佈於一鋁箔(作為正極集電層)(購自安全企業，厚度為12微米)上。乾燥後，得到一正極。接著，提供一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為天然石墨)，作為負極。接著，提供一隔離膜(型號為Celgard 2320，AsahiKasei)。接著，依照負極/隔離膜/正極的順序排列得到一疊層，並以鋁塑膜將上述疊層包覆封裝，然後置入烘箱以80℃乾燥2小時。之後，取出完成乾燥程序之軟包電池(pouch cell)，於充氬手套箱中注入電解質組合物(1)。封裝後置於55℃恆溫烘箱14小時，封裝後得到鋰離子電池(1)。
實施例6
將標準鋰離子電池正極漿料(包括97.3wt%NMC811(LiNiiMnjCokO2；其中i：0.83~0.85；j：0.4~0.5；k：0.11~0.12)(商品編號為NMC811-S85E，由寧波容百新能源科技公司製造)、1wt%Super-P(導電碳粉，購自Timcal)、1.4wt%PVDF-5130、以及0.3wt%奈米碳管(商品編號為TUBALLTM BATT，購自OCSiAl)；其中，NMC811-S85E、Super-P、PVDF-5130、奈米碳管均勻分散於N-甲基砒喀烷酮中)塗佈於一鋁箔(作為正極集電層)(購自安全企業，厚度為12微米)上。乾燥後，得到一正極。接著，提供一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為天然石墨)，作為負極。接著，提供一隔離膜(型號為Celgard 2320，AsahiKasei)。接著，依照負極/隔離膜/正極的順序排列得到一疊層，並以鋁塑膜將上述疊層包覆封裝，然後置入烘箱以80℃
乾燥2小時。之後，取出完成乾燥程序之軟包電池(pouch cell)，於充氬手套箱中注入電解質組合物(2)。封裝後置於55℃恆溫烘箱14小時，封裝後得到鋰離子電池(2)。
實施例7
將標準鋰離子電池正極漿料(包括97.3wt%NMC811(LiNiiMnjCokO2；其中i：0.83~0.85；j：0.4~0.5；k：0.11~0.12)(商品編號為NMC811-S85E，由寧波容百新能源科技公司製造)、1wt%Super-P(導電碳粉，購自Timcal)、1.4wt%PVDF-5130、以及0.3wt%奈米碳管(商品編號為TUBALLTM BATT，購自OCSiAl)；其中，NMC811-S85E、Super-P、PVDF-5130、奈米碳管均勻分散於N-甲基砒喀烷酮中)塗佈於一鋁箔(作為正極集電層)(購自安全企業，厚度為12微米)上。乾燥後，得到一正極。接著，提供一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為天然石墨)，作為負極。接著，提供一隔離膜(型號為Celgard 2320，AsahiKasei)。接著，依照負極/隔離膜/正極的順序排列得到一疊層，並以鋁塑膜將上述疊層包覆封裝，然後置入烘箱以80℃乾燥2小時。之後，取出完成乾燥程序之軟包電池(pouch cell)，於充氬手套箱中注入電解質組合物(4)。封裝後置於55℃恆溫烘箱14小時，得到鋰離子電池(3)。
比較例2
將標準鋰離子電池正極漿料(包括97.3wt%NMC811(LiNiiMnjCokO2；其中
i：0.83~0.85；j：0.4~0.5；k：0.11~0.12)(商品編號為NMC811-S85E，由寧波容百新能源科技公司製造)、1wt%Super-P(導電碳粉，購自Timcal)、1.4wt%PVDF-5130、以及0.3wt%奈米碳管(商品編號為TUBALLTM BATT，購自OCSiAl)；其中，NMC811-S85E、Super-P、PVDF-5130、奈米碳管均勻分散於N-甲基砒喀烷酮中)塗佈於一鋁箔(作為正極集電層)(購自安全企業，厚度為12微米)上。乾燥後，得到一正極。接著，提供一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為天然石墨)，作為負極。接著，提供一隔離膜(型號為Celgard 2320，AsahiKasei)。接著，依照負極/隔離膜/正極的順序排列得到一疊層，並以鋁塑膜將上述疊層包覆封裝，然後置入烘箱以80℃乾燥2小時。之後，取出完成乾燥程序之軟包電池(pouch cell)，於充氬手套箱中注入電解液(包含LiPF6、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸甲乙酯(ethylmethyl carbonate、EMC)、以及碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)，其中LiPF6的濃度為1M，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、以及碳酸二乙酯(DEC)的體積比為3：5：2)。封裝後置於55℃恆溫烘箱14小時，得到鋰離子電池(4)。
比較例3
將標準鋰離子電池正極漿料(包括97.3wt%NMC811(LiNiiMnjCokO2；其中i：0.83~0.85；j：0.4~0.5；k：0.11~0.12)(商品編號為NMC811-S85E，由寧波容百新能源科技公司製造)、1wt%Super-P(導電碳
粉，購自Timcal)、1.4wt%PVDF-5130、以及0.3wt%奈米碳管(商品編號為TUBALLTM BATT，購自OCSiAl)；其中，NMC811-S85E、Super-P、PVDF-5130、奈米碳管均勻分散於N-甲基砒喀烷酮中)塗佈於一鋁箔(作為正極集電層)(購自安全企業，厚度為12微米)上。乾燥後，得到一正極。接著，提供一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材質為天然石墨)，作為負極。接著，提供一隔離膜(型號為Celgard 2320，AsahiKasei)。接著，依照負極/隔離膜/正極的順序排列得到一疊層，並以鋁塑膜將上述疊層包覆封裝，然後置入烘箱以80℃乾燥2小時。之後，取出完成乾燥程序之軟包電池(pouch cell)，於充氬手套箱中注入電解質組合物(5)。封裝後置於55℃恆溫烘箱14小時，得到鋰離子電池(5)。
比較例4
將標準鋰離子電池正極漿料(包括97.3wt%NMC811(LiNiiMnjCokO2；其中i：0.83~0.85；j：0.4~0.5；k：0.11~0.12)(商品編號為NMC811-S85E，由寧波容百新能源科技公司製造)、1wt%Super-P(導電碳粉，購自Timcal)、1.4wt%PVDF-5130、以及0.3wt%奈米碳管(商品編號為TUBALLTM BATT，購自OCSiAl)；其中，NMC811-S85E、Super-P、PVDF-5130、奈米碳管均勻分散於N-甲基砒喀烷酮中)塗佈於一鋁箔(作為正極集電層)(購自安全企業，厚度為12微米)上。乾燥後，得到一正極。接著，提供一石墨電極(包含一活性材質配置於一集電基板上，其中該集電基板為碳纖維紙、活性材
質為天然石墨)，作為負極。接著，提供一隔離膜(型號為Celgard 2320，AsahiKasei)。接著，依照負極/隔離膜/正極的順序排列得到一疊層，並以鋁塑膜將上述疊層包覆封裝，然後置入烘箱以80℃乾燥2小時。之後，取出完成乾燥程序之軟包電池(pouch cell)，於充氬手套箱中注入電解質組合物(2)。封裝後(不進行加熱製程)，得到鋰離子電池(6)。
接著，分別量測實施例5-6及比較例2-3所得之鋰離子電池(1)、(2)、(4)及(5)在0.5/2C的倍率放電容量、以及放電維持率(2C/0.5C)，結果如表2所示。此外，分別量測實施例5-6及比較例2-3所得之鋰離子電池(1)、(2)、(4)及(5)的電容維持率(%)，結果如表2所示。電容維持率係以1C/1C的充放電速率(於45℃下)分別量測電池第1圈及第450圈的放電克電容量，並計算出第450圈的電容量維持率(%)。
由表2可知，使用本揭露所述之類固態電解質的鋰離子電池(例如鋰離子電池(1)及(2))其在2C的放電容量仍可大於1.5Ah，且放電維持率(2C/0.5C)可大於90%。此外，使用本揭露所述之類固態電解質的鋰離子電池(例如鋰離子電池(1)及(2))其在第450圈的電容維持率仍可高於85%，達到延長鋰離子電池的循環壽命的目的。
接著，分別量測實施例6及比較例4所得之鋰離子電池(2)及(6)在0.5/2C的倍率放電容量、以及放電維持率(2C/0.5C)，結果如表3所示。此外，對實施例6及比較例4所得之鋰離子電池(2)及(6)進行電池直流內阻(DCIR)量測，結果如表3所示。直流內阻(DCIR)量測是將電池以1C電流充飽，靜置1小時後再以1C電流放電3秒，藉由電壓差計算電池阻抗。
在實施例6中，對注入軟包電池的電解質組合物(2)進行一加熱製程，使得聚合物(1)的反應官能基進行開環聚合。而在比
較例4中，並未對被注入軟包電池的電解質組合物(2)進行加熱製程。由表3可知，與實施例6相比，比較例4所得之鋰離子電池(6)其放電容量維持率下降至約84.7%，且其直流內阻增加至約61.5mOhms。
接著，分別量測實施例5、實施例7、以及比較例2所得之鋰離子電池(1)、(3)及(4)在0.5/2C的倍率放電容量、以及放電維持率(2C/0.5C)，結果如表4所示。接著，以電池內阻檢測儀對實施例5、實施例7、以及比較例2所得之鋰離子電池(1)、(3)及(4)進行電池交流內阻(ACIR)量測，結果如表4所示。此外，對實施例5、實施例7、以及比較例2所得之鋰離子電池(1)、(3)及(4)進行高電壓氧化電流量測，結果如表4所示。高電壓氧化電流係以電化學線性掃瞄伏安法(linear sweep voltammetry,LSV)對電池進行量測，量測條件如下：掃描速率為10mV/s、以及電壓範圍為3.0V至5.5V，並記錄在5.5V的電流數值。
由表4可知，使用本揭露所述之類固態電解質的鋰離子電池(例如鋰離子電池(1)及(3))其在2C的放電容量仍可大於1.5
Ah、放電維持率(2C/0.5C)可大於90%、且交流內阻可小於13mΩ。此外，與比較例2相比(未使用本揭露所述之類固態電解質的鋰離子電池)，使用本揭露所述之類固態電解質的鋰離子電池(例如鋰離子電池(1)及(3))其氧化電流明顯降低。
基於上述，本揭露所述具有特定組成的類固態電解質確實具有較佳的阻燃性，且具有不錯的電性及可抑制高電壓氧化反應的效能。如此一來，可進一步改善鋰離子電池的高電壓操作、倍率性能與安全特性，以及延長鋰離子電池的循環壽命。
雖然本揭露已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何本技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之請求項所界定者為準。
10:負極
20:正極
30:隔離膜
40:電解質
100:鋰離子電池
Claims (22)
- 一種電解質組合物，包含：成份(A)，其中成份(A)係一第一聚合物(A1)與一第二聚合物(A2)的組合、或一第三聚合物(A3)，其中該第一聚合物(A1)具有式(I)所示的重複單元、該第二聚合物(A2)具有式(II)所示的重複單元、以及該第三聚合物(A3)具有式(I)所示的重複單元以及式(II)所示的重複單元
、或
；n>1；Z2係C1-10伸烷基；R3係氫、或甲基；R4及R5係各自獨立為C1-10烷基、C1-10烷氧基、C4-8環烷基(cycloalkyl group)、C4-8環烷氧基(cycloalkoxy group)、C5-12環烷烷基(cycloalkylalkyl group)、C5-12環烷烷氧基(cycloalkylalkoxy group)、取代或未取代苯基(phenyl group)、取代或未取代苯氧基(phenoxy group)、取代或未取代之苯甲基(benzyl group)、或取代或未取代之苯甲氧基(benzyloxy group)，又或R4係取代或未取代苯基(phenyl group)、R5係取代或未取代苯氧基(phenoxy group)，且R4及R5與其鍵結的磷原子構成一六員環；Z3係C1-10伸烷基、
、
、
；Z4、Z5、及Z6係各自獨立為C1-10伸烷基；m>1；以及，i>1；成份(B)，其中該成份(B)係一鋰鹽；以及成份(C)，其中該成份(C)係一溶劑，其中成份(A)的含量為1wt%至10wt%，以該成份(A)、成份(B)以及成份(C)的總重為基準。
- 如請求項1之電解質組合物，其中該成份(B)與該成份(C)的重量比為1：19至7：13。
- 如請求項1之電解質組合物，其中式(I)所示的重複單元之Z1係伸甲基(methanediyl group)、伸乙基(ethanediyl group)、伸丙基(propanediyl group)、伸丁基(butanediyl group)、伸戊基(pentanediyl group)、伸己基(hexanediyl group)、伸庚基(heptanediyl group)、伸辛基(octanediyl group)、伸壬基(nonanediyl group)、伸癸基(decanediyl group)。
- 如請求項1之電解質組合物，其中該式(I)所示的重複單元係、
、
、或
，其中R2係環氧乙烷基(oxiranyl group)、甲基環氧乙烷基(methyloxiranyl group)、環氧丙基(glycidyl group)、甲基環氧丙基(methylglycidyl group)、氧雜環丁烷基(oxetanyl group)、或(3,4-環氧基環己基)甲基((3,4-epoxycyclohexyl)methyl group)；n>1；以及，Z2係C1-10伸烷基。
- 如請求項1之電解質組合物，其中該式(I)所示的重複單元係、
、、
、
、
、或
，其中R1係氫、或甲基；Z1係C1-10伸烷基、
、或
；n>1；以及，Z2係C1-10伸烷基。
- 如請求項1之電解質組合物，其中該式(II)所示的重複單元之Z3係伸甲基(methanediyl group)、伸乙基(ethanediyl group)、伸丙基(propanediyl group)、伸丁基(butanediyl group)、伸戊基(pentanediyl group)、伸己基(hexanediyl group)、伸庚基(heptanediyl group)、伸辛基(octanediyl group)、伸壬基(nonanediyl group)、伸癸基(decanediyl group)。
- 如請求項1之電解質組合物，其中該式(II)所示的重複單元係、
、
、
、或
；Z4、Z5、及Z6係各自獨立為C1-10伸烷基；m>1；i>1；以及，R4及R5係各自獨立為C1-10烷基、C1-10烷氧基、C4-8環烷基(cycloalkyl group)、C4-8環烷氧基(cycloalkoxy group)、C5-12環烷烷基(cycloalkylalkyl group)、C5-12環烷烷氧基(cycloalkylalkoxy group)、取代或未取代苯基(phenyl group)、取代或未取代苯氧基(phenoxy group)、取代或未取代之苯甲基(benzyl group)、或取代或未取代之苯甲氧基(benzyloxy group)，又或R4係取代或未取代苯基(phenyl group)、R5係取代或未取代苯氧基(phenoxy group)，且R4及R5與其鍵結的磷原子構成一六員環(R4 and R5 are combined with the phosphorus atom,which they are attached to,to form a 6-membered ring)。
- 如請求項1之電解質組合物，其中R4及R5係各自獨立為甲基(methyl group)、乙基(ethyl group)、丙基(propyl group)、丁基(butyl group)、戊基(pentyl group)、己基(hexyl group)、庚基(heptyl group)、辛基(octyl group)、壬基(nonyl group)、癸基(decyl group)、甲氧基(methoxy group)、乙氧基(ethoxy group)、丙氧基(propoxy group)、丁氧基(butoxy group)、戊氧基(pentoxy group)、己氧基(hexoxy group)、庚氧基(heptoxy group)、辛氧基(octoxy group)、壬氧基(nonoxy group)、癸氧基(decoxy group)、環丁基(cyclobutyl group)、環戊基(cyclopentyl group)、環己基(cyclohexyl group)、環庚基(cycloheptyl group)、環辛基(cyclooctyl group)、環丁氧基(cyclobutoxy group)、環戊氧基(cyclopentoxy group)、環己氧基(cyclohexoxy group)、環庚氧基(cycloheptoxy group)、環辛氧基(cyclooctoxy group)、苯基(phenyl group)、苯氧基(phenoxy group)、苯甲基(benzyl group)、或苯甲氧基(benzyloxy group)。
- 如請求項1之電解質組合物，其中該式(II)所示的重複單元係、
、
、或
，其中R3係氫、或甲基；Z3係C1-10伸烷基、
、
；Z4、Z5、及Z6係各自獨立為C1-10伸烷基；m>1；i>1；以及，R6、R7、及R8係各自獨立為C1-10烷基。
- 如請求項1之電解質組合物，其中該成份(A)係一第一聚合物(A1)與一第二聚合物(A2)的組合，且該第一聚合物(A1)與該第二聚合物(A2)的重量比例為1：4至4：1。
- 如請求項1之電解質組合物，其中該成份(A)係該第三聚合物(A3)，其中在該第三聚合物(A3)中，該式(I)所示的重複單元以及該式(II)所示的重複單元的數量比例為1：4至4：1。
- 如請求項11之電解質組合物，其中在該第三聚合物(A3)中，該式(I)所示的重複單元以及該式(II)所示的重複單元係以嵌段、或無規方式排列。
- 如請求項1之電解質組合物，其中該鋰鹽係LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiTFSI、或上述之組合。
- 如請求項1之電解質組合物，其中該溶劑係1,2-二乙氧基乙烷(1,2-diethoxyethane)、1,2-二甲氧基乙烷(1,2-dimethoxyethane)、1,2-二丁氧基乙烷(1,2-dibutoxyethane)、四氫呋喃(tetrahydrofuran)、2-甲基四氫呋喃(2-methyl tetrahydrofuran)、二甲基乙醯胺(dimethylacetamide，DMAc)、N-甲基吡咯酮(N-methyl-2-pyrrolidone，NMP)、乙酸甲酯(methyl acetate)、乙酸乙酯(ethyl acetate)、丁酸甲酯(methyl butyrate)、丁酸乙酯(ethyl butyrate)、丙酸甲酯(methyl proionate)、丙酸乙酯(ethyl proionate)、乙酸丙酯(propyl acetate，PA)、丁基內酯(γ-butyrolactone，GBL)、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸丙烯酯(propylene carbonate，PC)、碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)、碳酸甲乙酯(ethylmethyl carbonate，EMC)、碳酸二甲酯(dimethyl carbonate，DMC)、碳酸乙烯基酯(vinylene carbonate)、碳酸丁烯酯(butylene carbonate)、1,3-丙磺酸內酯(1,3-propanesultone)、碳酸二丙基酯(dipropyl carbonate)、或上述之組合。
- 如請求項1之電解質組合物，更包含：成份(D)，其中該成份(D)係一開環聚合起始劑，其中該成份(D)的含量為0.1wt%至5wt%，以該成份(A)、成份(B)、成份(C)、以及成份(D)的總重為基準。
- 如請求項15之電解質組合物，其中該開環聚合起始劑係一離子化合物。
- 如請求項16之電解質組合物，其中該離子化合物之陽離子係Na+、Li+、K+、Ag+、或NH4 +，以及該離子化合物之陰離子係H3COO-、OH-、BF4 -、PF6 -、ClO4 -、CF3SO2 -、CF3SO3 -、BF2(C2O4)-、AsF6 -、或SbF6 -。
- 一種類固態電解質，係請求項第1-17項任一項所述電解質組合物經一開環聚合反應的產物。
- 一種鋰離子電池，包含：一正極；一負極；一隔離膜，其中該隔離膜配置於該正極與該負極之間；以及一電解質設置於該正極與負極之間，其中該電解質係請求項18所述之類固態電解質。
- 如請求項19之鋰離子電池，其中該負極包含負極活性材料，且該負極活性材料係鋰金屬、鋰合金、過渡金屬氧化物、穩相球狀碳(MCMB)、奈米碳管(CNT)、石墨烯、焦炭、石墨、碳黑、碳纖維、中間相碳微球、玻璃質碳、含鋰化合物、含矽化合物、錫、含錫化合物、或上述之組合。
- 如請求項19之鋰離子電池，其中該正極包含正極活性材料，且該正極活性材料包括硫、有機硫化物、硫碳複合物(sulfur-carbon composite)、含金屬之氧化鋰、含金屬之硫化鋰、含金屬之硒化鋰、含金屬之碲化鋰、含金屬之磷化鋰、含金屬之矽化鋰、含金屬之硼化鋰、或上述之組合，其中該金屬係擇自由鋁、釩、鈦、鉻、銅、鉬、鈮、鐵、鎳、鈷、及錳所組成的族群。
- 如請求項19之鋰離子電池，其中該隔離膜係聚乙烯(PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)、聚四氟乙烯膜、聚醯胺膜、聚氯乙烯膜、聚二氟乙烯膜、聚苯胺膜、聚醯亞胺膜、聚對苯二甲 二乙酯(polyethylene terephthalate)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、纖維素(cellulose)、或上述組合。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20170062828A1 (en) | 2014-06-04 | 2017-03-02 | Zeon Corporation | Binder composition for lithium ion secondary battery electrode-use, slurry composition for lithium ion secondary battery electrode-use, electrode for lithium ion secondary battery-use, and lithium ion secondary battery |
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