電池在現(xiàn)代社會中已經(jīng)變得越來越重要，給眾多便攜式電子裝置供電，以及作為新的綠色技術(shù)中的關(guān)鍵部件。由于這些新技術(shù)，可以不再依賴于有助于產(chǎn)生副產(chǎn)物溫室氣體的當前能源，例如煤炭、石油產(chǎn)品和天然氣。此外，在固定和移動應(yīng)用中能夠儲存能量對于新能源的成功是至關(guān)重要的，并且很可能會大幅增加對所有尺寸的先進電池的需求。特別是對于電池的大型應(yīng)用，較低的電池基本成本對于這些應(yīng)用的引進和全面成功是關(guān)鍵的。然而，常規(guī)電池具有局限性。例如，鋰離子與其他電池通常使用液體電解質(zhì)，其對人體與環(huán)境有害，并且可能發(fā)生火災(zāi)或爆炸。液體電解質(zhì)電池被氣密密封在鋼或其他牢固的包裝材料內(nèi)，這增加了包裝電池的重量和體積。常規(guī)液體電解質(zhì)在電極/電解質(zhì)界面遭受固體界面層的積聚，其導致電池的最終失效。由于電池內(nèi)的化學反應(yīng)達到完成，并且由于腐蝕和枝晶形成限制再充電能力，常規(guī)鋰離子電池還表現(xiàn)出緩慢的充電時間以及有限的再充電次數(shù)。液體電解質(zhì)還限制了最大能量密度，其在約4.2伏時開始損壞，而新工業(yè)應(yīng)用常常需要4.8伏以及更高的電壓。常規(guī)鋰離子電池要求允許離子流而阻隔電子流的液體電解質(zhì)隔膜、減輕在殼體內(nèi)壓力的通風口以及此外的最小化潛在危險的過電流與過溫度的安全電路。至于依賴于OH-離子輸送而導電的堿性電池，電解質(zhì)在某一點變得離子(例如，Zn/MnO2電池放電期間的鋅酸根離子)飽和，并且最終陽極耗盡水。在可再充電堿性電池中，反應(yīng)在充電期間是相反的。然而，使電解質(zhì)飽和的同種離子的形成可能會阻礙放電。陰極反應(yīng)導致OH-離子的釋放。然而，可溶性低價物質(zhì)的形成(例如，Zn/MnO2電池放電過程中的Mn物質(zhì))可以對活性材料的利用產(chǎn)生不利影響。盡管MnO2理論上可以經(jīng)歷616mAh/g的理論容量的雙電子還原(2-electronreduction)，但在實踐中，接近理論雙電子放電的比容量尚未得到證實。形成不活躍相且可溶性產(chǎn)物向外擴散的晶體結(jié)構(gòu)重排限制陰極電容。美國專利7,972,726描述了五價鉍金屬氧化物在提升堿性電池的整體放電性能中的用途。與100％MnO2的287mAh/g以及100％的AgBiO3的200mAh/g相比，含有10％AgBiO3和90％的電解MnO2的陰極被證明在10mA/g的放電速率下提供351mAh/g至0.8V截止。351mAh/g的比容量對應(yīng)于MnO2的1.13電子放電，并且代表在實際有用的放電率和電壓范圍內(nèi)提供的最高比容量。在US5,156,934和US5,660,953中公開的鉍改性或鉛改性的MnO2材料被宣稱為能夠在很多周期中提供約80％的理論雙電子放電容量。在文獻[Y.F.Yao,N.Gupta,H.S.Wroblowa,J.Electroanal.Chem.,223(1987),107；H.S.Wroblowa,N.Gupta,J.Electroanal.Chem.,238(1987)93；D.Y.Qu,L.Bai,C.G.Castledine,B.E.Conway,J.Electroanal.Chem.,365(1994),247]中理論論述鉍或鉛的陽離子能夠在放電過程中穩(wěn)定MnO2的晶體結(jié)構(gòu)和/或允許通過涉及可溶性Mn2+物質(zhì)的異質(zhì)機制來進行雙電子還原。含有所述Mn2+物質(zhì)似乎是獲得MnO2高利用率以及可逆性的關(guān)鍵。根據(jù)US5,156,934與US5,660,953，在高碳含量(30-70％)的陰極內(nèi)，所得高度多孔結(jié)構(gòu)能夠吸收可溶性物質(zhì)。然而，沒有數(shù)據(jù)表明，利用這些陰極的完整的電池被制得，或者這可以通過使用Zn陽極而起效。因此，可以防止(1)離子的溶解，否則所述離子將會使電解質(zhì)飽和，以及(2)低價物質(zhì)的溶解和輸送，的聚合物電解質(zhì)將改善堿性電池的利用率和可再充電性。此外，[M.Minakshi,P.Singh,J.SolidStateElectrochem,16(2012),1487]已經(jīng)提出，Li插入在還原時可以穩(wěn)定MnO2結(jié)構(gòu)，并且允許再充電能力。設(shè)計以傳導Li+和OH-離子的聚合物帶來調(diào)整MnO2放電機制以有利于質(zhì)子或鋰插入的可能性，其可以作為改善壽命周期的額外工具。此外，雖然許多先進應(yīng)用的電池技術(shù)是鋰離子(Li離子)，但更高能量密度的增加的需求，無論是在便攜式裝置的體積(Wh/L)方面，還是電動車和其他大型應(yīng)用的重量(Wh/kg)方面，已經(jīng)顯示獲取遠遠超出Li離子電池的現(xiàn)有容量的技術(shù)的必要性。一種這類有前途的技術(shù)是鋰/硫電池。由于較高的理論能量密度(1,672mAh/g)，其比當前鋰離子金屬氧化物陰極活性材料約高10倍，硫基陰極是有吸引力的。此外，硫令人激動還因為它是非常豐富的、低成本的環(huán)保材料，不像許多目前的鋰離子電池材料那樣，例如LiCoO2。最近，已經(jīng)進行了鋰/硫電池的大量研究活動，在可再充電的鋰/硫電池的容量和循環(huán)壽命方面取得了進步。所述活動包括對陰極、陽極、電解質(zhì)和隔膜的改變，全部以降低多多硫化物穿梭從而改善電池性能為目的。本研究在硫陰極的應(yīng)用集中在兩個主要領(lǐng)域：(1)利用工程材料來包圍和包含硫以及可溶性鋰化產(chǎn)物，例如參考美國專利申請2013/0065128，以及(2)使用導電性聚合物，其與硫反應(yīng)以產(chǎn)生“硫化”復合陰極材料?！傲蚧木酆衔铩钡膶嵗蚺c聚丙烯腈(PAN)暴露于高溫的反應(yīng)產(chǎn)物[參見：Jeddi,K.,et.al.J.PowerSources2014,245,656-662以及Li,L.,et.al.J.PowerSources2014,252,107-112]。在硫陰極內(nèi)使用的其他導電聚合物體系包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)[參見：Zheng,G.,et.al.NanoLett.2013,13,1265-1270]和聚吡咯(PPY)[參見：Ma,G.,et.al.J.PowerSources2014,254,353-359]。雖然這些方法在限制多硫化物穿梭機制方面都獲得了不同程度的成功，但它們都依賴于使用昂貴的材料，不適合于大規(guī)模生產(chǎn)。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供了固體離子傳導性聚合物材料，其在室溫下以及寬溫度范圍內(nèi)具有非常高的離子擴散率和導電性。該固體離子聚合物材料可以被用作堿性電池的固體電解質(zhì)，并且可以被用作制備堿性電池的電極的組分。該材料不限于電池應(yīng)用，還可以廣泛地適用于其他目的，例如堿性燃料電池、超級電容器、電致變色裝置、傳感器等。聚合物材料是不易燃的并且自行熄滅，這對否則可能是易燃的應(yīng)用特別有吸引力。此外，該材料機械強度高，并且可以使用其本身是本領(lǐng)域已知的高容量的聚合物加工技術(shù)和設(shè)備來制備。在本發(fā)明的一個方面，固體離子傳導性聚合物材料充當電解質(zhì)在堿性電池內(nèi)傳遞OH-離子。堿性電池可以包括多種電池化學，包括但不限于：Zn/MnO2、Zn/Ni、FE/NI、Zn/空氣、Ni/金屬氫化物、氧化銀、金屬/空氣以及本領(lǐng)域公知的其他。鋅/錳氧化物(Zn/MnNO2)化學被最廣泛地用于消費類堿性電池。包括固體離子傳導性聚合物材料的鋰離子電池的固體離子聚合物電解質(zhì)在2013年4月11日提交的同時待審的美國專利申請13/861,170中公開，并且與本發(fā)明被轉(zhuǎn)讓給同一受讓人。在本發(fā)明的另一個方面，固體離子傳導性聚合物材料被用于形成堿性電池的陰極、電解質(zhì)與陽極。電池的這三層是固體的，并且可以被共擠出，以有效地形成電池結(jié)構(gòu)。單個層也可以被擠出，或者可替代地被分別擠出，或者其他形式形成并層疊在一起以形成電池結(jié)構(gòu)。所述固體離子傳導性聚合物材料包括基礎(chǔ)聚合物、摻雜劑以及至少一種包括離子源的化合物。摻雜劑包括電子供體、電子受體或氧化劑。在具有OH-化學的一個實施方案中，基礎(chǔ)聚合物可以是聚苯硫醚、聚醚醚酮(也被稱為PEEK)或液晶聚合物。在該實施方案中，摻雜劑是電子受體，例如(非限制性實例)：2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌、TCNE、三氧化硫或氯醌。也可以使用作為電子受體的或含有能夠接受電子的官能團的其他摻雜劑。包括離子源的化合物包括：含有氫氧離子的化合物或者能夠化學轉(zhuǎn)化成含氫氧離子的化合物的材料，其包括但不限于氫氧化物、氧化物、鹽或它們的混合物，更具體地是Li2O、Na2O、MgO、CaO、ZnO、LiOH、KOH、NaOH、CaCl2、AlCl3、MgCl2、LiTFSI(雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰)、LiBOB(雙乙二酸硼酸鋰)或前述兩種組分的混合物。所述固體離子傳導性聚合物材料表現(xiàn)出的碳13NMR(在500MHz檢測)的化學位移峰在約172.5ppm、143.6ppm、127.7ppm以及115.3ppm。除了在約172.5ppm、143.6ppm、127.7ppm以及115.3ppm的化學位移峰之外，電子受體的類似碳13NMR掃描還在約195ppm以及107.6ppm顯示化學位移峰。換言之，基礎(chǔ)聚合物與電子受體之間的反應(yīng)表現(xiàn)出消除在約195ppm以及107.6ppm的化學位移峰。此外，在主峰(以芳族碳為主)中的固體離子傳導性聚合物運動的13CNMR光譜是從基礎(chǔ)聚合物到固體離子傳導性聚合物。固體離子傳導性聚合物中的主峰的化學位移大于基礎(chǔ)聚合物中的主峰的化學位移。該材料的結(jié)晶度指數(shù)至少是或大于約30％。包括離子源的化合物在10重量％-60重量％的范圍內(nèi)。摻雜劑摩爾比在約1-16的范圍內(nèi)。該材料在20℃-26℃之間的室溫下具有至少1×10-4S/cm的離子電導率。該材料的拉伸強度在5-100MPa的范圍內(nèi)，彈性模量在0.5-3.0GPa的范圍內(nèi)，并且伸長率在0.5-30％的范圍內(nèi)。該材料在20℃-26℃之間的室溫下具有大于10-11cm2/sec的OH-擴散率。具有OH-化學的電池可以是可再充電的或不可再充電的。在另一方面，本發(fā)明提供可再充電的堿性電池，其包括陽極；陰極以及電解質(zhì)；其中陽極、陰極與電解質(zhì)至少之一包括固體離子傳導性聚合物材料。在所述電池的一個實施方案中，電池包括陽極、陰極；并且其中陽極與陰極至少之一包括固體離子傳導性聚合物材料。該電池可以是可再充電的或原電池。電池還包含電解質(zhì)，并且電解質(zhì)可以包含固體離子傳導性聚合物材料。電池可替代地或附加地還包含電解質(zhì)，并且所述電解質(zhì)可以是堿性的。由于固體離子傳導性聚合物可以傳導多個OH-離子，并且在20℃-26℃范圍內(nèi)的溫度下具有大于10-11cm2/sec的OH-擴散率，它特別適合用于堿性電池電極。所述固體離子傳導性聚合物材料由包含基礎(chǔ)聚合物、電子受體以及包括離子源的化合物的反應(yīng)物產(chǎn)物形成。所述固體離子傳導性聚合物材料可以在陽極或陰極內(nèi)用作電解質(zhì)。如果在電池中使用，所述電池的陰極可以包含選自以下的活性材料：高鐵酸鹽、氧化鐵、氧化亞銅、碘酸鹽、氧化銅、氧化汞、氧化高鈷、氧化錳、二氧化鉛、氧化銀、氧、羥基氧化鎳、二氧化鎳、過氧化銀、高錳酸鹽、溴酸鹽、銀釩氧化物、一氟化碳、二硫化鐵、碘、氧化釩、硫化銅、硫或碳以及它們的組合。所述電池的陽極可以包括選自以下的活性材料：鋰、鎂、鋁、鋅、鉻、鐵、鎳、錫、鉛、氫、銅、銀、鈀、汞、鉑或金，以及它們的組合物，以及它們的合金材料。在堿性電池內(nèi)，其中陰極包含二氧化錳，并且陽極包含鋅。二氧化錳可采用β-MnO2(軟錳礦)、斜方錳礦、γ-MnO2、ε-MnO2，λ-MnO2、電解二氧化錳(EMD)以及化學二氧化錳(CMD)的形式，以及前述形式的組合。此外，陽極與陰極至少之一可以包含活性材料的顆粒，并且固體離子傳導性聚合物材料可以封裝活性材料中的至少一種顆?；蛘咚谢钚圆牧?。這種陰極已經(jīng)顯示大于400mAh/g、450mAh/g以及500mAh/g的比容量?？商娲?，電池在陽極或陰極內(nèi)還包含導電添加劑和/或功能性添加劑。導電添加劑可以選自碳黑、天然石墨、合成石墨、石墨烯、導電聚合物、金屬顆粒以及前述組分中的至少兩種的組合。功能性添加劑可以選自鉍、ZnO、MgO、CaO、SnO2、Na2SnO3以及ZnSO4。電池電極(陽極或陰極)可以是復合結(jié)構(gòu)，其可以通過例如注塑、管道擠出和壓縮模塑的方法而形成。在制備固體離子傳導性聚合物材料的一個實施方案中，基礎(chǔ)聚合物在離子源的存在下被氧化摻雜。離子源是含有至少一個羥基基團的化合物，或者可以轉(zhuǎn)化成含有至少一個羥基基團的化合物，或者可替代地選自LiOH、Li2O或前述兩種組分的混合物。基礎(chǔ)聚合物選自液晶聚合物、聚醚醚酮(PEEK)和聚苯硫醚(PPS)，或者具有大于30％的結(jié)晶度指數(shù)的半結(jié)晶聚合物，以及它們的組合。在離子源的存在下與基礎(chǔ)聚合物發(fā)生反應(yīng)的電子受體可以選自2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌、TCNE、三氧化硫或氯醌及它們的組合。該方法還可以包括加熱步驟，以促進反應(yīng)。電化學活性材料可以被加入到混合步驟中，倘若如此加入，還被反應(yīng)過的離子傳導性聚合物封裝。這種具有MnO2陰極、鋅陽極以及堿性電解質(zhì)的電池，其中堿性電池的特征在于平穩(wěn)放電曲線高于1V，并且在5％-95％放電深度之間具有小于0.3V的電壓降。所述固體離子傳導性聚合物材料也可以用作隔膜(separatorfilm)，因為它是不導電的并且是離子傳導性的。因此，流延的或以其他方式呈現(xiàn)為膜的固體離子傳導性聚合物材料可以被用作位于陽極和陰極之間的隔膜。此外，固體離子傳導性聚合物材料可以被涂覆到電極上而起到隔膜的作用，或者可替代地，可以將電極或電極組件與其他電池組件，例如含水電解質(zhì)，隔離。固體離子傳導性聚合物材料使得能夠在這樣的分離組件與其余電池組件之間發(fā)生離子連通，盡管所述分離組件與其余電池組件被物理分離并且在電力上分段。該材料還可以包含固體離子傳導性聚合物材料的小顆粒的聚集體或流延的團聚體。這樣的聚集體可以采用任何形狀，但包括設(shè)計的孔隙度，同時具有設(shè)計的表面積。諸如疏水性材料的填料可以被混合在材料中，以提供所需的物理性能，例如低有效含水孔隙度。催化劑可以被加入到固體離子傳導性聚合物材料，以實現(xiàn)催化與離子導電的組合，如金屬/空氣電池的空氣電極所需要的那樣。因此，固體離子傳導性聚合物材料可以包括低的或者非常大的表面積和/或低的或非常高的孔隙度。通過本發(fā)明，可以將固體離子傳導性聚合物材料設(shè)計成諸如環(huán)以及其他可模制形狀的形狀，具有所需的物理性質(zhì)。附圖說明圖1示例性地顯示本發(fā)明的結(jié)晶聚合物的所得結(jié)構(gòu)式。圖2示例性地顯示半結(jié)晶聚合物的動態(tài)掃描量熱曲線。圖3示例性地顯示被研究以用于本發(fā)明的配制物。圖4顯示無定形和結(jié)晶聚合物的示意圖。圖5示例性地顯示作為典型電子受體摻雜劑用于本發(fā)明中的2,3-二氰基-5,6-二氯二氰基醌(DDQ)的化學圖。圖6示例性地顯示與液體電解質(zhì)以及聚氧化乙烯鋰鹽化合物相比，根據(jù)本發(fā)明的離子傳導性聚合物的傳導性的圖。圖7示例性地顯示根據(jù)本發(fā)明的離子傳導膜的機械性能。圖8示例性地顯示根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)聚合物的傳導的可能機制。圖9示例性地顯示在根據(jù)本發(fā)明的聚合物上進行的UL94可燃性試驗。圖10示例性地顯示根據(jù)本發(fā)明的離子傳導性聚合物相比鋰金屬的電壓-電流圖。圖11示例性地顯示根據(jù)本發(fā)明的擠出的離子傳導性電解質(zhì)以及電極組件的圖。圖12示例性地顯示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)電池，其中電極和電解質(zhì)被結(jié)合在一起。圖13示例性地顯示根據(jù)本發(fā)明的最終的固態(tài)電池，其具有新的靈活的形式。圖14示例性地顯示本發(fā)明的方法，其包括利用擠出的聚合物制備固態(tài)電池的步驟。圖15示例性地顯示根據(jù)本發(fā)明的擠出方法。圖16示例性地顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的示意圖。圖17示例性地顯示本發(fā)明的具有三層的堿性電池。圖18示例性地顯示標準鋰離子陰極制備的方法步驟與本發(fā)明的復合聚合物-硫陰極的擠出的方法步驟的比較。圖19示例性地顯示在本發(fā)明的固體聚合物電解質(zhì)中的室溫下OH-擴散率。圖20示例性地顯示在本發(fā)明的固體聚合物電解質(zhì)中的室溫下鋰擴散率。圖21示例性地顯示在0.5mA/cm2的放電率下，根據(jù)實施例2的本發(fā)明的電池的電壓隨MnO2比容量的變化。圖22示例性地顯示在C/9速率(35mA/g)下，根據(jù)實施例3的本發(fā)明的電池的電壓隨MnO2的比容量的變化。圖23示例性地顯示MnO2的比容量隨根據(jù)實施例4的本發(fā)明的電池的循環(huán)數(shù)目的變化。圖24示例性地顯示根據(jù)實施例5的本發(fā)明的紐扣電池的放電曲線隨測試時間的變化。圖25示例性地顯示根據(jù)實施例6的本發(fā)明的電池的電壓隨測試時間的變化。圖26示例性地顯示根據(jù)實施例7的本發(fā)明的紐扣電池的放電曲線隨放電容量的變化。圖27示例性地顯示在ZnSO4電解質(zhì)中的本發(fā)明的陽極(曲線A)與對照的鋁箔(曲線B)在1mV/s下的動電位掃描。鋅箔被用作對電極。圖28表示在不同的恒流放電率下的DuracellCoppertopAA電池的比容量。圖29顯示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的在10mA/g速率下堿性紐扣電池的放電曲線。圖30示例性地顯示根據(jù)比較例12的本發(fā)明的電池的電壓隨MnO2比容量在35mA/g的恒定電流放電下的變化。圖31示例性地顯示根據(jù)實施例13的本發(fā)明的電池的電壓隨MnO2比容量的變化。圖32示例性地顯示，與DuracellCoppertop電池比較，根據(jù)實施例14的本發(fā)明的電池的電壓隨MnO2比容量的變化。圖33示例性地顯示，與DuracellCoppertop電池比較，根據(jù)實施例15的本發(fā)明的電池的電壓隨MnO2比容量的變化。圖34示例性地顯示本發(fā)明的鋰/離子聚合物-硫電池的第一放電電壓曲線。圖35示例性地顯示本發(fā)明的鋰/離子聚合物-硫電池隨循環(huán)數(shù)目變化所繪制的放電容量的曲線。圖36示例性地顯示文獻實施例的鋰/硫-CMK-3與本發(fā)明的鋰/離子聚合物-硫的第一放電的比較。圖37顯示現(xiàn)有技術(shù)的鋰/硫-聚(吡啶并吡啶)(Li/sulfur-poly(pyridinopyridine))電池的充/放電電壓曲線。圖28顯示多種固體聚合物電解質(zhì)樣品的導電性，所述固體聚合物電解質(zhì)樣品通過混合聚合物以及包含多種比例的離子源的化合物并且使用DDQ進行摻雜而制備。發(fā)明詳述為了所有目的，2013年12月3日提交的題為PolymerElectrolyteforAlkalineBatteriesandelectrodesComprisingtheElectrolyte的美國臨時申請61/911,049在此通過引用并入本文。本發(fā)明包括固體離子傳導性聚合物材料，其包括基礎(chǔ)聚合物、摻雜劑以及至少一種包括離子源的化合物。聚合物材料在包括室溫的寬溫度范圍內(nèi)具有離子傳導能力。據(jù)信，在高密度原子位點發(fā)生離子“跳躍”。因此，聚合物材料可以用作供給離子的手段，并且具有顯著的材料強度。對于本申請的目的，術(shù)語“聚合物”是指具有結(jié)晶或半結(jié)晶結(jié)構(gòu)的聚合物。在一些應(yīng)用中，固體離子傳導性聚合物材料可以被模塑為可以自身折疊的形狀，其根據(jù)應(yīng)用允許新的物理形式。相對于所期望的應(yīng)用，根據(jù)所需的組合物性質(zhì)而選擇基礎(chǔ)聚合物。出于應(yīng)用的目的，術(shù)語“摻雜劑”是指電子受體或氧化劑或電子供體。相對于所期望的應(yīng)用，根據(jù)所需的組合物性質(zhì)而選擇摻雜劑。類似地，相對于所期望的應(yīng)用，根據(jù)所需的組合物性質(zhì)而選擇包括離子源的化合物。I.鋰離子(Li+)化學一方面，本發(fā)明涉及在鋰離子電池內(nèi)包括固體離子傳導性聚合物材料的固體聚合物電解質(zhì)。在這方面，基礎(chǔ)聚合物的特征在于具有30％與100％之間，優(yōu)選在50％與100％之間的結(jié)晶度值?；A(chǔ)聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于80℃，優(yōu)選高于120℃，并且更優(yōu)選高于150℃，并且最優(yōu)選高于200℃。基礎(chǔ)聚合物的熔化溫度高于250℃，優(yōu)選高于280℃，并且更優(yōu)選高于320℃。本發(fā)明的基礎(chǔ)聚合物的單體單元的分子量在100-200gm/mol的范圍內(nèi)，并且可以大于200gm/mol。圖1顯示示例性的基礎(chǔ)聚合物的分子結(jié)構(gòu)，其中基礎(chǔ)聚合物的單體單元具有108.16g/mol的分子量。圖2示例性地顯示示例性的半結(jié)晶基礎(chǔ)聚合物的動態(tài)掃描量熱曲線。圖3顯示本發(fā)明這一方面的固體離子傳導性聚合物材料的示例性配制物，其中DDQ是摻雜劑?？捎糜诨A(chǔ)聚合物的典型材料包括液晶聚合物和聚苯硫醚(也被稱為PPS)，或結(jié)晶度指數(shù)大于30％且優(yōu)選大于50％的任何半結(jié)晶聚合物。在一個實施方案中，本發(fā)明使用“結(jié)晶或半結(jié)晶聚合物”，在圖4中示例性地顯示，其通常具有高于30％的結(jié)晶度值，并具有高于200℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及高于250℃的熔化溫度。在這方面，摻雜劑是電子受體，例如作為非限制性實例的亦稱DDQ的2,3-二氰基-5,6-二氯二氰基醌(C8Cl2N2O2)、稱為TCNE的四氰基乙烯(C6N4)以及三氧化硫(SO3)。優(yōu)選的摻雜劑是DDQ。圖5提供這種優(yōu)選的摻雜劑的化學圖。據(jù)信，電子受體的目的是雙重的：釋放用于傳輸移動性的離子以及在聚合物內(nèi)創(chuàng)建極性高密度位點以允許離子傳導性。電子受體可以與初始組分“預(yù)混合”并擠出且無后處理，或者可替代地，諸如汽相摻雜的摻雜過程可以被用于在制備材料之后將電子受體添加到組合物中。在本發(fā)明的該方面使用的包括離子源的典型化合物包括但不限于：Li2O、LiOH、ZnO、TiO2、Al3O2等。穩(wěn)定形式的含有合適離子的化合物可以在制備固體聚合物電解質(zhì)膜后被改性。其他添加劑，例如碳顆粒納米管等，可以被添加到包括固體離子傳導性材料的固體聚合物電解質(zhì)，以進一步提高導電性或電流密度。通過消除對笨重金屬氣密封裝和保護電路的需求，新型的固體聚合物電解質(zhì)使重量更輕且架構(gòu)更安全。與相同容量的液體電解質(zhì)電池相比，包括固體聚合物電解質(zhì)的新型固體聚合物電池可以尺寸較小、重量更輕并且能量密度更高。新型的固體聚合物電池還得益于較不復雜的制備方法、降低的成本以及降低的安全風險，因為電解質(zhì)材料不易燃。新型的固體聚合物電池能夠具有超過4.2伏的電池電壓，并且對于較高和較低的電壓是穩(wěn)定的。通過擠出(以及共擠出)、模塑等技術(shù)，新型的固體聚合物電解質(zhì)可以形成多種形狀，從而可以為電池提供不同的形狀因素?？梢灾瞥商囟ㄐ螤睿员氵m合于被供電的裝置或設(shè)備的不同形狀的外殼。此外，新型固體聚合物電池不像液體電解質(zhì)電池那樣需要電解質(zhì)與電極之間的隔膜。新型的固體聚合物電池的重量遠遠低于具有類似容量的常規(guī)結(jié)構(gòu)的電池。在一些實施方案中，新型固體聚合物電池的重量可以小于常規(guī)電池重量的一半。在本發(fā)明的另一個方面，包括固體離子傳導性聚合物材料的固體聚合物電解質(zhì)采用離子聚合物膜的形式。電極材料被直接施加到離子聚合物膜的每個表面，并且箔電荷收集器或端子被施加在各電極表面。輕重量保護性聚合物蓋可以被施加到端子，以使膜基結(jié)構(gòu)完整。膜基結(jié)構(gòu)形成薄膜電池，其是柔性的，并且可以被卷成或折疊成目標形狀，以適應(yīng)安裝要求。在本發(fā)明的另一個方面，包括固體離子傳導性聚合物材料的固體聚合物電解質(zhì)采用離子聚合物中空單絲的形式。電極材料與電荷收集器被直接施加(共擠出)到固體離子傳導性聚合物材料的每個表面，并且端子被施加到每個電極表面上。輕重量保護性聚合物蓋可以被施加到端子，以使結(jié)構(gòu)完整。所述結(jié)構(gòu)形成電池，其是薄的、柔性的，并且可以被卷成目標形狀以適應(yīng)安裝要求，包括非常小的應(yīng)用。在本發(fā)明的另一個方面，包括固體離子傳導性聚合物材料的固體聚合物電解質(zhì)具有所需的模塑形狀。陽極和陰極電極材料可以被設(shè)置在固體聚合物電解質(zhì)的各相對表面上，以形成電池單元。電端子可以被設(shè)置在每個電池單元的陽極和陰極電極，以便與其他電池單元互連，從而提供并聯(lián)蓄電池，或者與利用裝置連接。在涉及電池的本發(fā)明的多個方面，電極材料(陰極和陽極)可以與新型固體離子傳導性聚合物材料的形式組合，以進一步促進兩個電極之間的離子運動。這類似于在傳統(tǒng)鋰離子電池中的傳統(tǒng)液體電解質(zhì)被浸泡在各種電極材料內(nèi)。本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料的膜已經(jīng)被擠出，厚度在0.0003英寸以上。已經(jīng)使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的AC-電化學阻抗分光鏡檢查(EIS)的標準試驗測量膜的離子表面電導率。固體離子傳導性聚合物材料膜的樣品被夾在不銹鋼阻塞電極之間，并放置在測試夾具內(nèi)。使用BiologicalVSP測試系統(tǒng)，在從800KHz-100KHz的范圍內(nèi)，記錄交流阻抗以確定電解質(zhì)電導率。表面電導率測量的結(jié)果顯示于圖6中。根據(jù)本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料膜(Δ)的導電性與三氟甲烷磺酸PEO(□)以及用Celgard隔膜由鋰鹽溶質(zhì)與EC:PC組合溶劑制得的液體電解質(zhì)(O)相比較。在較低溫度下，根據(jù)本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料膜的電導率跟在液體電解質(zhì)的電導率后面，并且遠遠超過三氟甲烷磺酸PEO。此外，與PEO電解質(zhì)不同，本發(fā)明的聚合物材料電導率的溫度依賴性在高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時沒有顯示急劇增加，其與鏈遷移性相關(guān)聯(lián)，如溫度激活的Vogel-Tamman-Fulcher行為所描述。因此，節(jié)段性運動作為本發(fā)明的聚合物材料中的離子傳導機制的可能性不大。此外，這表明本發(fā)明的聚合物材料具有與液體電解質(zhì)相似的離子傳導性。圖7顯示本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料膜的機械性能。利用InterconnectingandPackagingElectronicCircuitsIPC-TM-650TestMethodsManual2.4.18.3對機械性能進行了評估。在圖7的拉伸強度與伸長率曲線中，“延性破壞”模式指示該材料可以是非常結(jié)實的。本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料在其聚合物的性能特征方面提供了三個主要優(yōu)勢：(1)它有較寬的溫度范圍。在實驗室規(guī)模試驗中，結(jié)晶聚合物在室溫以及在寬溫度范圍內(nèi)已經(jīng)顯示高離子傳導性。(2)它不易燃。聚合物自行熄滅，通過UL-V0易燃性測試。在室溫下操作的能力以及不易燃的特征表明變革性的安全性改進，其不需要昂貴的熱管理系統(tǒng)。(3)它能夠低成本批量制造。代替將聚合物噴涂到電極上，聚合物材料可以通過輥對輥方法擠出成薄膜，這是塑料制備的工業(yè)標準。膜被擠出之后，它可以用電極與集電器材料涂覆，以便“從內(nèi)到外”構(gòu)建電池。這使得薄的柔性的形狀因素成為可能，而不需要氣密封裝，從而易于低成本地集成到車輛和儲存應(yīng)用。據(jù)信，本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料創(chuàng)建新的離子傳導機制，其提供了較高密度的離子傳輸?shù)奈稽c，并且允許導電材料保持較高的電壓，而無熱失控或者諸如鋰化對離子傳輸位點損壞的風險。這種特征使得固體離子傳導性聚合物材料對于陽極材料以及較高電壓陰極薄膜的應(yīng)用而言是耐用的，導致電池更高的能量密度，其可以被用于運輸和固定儲存應(yīng)用。在機械堅固、耐化學物質(zhì)和防潮，且不僅在室溫下且在寬溫度范圍內(nèi)不可燃的固體離子傳導性聚合物材料內(nèi)維持高電壓的能力允許與高性能電極的集成，而不需要現(xiàn)今產(chǎn)業(yè)所采用的昂貴的熱和安全機制。采用包括本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料的固體聚合物電解質(zhì)的電池的特征在于：與目前的市售電解質(zhì)相比能量密度的改進以及具有最小電導率劣化的-40℃至150℃的性能范圍。通過產(chǎn)生厚度為6微米的聚合物的方法，可以擠出固體聚合物電解質(zhì)，這使得可以在批量規(guī)模的商業(yè)生產(chǎn)條件下制備薄膜形式。此外，這種擠出方法使得固體聚合物電解質(zhì)的高通量低成本生產(chǎn)線成為可能，并且所述方法可以被集成到多種產(chǎn)品線，包括鋰和鋅電池生產(chǎn)。電池成本最多可以減少50％。此外，固體離子傳導性聚合物材料并不限于在電池中使用，而是可以在包括電解質(zhì)材料的任何裝置或組合物中使用。例如，新型的固體離子傳導性聚合物材料可以在電致變色裝置、電化學傳感器、超級電容器以及燃料電池中使用。圖8顯示在本發(fā)明的固體聚合物電解質(zhì)方面的固體離子傳導性聚合物材料的傳導的可能機制。作為摻雜過程的結(jié)果，在聚合物中形成載流子復合物。使用UL94燃燒試驗測試包括本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料的固體聚合物電解質(zhì)的可燃性。對于評定為UL94-V0的聚合物，其必須在10秒內(nèi)“自行熄滅”，并且“不滴落”。測試固體聚合物電解質(zhì)的該屬性，確定它用2秒鐘自行熄滅，沒有滴落，因此容易地通過了V0評級。圖9顯示結(jié)果的照片。除了離子傳導性、阻燃性、高溫行為以及良好的機械性能的性質(zhì)，還優(yōu)選包括本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料的固體聚合物電解質(zhì)在低電位和高電位下電化學穩(wěn)定。當工作電極電位隨時間線性傾斜時，電化學穩(wěn)定性的傳統(tǒng)測試是循環(huán)伏安法。在該測試中，聚合物被夾在鋰金屬陽極和不銹鋼阻塞電極之間。施加電壓，并且它正向掃至高值(相對于Li大于4伏)用于氧化穩(wěn)定性，并且負向掃至低值(相對于Li0V或更少)用于還原穩(wěn)定性。測量電流輸出，以確定是否在電極界面發(fā)生任何顯著反應(yīng)。在高的正電位下的高電流輸出將意味著氧化反應(yīng)的發(fā)生，表明在這些或更正的電位下陰極材料操作的不穩(wěn)定性(例如許多金屬氧化物)。在低電位下的高電流輸出將意味著還原反應(yīng)發(fā)生，這表明在這些或更負電位下陽極操作的不穩(wěn)定性(例如金屬Li或鋰化碳)。圖10顯示，包括根據(jù)本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料的固體聚合物電解質(zhì)相對于鋰金屬的電壓與電流圖。研究表明，所述固體聚合物電解質(zhì)在高至約4.4伏是穩(wěn)定的。這些結(jié)果表明，采用包括LCO、LMO、NMC以及類似陰極，以及低電壓陰極，例如非限制性實例的磷酸鐵和硫陰極，固體聚合物電解質(zhì)可以是穩(wěn)定的。包括本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料的固體聚合物電解質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)以下性質(zhì)：(A)在室溫下以及寬的溫度范圍(至少-10℃至+60℃)內(nèi)的高離子傳導率；(B)不可燃性；(C)可擠出成薄膜，其允許卷對卷加工以及新的制備方法；(D)與金屬鋰以及其他活性材料的相容性。因此，本發(fā)明可以制備真正的固態(tài)電池。本發(fā)明可以制備具有下列性質(zhì)的新一代電池：-無安全問題；-新形狀因素；-能量密度的大幅增加；以及-在能量儲存成本方面的大幅改進。圖11、12和13顯示包括本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料的固態(tài)電池的幾個元件，它們分別是：(A)擠出的電解質(zhì)；(B)擠出的陽極和陰極；以及(C)最終的固態(tài)電池，其允許新的形狀因素與柔性。在其他方面，本發(fā)明提供制備包括本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料的鋰電池的方法。圖14顯示使用根據(jù)本發(fā)明的擠出的固體離子傳導性聚合物材料制備固態(tài)鋰離子電池的方法。將材料復合成丸粒，然后通過模頭擠出，以便制備可變厚度的膜。電極可以用多種技術(shù)施加到膜，例如濺射或在漿體中的傳統(tǒng)流延。在另一個方面，本發(fā)明提供制備包括本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料的離子聚合物膜的方法，其涉及將膜加熱到295℃左右的溫度，然后在固化塑料的冷卻輥上流延膜。這種擠出方法示于圖15中。所得到的膜可以非常薄，厚度在10微米或更小的范圍內(nèi)。圖16顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的結(jié)構(gòu)的示意圖。II、OH-化學本發(fā)明還涉及固體離子傳導性聚合物材料，其被設(shè)計來傳遞OH-離子，從而使之適用于堿性電池。對于本發(fā)明的目的而言，術(shù)語“堿性電池或多種堿性電池”是指一種或多種利用堿性(含OH-)電解質(zhì)的電池。這類電池化學包括但不限于：Zn/MnO2、Zn/Ni、Fe/Ni、Zn/空氣、Ni/金屬氫化物、氧化銀及其他。Zn/MnO2化學可能是最廣泛使用的，并且是消費類電池的主要選擇。盡管本文中的許多實施方案涉及Zn/MnO2化學組成，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，相同的原理廣泛適用于其他堿性體系。堿性電池依賴OH-離子的傳遞來導電。在大多數(shù)情況下，OH-離子也是電化學過程中的參與者。例如，在Zn/MnO2電池的放電過程中，鋅陽極釋放2個電子并且消耗OH-離子：(1)Zn+4OH-→Zn(OH)42-+2e-(2)Zn+2OH-→Zn(OH)2+2e-→ZnO+H2O(3)Zn(OH)2→ZnO+H2O在電池放電的初期，反應(yīng)(1)產(chǎn)生可溶性的鋅酸根離子，其可以在隔膜和陰極中找到[Linden'sHandbookofBatteries，第四版]。在某一點，電解質(zhì)將變得鋅酸鹽飽和，并且反應(yīng)產(chǎn)物將變成不溶性的Zn(OH)2(2)。最終，陽極會被耗盡水，并且氫氧化鋅通過式(3)脫水。在可再充電電池中，在電池的充電期間反應(yīng)反轉(zhuǎn)。在鋅放電的初始步驟期間，可溶性鋅酸根離子的形成可能阻礙再充電。陰極反應(yīng)涉及通過質(zhì)子插入機制將Mn4+還原成Mn3+，導致OH-離子釋放(4)。這種單電子還原的理論MnO2比容量是308mAh/g。慢速放電至較低的電壓可能導致如式(5)所述的MnOOH進一步放電，這將導致410mAh/g的總比容量(1.33e)。在大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用中，MnO2放電被限制為單電子過程?；钚圆牧系睦眠M一步受到可溶性低價錳物質(zhì)的形成的不利影響。(4)MnO2+e-+H2O→MnOOH+OH-(5)3MnOOH+e-→Mn3O4+H2O+OH-(6)MnO2+2e-+2H2O→Mn(OH)2+2OH-盡管MnO2理論上可以根據(jù)式(6)以616mAh/g的理論比容量經(jīng)歷雙電子還原，但在現(xiàn)有技術(shù)的電池的實踐中，并沒有被證實。形成例如HausmaniteMn3O4的不活動相的晶體結(jié)構(gòu)重排以及可溶性產(chǎn)物的外擴散是限制陰極容量的因素。美國專利7,972,726描述了使用五價鉍金屬氧化物來增強堿性電池的整體放電性能。與100％MnO2的287mAh/g以及100％AgBiO3的200mAh/g相比，含有10％AgBiO3與90％的電解MnO2的陰極被證明在10mA/g的放電速率下提供351mAh/g至0.8V截止。351mAh/g的比容量對應(yīng)于MnO2的1.13電子放電，并且代表在實際有用的放電率和電壓范圍內(nèi)提供的最高的比容量。原則上，反應(yīng)(4)可以是可逆的，這樣可再充電的Zn/MnO2電池是可能的。在實踐中，晶體結(jié)構(gòu)崩潰以及可溶性產(chǎn)物形成只允許淺循環(huán)。US5,156,934和US5,660,953中公開的鉍改性或鉛改性的MnO2材料宣稱能夠?qū)τ诤芏嘌h(huán)達到理論雙電子放電量的約80％。在文獻[Y.F.Yao,N.Gupta,H.S.Wroblowa,J.Electroanal.Chem.,223(1987),107；H.S.Wroblowa,N.Gupta,J.Electroanal.Chem.,238(1987)93；D.Y.Qu,L.Bai,C.G.Castledine,B.E.Conway,J.Electroanal.Chem.,365(1994),247]中理論上說明，鉍或鉛的陽離子可以在放電過程中穩(wěn)定MnO2的晶體結(jié)構(gòu)和/或通過涉及可溶性Mn2+物質(zhì)的異構(gòu)機制而允許反應(yīng)(6)進行。獲得所述Mn2+物質(zhì)似乎是獲得高MnO2利用率以及可逆性的關(guān)鍵。在根據(jù)US5,156,934與US5,660,953的高碳含量(30-70％)陰極中，所得高度多孔結(jié)構(gòu)能夠吸收水溶性物質(zhì)。但是，沒有數(shù)據(jù)表明，利用這些陰極的完整電池被制備或者這可以使用鋅陽極來實現(xiàn)。因此，防止低價錳物質(zhì)與鋅酸根離子的溶解和傳遞的聚合物電解質(zhì)對于改進MnO2的利用率以及實現(xiàn)Zn/MnO2電池的可再充電性將是非常有益的。除了質(zhì)子插入之外，MnO2可以經(jīng)歷通過鋰插層的還原。已經(jīng)提出，鋰插入可以在還原時穩(wěn)定MnO2結(jié)構(gòu)，使得可再充電性成為可能[M.Minakshi,P.Singh,J.SolidStateElectrochem,16(2012),1487]。設(shè)計以傳導Li+和OH-離子的本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料使得可以調(diào)節(jié)MnO2放電機制以有利于質(zhì)子或鋰插入，這可以作為改善循環(huán)壽命的額外工具。因此，在一個方面，本發(fā)明提供包括基礎(chǔ)聚合物、摻雜劑以及至少一種包括離子源的化合物的聚合物材料，其中聚合物材料是具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性聚合物材料。對于本申請的目的，術(shù)語“OH-離子遷移率”是指在20℃-26℃之間的室溫下的大于10-11cm2/秒的擴散率或10-4S/cm的電導率。固體離子傳導性聚合物材料適合用于堿性電池。在不同的方面，本發(fā)明提供了包括具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性聚合物材料的電解質(zhì)，其中電解質(zhì)是用于堿性電池的固體聚合物電解質(zhì)；包括所述固體聚合物電解質(zhì)的一個或多個電極；和/或包括所述一個電極或多個電極的電池。在另一個方面，本發(fā)明提供電極，陰極和陽極包括用于堿性電池的固體聚合物電解質(zhì)，其中固體聚合物電解質(zhì)包括具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性聚合物材料。在另一個方面，本發(fā)明提供插入陰極和陽極之間的電解質(zhì)，其中，電解質(zhì)、陰極和陽極中的至少一個包括具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性聚合物材料。在另一個方面，本發(fā)明提供包括陰極層、電解質(zhì)層和陽極層的堿性電池，其中所述層中的至少一個包括具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性聚合物材料。后一方面示例性顯示在圖17中。具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性聚合物材料的基礎(chǔ)聚合物是結(jié)晶或半結(jié)晶聚合物，其典型地具有30％和100％之間、優(yōu)選50％和100％之間的結(jié)晶度值。在本發(fā)明的這一方面的基礎(chǔ)聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于80℃，優(yōu)選高于120℃，更優(yōu)選高于150℃，并且最優(yōu)選高于200℃?；A(chǔ)聚合物的熔融溫度高于250℃，優(yōu)選高于280℃，更優(yōu)選高于280℃，并且最優(yōu)選高于300℃。具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性聚合物材料的摻雜劑是電子受體或氧化劑。在本發(fā)明的該方面使用的典型摻雜劑是DDQ、TCNE、SO3等。具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性聚合物材料的包括離子源的化合物包括鹽、氫氧化物、氧化物或其他含有羥基離子的材料或可轉(zhuǎn)換為這種材料的材料，包括但不限于：LiOH、NaOH、KOH、Li2O、LiNO3等。具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性材料的特征在于在室溫下1×10-4S/cm的最小導電率和/或大于10-11cm2/秒的室溫OH-離子的擴散率。關(guān)于OH-化學的本發(fā)明的陰極包括MnO2、NiOOH、AgO、空氣(O2)或類似的活性材料。MnO2是優(yōu)選的材料，并且可以是β-MnO2(軟錳礦)、斜方錳礦、γ-MnO2、ε-MnO2、λ-MnO2以及其他MnO2相或其混合物，包括但不限于EMD和CMD，的形式。關(guān)于OH-化學的本發(fā)明的陰極是通過在固體離子傳導性聚合物材料形成之前，將陰極活性材料與包括基礎(chǔ)聚合物、摻雜劑以及包括離子源的化合物的本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料的組分混合以形成混合物而制備的?？商娲兀帢O活性材料與已形成的固體離子傳導性聚合物材料混合。在180℃與350℃之間、優(yōu)選190℃與350℃之間、更優(yōu)選280℃與350℃之間并且最優(yōu)選290℃與325℃之間的溫度下，將該混合物模塑和/或擠出。陰極活性材料可以包括多種形式，例如，作為非限制性實例，粉末形式、顆粒形式、纖維形式和/或片材的形式。相對于陰極總重量，本發(fā)明的陰極包括在10重量％與90重量％之間，優(yōu)選25重量％與90重量％之間，并且更優(yōu)選50重量％與90重量％之間的量的活性材料。陰極還可以包括導電添加劑，例如炭黑組分、天然石墨組分、合成石墨組分、石墨烯組分、導電聚合物組分、金屬顆粒組分和/或其他類似的導電添加劑。相對于陰極總重量，陰極可以包括0重量％與25重量％之間并且優(yōu)選10重量％與15重量％之間的量的導電添加劑。關(guān)于OH-化學的本發(fā)明的陰極還可以包括一種或多種用于增強性能的功能性添加劑。陰極活性材料可以用本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料進行封裝。關(guān)于OH-化學的本發(fā)明的陽極可以包括鋅的活性材料，以鋅粉、鋅薄片、鋅板等形狀的形式。鋅的所有這些形式可以被合金化，從而最小化鋅腐蝕。關(guān)于OH-化學的本發(fā)明的陽極是通過在固體離子傳導性聚合物材料形成之前，將陽極活性材料與包括基礎(chǔ)聚合物、摻雜劑以及包括離子源的化合物的固體離子傳導性聚合物材料的組分混合以形成混合物而制備的。可替代地，陽極活性材料與已形成的固體離子傳導性聚合物材料混合?；旌衔镌?80℃和350℃之間的溫度下被模塑和/或擠出。相對于陽極總重量，本發(fā)明的陽極包括10重量％與90重量％之間、優(yōu)選25重量％與90重量％之間、更優(yōu)選50重量％與90重量％之間的量的活性材料。陽極可以進一步包括導電添加劑，例如炭黑組分、天然石墨組分、合成石墨組分、石墨烯組分、導電聚合物組分、金屬顆粒組分和/或其他類似的導電添加劑。相對于陽極總重量，本發(fā)明的陽極可以包括0重量％與25重量％之間、優(yōu)選10重量％與15重量％之間的量的導電添加劑。關(guān)于OH-化學的本發(fā)明的陽極還可以包括一種或多種用于增強性能的功能性添加劑。陽極活性材料可以用本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料進行封裝。在另一方面，本發(fā)明提供了Zn/MnO2電池，其包括插入MnO2陰極與Zn陽極之間的電解質(zhì)。在這方面的電解質(zhì)可以包括本發(fā)明的具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性材料，或者可以包括充滿液體電解質(zhì)的傳統(tǒng)隔膜。陰極可以包括本發(fā)明的具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性材料，或者可以包括市售MnO2陰極。在這方面的陽極可以包括本發(fā)明的具有OH-離子遷移率的固體離子傳導性材料，或者可以包括通過其他方法制備的鋅箔、鋅網(wǎng)或鋅陽極。在本發(fā)明的Zn/MnO2電池中，本發(fā)明的具有OH-離子遷移率的固體電子傳導性聚合物材料包括在陰極、陽極與電解質(zhì)至少之一中。III、聚合物-MnO2復合陰極本發(fā)明還涉及具有高比容量的聚合物-MnO2復合陰極，以及包括該陰極的堿性原電池。更具體地，本發(fā)明還涉及具有接近理論雙電子放電的比容量的聚合物-MnO2復合陰極，以及包含該陰極的堿性原電池。堿性電池可以用與市售堿性電池相當?shù)碾娏髅芏确烹?，而有用的容量被提供到典型?.8V電壓截止。在不同的方面，本發(fā)明的特征是陰極，其由與固體離子傳導性聚合物材料混合的包括多個活性MnO2顆粒的MnO2活性材料制備，以及制備所述陰極的方法，所述固體離子傳導性聚合物材料包括基礎(chǔ)聚合物、摻雜劑以及包括離子源的化合物。在其他方面，本發(fā)明的特征是電化學電池，其包括陰極、陽極以及設(shè)置在陰極和陽極之間的隔膜，以及用于制備所述陰極的方法。陰極是由與固體離子傳導性聚合物材料混合的包括多個活性MnO2顆粒的MnO2活性材料制備，所述固體離子傳導性聚合物材料包括基礎(chǔ)聚合物、摻雜劑以及包括離子源的化合物。陰極與本發(fā)明的電化學電池的特征在于平坦的放電曲線。在本發(fā)明的與聚合物-MnO2復合陰極相關(guān)的方面，基礎(chǔ)聚合物可以是半結(jié)晶聚合物。基礎(chǔ)聚合物可以選自共軛聚合物或者可以很容易被氧化的聚合物。在本發(fā)明的該方面中使用的基礎(chǔ)聚合物的非限制性實例包括PPS、PPO、PEEK、PPA等。在本發(fā)明的與聚合物-MnO2復合陰極相關(guān)的方面，摻雜劑是電子受體或氧化劑。摻雜劑的非限制性實例是DDQ、又稱TCNE的四氰基乙烯、SO3、臭氧、過渡金屬氧化物(包括MnO2)或任何合適的電子受體等。在本發(fā)明的與聚合物-MnO2復合陰極相關(guān)的方面，包括離子源的化合物是鹽、氫氧化物、氧化物或其他含有氫氧離子的材料或可轉(zhuǎn)換為這種材料的材料，包括但不限于LiOH、NaOH、KOH、Li2O、LiNO3等。在本發(fā)明的與聚合物-MnO2復合陰極相關(guān)的方面，MnO2活性材料可以是β-MnO2(軟錳礦)、斜方錳礦、γ-MnO2、ε-MnO2、λ-MnO2以及其他MnO2相或其混合物的形式，包括但不限于EMD與CMD。與聚合物-MnO2復合陰極相關(guān)的陰極可以如此制備：混合多個活性MnO2顆粒與包括基礎(chǔ)聚合物、摻雜劑以及包括離子源的化合物的固體離子傳導性聚合物材料，并且將該混合物加熱至特定溫度下達特定時間。任選地，所述加熱可以在施加壓力的同時進行。在一個實施方案中，本發(fā)明的聚合物-MnO2復合陰極可通過在溫度下壓縮模塑制備。在180℃與350℃之間、優(yōu)選在190℃與350℃之間，更優(yōu)選在280℃和350℃之間、最優(yōu)選在290℃與325℃之間的溫度下，將混合物模塑和/或擠出。在其他實施方案中，任選地，在150-2,000PSI、優(yōu)選150-1,000PSI、更優(yōu)選150-500PSI、并且最優(yōu)選150-250PSI之間的壓力下進行加熱。相對于復合陰極的總重量，MnO2活性材料的量可以是5重量％與95重量％之間，優(yōu)選在50重量％與90重量％之間。相對于復合陰極的總重量，復合陰極可以包括的填料的量在5重量％與50重量％、優(yōu)選10重量％與50重量％、更優(yōu)選20重量％與40重量％、最優(yōu)選25重量％與35重量％之間。摻雜劑可以添加的量相應(yīng)于基礎(chǔ)聚合物/摻雜劑的摩爾比是2與10之間、優(yōu)選2與8之間、更優(yōu)選2與6之間并且最優(yōu)選在3與5之間。復合陰極可以包括導電添加劑，例如炭黑組分、天然和/或合成石墨組分、石墨烯組分、導電聚合物組分、金屬顆粒組分以及另一種組分，其中，相對于復合陰極的總重量，導電組分的量在5重量％與25重量％之間、優(yōu)選15重量％與25重量％之間且更優(yōu)選在18重量％與22重量％之間。復合陰極中的MnO2活性材料可以由本發(fā)明的固體離子傳導性聚合物材料封裝。在優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明的特征是堿性電池，其包括所述聚合物-MnO2復合陰極和鋅陽極。鋅陽極可以是漿料的形式，其包括鋅或鋅合金粉末、KOH、膠凝劑以及任選的其他添加劑。類似于復合陰極，鋅陽極還可以包括導電添加劑。涉及本發(fā)明的聚合物-MnO2復合物的陽極可以包括Zn、Al、Fe、金屬氫化物合金或類似材料。Zn和Al是優(yōu)選的材料，并且可以以純金屬或?qū)ｉT設(shè)計的合金的形式存在。隔膜可以是在堿性電池中使用的傳統(tǒng)的無紡布隔膜。電解質(zhì)是KOH、NaOH、LiOH等在水中的溶液。堿濃度可以在4-9M之間。電解質(zhì)還可以含有導電添加劑和/或功能性添加劑。IV、聚合物-硫陰極此外，本發(fā)明涉及復合聚合物-硫陰極。復合聚合物-硫陰極包括硫組分和固體離子傳導性聚合物材料，所述固體離子傳導性聚合物材料包括基礎(chǔ)聚合物、摻雜劑和包括離子源的化合物。在用于二次鋰或鋰離子硫電池中時，復合聚合物-硫陰極的特征在于具有高的比容量和高容量保持率。復合陰極的特征在于具有的比容量大于200毫安時/克，并且優(yōu)選大于500毫安時/克，并且更優(yōu)選大于750毫安時/克，并且最優(yōu)選大于1,000毫安時/克。復合陰極的特征在于在超過500個充/放電循環(huán)，保持率是至少50％，優(yōu)選至少80％。本發(fā)明的復合聚合物-硫陰極直接應(yīng)用于低成本大規(guī)模生產(chǎn)，其因這種復合電極中使用的獨特的聚合物而成為可能。在滿足制備低成本電池的要求的同時，本發(fā)明的復合聚合物-硫陰極可以提供高性能。值得注意的是，硫陰極在放電期間還原，產(chǎn)生下式中所示的順序顯示的按順序低階的多硫化物：S8→Li2S8→Li2S4→Li2S2→Li2SLi2S8與Li2S4之間的中間體多硫化物可溶于液體電解質(zhì)中。因此，溶解的多硫化物顆粒能夠遷移(或“穿梭”)穿過多孔隔膜，并在循環(huán)期間直接與陽極和陰極反應(yīng)。多硫化物穿梭產(chǎn)生與鋰陽極的寄生反應(yīng)以及陰極的再氧化，所有這些造成容量損失。此外，該穿梭反應(yīng)方面是不可逆的，導致自放電與低循環(huán)壽命，其迄今為止一直困擾著鋰硫電池。本發(fā)明展示了復合聚合物-硫陰極，其包括硫組分和固體離子傳導性聚合物材料。通過輥對輥法，可將該陰極擠出成柔性薄膜。這種薄膜允許薄的柔性的形狀因素，其可以被納入新的柔性電池設(shè)計。如在下文的實施例中所示，該復合聚合物-硫陰極可以包括導電添加劑，例如，廉價的炭黑組分，例如TimcalC45，其已經(jīng)用于許多商業(yè)電池產(chǎn)品。除了示例性的炭黑組分，復合聚合物-硫陰極可以包括其他導電添加劑，例如作為非限制性實例的碳組分，其包括但不限于碳纖維、石墨烯組分、石墨組分、金屬顆粒或其他金屬添加劑，以及導電聚合物。復合聚合物-硫陰極的設(shè)計性質(zhì)允許陰極被擠出成寬范圍的可能厚度，這又在大型陰極生產(chǎn)設(shè)計的柔性方面提供了重要的優(yōu)點。復合聚合物-硫陰極可以被擠出，其薄至5微米且厚度高達大于數(shù)百微米。制備標準鋰離子陰極所必需的方法步驟與制備本發(fā)明的復合聚合物-硫陰極所必需的方法步驟相比較的啟發(fā)性在于：復合聚合物-硫陰極制備的固有的低成本。圖18顯示標準鋰離子陰極制備所需要的方法步驟，其與本發(fā)明的擠出的復合聚合物-硫陰極簡單得多的制備比較。復合聚合物-硫陰極的擠出方法容易按比例放大到大批量生產(chǎn)，與現(xiàn)有的鋰離子電池相比，其提供顯著優(yōu)點，并且工廠設(shè)備的資本支出低得多。除了擠出，復合聚合物-硫陰極還可以通過注射模塑、壓縮模塑或任何其他涉及熱量的方法，或通過工程塑料領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他技術(shù)來形成。復合聚合物-硫陰極包括硫組分和固體離子傳導性聚合物材料，所述固體離子傳導性聚合物材料包括基礎(chǔ)聚合物、摻雜劑和包括離子源的化合物，如上所述?；A(chǔ)聚合物包括液晶聚合物和聚苯硫醚(PPS)，或者結(jié)晶度指數(shù)大于30％的任何半結(jié)晶聚合物，或其他典型的氧受體。摻雜劑包括激活離子傳導機制的電子受體。這些電子受體可以連同其他成分被預(yù)混合，或者作為后摻雜方法以氣相提供。適用的典型的電子受體摻雜劑包括但不限于：2,3-二氯-5,6-二氰-1,4-苯醌(DDQ)(C8Cl2N2O2)、四氰基乙烯(TCNE)(C6N4)以及三氧化硫(SO3)。包括離子源的化合物包括但不限于：Li2O和LiOH。在鋰/硫測試電池中使用復合聚合物-硫陰極已經(jīng)表明：復合聚合物-硫陰極對于一般在鋰/硫電池中使用的鋰、硫與有機電解質(zhì)是穩(wěn)定的?；A(chǔ)聚合物是已經(jīng)顯示自行熄滅并且通過UL-V0可燃性測試的不可燃聚合物。基礎(chǔ)聚合物的不可燃性對于采用復合聚合物-硫陰極的電池而言具有安全性益處。將不可燃復合聚合物-硫陰極納入具有不可燃電解質(zhì)的電池將進一步改善電池的安全性，這是高能量密度電池的重要屬性。硫組分可以包括硫的非還原和/或還原的形式，包括元素硫。具體地，復合聚合物-硫陰極包括硫組分，其包括硫的完全鋰化的形式(Li2S)，其中Li2S是固體。復合聚合物-硫陰極還可以包括碳組分。使用完全鋰化的形式的硫的優(yōu)點是：它向具有鋰離子陽極的硫電池提供了鋰源，不同于金屬Li，其必須在初充電過程中被鋰化。硫陰極與鋰離子陽極的組合提供了防止鋰枝晶形成的好處，其可以在循環(huán)鋰陽極之后形成。枝晶是由在充電期間鋰被不均勻電鍍到鋰金屬陽極上引起的。這些枝晶可以通過隔膜材料生長，并且造成陰極和陽極之間的內(nèi)部短路，常常導致高溫和電池安全性受損。通過插層或合金化而可逆結(jié)合鋰的材料減少了枝晶形成的機會，并且已經(jīng)被建議用于高安全性的鋰/硫電池中。復合聚合物-硫陰極可以與下列陽極材料一起使用，例如：碳基材料(石油焦、無定形碳、石墨、碳納米管、石墨烯等)、Sn、SnO、SnO2以及Sn類復合氧化物，包括具有諸如Co、Cu、Fe、Mn、Ni的過渡金屬的復合物。此外，硅已經(jīng)顯示出作為鋰離子陽極的可能性，其以元素形式或作為氧化物或復合材料，如對于錫所描述的。其他鋰合金材料(例如：Ge、Pb、B等)也可以用于此目的。鐵的氧化物，例如Fe2O3或Fe3O4，以及多種釩氧化物材料也已經(jīng)被顯示可逆地將鋰納入作為鋰離子陽極材料。陽極材料可以考慮不同的形式，包括無定形和晶體，以及納米尺寸的顆粒以及納米管。復合聚合物-硫陰極可以與標準的液體電解質(zhì)、標準的無紡布隔膜和/或包括固體離子傳導性聚合物材料的電解質(zhì)進行組合，無液體電解質(zhì)。標準的有機電解質(zhì)溶液的實例包括鋰鹽，例如雙(三氟甲烷磺酰)酰亞胺鋰(LiTFSI)，其溶解于1,3-二氧戊環(huán)(DOL)與1,2-二甲氧基乙烷(DME)的混合物中。添加劑，例如LiNO3，可以加入到電解質(zhì)中以改善電池性能。其他鋰鹽可以在有機液體電解質(zhì)中利用，其包括：LiPF6、LiBF4、LiAsF6、三氟甲磺酸鋰等。此外，也可以使用其他有機溶劑，例如作為幾個實例的碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)，單獨、作為混合物或與DOL和DME一起。標準的無紡布隔膜的實例包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和PP/PE薄膜的組合。其他隔膜材料包括聚酰亞胺、PTFE、陶瓷涂層膜和玻璃墊隔膜。所有上述材料都可以與復合聚合物-硫陰極一起使用。此外，復合聚合物-硫陰極也可以在凝膠-聚合物系統(tǒng)中利用，其中，例如，PVDF類聚合物被有機電解質(zhì)溶脹。據(jù)信，所述復合聚合物-硫陰極提供鋰離子導電性的能力通過限制多硫化物穿梭機制而改善電池的性能，同時提供具有高電壓的硫陰極。此外，這種獨特的工程復合聚合物-硫陰極允許陰極商業(yè)可行性所必需的大規(guī)模，低成本的生產(chǎn)。因此，該獨特的復合聚合物-硫陰極對電池具有許多潛在的益處，包括：·在正常和濫用條件下的改進的安全性·能夠得到新電池形狀因素·比現(xiàn)有鋰離子電池大幅提高能量密度·防止多硫化物穿梭機制，其導致更大的充/放電可逆性·大幅降低生產(chǎn)成本(原材料、工藝和資本設(shè)備)，其導致能量儲存成本的改善。實施例1固體聚合物電解質(zhì)通過分別混合比例為67％:33％(以重量計)的PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物而制備，并且用氣流粉碎混合。DDQ摻雜劑以每4.2摩爾PPS對應(yīng)1摩爾DDQ的量被加入所得的混合物。在中等壓力(500-1,000PSI)下，在325℃/250℃下熱處理混合物30分鐘。冷卻后，研磨所得材料并且放置到NMR夾具內(nèi)。通過使用脈沖場梯度固態(tài)NMR技術(shù)確定自擴散系數(shù)。圖19和圖20中所示的結(jié)果分別表示，在固體聚合物電解質(zhì)中的Li+和OH-擴散率是任何已知固體中最高的，并且在室溫下比最近開發(fā)的Li10GeP2S12陶瓷在高得多的溫度(140℃)下的或者在90℃下最佳PEO配制物的擴散率高一個數(shù)量級。實施例2PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物分別以67重量％:33重量％的比例一起加入，并且使用氣流粉碎混合。通過另外混合購自AlfaAesar的β-MnO250％、Bi2O35％與C45碳黑15％而制備陰極。DDQ摻雜劑以每4.2摩爾PPS對應(yīng)1摩爾DDQ的量被加入所得的混合物。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下壓縮模塑到不銹鋼網(wǎng)(Dexmet)上30分鐘，得到直徑1英寸且厚度約0.15mm的陰極盤。將所得到的盤沖壓到直徑19mm，并且用作陰極來組裝測試電池，其含有市售無紡布隔膜(NKK)和Zn箔陽極。加入6M的LiOH作為電解質(zhì)。在0.5mA/cm2的恒定電流條件下，使用BiologicVSP測試系統(tǒng)將電池放電。MnO2的比容量是303mAh/g或接近理論單電子放電。圖21顯示在0.5mA/cm2的放電率下，根據(jù)實施例2的電池的電壓隨MnO2比容量的變化。實施例3PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物分別以67％:33％(按重量計)的比例一起加入，并且使用氣流粉碎混合。通過另外混合購自AlfaAesar的β-MnO250％、Bi2O35％與C45碳黑15％而制備陰極。DDQ摻雜劑以每4.2摩爾PPS對應(yīng)1摩爾DDQ的量被加入所得的混合物。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下壓縮模塑到不銹鋼網(wǎng)(Dexmet)上30分鐘，得到直徑1英寸且厚度1.6-1.8mm的陰極盤。所得陰極被用于組裝測試電池，其含有市售無紡布隔膜(NKK)以及從市售堿性電池中提取的鋅陽極漿料。使用水中的6M的KOH溶液作為電解質(zhì)。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)，在恒定電流條件下將電池放電。MnO2的比容量在C/9放電率(35mA/g)下接近600mAh/g或接近理論的雙電子放電。圖22顯示在C/9速率(35mA/g)下，根據(jù)實施例3的電池的電壓隨MnO2的比容量的變化。實施例4PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物分別以67％:33％(按重量計)的比例一起加入，并且使用氣流粉碎混合。通過另外混合購自AlfaAesar的β-MnO250％、Bi2O35％與C45碳黑15％而制備陰極。DDQ摻雜劑以每4.2摩爾PPS對應(yīng)1摩爾DDQ的量被加入所得的混合物。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下壓縮模塑到不銹鋼網(wǎng)(Dexmet)上30分鐘，得到直徑1英寸且厚度約是0.15mm的陰極盤。將所得到的盤沖壓到直徑19mm，并且用作陰極來組裝測試電池，其含有市售無紡布隔膜(NKK)和Zn箔陽極。加入6M的LiOH作為電解質(zhì)。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)將電池放電并充電。放電以0.5mA/cm2的電流進行到0.8V截止。充電以0.25mA/cm2進行到1.65V，然后在1.65V下保持3小時或者直到電流下降到0.02mA/cm2。每隔幾個周期，鈍化的鋅陽極和隔膜被新鮮的所取代。圖23顯示MnO2的比容量隨根據(jù)實施例4的電池循環(huán)數(shù)目的變化。每一條柱代表不同的電池。只顯示了具有新的鋅陽極的放電。容易看出：本發(fā)明的MnO2陰極是可再充電的。只顯示了具有新的鋅陽極的放電。實施例5組裝2035紐扣電池，其使用實施例1的固體聚合物電解質(zhì)、實施例2的陰極以及鋅箔作為陽極。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)對電池放電并充電。放電以0.25mA/cm2的電流進行到0.8V截止。充電以0.25mA/cm2進行到1.65V，然后在1.65V下保持3小時或者直到電流下降到0.02mA/cm2。在這種循環(huán)過程中，電池表現(xiàn)出可逆的行為。圖24顯示根據(jù)實施例5的紐扣電池的放電曲線隨測試時間的變化。實施例6PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物分別以67％:33％(按重量計)的比例一起加入，并且使用氣流粉碎混合。通過另外混合購自AlfaAesar的β-MnO255％與C45碳黑15％而制備陰極。DDQ摻雜劑以每4.2摩爾PPS對應(yīng)1摩爾DDQ的量被加入所得的混合物。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下壓縮模塑到不銹鋼網(wǎng)(Dexmet)上30分鐘，得到直徑1英寸且厚度約是0.15mm的陰極盤。使用所得的陰極、根據(jù)實施例1的電解質(zhì)以及鋅粉制得的陽極組裝測試電池。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)以0.5mA/cm2的電流密度將電池放電到0.8V截止。MnO2的比容量是401mAh/g，或者高于理論單電子放電。圖25顯示根據(jù)實施例6的電池的電壓隨測試時間的變化。實施例7PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物分別以67％:33％(按重量計)的比例一起加入，并且使用氣流粉碎混合。通過另外混合鋅粉60％與C45碳黑10％而制備陽極。DDQ摻雜劑以每4.2摩爾PPS對應(yīng)1摩爾DDQ的量被加入所得的混合物。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下壓縮模塑到不銹鋼網(wǎng)(Dexmet)上30分鐘，得到直徑1英寸且厚度約是0.15mm的陰極盤。組裝2035紐扣電池，其使用所得的陽極、根據(jù)實施例2的陰極以及市售NKK隔膜，其含有飽和的LiOH作為電解質(zhì)。制備對照紐扣電池，其使用鋅箔作為陽極、根據(jù)實施例2的陰極以及含有飽和的LiOH作為電解質(zhì)的市售NKK隔膜。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)以0.5mA/cm2的電流密度將電池放電。具有本發(fā)明的陽極的放電曲線在稍微較高的電壓下顯示更高的容量，這可能是與鋅陽極增大的表面積以及在陽極結(jié)構(gòu)內(nèi)部可溶性鋅酸鹽的保持相關(guān)。曲線A-具有本發(fā)明的陽極的電池。曲線B-具有鋅箔陽極的電池。圖26顯示根據(jù)實施例7的紐扣電池的放電曲線隨放電容量的變化。放電以0.25mA/cm2的電流進行至0.7V截止。曲線A-具有本發(fā)明的陽極的電池。曲線B-具有鋅箔陽極的電池。實施例8PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物分別以67％:33％(按重量計)的比例一起加入，并且使用氣流粉碎混合。通過另外混合鋁粉60％與C45碳黑10％而制備陽極。DDQ摻雜劑以每4.2摩爾PPS對應(yīng)1摩爾DDQ的量被加入所得的混合物。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下壓縮模塑到不銹鋼網(wǎng)(Dexmet)上30分鐘，得到直徑1英寸且厚度約是0.15mm的陰極盤。所得陽極在測試電池中進行測試，測試電池含有鋅反電極以及含有ZnSO4電解質(zhì)的市售隔膜。由鋁箔制備的陽極作為對照進行測試。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)，在1mV/s的掃描速度下將陽極動電位極化。圖27顯示在ZnSO4電解質(zhì)中的本發(fā)明的陽極(曲線A)與對照的鋁箔(曲線B)在1mV/s下的動電位掃描。與鋁箔相比，本發(fā)明的陽極表現(xiàn)出0.5V的腐蝕穩(wěn)定性改善。比較例9DuracellCoppertopAA電池以250mA放電的放電圖來自數(shù)據(jù)表。通過比較公布的規(guī)格與MSDS來計算電池中的MnO2的量，得到8.4g-9.6g。簡單轉(zhuǎn)換的結(jié)果是電流密度在26mA/g與30mA/g之間。運行時數(shù)(根據(jù)數(shù)據(jù)表)與放電電流的乘積得到總?cè)萘浚ㄟ^將其除以MnO2重量，可以轉(zhuǎn)換為比容量。圖28中顯示CoppertopAA電池的電壓隨以這樣的方式計算得到的MnO2比容量的變化。曲線A對應(yīng)于當DuracellCoppertopAA電池的比容量在26mA/g的速率下恒流放電時，MnO2的最大量(9.6g)。曲線B對應(yīng)于當DuracellCoppertopAA電池的比容量在30mA/g的速率下恒流放電時，MnO2的最小量(8.4g)。曲線C顯示DuracellCoppertopAA電池在2.2mA/g的速率下恒流放電時的比容量。容易看出，計算至0.9V截止，MnO2的比容量在235mA/g與270mAh/g之間。外推至0.8V截止將導致稍微較好的245與275mAh/g之間的比容量。放電曲線具有典型的傾斜形狀，其是Zn/MnO2電池的特征。5％放電深度與95％放電深度的電壓之間差接近0.5V或者初始值的30％(5％DOD)[2.1-2.4V/Ah/g]。在極低速率的2.2mA/g(假設(shè)在電池中MnO2的平均量)，Coppertop電池的放電導致另外平臺區(qū)(plateau)的出現(xiàn)(曲線C)?？偙热萘渴?47mA/g，相當于1.13電子放電。放電曲線仍具有典型的傾斜形狀，在5％與95％放電深度之間的電壓差接近0.5V。比較例10在零售商店購買AA電池，并使用Maccor4300系統(tǒng)進行250mA的放電，相當于中等速率測試。表10.1顯示在250mA連續(xù)放電下的市售AA電池的性能。放電至0.9伏截止的總?cè)萘渴居诒?0.1中。假設(shè)電池中的MnO2的量與比較例9中的相同，電池的總?cè)萘靠梢员晦D(zhuǎn)換成MnO2的比容量。正如人們可以看到的，在這些放電條件下的市售AA電池的放電是在200與280mAh/g之間。即使考慮到間歇放電的積極作用，并且將電壓截止延伸到0.8V，可以合理地說，市售堿性電池在MnO2的單電子還原的范圍內(nèi)工作，由式(1)描述，并且被限制于308mAh/g。表10.1根據(jù)US7,972,726的比較例11圖29顯示堿性紐扣電池在10mA/g的放電率下的放電曲線，陰極基于AgBiO3陰極(曲線(a))、EMD(MnO2)陰極(曲線(b))以及1:9AgBiO3:EMD混合物(曲線(c))，根據(jù)US7,972,726重現(xiàn)。在這些條件下，EMD的放電圖(b)類似于在比較例9中所述的市售堿性電池，5％和95％DOD之間的電壓差是0.5V。約290mAh/g的MnO2的容量與單電子放電一致。用AgBiO3:EMD混合物制備的陰極在約0.9V顯示額外的平臺區(qū)，其提高MnO2的容量。最佳的性能報道是1:9的AgBiO3:EMD混合物，其在0.8V截止前提供351mAh/g。這相當于MnO2的1.13電子放電。實施例12PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物分別以67％:33％(按重量計)的比例一起加入，并且使用氣流粉碎混合。通過另外混合購自AlfaAesar的β-MnO250％、Bi2O35％與C45碳黑15％而制備陰極。DDQ摻雜劑以每4.2摩爾PPS對應(yīng)1摩爾DDQ的量被加入所得的混合物。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下壓縮模塑到不銹鋼網(wǎng)(Dexmet)上30分鐘，得到直徑1英寸且厚度1.6-1.8mm的陰極盤。所得陰極被用于組裝測試電池，其含有市售無紡布隔膜(NKK)以及從市售堿性電池中提取的鋅陽極漿料。在水中的6M的KOH溶液用作電解質(zhì)。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)，在恒定電流條件下將電池放電。圖30顯示在35mA/g的恒定電流放電下，根據(jù)實施例12的電池的電壓隨MnO2的比容量的變化。與傳統(tǒng)的Zn/MnO2電池相比，示于圖30的放電圖看上去顯著更平坦。5％和95％DOD之間的電壓差約是0.1V或小于初始值的10％。MnO2的比容量接近于600mAh/g或理論雙電子放電(616mAh/g)的97％。實施例13PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物分別以67％:33％(按重量計)的比例一起加入，并且使用氣流粉碎混合。通過另外混合購自Tronox的EMD(γ-和ε-MnO2的混合物)50％、Bi2O35％與C45碳黑15％而制備陰極。DDQ摻雜劑以每4.2摩爾PPS對應(yīng)1摩爾DDQ的量被加入所得的混合物。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下壓縮模塑到不銹鋼網(wǎng)(Dexmet)上30分鐘，得到直徑1英寸且厚度1.6-1.8mm的陰極盤。所得陰極被用于組裝測試電池，其含有市售無紡布隔膜(NKK)以及從市售堿性電池中提取的鋅陽極漿料。在水中的6M的KOH溶液用作電解質(zhì)。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)，在恒定電流條件下，將電池放電。圖31顯示在29mA/g(曲線A)和59mA/g(曲線B)下，根據(jù)實施例13的電池的電壓隨MnO2的比容量的變化。在29mA/g速率下，MnO2的比容量接近600mAh/g，在59mA/g速率下接近560mAh/g。實施例14PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物分別以67％:33％(按重量計)的比例一起加入，并且使用氣流粉碎混合。通過另外混合購自Tronox的EMD(γ-和ε-MnO2的混合物)80％與C45碳黑5％而制備陰極。DDQ摻雜劑以每4.2摩爾PPS對應(yīng)1摩爾DDQ的量被加入所得的混合物。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下壓縮模塑到不銹鋼網(wǎng)(Dexmet)上30分鐘，得到直徑1英寸且厚度1.6-1.8mm的陰極盤。所得陰極被用于組裝測試電池，其含有市售無紡布隔膜(NKK)以及從市售堿性電池中提取的鋅陽極漿料。在水中的7M的KOH溶液用作電解質(zhì)。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)，在9mA/g速率的恒定電流條件下將電池放電。MnO2的比容量是590mAh/g。圖32顯示在9mA/g放電率下，根據(jù)實施例14的電池的電壓隨MnO2的比容量的變化(曲線A)以及在2.2mA/g下，DuracellCoppertopAA電池的電壓(曲線B)。5％和95％DOD之間的電壓差是0.163V或13.6％(曲線A)。2.2mA/g下的DuracellCoppertop電池的放電曲線(曲線B)被顯示用于比較。實施例15PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物分別以67％:33％(按重量計)的比例一起加入，并且使用氣流粉碎混合。通過另外混合購自Erachem的EMD(γ-和ε-MnO2的混合物)80％與C45碳黑5％而制備陰極。DDQ摻雜劑以每4.2摩爾PPS對應(yīng)1摩爾DDQ的量被加入所得的混合物。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下壓縮模塑到不銹鋼網(wǎng)(Dexmet)上30分鐘，得到直徑1英寸且厚度1.6-1.8mm的陰極盤。所得陰極被用于組裝測試電池，其含有市售無紡布隔膜(NKK)以及從市售堿性電池中提取的鋅陽極漿料。在水中的7M的KOH溶液用作電解質(zhì)。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)，在9.5mA/g速率的恒定電流條件下將電池放電。MnO2的比容量是541mAh/g。圖33顯示5％和95％DOD之間的電壓差是0.180V或14.1％(曲線A)。DuracellCoppertop電池在2.2mA/g的放電曲線(曲線B)被顯示用于比較。實施例16PPS基礎(chǔ)聚合物與離子源化合物LiOH一水合物分別以67％:33％(按重量計)的比例一起加入，并且使用氣流粉碎混合?；旌衔镌诘蛪毫ο略?25℃/250℃下壓縮模塑30分鐘。由另外混合硫粉25％-50％、C45炭黑5％-15％以及LiNO30％-10％與固體離子傳導性聚合物材料而制備聚合物-硫復合陰極。將材料在120℃下壓縮模塑到不銹鋼網(wǎng)(Dexmet)上30分鐘，得到直徑15mm且厚度0.3-0.4mm的陰極盤。所得的陰極在2035紐扣電池硬件中被用于組裝測試電池。厚度是25微米且直徑是19mm的聚丙烯隔膜(Celgard)與直徑15mm的鋰箔陽極材料一起使用。溶于DOL/DME的50/50(體積/體積)混合物的1M的LiTFSI鹽液體電解質(zhì)與0.5MLiNO3添加劑一起使用。在具有低氧和水的水平的氬氣填充的手套箱中組裝電池。使用Maccor4600電池測試系統(tǒng)，在恒定電流條件(1mA)下將電池放電。放電終止于1.75V的電壓。圖34顯示本發(fā)明的電池中的鋰/復合聚合物-硫陰極的第一放電電壓曲線。第一循環(huán)的放電電壓圖顯示在圖34中?？梢钥闯觯瑥秃暇酆衔?硫陰極提供大于1,300mAh/g的高初始容量，基于陰極中硫的量。圖34中的電池還顯示在約2.3V和約2.1V具有兩個平臺區(qū)的放電電壓曲線。這表明，所述復合聚合物-硫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高容量，同時產(chǎn)生鋰/硫系統(tǒng)的預(yù)期的電壓曲線，其與穩(wěn)定電化學耦合一致。實施例17如實施例16所述，制備復合聚合物-硫陰極。使用鋰金屬陽極、聚丙烯隔膜以及在DOL/DME電解液中的具有0.5MLiNO3添加劑的1MLiTFSI，將這些陰極組裝入紐扣電池。使用Maccor4600電池測試系統(tǒng)，在恒定電流條件(1mA)下將電池放電。放電終止于1.75V的電壓。充電在兩個步驟中完成，第一個在低充電速率0.2mA電流下充到2.3V的最大電壓，并且第二個充電步驟在較高速率1mA電流下充到2.45V的最大電壓。對于這些測試電池，限制總電荷容量。使這些電池在室溫下循環(huán)數(shù)次。圖35顯示放電容量曲線隨本發(fā)明的鋰/復合聚合物-硫電池的循環(huán)數(shù)目的變化。該圖顯示復合聚合物-硫陰極將支持可逆充/放電，基于陰極中的硫量，具有1,000mAh/g的高可逆容量。比較例18高度有序交織的復合電極的值得注意的實例存在于文獻[Ji,X.；Lee,K.T.；Nazar,L.F.NatureMaterials2009,8,500-506]中。該復合陰極利用CMK-3介孔碳，通過在155℃下的加熱處理，硫固定在孔隙中。圖36比較文獻實施例的鋰/硫-CMK-3與本發(fā)明的鋰/復合聚合物-硫的第一放電。將本實施例中的復合陰極從環(huán)戊酮漿液流延到碳涂覆的鋁集電體。陰極使用84重量％的CMK-3/S復合物、8重量％的Super-S碳以及8重量％的PVDF粘合劑。電解質(zhì)由乙基甲基砜中的1.2M的LiPF6組成，并且使用鋰金屬作為陽極。為了比較，如實施例16中所述的本發(fā)明的復合聚合物-硫陰極的結(jié)果繪制在同一幅圖上。顯而易見，與復合硫陰極的文獻實施例相比，本發(fā)明的復合聚合物-硫陰極得到同樣好的或者更好的結(jié)果。比較例19使用硫-導電性聚合物復合物作為陰極用于鋰電池已經(jīng)被證明。在一種情況下，將聚丙烯腈(PAN)硫化以形成導電的和化學活性陰極材料。聚合物的硫化在約300℃的相對高的溫度下發(fā)生。這種材料的放電曲線的實例示于圖37中，其被顯示在美國專利申請2014/0045059[He,X.-M.,等人]中。圖37顯示見于鋰/硫-聚丙烯腈(S/PAN)電池的典型的電壓標志。這些電池以單個傾斜電壓平臺為代表，平均電壓小于2.0V。與圖4中觀察到的本發(fā)明的電池中的鋰/復合聚合物-硫陰極的電壓曲線比較，可以看出，在整個放電期間，S/PAN電池顯示顯著較低的電壓，這導致更低的能量密度，能量密度的單位為瓦特小時。因此，本發(fā)明的復合聚合物-硫陰極顯示的電壓行為優(yōu)于硫化PAN基陰極的電壓行為。實施例20通過混合分別為2:1的重量比的SRT802(液晶聚合物)聚合物與作為包括離子源的化合物的LiOH一水合物而制成固體聚合物電解質(zhì)樣品。DDQ用作摻雜劑。聚合物與摻雜劑的重量比是2:1。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下熱處理30分鐘。使用標準AC-EIS測量樣品的離子表面電導率。將樣品夾在不銹鋼阻塞電極之間，并放置在測試夾具內(nèi)。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)，在800KHz-100Hz的范圍內(nèi)記錄AC阻抗，以確定電解質(zhì)的導電性。制備并測試了六個樣品。平均電導率是3.7×10-4S/cm，標準偏差是約19％。結(jié)果如下表20.1中所示。表20.1實施例21通過混合分別為2:1的重量比的SRT900(液晶聚合物)聚合物與作為包括離子源的化合物的LiOH一水合物而制成固體聚合物電解質(zhì)樣品。DDQ用作摻雜劑。聚合物與摻雜劑的重量比是2:1。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下熱處理30分鐘。將樣品夾在不銹鋼電極之間，并放置在測試夾具內(nèi)。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)，在800KHz-100Hz的范圍內(nèi)記錄AC阻抗，以確定電解質(zhì)的導電性。制備并測試了六個樣品。平均電導率是1.5×10-3S/cm，標準偏差是約25％。結(jié)果如下表21.1中所示。表21.1實施例22通過以多種比例混合聚合物與包括離子源的化合物而制備聚合物電解質(zhì)樣品。DDQ用作摻雜劑。聚合物與摻雜劑的摩爾比是4.2。在中等壓力(500-1,000PSI)下，將混合物在325℃/250℃下熱處理30分鐘。將樣品夾在不銹鋼電極之間，并放置在測試夾具內(nèi)。使用BiologicVSP測試系統(tǒng)，在800KHz-100Hz的范圍內(nèi)記錄AC阻抗，以確定電解質(zhì)的導電性。結(jié)果示于下表中。觀察到的高導電性表明：聚合物電解質(zhì)可以傳導多種離子，包括Li+、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+、OH-和CI-。離子源離子源的重量％電導率(S/cm)Li2O33％1.9E-04Na2O33％4.2E-05MgO33％6.3E-07CaCl233％6.2E-03MgCl220％8.0E-03AlCl315％2.4E-03NaOH50％1.3E-04KOH50％2.2E-04傳導Li+之外的其他離子的能力使得聚合物電解質(zhì)能夠用于新應(yīng)用。鈉基和鉀基能量儲存系統(tǒng)被視為鋰離子的替代，主要受到低成本和原料相對豐富的驅(qū)動。鈣、鎂和鋁的導電性在開發(fā)多價插層系統(tǒng)中是重要的，可能能夠?qū)⒛芰棵芏忍岣叩匠鲣囯x子電池的容量。也有利用這種材料來制備具有金屬陽極的電源的可能性，其比鋰更穩(wěn)定且成本更低。羥基電導率對眾多堿性化學至關(guān)重要，包括Zn/MnO2、Ni/Zn、Ni-Cd、Ni-MH、Zn-空氣、Al-空氣。傳導氫氧離子的聚合物電解質(zhì)也可以被用于堿性燃料電池和超級電容器中。雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進行了描述，但在閱讀了上述說明書后，普通技術(shù)人員將能夠?qū)Ρ疚乃U述的實施方案實現(xiàn)多種改變、等效替換以及其他的改變。因此，由專利證書授權(quán)的保護在此僅僅受到所附權(quán)利要求書及其等價權(quán)利要求的限定的限制。當前第1頁1 2 3