鋰?空氣電池的制作方法

本發明涉及一種鋰-空氣電池，更具體地，涉及一種通過提高導電材料的量來提高放電容量的鋰-空氣電池。

背景技術：

鋰-空氣電池的重量能量密度為約500wh/kg以上，其遠高于目前的鋰離子電池(200wh/kg)或下一代鋰離子電池(300wh/kg)的重量能量密度，并由此已經對其進行了許多研究，以作為能夠在單次充電后長驅動距離的電動車輛的電池。

鋰-空氣電池具有高能量密度，但另一方面顯示出在充電期間具有高過電壓的這種問題以及循環壽命短的這種問題。為了解決這些問題，韓國專利申請公開號10-2013-0001170公開了一種使用由碳布、碳紙或碳氈構成的正極的技術，所述碳布、碳紙或碳氈各自用導電材料或選擇性透氧膜涂布。然而，這種方法在導電材料的涂布量方面存在限制，因為當導電材料的量增加時，導電材料層會開裂。

為了實現作為鋰-空氣電池優點的高能量密度，必須增加面容量(arealcapacity)。然而，僅通過目前使用的導電材料的受限涂布量難以充分提高放電容量。此外，受限涂布量難以從根本上有助于解決過電壓問題并提高循環壽命。

現有技術

專利文獻

韓國專利申請公開號10-2013-0001170

技術實現要素：

技術問題

為了解決現有技術的上述問題而設計了本發明，且本發明的目的是提供一種通過使用足夠量的導電材料而能夠改善放電容量和循環壽命的鋰-空氣電池。

技術方案

本發明的一個實施方案提供一種鋰-空氣電池，所述鋰-空氣電池包含：空氣電極，所述空氣電極使用氧氣作為正極活性材料；負極，所述負極以與所述正極分開的方式布置；隔膜，所述隔膜被插入所述正極與所述負極之間；和電解質。

此處，空氣電極包含氣體擴散層和第一導電材料的涂層，所述第一導電材料的涂層用于涂布所述氣體擴散層的表面，并且隔膜包含第二導電材料的涂層，所述第二導電材料的涂層用于涂布所述隔膜的表面。

所述空氣電極的氣體擴散層可以包含選自如下物質中的任意一種物質：碳布、碳紙、碳氈、選擇性透氧膜及它們的組合。

所述空氣電極的氣體擴散層可以還包含多孔集電器。

負極可以是選自如下物質中的任意一種物質：鋰金屬、用有機或無機化合物處理過的鋰金屬復合物、鋰化的金屬-碳復合物及它們的混合物。

所述隔膜可以是選自如下膜中的任意一種：聚乙烯膜、聚丙烯膜、玻璃纖維膜及它們的組合。

所述電解質可以是選自如下電解質中的任意一種電解質：水性電解質、非水電解質、有機固體電解質、無機固體電解質及它們的混合物。

所述第一導電材料和所述第二導電材料各自獨立地可以是選自如下物質中的任意一種物質：炭黑、科琴黑、superp(導電炭黑)、丹卡黑(denkablack，超導電乙炔炭黑)、乙炔黑、活性炭粉末、碳分子篩、碳納米管、碳納米線、具有微孔的活性炭、中孔碳、石墨、銅粉末、銀粉末、鎳、鋁粉末、聚亞苯基衍生物及它們的混合物。

空氣電極可以進一步包含選自如下催化劑中的任意一種催化劑：pt、pd、ru、rh、ir、ag、au、ti、v、cr、mn、fe、ni、co、cu、mo、w、zr、zn、ce、la金屬、所述金屬的氧化物及它們的混合物。

所述隔膜中的第二導電材料涂層和所述空氣電極中的第一導電材料涂層可以以彼此面對的方式布置。

所述隔膜中的第二導電材料涂層和所述空氣電極中的第一導電材料涂層可以彼此直接接觸。

所述隔膜中的第二導電材料和所述空氣電極中的第一導電材料可以彼此不同。

有益效果

本發明的鋰-空氣電池通過在正極表面上和隔膜表面上涂布所述導電材料來使用足夠量的導電材料，從而提高放電容量和循環壽命。

附圖說明

圖1是示意性顯示本發明的鋰-空氣電池的一個實施方案的視圖。

圖2是顯示實驗1中對實施例1以及比較例1和2中制備的硬幣電池的放電容量進行測量的結果的圖。

具體實施方式

下文中，將通過參考本發明實例的附圖來詳細說明本發明，使得本領域技術人員可以容易地實踐本發明。然而，本發明可以以許多不同的形式實現并且不應被解釋為限于本文所闡述的實施方案。

如本文中所使用的術語“空氣”不限于大氣，而是可以包括包含氧氣的氣體的組合、或純的氧氣。術語“空氣”的廣泛定義可以應用于諸如空氣電池、空氣電極等的所有類型的應用。

如圖1所示，根據本發明一個實施方案的鋰-空氣電池包含：空氣電極(10)，所述空氣電極(10)使用氧氣作為正極活性材料；負極(20)，所述負極(20)以與所述正極分開的方式布置；隔膜(30)，所述隔膜(30)被插入所述正極與所述負極之間并涂布有導電材料；和電解質(未示出)。

此處，空氣極(10)包含氣體擴散層(11)和用于利用第一導電材料涂布所述氣體擴散層(11)的表面的第一導電材料涂層(10-1)，且涂布有導電材料的隔膜(30)包含隔膜薄膜(31)和用于利用第二導電材料涂布隔膜薄膜(31)表面的第二導電材料涂層(30-1)。

除了鋰-空氣電池包含第一導電材料涂層(10-1)和第二導電材料涂層(30-1)之外，對于鋰-空氣電池的其它元件，可以利用該領域內已知的元件。

空氣電極(10)的氣體擴散層(11)沒有特別限制，且可以包含選自如下物質中的任意一種物質：碳布、碳紙、碳氈、選擇性透氧膜及它們的組合。

空氣電極(10)可以通過將諸如碳布、碳紙、碳氈、選擇性透氧膜等的氣體擴散層(11)粘附到多孔集電器的表面上的方法來制備。然而、本發明不限于這種方式。

此外，空氣電極(10)可以任選地還包含集電器(未示出)。在這種情況下，氣體擴散層(11)可以按如下形成：例如，將碳材料或碳材料和催化劑分散在溶劑中并將其推入諸如鎳泡沫的多孔三維集電器中的方法；使用聲處理將活性材料結合到多孔集電器的方法；制備片形式的活性材料并將其粘附到多孔集電器的表面的方法等。

多孔集電器可以是選自如下物質中的任意一種物質：具有三維結構的鎳泡沫、具有平面結構的鎳網、鋁網、碳紙、碳泡沫、鋁泡沫及它們的組合。

此外，空氣電極(10)可以任選地還包含用于氧化/還原氧氣的催化劑，所述催化劑可以是選自如下物質中的任意一種物質：pt、pd、ru、rh、ir、ag、au、ti、v、cr、mn、fe、ni、co、cu、mo、w、zr、zn、ce、la金屬、金屬的氧化物及它們的混合物。

催化劑也可以負載在載體上。載體可以是選自如下物質中的任意一種物質：氧化物、沸石、粘土礦物、碳及它們的混合物。氧化物可以是：氧化物，包括氧化鋁、二氧化硅、鋯氧化物、二氧化鈦等；或含有選自ce、pr、sm、eu、tb、tm、yb、sb、bi、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、nb、mo、w中的任意一種金屬的氧化物及它們的混合物。所述碳可以是：炭黑如科琴黑、乙炔黑、燈黑等；石墨如天然石墨、人造石墨、膨脹石墨等；活性炭；碳纖維等，但不一定限于此。可以使用可以用作本領域中的載體的任意一種物質。

負極(20)可以由能夠吸藏和釋放鋰的材料制成，具體地由選自如下物質中的任意一種物質制成：鋰金屬、用有機或無機化合物處理過的鋰金屬復合物、鋰化的金屬-碳復合物及它們的混合物。

負極(20)可以任選地還包含集電器(未示出)，并且可以無限制地使用本領域中已知的任意一種物質作為集電器。例如，可以使用：諸如不銹鋼、鎳、鋁等的金屬板；碳紙等。為了防止氧化，集電器可以涂布有抗氧化的金屬或合金膜。

隔膜薄膜(31)沒有特別限制，但可以包括選自如下膜中的任意一種膜：聚乙烯膜、聚丙烯膜、玻璃纖維膜及它們的組合。

電解質沒有特別限制，可以使用選自如下電解質中的任意一種電解質：水性電解質、非水電解質、有機固體電解質、無機固體電解質及它們的混合物。

非水電解質可以包括非質子溶劑。作為非質子溶劑，例如可以使用碳酸酯類、酯類、醚類、酮類、胺類或膦類溶劑。

醚類溶劑包括非環狀醚或環狀醚。

非環狀醚的非限制性實例可以包括選自如下化合物中的一種或多種化合物：1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、1,2-二丁氧基乙烷、二乙二醇二甲醚、二乙二醇二乙醚、三乙二醇二甲醚、三乙二醇二乙醚、四乙二醇二甲醚、四乙二醇二乙醚、二甲基亞砜和n、n-二甲基乙酰胺。

此外，環狀醚的非限制性實例可以包括選自如下化合物中的一種或多種化合物：1,3-二氧戊環、4,5-二甲基-二氧戊環、4,5-二乙基-二氧戊環、4-甲基-1,3-二氧戊環、4-乙基-1,3-二氧戊環、四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、2,5-二甲基四氫呋喃、2,5-二甲氧基四氫呋喃、2-乙氧基四氫呋喃、2-甲基-1,3-二氧戊環、2-乙烯基-1,3-二氧戊環、2,2-二甲基-1,3-二氧戊環、2-甲氧基-1,3-二氧戊環、2-乙基-2-甲基-1,3-二氧戊環、四氫吡喃、1,4-二烷、1,2-二甲氧基苯、1,3-二甲氧基苯、1,4-二甲氧基苯和異山梨醇二甲醚。

作為有機固體電解質，可以使用例如聚乙烯衍生物、聚環氧乙烷衍生物、聚環氧丙烷衍生物、磷酸酯聚合物、聚海藻酸鹽-賴氨酸、聚酯硫化物、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、含有離子離解基團的聚合物等。

作為無機固體電解質，例如可以使用li的氮化物、鹵化物、硫酸鹽等如li3n、lii、li5ni2、li3n-lii-lioh、lisio4、lisio4-lii-lioh、li2sis3、li4sio4、li4sio4-lii-lioh、li3po4-li2s-sis2等。

電解質可以包含分散在電解質中的鋰鹽。

可以使用通常應用于鋰-空氣電池的任何鋰鹽而沒有特別限制。優選地，鋰鹽可以是選自如下化合物中的任意一種化合物：liscn、libr、lii、lipf6、libf4、lisbf6、liasf6、lich3so3、licf3so3、liclo4、li(ph)4、lic(cf3so2)3、lin(cf3so2)2、lin(c2f5so2)2、lin(sfo2)2和lin(cf3cf2so2)2。

此外，電解質可任選地還包含選自如下物質中的任意一種氧化還原介質：lii、nai和ki。在電解質還包含氧化還原介質的情況下，可以降低鋰-空氣電池充電過程中的過電壓。

電解質可以以浸漬的形式存在于涂布有導電材料的隔膜(30)中，且除了涂布有導電材料的隔膜(30)之外，電解質的一部分可以以吸收的形式存在于空氣電極(10)或負極(20)中。

用于涂布氣體擴散層(11)的表面的第一導電材料和用于涂布隔膜薄膜(31)的表面的第二導電材料沒有特別限制，并且各自獨立地可以是選自如下物質中的任意一種物質：炭黑、科琴黑、superp、丹卡黑、乙炔黑、活性炭粉末、碳分子篩、碳納米管、碳納米線、具有微孔的活性炭、中孔碳、石墨、銅粉末、銀粉末、鎳、鋁粉末、聚亞苯基衍生物及它們的混合物。

包含在第一導電材料涂層(10-1)中的第一導電材料和包含在第二導電材料涂層(30-1)中的第二導電材料可以彼此不同。優選使用能夠改善空氣電極(10)中的反應性的材料作為第一導電材料，并且優選使用能夠降低隔膜薄膜(31)與空氣電極(10)之間的界面電阻的材料作為第二導電材料。

作為用于形成第一導電材料涂層(10-1)和第二導電材料涂層(30-1)的方法，可以使用本領域已知的制備薄膜的各種方法，例如減壓過濾、浸漬、絲網印刷、使用金屬的熱蒸發的真空熱沉積、使用電子束的真空電子束沉積、濺射沉積或化學沉積等。

此外，如圖1所示，第一導電材料涂層(10-1)和第二導電材料涂層(30-1)可以彼此相鄰地層疊。換句話說，涂布有導電材料的隔膜(30)中的第二導電材料涂層(30-1)和空氣電極(10)中的第一導電材料涂層(10-1)可以以彼此面對的方式布置。優選地，涂布有導電材料的隔膜(30)中的第二導電材料涂層(30-1)和空氣電極(10)中的第一導電材料涂層(10-1)可以彼此直接接觸。當第二導電材料涂層(30-1)和第一導電材料涂層(10-1)彼此接觸并且以彼此相對的方式布置時，鋰-空氣電池的放電容量和循環壽命會由于使用了足夠量和足夠厚度的導電材料而得到改善。

優選實施方式

下文中，為了更好地理解本發明，提供優選的實施例和比較例。然而，這些實例僅用于說明本發明，且本發明不限于此。

[制備鋰-空氣電池]

(實施例1：制備鋰-空氣電池)

在碳紙上以0.412mg/cm²的量涂布導電材料superp以制備空氣電極，并且另外在pe隔膜薄膜的一側上以0.626mg/cm²的量涂布superp以制備隔膜。準備厚度為150μm的鋰金屬作為負極。將1.0m的鋰鹽lin(cf3so2)2加入到醚類溶劑四乙二醇二甲醚(tegdme)中以制備電解液。將隔膜浸入電解質中。

將如上所述制備的浸漬在電解質中的空氣電極、負極和隔膜以使得隔膜的superp涂層和空氣電極的superp涂層彼此面對的方式引入電池殼中，以制備鋰-空氣電池。

(比較例1：制備鋰-空氣電池)

在碳紙上以0.674mg/cm²的量涂布導電材料superp以制備空氣電極。準備pe隔膜和作為負極的厚度為150μm的鋰金屬。將1.0m的鋰鹽lin(cf3so2)2加入到醚類溶劑四乙二醇二甲醚(tegdme)中以制備電解液。將隔膜浸入電解質中。

將如上所述制備的浸漬在電解質中的空氣電極、負極和隔膜以使得隔膜的[superp涂層]和空氣電極的superp涂層彼此面對的方式引入電池殼中，以制備鋰-空氣電池。

(比較例2：制備鋰-空氣電池)

制備碳紙作為空氣電極。在pe隔膜薄膜的一側上以0.669mg/cm²的量涂布superp以制備隔膜。準備厚度為150μm的鋰金屬作為負極，并將1.0m的鋰鹽lin(cf3so2)2加入到醚類溶劑四乙二醇二甲醚(tegdme)中以制備電解液。將隔膜浸入電解質中。

將如上所述制備的浸漬在電解質中的空氣電極、負極和隔膜以使得隔膜的superp涂層和空氣電極的[superp涂層]彼此面對的方式引入電池殼中，以制備鋰-空氣電池。

[實驗：鋰-空氣電池性能試驗]

為了測量實施例1以及比較例1和2中制備的鋰-空氣電池的放電容量，將它們引入能夠進行電化學測量的箱子中。調整箱子以保持1atm的氧氣壓力和25℃的恒定溫度。

使用連接到箱子外部的正極和負極的電線，通過電化學方法測量了放電容量，其中相對于涂布的碳的量以100ma/g的量將電流施加到各個電池以測量放電容量。

將實驗結果示于圖2中。

如圖2所示，比較例1和2的其中僅隔膜或空氣電極涂布有導電材料的電池顯示了幾乎相似的放電容量。相反，實施例1的由于隔膜和空氣電極兩者都涂布有導電材料而包含比較例1和2的兩倍導電材料的電池顯示了基本兩倍于比較例1和2的放電容量。從該結果可以確認，本發明的鋰-空氣電池具有非常顯著的面積比放電容量。

此外，從比較例1和2的其中使用類似量的導電材料作為彼此不同的表面的涂布材料的電池，確認了面積比放電容量不受導電材料的涂布狀態的影響，而受其量的影響。

上面已經對本發明的優選實施方案進行了詳細描述。然而，本發明的范圍不限于此。在所附權利要求中限定的本發明的基本概念下，本領域技術人員能夠完成的這些變化和修改也落在本發明的范圍內。

附圖標記

10：空氣電極

10-1：第一導電材料涂層

20：負極

30：涂布有導電材料的隔膜

30-1：第二導電材料涂層

31：隔膜薄膜

工業應用性

本發明涉及一種鋰-空氣電池。該鋰-空氣電池通過使用涂布在正極和隔膜的表面上的足夠量的導電材料而顯示優異的放電容量和循環壽命。