鋰空氣電池正極及包含該正極的鋰空氣電池的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于鋰空氣電池的正極及包括該正極的鋰空氣電池，更具體地，涉及一種用于鋰空氣電池的正極，該正極含有氧氣作為正極活性材料，且包括含有在表面上形成過渡金屬沉積層的氣體擴散電極；以及涉及包括上述結構的鋰空氣電池。
【專利說明】
鋰空氣電池正極及包含該正極的鋰空氣電池
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種鋰-空氣電池的正極，以及包含該正極的鋰-空氣電池。
【【背景技術】】
[0002]目前，鋰二次電池作為下一代電池越來越受到關注，但是裝有鋰二次電池的電動汽車是不便的，原因在于其單次充電行駛距離太短而無法與由發動機運行的汽車相競爭。
[0003]為解決鋰電池的上述問題，鋰-空氣電池最近被積極地研究。鋰空氣電池具有3000Wh/kg或更高的理論能量密度，相當于鋰離子電池能量密度的約10倍。而且，鋰空氣電池是環境友好的，且相比鋰離子電池具有更高的安全性。
[0004]通常，在鋰空氣電池中，空氣作為正極活性材料，并且，與空氣具有電位差的鋰金屬、及其合金、或鋰嵌碳或類似物作為負極。此外，還存在使用可形成二價離子的金屬，例如Zn、Mg或Ca，形成三價金屬的離子的金屬，如Al、或及其合金作為負極的情況。
[0005]當鋰-空氣電池放電，從負極釋放的金屬離子與正極側的空氣(氧氣)反應生成金屬氧化物。當鋰-空氣電池充電，所產生的金屬氧化物被還原為金屬離子和空氣。
[0006]鋰-空氣電池的空氣電極的主要成分是碳，其作為催化劑、氧氣、和鋰離子相互接觸發生反應的場所，并且，空氣電極包含氧化物，其功能作為催化劑，以在放電過程有效還原氧氣，并且在充電過程從金屬氧化物有效產生氧氣。
[0007]以往，在鋰-空氣電池中，該氧化物以顆粒的形式被制備，與粘合劑一起，以漿料的形式應用。然而，在這種情況下，出現這樣的問題，即碳與放電中間體Li2O反應，會降低充電/放電效率。
【
【發明內容】
】
[0008]【技術問題】
[0009]為解決現有技術中的上述問題，本發明直接提供了一種鋰-空氣電池正極及包含該正極的鋰-空氣電池，其中，正極具有新穎的結構并且包含用于鋰-空氣電池正極的催化劑。
[0010]【技術方案】
[0011]為解決上述問題，本發明提供了一種鋰-空氣電池正極，其中氧氣是正極活性材料，且正極包括由碳布、碳紙、碳氈組成的組中選出的氣體擴散電極、和氧氣選擇性滲透膜；以及形成在氣體擴散電極的表面上的過渡金屬沉積層。
[0012]圖1示意性地示出了本發明的鋰-空氣電池的結構。如圖1所示，在鋰-空氣電池中，電解質18置于紙鄰第一集流體(col lector) 12并能夠吸收和釋放鋰離子的負極13與使用氧氣作為活性材料且形成在第二集流體14上的正極15之間。鋰-離子-導電的固體電解質膜16可以插入在該負極13和正極15之間，并且隔膜(未顯示)可以插入在該固體電解質膜16和正極15之間。
[0013]在本發明的鋰-空氣電池的正極中，過渡金屬是選自由Co、B1、In、Pb、S1、Ag、Sr、Ge、Zn、Sn、Cd、Tl、Hg、Mn、Cr、T1、N1、Cu、Ru、Pd、Ag、Au、Pt、和 Jr 組成的組中的任何一種。
[0014]在本發明的鋰-空氣電池的正極中，氣體擴散電極可能進一步包含導電材料。在本發明的空氣電池正極中，導電材料是碳基材料，其例子包括炭黑、石墨、石墨烯、活性炭和碳纖維。
[0015]本發明的空氣電池的正極進一步包含氧氣還原/氧化(氧化還原)催化劑。
[0016]此外，本發明提供了一種鋰-空氣電池，其包括本發明的正極;能夠吸收和釋放鋰離子的負極；以及非水電解質。
[0017]【有益效果】
[0018]本發明的鋰-空氣電池的正極可通過具有包括用電化學方法沉積的過渡金屬層的氣體擴散電極，抑制與放電中間體Li2O的反應，來提高使用壽命特性，并可以通過提高電子傳導性提高充電/放電效率。
【【附圖說明】】
[0019]圖1表示鋰-空氣電池的結構。
[0020]圖2至5是根據實施例1-4分別制備的、每一個都包括過渡金屬沉積層的鋰-空氣電池的充電/放電特性的測量結果。
【【具體實施方式】】
[0021]以下，對本發明進行更詳細地參照實施例說明。然而，本發明并不受以下實施例的限制。
[0022]〈實施例1>
[0023]碳黑(super P)，是一種導電材料，將其與聚偏二氟乙烯(PVDF)以80: 20的重量比混合并分散在N-甲基-2吡咯烷酮中以制備用于正極活性材料層的組合物。用于正極活性材料層的組合物被涂布在作為氣體擴散電極的碳紙(TGP-H-030，Toray Industries，Inc.)上然后進行干燥，制作電極。
[0024]鈷溶液是通過將40g二氯化鈷(CoCl2)添加于240ml水中制備。所制作的電極浸漬在鈷溶液中，然后通過施加10分鐘的4V電壓使鈷沉積其上以制備正極。鋰金屬箔用作負極。
[0025]通過在該制作的正極上形成孔以易于氧氣滲透，以及使用該負極和多孔玻璃過濾件(Whatman?)制成硬幣電池型鋰-空氣電池。將含有IM濃度的溶解在四乙二醇二甲醚溶劑的LiCF3SO3的液體電解質注入該正極和負極之間，以制作鋰-空氣電池。
[0026]〈實施例2>
[0027]以與實施例1中相同的方式制造鋰-空氣電池，除了通過施加3V電壓3分鐘以沉積鈷來制造該正極之外。
[0028]〈實施例3>
[0029]以與實施例1中相同的方式制造鋰-空氣電池，除了通過用硝酸銀(AgNO3)制備銀溶液，而后沉積銀金屬來制作正極之外。
[0030]〈實施例4>
[0031]以與實施例1中相同的方式制造鋰-空氣電池，除了通過用硝酸銀(AgNO3)制備銀溶液，而后，與實施例1不同的是，在作為氣體擴散電極的碳紙(TGP-H-O 3 O，Tor ayIndustries,Inc.)上直接沉積銀金屬來制作正極。
[0032]〈測試實施例1:鋰-空氣電池的電化學性能評估〉
[0033]將實施例1至4所制備的鋰-空氣電池放入充滿氧氣的腔室，在2.0-4.5V和200mA/g的電流條件下，經受單次10小時的放電和充電，其結果在圖2到5分別示出。
[0034]【工業實用性】
[0035]本發明的鋰-空氣電池的正極可通過包括用電化學法沉積的過渡金屬層的氣體擴散電極，抑制與放電中間體Li2O反應來提高使用壽命特性，并可以通過提高電子傳導性提高充電/放電效率。
【主權項】
1.一種使用氧氣作為正極活性材料的鋰-空氣電池的正極，其包括: 選自由碳布、碳紙、碳氈和氧氣選擇性滲透膜組成的組中的氣體擴散電極；以及 在氣體擴散電極表面的表面上形成的過渡金屬沉積層。2.如權利要求1所述的正極，其中過渡金屬是選自*Co、B1、In、Pb、S1、Ag、Sr、Ge、Zn、Sn、Cd、Tl、Hg、Mn、Cr、T1、N1、Cu、Ru、Pd、Ag、Au、Pt 和 Ir 組成的組中的一種或多種。3.如權利要求1所述的正極，其中所述氣體擴散電極進一步包含導電材料。4.如權利要求3所述的正極，其中，所述導電材料是選自由炭黑、石墨、石墨稀、活性炭和碳纖維組成的組中的碳基材料。5.如權利要求1所述的正極，其中所述正極進一步包含氧氣還原/氧化(氧化還原)催化劑。6.一種鋰-空氣電池，其包括: 如權利要求1所述的正極； 能夠吸收或釋放鋰離子的負極；以及 非水電解質。
【文檔編號】H01M4/133GK105874632SQ201480063293
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年11月19日
【發明人】宣良國, 樸晉范
【申請人】漢陽大學校產學協力團