锂‑空气电池的制作方法

本发明涉及一种锂-空气电池，更具体地，涉及一种通过提高导电材料的量来提高放电容量的锂-空气电池。

背景技术：

锂-空气电池的重量能量密度为约500wh/kg以上，其远高于目前的锂离子电池(200wh/kg)或下一代锂离子电池(300wh/kg)的重量能量密度，并由此已经对其进行了许多研究，以作为能够在单次充电后长驱动距离的电动车辆的电池。

锂-空气电池具有高能量密度，但另一方面显示出在充电期间具有高过电压的这种问题以及循环寿命短的这种问题。为了解决这些问题，韩国专利申请公开号10-2013-0001170公开了一种使用由碳布、碳纸或碳毡构成的正极的技术，所述碳布、碳纸或碳毡各自用导电材料或选择性透氧膜涂布。然而，这种方法在导电材料的涂布量方面存在限制，因为当导电材料的量增加时，导电材料层会开裂。

为了实现作为锂-空气电池优点的高能量密度，必须增加面容量(arealcapacity)。然而，仅通过目前使用的导电材料的受限涂布量难以充分提高放电容量。此外，受限涂布量难以从根本上有助于解决过电压问题并提高循环寿命。

现有技术

专利文献

韩国专利申请公开号10-2013-0001170

技术实现要素：

技术问题

为了解决现有技术的上述问题而设计了本发明，且本发明的目的是提供一种通过使用足够量的导电材料而能够改善放电容量和循环寿命的锂-空气电池。

技术方案

本发明的一个实施方案提供一种锂-空气电池，所述锂-空气电池包含：空气电极，所述空气电极使用氧气作为正极活性材料；负极，所述负极以与所述正极分开的方式布置；隔膜，所述隔膜被插入所述正极与所述负极之间；和电解质。

此处，空气电极包含气体扩散层和第一导电材料的涂层，所述第一导电材料的涂层用于涂布所述气体扩散层的表面，并且隔膜包含第二导电材料的涂层，所述第二导电材料的涂层用于涂布所述隔膜的表面。

所述空气电极的气体扩散层可以包含选自如下物质中的任意一种物质：碳布、碳纸、碳毡、选择性透氧膜及它们的组合。

所述空气电极的气体扩散层可以还包含多孔集电器。

负极可以是选自如下物质中的任意一种物质：锂金属、用有机或无机化合物处理过的锂金属复合物、锂化的金属-碳复合物及它们的混合物。

所述隔膜可以是选自如下膜中的任意一种：聚乙烯膜、聚丙烯膜、玻璃纤维膜及它们的组合。

所述电解质可以是选自如下电解质中的任意一种电解质：水性电解质、非水电解质、有机固体电解质、无机固体电解质及它们的混合物。

所述第一导电材料和所述第二导电材料各自独立地可以是选自如下物质中的任意一种物质：炭黑、科琴黑、superp(导电炭黑)、丹卡黑(denkablack，超导电乙炔炭黑)、乙炔黑、活性炭粉末、碳分子筛、碳纳米管、碳纳米线、具有微孔的活性炭、中孔碳、石墨、铜粉末、银粉末、镍、铝粉末、聚亚苯基衍生物及它们的混合物。

空气电极可以进一步包含选自如下催化剂中的任意一种催化剂：pt、pd、ru、rh、ir、ag、au、ti、v、cr、mn、fe、ni、co、cu、mo、w、zr、zn、ce、la金属、所述金属的氧化物及它们的混合物。

所述隔膜中的第二导电材料涂层和所述空气电极中的第一导电材料涂层可以以彼此面对的方式布置。

所述隔膜中的第二导电材料涂层和所述空气电极中的第一导电材料涂层可以彼此直接接触。

所述隔膜中的第二导电材料和所述空气电极中的第一导电材料可以彼此不同。

有益效果

本发明的锂-空气电池通过在正极表面上和隔膜表面上涂布所述导电材料来使用足够量的导电材料，从而提高放电容量和循环寿命。

附图说明

图1是示意性显示本发明的锂-空气电池的一个实施方案的视图。

图2是显示实验1中对实施例1以及比较例1和2中制备的硬币电池的放电容量进行测量的结果的图。

具体实施方式

下文中，将通过参考本发明实例的附图来详细说明本发明，使得本领域技术人员可以容易地实践本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实现并且不应被解释为限于本文所阐述的实施方案。

如本文中所使用的术语“空气”不限于大气，而是可以包括包含氧气的气体的组合、或纯的氧气。术语“空气”的广泛定义可以应用于诸如空气电池、空气电极等的所有类型的应用。

如图1所示，根据本发明一个实施方案的锂-空气电池包含：空气电极(10)，所述空气电极(10)使用氧气作为正极活性材料；负极(20)，所述负极(20)以与所述正极分开的方式布置；隔膜(30)，所述隔膜(30)被插入所述正极与所述负极之间并涂布有导电材料；和电解质(未示出)。

此处，空气极(10)包含气体扩散层(11)和用于利用第一导电材料涂布所述气体扩散层(11)的表面的第一导电材料涂层(10-1)，且涂布有导电材料的隔膜(30)包含隔膜薄膜(31)和用于利用第二导电材料涂布隔膜薄膜(31)表面的第二导电材料涂层(30-1)。

除了锂-空气电池包含第一导电材料涂层(10-1)和第二导电材料涂层(30-1)之外，对于锂-空气电池的其它元件，可以利用该领域内已知的元件。

空气电极(10)的气体扩散层(11)没有特别限制，且可以包含选自如下物质中的任意一种物质：碳布、碳纸、碳毡、选择性透氧膜及它们的组合。

空气电极(10)可以通过将诸如碳布、碳纸、碳毡、选择性透氧膜等的气体扩散层(11)粘附到多孔集电器的表面上的方法来制备。然而、本发明不限于这种方式。

此外，空气电极(10)可以任选地还包含集电器(未示出)。在这种情况下，气体扩散层(11)可以按如下形成：例如，将碳材料或碳材料和催化剂分散在溶剂中并将其推入诸如镍泡沫的多孔三维集电器中的方法；使用声处理将活性材料结合到多孔集电器的方法；制备片形式的活性材料并将其粘附到多孔集电器的表面的方法等。

多孔集电器可以是选自如下物质中的任意一种物质：具有三维结构的镍泡沫、具有平面结构的镍网、铝网、碳纸、碳泡沫、铝泡沫及它们的组合。

此外，空气电极(10)可以任选地还包含用于氧化/还原氧气的催化剂，所述催化剂可以是选自如下物质中的任意一种物质：pt、pd、ru、rh、ir、ag、au、ti、v、cr、mn、fe、ni、co、cu、mo、w、zr、zn、ce、la金属、金属的氧化物及它们的混合物。

催化剂也可以负载在载体上。载体可以是选自如下物质中的任意一种物质：氧化物、沸石、粘土矿物、碳及它们的混合物。氧化物可以是：氧化物，包括氧化铝、二氧化硅、锆氧化物、二氧化钛等；或含有选自ce、pr、sm、eu、tb、tm、yb、sb、bi、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、nb、mo、w中的任意一种金属的氧化物及它们的混合物。所述碳可以是：炭黑如科琴黑、乙炔黑、灯黑等；石墨如天然石墨、人造石墨、膨胀石墨等；活性炭；碳纤维等，但不一定限于此。可以使用可以用作本领域中的载体的任意一种物质。

负极(20)可以由能够吸藏和释放锂的材料制成，具体地由选自如下物质中的任意一种物质制成：锂金属、用有机或无机化合物处理过的锂金属复合物、锂化的金属-碳复合物及它们的混合物。

负极(20)可以任选地还包含集电器(未示出)，并且可以无限制地使用本领域中已知的任意一种物质作为集电器。例如，可以使用：诸如不锈钢、镍、铝等的金属板；碳纸等。为了防止氧化，集电器可以涂布有抗氧化的金属或合金膜。

隔膜薄膜(31)没有特别限制，但可以包括选自如下膜中的任意一种膜：聚乙烯膜、聚丙烯膜、玻璃纤维膜及它们的组合。

电解质没有特别限制，可以使用选自如下电解质中的任意一种电解质：水性电解质、非水电解质、有机固体电解质、无机固体电解质及它们的混合物。

非水电解质可以包括非质子溶剂。作为非质子溶剂，例如可以使用碳酸酯类、酯类、醚类、酮类、胺类或膦类溶剂。

醚类溶剂包括非环状醚或环状醚。

非环状醚的非限制性实例可以包括选自如下化合物中的一种或多种化合物：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、二甲基亚砜和n、n-二甲基乙酰胺。

此外，环状醚的非限制性实例可以包括选自如下化合物中的一种或多种化合物：1,3-二氧戊环、4,5-二甲基-二氧戊环、4,5-二乙基-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、4-乙基-1,3-二氧戊环、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、2,5-二甲基四氢呋喃、2,5-二甲氧基四氢呋喃、2-乙氧基四氢呋喃、2-甲基-1,3-二氧戊环、2-乙烯基-1,3-二氧戊环、2,2-二甲基-1,3-二氧戊环、2-甲氧基-1,3-二氧戊环、2-乙基-2-甲基-1,3-二氧戊环、四氢吡喃、1,4-二烷、1,2-二甲氧基苯、1,3-二甲氧基苯、1,4-二甲氧基苯和异山梨醇二甲醚。

作为有机固体电解质，可以使用例如聚乙烯衍生物、聚环氧乙烷衍生物、聚环氧丙烷衍生物、磷酸酯聚合物、聚海藻酸盐-赖氨酸、聚酯硫化物、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、含有离子离解基团的聚合物等。

作为无机固体电解质，例如可以使用li的氮化物、卤化物、硫酸盐等如li3n、lii、li5ni2、li3n-lii-lioh、lisio4、lisio4-lii-lioh、li2sis3、li4sio4、li4sio4-lii-lioh、li3po4-li2s-sis2等。

电解质可以包含分散在电解质中的锂盐。

可以使用通常应用于锂-空气电池的任何锂盐而没有特别限制。优选地，锂盐可以是选自如下化合物中的任意一种化合物：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，电解质可任选地还包含选自如下物质中的任意一种氧化还原介质：lii、nai和ki。在电解质还包含氧化还原介质的情况下，可以降低锂-空气电池充电过程中的过电压。

电解质可以以浸渍的形式存在于涂布有导电材料的隔膜(30)中，且除了涂布有导电材料的隔膜(30)之外，电解质的一部分可以以吸收的形式存在于空气电极(10)或负极(20)中。

用于涂布气体扩散层(11)的表面的第一导电材料和用于涂布隔膜薄膜(31)的表面的第二导电材料没有特别限制，并且各自独立地可以是选自如下物质中的任意一种物质：炭黑、科琴黑、superp、丹卡黑、乙炔黑、活性炭粉末、碳分子筛、碳纳米管、碳纳米线、具有微孔的活性炭、中孔碳、石墨、铜粉末、银粉末、镍、铝粉末、聚亚苯基衍生物及它们的混合物。

包含在第一导电材料涂层(10-1)中的第一导电材料和包含在第二导电材料涂层(30-1)中的第二导电材料可以彼此不同。优选使用能够改善空气电极(10)中的反应性的材料作为第一导电材料，并且优选使用能够降低隔膜薄膜(31)与空气电极(10)之间的界面电阻的材料作为第二导电材料。

作为用于形成第一导电材料涂层(10-1)和第二导电材料涂层(30-1)的方法，可以使用本领域已知的制备薄膜的各种方法，例如减压过滤、浸渍、丝网印刷、使用金属的热蒸发的真空热沉积、使用电子束的真空电子束沉积、溅射沉积或化学沉积等。

此外，如图1所示，第一导电材料涂层(10-1)和第二导电材料涂层(30-1)可以彼此相邻地层叠。换句话说，涂布有导电材料的隔膜(30)中的第二导电材料涂层(30-1)和空气电极(10)中的第一导电材料涂层(10-1)可以以彼此面对的方式布置。优选地，涂布有导电材料的隔膜(30)中的第二导电材料涂层(30-1)和空气电极(10)中的第一导电材料涂层(10-1)可以彼此直接接触。当第二导电材料涂层(30-1)和第一导电材料涂层(10-1)彼此接触并且以彼此相对的方式布置时，锂-空气电池的放电容量和循环寿命会由于使用了足够量和足够厚度的导电材料而得到改善。

优选实施方式

下文中，为了更好地理解本发明，提供优选的实施例和比较例。然而，这些实例仅用于说明本发明，且本发明不限于此。

[制备锂-空气电池]

(实施例1：制备锂-空气电池)

在碳纸上以0.412mg/cm²的量涂布导电材料superp以制备空气电极，并且另外在pe隔膜薄膜的一侧上以0.626mg/cm²的量涂布superp以制备隔膜。准备厚度为150μm的锂金属作为负极。将1.0m的锂盐lin(cf3so2)2加入到醚类溶剂四乙二醇二甲醚(tegdme)中以制备电解液。将隔膜浸入电解质中。

将如上所述制备的浸渍在电解质中的空气电极、负极和隔膜以使得隔膜的superp涂层和空气电极的superp涂层彼此面对的方式引入电池壳中，以制备锂-空气电池。

(比较例1：制备锂-空气电池)

在碳纸上以0.674mg/cm²的量涂布导电材料superp以制备空气电极。准备pe隔膜和作为负极的厚度为150μm的锂金属。将1.0m的锂盐lin(cf3so2)2加入到醚类溶剂四乙二醇二甲醚(tegdme)中以制备电解液。将隔膜浸入电解质中。

将如上所述制备的浸渍在电解质中的空气电极、负极和隔膜以使得隔膜的[superp涂层]和空气电极的superp涂层彼此面对的方式引入电池壳中，以制备锂-空气电池。

(比较例2：制备锂-空气电池)

制备碳纸作为空气电极。在pe隔膜薄膜的一侧上以0.669mg/cm²的量涂布superp以制备隔膜。准备厚度为150μm的锂金属作为负极，并将1.0m的锂盐lin(cf3so2)2加入到醚类溶剂四乙二醇二甲醚(tegdme)中以制备电解液。将隔膜浸入电解质中。

将如上所述制备的浸渍在电解质中的空气电极、负极和隔膜以使得隔膜的superp涂层和空气电极的[superp涂层]彼此面对的方式引入电池壳中，以制备锂-空气电池。

[实验：锂-空气电池性能试验]

为了测量实施例1以及比较例1和2中制备的锂-空气电池的放电容量，将它们引入能够进行电化学测量的箱子中。调整箱子以保持1atm的氧气压力和25℃的恒定温度。

使用连接到箱子外部的正极和负极的电线，通过电化学方法测量了放电容量，其中相对于涂布的碳的量以100ma/g的量将电流施加到各个电池以测量放电容量。

将实验结果示于图2中。

如图2所示，比较例1和2的其中仅隔膜或空气电极涂布有导电材料的电池显示了几乎相似的放电容量。相反，实施例1的由于隔膜和空气电极两者都涂布有导电材料而包含比较例1和2的两倍导电材料的电池显示了基本两倍于比较例1和2的放电容量。从该结果可以确认，本发明的锂-空气电池具有非常显著的面积比放电容量。

此外，从比较例1和2的其中使用类似量的导电材料作为彼此不同的表面的涂布材料的电池，确认了面积比放电容量不受导电材料的涂布状态的影响，而受其量的影响。

上面已经对本发明的优选实施方案进行了详细描述。然而，本发明的范围不限于此。在所附权利要求中限定的本发明的基本概念下，本领域技术人员能够完成的这些变化和修改也落在本发明的范围内。

附图标记

10：空气电极

10-1：第一导电材料涂层

20：负极

30：涂布有导电材料的隔膜

30-1：第二导电材料涂层

31：隔膜薄膜

工业应用性

本发明涉及一种锂-空气电池。该锂-空气电池通过使用涂布在正极和隔膜的表面上的足够量的导电材料而显示优异的放电容量和循环寿命。