锂空气电池正极及包含该正极的锂空气电池的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于锂空气电池的正极及包括该正极的锂空气电池，更具体地，涉及一种用于锂空气电池的正极，该正极含有氧气作为正极活性材料，且包括含有在表面上形成过渡金属沉积层的气体扩散电极；以及涉及包括上述结构的锂空气电池。
【专利说明】
锂空气电池正极及包含该正极的锂空气电池
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种锂-空气电池的正极，以及包含该正极的锂-空气电池。
【【背景技术】】
[0002]目前，锂二次电池作为下一代电池越来越受到关注，但是装有锂二次电池的电动汽车是不便的，原因在于其单次充电行驶距离太短而无法与由发动机运行的汽车相竞争。
[0003]为解决锂电池的上述问题，锂-空气电池最近被积极地研究。锂空气电池具有3000Wh/kg或更高的理论能量密度，相当于锂离子电池能量密度的约10倍。而且，锂空气电池是环境友好的，且相比锂离子电池具有更高的安全性。
[0004]通常，在锂空气电池中，空气作为正极活性材料，并且，与空气具有电位差的锂金属、及其合金、或锂嵌碳或类似物作为负极。此外，还存在使用可形成二价离子的金属，例如Zn、Mg或Ca，形成三价金属的离子的金属，如Al、或及其合金作为负极的情况。
[0005]当锂-空气电池放电，从负极释放的金属离子与正极侧的空气(氧气)反应生成金属氧化物。当锂-空气电池充电，所产生的金属氧化物被还原为金属离子和空气。
[0006]锂-空气电池的空气电极的主要成分是碳，其作为催化剂、氧气、和锂离子相互接触发生反应的场所，并且，空气电极包含氧化物，其功能作为催化剂，以在放电过程有效还原氧气，并且在充电过程从金属氧化物有效产生氧气。
[0007]以往，在锂-空气电池中，该氧化物以颗粒的形式被制备，与粘合剂一起，以浆料的形式应用。然而，在这种情况下，出现这样的问题，即碳与放电中间体Li2O反应，会降低充电/放电效率。
【
【发明内容】
】
[0008]【技术问题】
[0009]为解决现有技术中的上述问题，本发明直接提供了一种锂-空气电池正极及包含该正极的锂-空气电池，其中，正极具有新颖的结构并且包含用于锂-空气电池正极的催化剂。
[0010]【技术方案】
[0011]为解决上述问题，本发明提供了一种锂-空气电池正极，其中氧气是正极活性材料，且正极包括由碳布、碳纸、碳毡组成的组中选出的气体扩散电极、和氧气选择性渗透膜；以及形成在气体扩散电极的表面上的过渡金属沉积层。
[0012]图1示意性地示出了本发明的锂-空气电池的结构。如图1所示，在锂-空气电池中，电解质18置于紙邻第一集流体(col lector) 12并能够吸收和释放锂离子的负极13与使用氧气作为活性材料且形成在第二集流体14上的正极15之间。锂-离子-导电的固体电解质膜16可以插入在该负极13和正极15之间，并且隔膜(未显示)可以插入在该固体电解质膜16和正极15之间。
[0013]在本发明的锂-空气电池的正极中，过渡金属是选自由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 组成的组中的任何一种。
[0014]在本发明的锂-空气电池的正极中，气体扩散电极可能进一步包含导电材料。在本发明的空气电池正极中，导电材料是碳基材料，其例子包括炭黑、石墨、石墨烯、活性炭和碳纤维。
[0015]本发明的空气电池的正极进一步包含氧气还原/氧化(氧化还原)催化剂。
[0016]此外，本发明提供了一种锂-空气电池，其包括本发明的正极;能够吸收和释放锂离子的负极；以及非水电解质。
[0017]【有益效果】
[0018]本发明的锂-空气电池的正极可通过具有包括用电化学方法沉积的过渡金属层的气体扩散电极，抑制与放电中间体Li2O的反应，来提高使用寿命特性，并可以通过提高电子传导性提高充电/放电效率。
【【附图说明】】
[0019]图1表示锂-空气电池的结构。
[0020]图2至5是根据实施例1-4分别制备的、每一个都包括过渡金属沉积层的锂-空气电池的充电/放电特性的测量结果。
【【具体实施方式】】
[0021]以下，对本发明进行更详细地参照实施例说明。然而，本发明并不受以下实施例的限制。
[0022]〈实施例1>
[0023]碳黑(super P)，是一种导电材料，将其与聚偏二氟乙烯(PVDF)以80: 20的重量比混合并分散在N-甲基-2吡咯烷酮中以制备用于正极活性材料层的组合物。用于正极活性材料层的组合物被涂布在作为气体扩散电极的碳纸(TGP-H-030，Toray Industries，Inc.)上然后进行干燥，制作电极。
[0024]钴溶液是通过将40g二氯化钴(CoCl2)添加于240ml水中制备。所制作的电极浸渍在钴溶液中，然后通过施加10分钟的4V电压使钴沉积其上以制备正极。锂金属箔用作负极。
[0025]通过在该制作的正极上形成孔以易于氧气渗透，以及使用该负极和多孔玻璃过滤件(Whatman?)制成硬币电池型锂-空气电池。将含有IM浓度的溶解在四乙二醇二甲醚溶剂的LiCF3SO3的液体电解质注入该正极和负极之间，以制作锂-空气电池。
[0026]〈实施例2>
[0027]以与实施例1中相同的方式制造锂-空气电池，除了通过施加3V电压3分钟以沉积钴来制造该正极之外。
[0028]〈实施例3>
[0029]以与实施例1中相同的方式制造锂-空气电池，除了通过用硝酸银(AgNO3)制备银溶液，而后沉积银金属来制作正极之外。
[0030]〈实施例4>
[0031]以与实施例1中相同的方式制造锂-空气电池，除了通过用硝酸银(AgNO3)制备银溶液，而后，与实施例1不同的是，在作为气体扩散电极的碳纸(TGP-H-O 3 O，Tor ayIndustries,Inc.)上直接沉积银金属来制作正极。
[0032]〈测试实施例1:锂-空气电池的电化学性能评估〉
[0033]将实施例1至4所制备的锂-空气电池放入充满氧气的腔室，在2.0-4.5V和200mA/g的电流条件下，经受单次10小时的放电和充电，其结果在图2到5分别示出。
[0034]【工业实用性】
[0035]本发明的锂-空气电池的正极可通过包括用电化学法沉积的过渡金属层的气体扩散电极，抑制与放电中间体Li2O反应来提高使用寿命特性，并可以通过提高电子传导性提高充电/放电效率。
【主权项】
1.一种使用氧气作为正极活性材料的锂-空气电池的正极，其包括: 选自由碳布、碳纸、碳毡和氧气选择性渗透膜组成的组中的气体扩散电极；以及 在气体扩散电极表面的表面上形成的过渡金属沉积层。2.如权利要求1所述的正极，其中过渡金属是选自*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 组成的组中的一种或多种。3.如权利要求1所述的正极，其中所述气体扩散电极进一步包含导电材料。4.如权利要求3所述的正极，其中，所述导电材料是选自由炭黑、石墨、石墨稀、活性炭和碳纤维组成的组中的碳基材料。5.如权利要求1所述的正极，其中所述正极进一步包含氧气还原/氧化(氧化还原)催化剂。6.一种锂-空气电池，其包括: 如权利要求1所述的正极； 能够吸收或释放锂离子的负极；以及 非水电解质。
【文档编号】H01M4/133GK105874632SQ201480063293
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年11月19日
【发明人】宣良国, 朴晋范
【申请人】汉阳大学校产学协力团