用于锂-空气电池的正电极及其制备方法
【技术领域】
[00011 本申请要求于2013年9月13日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2013-0110193号的优先权和权益，并且其全部内容通过引用并入本文。
[0002] 本公开内容涉及用于锂-空气电池的正电极及其制备方法。
【背景技术】
[0003] 电池被广泛地用作电气设备的电源装置，并且这些电池包括一次电池如锰电池、 碱性锰电池、锌-空气电池，以及二次电池如镍镉(Ni-Cd)电池、镍氢(Ni-MH)电池和锂离子 电池。
[0004] 目前，使用最广泛的二次电池是锂离子电池，然而，仍然存在许多亟待解决的问 题，并且已暴露出许多限制，例如相对低的理论单位能量密度和天然锂储量。因此，对于能 够节省制造成本同时表现出高性能的可替代锂离子二次电池的下一代二次电池的需求，已 提出了金属-空气电池如锂-空气电池。
[0005] 锂-空气电池的能量密度是现有锂离子电池的10倍高，并且表现出与汽油的效率 相匹敌的效率，因而能够显著减小电池的体积和重量。
[0006] 锂-空气电池的理论能量密度为3000Wh/kg或更大，并且这相当于锂离子电池的能 量密度的约10倍。此外，锂-空气电池的优点在于：与锂离子电池相比，其环保并且更稳定， 然而，对于商业化，仍然有许多问题亟待解决，包括充放电寿命、提高效率等。
[0007] 因此，需要对锂-空气电池的商业化进行研究。
[0008] 公开内容
[0009] 技术问题
[0010] 本公开内容的一个目的是提供用于锂-空气电池的正电极及其制备方法，所述正 电极能够提高电极的导电性和机械强度，并增加电极的负载量。
[0011] 本公开内容的目的不限于上述目的，并且根据以下描述本领域技术人员将清楚地 理解未描述的其他目的。
[0012]技术方案
[0013] 本公开内容的一个实施方案提供了一种用于锂-空气电池的正电极，其包括由多 孔金属形成的正电极集电体;和设置在所述正电极集电体上并且包含导电材料和用于氧还 原的催化剂的正电极活性层。
[0014] 本公开内容的另一个实施方案提供了一种用于制备锂-空气电池的正电极的方 法，所述方法通过在由多孔金属形成的正电极集电体表面上涂覆包含导电材料的正电极材 料来形成正电极活性层。
[0015] 本公开内容的又一个实施方案提供了一种锂-空气电池，其包括正电极;与正电极 相对布置并且接受和释放锂离子的负电极;和设置在负电极与正电极之间的电解质。
[0016] 本公开内容的又一个实施方案提供了一种包括所述锂-空气电池作为单体电池的 电池模块。
[0017]有益效果
[0018] 根据本公开内容之一个实施方案的锂-空气电池正电极的优点在于其提高了电极 的导电性和机械强度、提高了负载量，并通过增加电池容量提高了电池性能。此外，用于制 备所述正电极的方法可以通过简单的工艺实现经济的工艺和节约成本的效果。
【附图说明】
[0019] 图1示出了锂-空气电池的模拟图。
[0020]图2示出了实施例1和比较例1的放电曲线。
[0021] 10:正电极集电体
[0022] 20:正电极活性层
[0023] 30:负电极
[0024] 40:电解质
[0025] 50:隔膜(隔板）
[0026] 100:正电极
【具体实施方式】
[0027] 当结合附图参考以下详细描述的实施方案时，本申请的优点和特征、以及实现这 些优点和特征的方法将变得清晰。然而，本申请不限于下述实施方案，并且将以多种不同的 形式来实现，本实施方案使得本申请完整地传达，提供本实施方案是为了使本申请相关领 域的技术人员完全了解本发明的范围，并且本申请仅由权利要求书的范围来限定。为了使 描述清楚，可放大附图中所示的构成的尺寸和相对尺寸。
[0028] 除非另有说明，否则本说明书中使用的所有术语(包括技术和科学术语)可根据本 申请相关领域的技术人员通常可理解的含义来使用。此外，除非另有明确地具体定义，否则 不应理想地或过度地解释常用词典中定义的术语。
[0029] 在下文中，将对本公开内容进行详细描述。
[0030] 本公开内容的一个方面提供了一种用于锂-空气电池的正电极，其包括由多孔金 属形成的正电极集电体;和设置在所述正电极集电体上并且包含导电材料和用于氧还原的 催化剂的正电极活性层。
[0031 ]在此，多孔金属是指含有孔的结构。
[0032] 多孔碳纸已被用作现有锂-空气电池的正电极集电体，并且该材料的优点在于氧 容易渗透、可控制空气中的水分并且该材料轻。然而，存在这样的问题:碳纸仅起传输电子 的作用和促进外部氧扩散到电池内的作用，而不直接参与电化学反应。此外，问题还在于由 于机械强度弱，碳纸难以加工，并且在碳纸上涂覆电极材料的工艺并不简单。
[0033] 本公开内容认识到碳纸的问题，并引入多孔金属作为正电极集电体以解决所述问 题。多孔金属起传输电子和使外部氧扩散到电池内的作用，并且还可提高反应速率，优势如 下:根据金属的类型，通过直接参与电化学反应来改善电池的电化学性能。因此，通过使用 本公开内容的引入正电极集电体的正电极，可通过改善电池性能来制备高容量的电池，并 且可改善电池的循环性能。此外，在多孔金属上涂覆电极材料的工艺简单，因此，在电池制 备工艺方面也有优势。
[0034] 多孔金属的孔径可大于或等于20纳米并且小于或等于1毫米。当孔径为20纳米或 更大时，可以防止在孔太小时发生的妨碍氧充分扩散的问题，当孔径为1毫米或更小时，可 均匀地制备电极的厚度。如果孔径过大，在将正电极材料涂覆到正电极集电体的表面上时 正电极材料可逃逸入孔内部，这导致电极的厚度不均匀，因此优选孔径为1毫米或更小。
[0035] 多孔金属的孔隙率可为10%或更大，更特别为20%或更大，并且为50%或更小，更 特别为40 %或更小。
[0036] 多孔金属可包括金属箱、金属网或金属泡沫，并且优选为金属箱。在金属箱的情况 下，加工均匀间隔的孔或洞容易完成。此外，存在电解质容易挥发，并且电极涂覆变得简单 的优势。
[0037]在金属网的情况下，形成网结构的单元结构形状没有限制，并且形状如三角形、四 边形、五边形、多边形或梯形可以规则或不规则地重复。
[0038]多孔金属可包括选自周期表中IA族至VA族元素和IB族至VIIIB族元素的任一种， 或者两种或更多种的合金，并且特别包括选自以下的任一种，或者两种或更多种的合金： 铁、不锈钢、铝、铜、镍、锌、镁、锡、钛、锰、铬、铟、铂、钌、铑、钯、锇、铱、金和银。不锈钢可包括 STS或SUS。
[0039]正电极集电体的厚度可以为10微米或更大，更具体地15微米或更大，可以为50微 米或更小，更具体地30微米或更小。10微米或更大的厚度在孔加工和机械强度方面是有利 的，并且50微米或更小的厚度可以防止集电体的电阻过度增加，并且在孔加工方面也是有 利的。
[0040]正电极活性层的厚度可以为10微米或更大，更特别为20微米或更大，可以为100微 米或更小，更特别为80微米或更小。20微米或更大的厚度可防止电化学反应面积变得过小， 并防止容量受限，而100微米或更小的厚度可以防止电极反应面积的效率降低。
[0041 ]正电极活性层包含导电材料。
[0042]导电材料没有特别限制，只要该材料具有导电性且不引起电池的化学变化即可， 然而，其实例可包括选自碳素材料、导电聚合物、导电纤维和金属粉末的一种，或者两种或 更多种的混合物。
[0043]碳素材料没有限制，只要该材料具有多孔结构或高的比表面积即可，并且其具体 实例可包括选自以下的一种、两种或更多种:介孔碳、石墨、石墨烯、炭黑、乙炔黑、高导电乙 炔碳黑（
）、科琴黑（
）、碳纳米管、碳纤维、富勒烯和活