空氣電池正極、包括其的鋰空氣電池及其製備方法
2023-09-18 11:35:45 1
空氣電池正極、包括其的鋰空氣電池及其製備方法
【專利摘要】空氣電池正極包括：包含疏液納米孔的有機-無機複合材料，所述有機-無機複合材料包括多孔金屬氧化物和在所述多孔金屬氧化物的孔的表面上且具有大於約90°的接觸角的疏液塗層；和粘合劑。還有包括所述正極的鋰空氣電池和製造所述正極的方法。
【專利說明】空氣電池正極、包括其的鋰空氣電池及其製備方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年2月21日提交的韓國專利申請N0.10-2013-0018830的優先權和權益、以及由其產生的所有權益，將其內容完全引入本文作為參考。
【技術領域】
[0003]本公開內容涉及正極、包括其的鋰空氣電池以及其製備方法。
【背景技術】
[0004]鋰空氣電池包括能夠嵌入和脫嵌鋰的負極、其中發生氧氣的氧化或還原的正極、以及設置在負極和正極之間的電解質。
[0005]由於鋰空氣電池使用鋰金屬作為負極並且不必將正極活性物質(即，空氣中的氧氣)存儲在電池內，因此鋰空氣電池可具有高容量。鋰空氣電池具有3，500瓦時/千克(Wh/kg)或更大的高的每單位重量的理論能量密度，其為鋰離子電池的約十倍大。
[0006]已經公開了，在多孔正極內出現氧氣的濃度梯度，並且氧氣的濃度在鄰近於隔板的區域中降低。因此，由於在鄰近於隔板的區域中低的氧氣濃度，正極的放電容量可受到限制。為了提高傳送至正極內部的氧氣的濃度，可提高正極的孔隙度。然而，關於具有改善的孔隙度的正極，電解質的浸潰提高，並且因此氧氣傳送可被阻擋。
[0007]因此，對於通過在不提高電解質在正極內的浸潰的情況下提高正極活性物質的濃度而改善鋰空氣電池的放電容量的方法存在需求。
【發明內容】
[0008]提供包括新型的有機-無機複合材料的正極。
[0009]提供包括所述正極的鋰空氣電池。
[0010]提供製造所述複合材料的方法。
[0011]另外的方面將在以下描述中部分地闡明且部分地將由所述描述明晰。
[0012]根據一個方面，空氣電池正極包括:具有疏液納米孔的有機-無機複合材料，所述有機-無機複合材料包括多孔材料、和在所述多孔材料的納米孔的表面上的疏液塗層；和粘合劑。
[0013]根據另一方面，鋰空氣電池包括能夠吸收和解吸鋰離子的負極；所述空氣電池正極；以及設置在所述正極和所述負極之間的電解質。
[0014]根據另一方面，製造空氣電池正極的方法包括將有機-無機複合材料和粘合劑組合以製造所述正極，其中所述有機-無機複合材料通過如下製造:將多孔材料用包括能鍵合至所述多孔材料的反應性官能團的反應性化合物浸潰；和使所述反應性化合物化學鍵合至所述多孔材料的表面以在所述多孔材料的表面上形成疏液塗層，以製造所述有機-無機複合材料。【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]由結合附圖考慮的實施方式的以下描述，這些和/或其它方面將變得明晰和更容易理解，其中:
[0016]圖1為鋰空氣電池的實施方式的結構的示意圖；
[0017]圖2A-2C為實施例1中用於製造複合材料的多孔二氧化矽的高解析度透射電子顯微鏡(「 HR-TEM 」)圖像；
[0018]圖3為對在多孔表面上形成化學鍵的反應的實施方式進行說明的示意圖；
[0019]圖4為對測量接觸角的方法進行說明的示意圖；
[0020]圖5為對根據實施例1和對比例I製備的材料的孔分布進行說明的增量孔體積(立方釐米/克，cm V g)對孔徑(納米，nm)的圖；和
[0021]圖6為對根據實施例7-9以及對比例9和12製備的鋰空氣電池的首次充電和放電循環進行說明的電壓(伏，V)對比容量(毫安時/克，mAh/g)的圖。
【具體實施方式】
[0022]現在將詳細介紹正極、包括所述正極的鋰空氣電池以及其製備方法的實施方式，其實例示於附圖中，其中相同的附圖標記始終表示相同的元件。在這點上，本實施方式可具有不同的形式並且不應被 解釋為限於本文中所闡述的描述。因此，以下僅通過參照附圖描述實施方式，以解釋本描述的各方面。如本文中使用的，術語「和/或」包括相關列舉項目的一個或多個的任意和全部組合。「或」意味著「和/或」。例如的至少一個(種)」的表述當位於要素列表之後或之前時修飾整個要素列表，而不修飾該列表的單獨要素。
[0023]將理解，當一個元件被稱為「在」另外的元件「上」時，其可以直接在所述另外的元件上或者其間可存在中間元件。相反，當一個元件被稱為「直接在」另外的元件「上」時，則不存在中間元件。
[0024]將理解，儘管術語「第一」、「第二」、「第三」等可用在本文中描述各種元件、組分、區域、層和/或部分，但是這些元件、組分、區域、層和/或部分不應受這些術語限制。這些術語僅用於將一個元件、組分、區域、層或部分與另外的元件、組分、區域、層或部分區分開。因此，在不脫離本文中教導的情況下，下面討論的第一「元件」、「組分」、「區域」、「層」或「部分」可稱為第二元件、組分、區域、層或部分。
[0025]本文所使用的術語僅用於描述【具體實施方式】的目的，而不意圖為限制性的。如本文中使用的，單數形式「一個(種)(a，an)」和「該(所述)」也意圖包括複數形式(包括「至少一個(種)」)，除非上下文清楚地另外指明。將進一步理解，當用在本說明書中時，術語「包含」或「包括」表明存在所述特徵、區域、整體、步驟、操作、元件和/或組分，但是不排除存在或增加一個或多個其它特徵、區域、整體、步驟、操作、元件、組分、和/或其集合。
[0026]為了便於描述，在本文中可使用空間相對術語例如「在……之下」、「在……下面」、「下部」、「在……上方」、「上部」等來描述如圖中所示的一個元件或特徵與另外的元件或特徵的關係。將理解，除圖中所示的方位以外，空間相對術語還意圖包含在使用或操作中的器件的不同方位。例如，如果圖中的器件翻轉，則描述為「在」其它元件或特徵「下面」或「之下」的元件將定向「在」其它元件或特徵「上方」。因此，示例性術語「在……下面」可包含在…上方和在…下面兩種方位。器件可以其它方式定向(旋轉90度或在其它方位上)，並且在本文中使用的空間相對描述詞相應地進行解釋。
[0027]如本文中使用的「約」或「大約」包括所述值，並且意味著在如本領域普通技術人員所確定的對於具體值的可接受的偏差範圍內，考慮到所討論的測量以及與具體量的測量有關的誤差(即，測量系統的限制)。例如，「約」可意味著在所述值的一個或多個標準偏差內，或者在所述值的土 30%、20%、10%、5%內。
[0028]除非另外定義，在本文中所使用的所有術語(包括技術和科學術語)的含義與本公開內容所屬領域的普通技術人員通常理解的含義相同。將進一步理解，術語例如在常用詞典中定義的那些應被解釋為其含義與它們在相關領域和本公開內容的範圍中的含義一致，並且除非在本文中清楚地如此定義，否則所述術語將不以理想化或過度形式的意義進行解釋。
[0029]本文中參照橫截面圖描述示例性實施方式，所述橫截面圖是理想化實施方式的示意圖。因而，將預計到由於例如製造技術和/或公差導致的與圖示形狀的變化。因此，本文中描述的實施方式不應解釋為局限於本文中圖示的區域的特定形狀，而是包含由於例如製造導致的形狀的偏差。例如，圖示或描述為平坦的區域可典型地具有粗糙和/或非線性的特徵。此外，圖示的尖銳的角可為圓的。因此，圖中所示的區域在本質上是示意性的，並且它們的形狀不意圖說明區域的精確形狀且不意圖限制本發明權利要求的範圍。
[0030]「烷氧基」指經由氧連接的烷基(即，-O-烷基)。C1-C30烷氧基的非限制性實例包括甲氧基、乙氧基、丙氧基、異丁氧基、仲丁氧基、戍氧基、異戍氧基和己氧基。
[0031]「烷基」指具有規定數量的碳原子、特別是1-12個碳原子、更特別地1-6個碳原子的直鏈或支鏈的飽和脂族烴基團。烷基包括例如具有1-50個碳原子的基團(C1-C50烷基)。
[0032]根據實施方式的正極包括:具有疏液納米孔的有機-無機複合材料；和粘合劑，其中使用氧氣作為正極活性物質。
[0033]鋰空氣電池可使用含水電解質和/或有機非水電解質作為電解質。當使用有機非水電解質時，鋰空氣電池的反應機理可由以下反應方案I表示:
[0034]反應方案I
[0035]
【權利要求】
1.空氣電池正極，包括: 包含疏液納米孔的有機-無機複合材料，所述有機-無機複合材料包含多孔材料，和 在所述多孔材料的納米孔的表面上的疏液塗層；和粘合劑。
2.權利要求1的正極，其中所述多孔材料的孔是有序的。
3.權利要求1的正極，其中所述多孔材料的孔具有周期性的孔結構，和所述疏液塗層具有大於90°的接觸角。
4.權利要求1的正極，其中所述複合材料具有在3納米-50納米範圍內的平均孔徑。
5.權利要求4的正極，其中所述複合材料具有在3納米-50納米的範圍內的所述複合材料的孔徑分布中的峰，和孔的75%具有3納米-50納米的尺寸。
6.權利要求4的正極，其中基於所述有機-無機複合材料的總重量，所述疏液塗層的量為2重量％-50重量％。
7.權利要求1的正極，其中所述複合材料具有在3納米-15納米範圍內的平均孔徑。
8.權利要求1的正極，其中所述複合材料為顆粒的形式。
9.權利要求1的正極，其中所述多孔材料為多孔金屬氧化物，和所述疏液塗層設置在所述多孔金屬氧化物的疏液納米孔的至少一部分上。
10.權利要求9的正極，其中所述金屬氧化物包含周期表第2-14族的至少一種元素。
11.權利要求9的正極,其中所述金屬氧化物包含如下的至少一種:Mg、Al、S1、P、Ca、T1、V、Ga、Ge、Sr、Zr、Nb、Mo、In、Sn、Hf、Ta 或 W。
12.權利要求9的正極，其中所述疏液塗層化學鍵合至所述多孔金屬氧化物。
13.權利要求9的正極，其中所述疏液塗層包含鍵合至所述多孔金屬氧化物的孔的表面的有機化合物。
14.權利要求1的正極，其中所述疏液塗層包含如下的至少一種元素:F、Cl、Br或I。
15.權利要求1的正極，其中所述疏液塗層包含矽。
16.權利要求1的正極，其中所述疏液塗層具有在0.1納米-20納米範圍內的厚度。
17.權利要求1的正極,其中基於所述正極的總重量，以在I重量％_20重量％範圍內的量含有所述複合材料。
18.鋰空氣電池，包含: 能夠吸收和解吸鋰離子的負極； 根據權利要求1-17任一項的空氣電池正極；和 設置在所述負極和所述正極之間的電解質。
19.製造根據權利要求1-17任一項的空氣電池正極的方法，所述方法包括將有機-無機複合材料和粘合劑組合以製造所述正極，其中所述有機-無機複合材料通過如下製造: 將多孔材料用包含能鍵合至所述多孔材料的反應性官能團的反應性化合物浸潰；和 使所述反應性化合物化學鍵合至所述多孔材料的表面以在所述多孔材料的表面上形成疏液塗層，以製造所述有機-無機複合材料。
20.權利要求19的方法，其中所述化學鍵合在40°C或更高的溫度下進行。
21.權利要求19的方法，其中所述反應性官能團為輕基、硫醇基團、燒氧基、燒硫基、齒素基團、醛基、羧基、或者羧酸根基團。
22.權利要求21的方法，其中所述多孔材料為多孔金屬氧化物，和所述反應性化合物為矽烷。
【文檔編號】H01M4/86GK104009240SQ201410060077
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月21日 優先權日:2013年2月21日
【發明者】V.羅弗, 林東民, 馬祥福, 崔源成, 樸珉植, 李東埈 申請人:三星電子株式會社