锂空气电池正极及包含该正极的锂空气电池制造技术

本发明专利技术涉及一种用于锂空气电池的正极，及包含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，该正极包含中孔碳作为氧气的氧化还原催化剂；以及涉及一种包含该正极的锂空气电池。根据本发明专利技术的锂空气电池的正极可以通过利用中孔碳作为氧气的氧化还原催化剂实现高的充电和放电容量，进而改善能量效率和容量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种锂-空气电池的正极，以及包含该正极的锂-空气电池，并且，更具体地涉及一种含有中孔碳作为氧气还原/氧化(氧化还原)催化剂的锂-空气电池正极，以及包含该正极的锂-空气电池。
技术介绍
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以致于无法与由发动机运行的汽车相竞争。为解决锂电池的上述问题，锂-空气电池最近已被积极地研究。锂空气电池具有3000Wh/kg或更高的理论能量密度，其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，且相比锂离子电池能提供具有更高的安全性。图1示出这样的锂-空气电池的基本结构。如图1所示，锂-空气电池包括碳基的、气体扩散型氧气电极作为正极10，锂金属或锂化合物作为负极20，以及设置在正极10和负极20之间的有机电解质30。当锂-空气电池正在被放电时，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-空气电池正在被充电时，所述生成的金属氧化物被还原为金属离子和空气。通常，在锂-空气电池中，空气被用作正极活性材料，并且，与空气具有电位差的锂金属、及其合金、或插入碳中的锂或类似物被用作负极。此外，还存在使用形成二价离子的金属，例如Zn、Mg或Ca，形成三价离子的金属，如Al、或及其合金作为负极的情况。锂-空气电池的正极，即空气电极，含有碳，例如碳黑、碳纳米管和石墨作为主要成分，其作为催化剂、氧气、和锂离子相互接触发生反应的一个场所。然而，使用该电极的锂-空气电池存在充电/放电能量效率差的问题。【专利
技术实现思路
】【技术问题】为解决现有技术中的上述问题，本专利技术旨在提供一种锂-空气电池正极，其中，该正极包含催化剂，该催化剂具有用于锂-空气电池正极的新颖的结构，且能够提高充电/放电能量效率。【技术方案】为解决上述问题，本专利技术提供了一种锂-空气电池的正极，其使用氧气作为正极活性材料，且中孔碳作为氧气的还原/氧化(氧化还原)催化剂。在本专利技术的锂-空气电池正极中，该中孔碳具有通过Brunauer-Emmett-Teller(BET)法测定为1-5nm的平均孔径。中孔基本上是指尺寸为1-50nm的孔。在本专利技术的锂-空气电池正极中，优选中孔的尺寸被调整至1-20nm的范围内。更优选地，尺寸被调整为1-5nm的范围内。相比传统的粉末或颗粒形式的活性炭，以及相比孔尺寸为5nm或更大的中孔碳，含有具有1-5nm尺寸的孔的中孔碳是更有效的。本专利技术的锂-空气电池的正极中，所述碳例如是炭黑、石墨、石墨烯、活性碳、和碳纤维。具体地，中孔碳可以是含中孔的碳纳米颗粒、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米片、碳纳米条或类似的形式。在本专利技术的锂-空气电池的正极中，中孔碳具有100nm至100μm的平均直径。在本专利技术的锂-空气电池的正极中，如由BET法测得的该中孔碳的比表面积可以为10m2/g或更高，具体地，为50m2/g或更高，并且更具体地，为100m2/g或更高。在本专利技术的锂-空气电池的正极中，当中孔碳的平均直径和比表面积是在上述范围内时，与氧气的接触面积增加，并且改善了锂-空气电池的充电/放电容量，并且从而可以制造大容量的锂-空气电池。本专利技术的锂-空气电池的正极使用氧气作为正极活性材料，并且还进一步包括选自金属颗粒、金属氧化物颗粒、和有机金属化合物中的一种或多种氧化还原催化剂。本专利技术的锂-空气电池的正极中，所述金属颗粒是选自Co、Ni、Fe、Au、Ag、Pt、Ru、Rh、Os、Ir、Pd、Cu、Mn、Ti、V、W、Mo、Nb及其合金中的一种或多种。在本专利技术的锂-空气电池的正极中，所述金属氧化物颗粒是选自锰氧化物、钴氧化物、铁氧化物、锌氧化物、镍氧化物、钒氧化物、钼氧化物、铌氧化物、钛氧化物、钨氧化物、铬氧化物、及其复合氧化物中的一种或多种。该有机金属化合物可以是配位到过渡金属的芳香族杂环化合物，但不限于此，并且可以是在本领域中使用的任何氧气氧化还原催化剂。在本专利技术的锂-空气电池的正极中，包括占正极总重量的0.1-80重量％的选自金属颗粒、金属氧化物颗粒、和有机金属化合物中的一种或多种的氧气的氧化还原催化剂。在本专利技术的锂-空气电池的正极中，所述正极进一步含有粘合剂。粘合剂的实例包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)。在本专利技术的锂-空气电池的正极中，该正极进一步包含碳基材料。在本专利技术的锂-空气电池的正极中，所述正极含有以正极总重量计0.1-77.1重量％的催化剂、0-97重量％的碳基材料、以及2.9-20重量％的粘合剂。此外，本专利技术提供一种锂-空气电池，包括：本专利技术的正极；能够吸收和释放锂离子的负极；和非水电解质。能够吸收和释放锂离子的负极可以是锂金属、锂金属基合金、嵌锂化合物(lithiumintercalationcompound)、或类似物。锂金属基合金的实例可以包括锂与铝、锡、镁、铟、钙、钛和钒的合金。嵌锂化合物可以是碳基材料，如石墨。例如，能够吸收和释放锂离子的负极可以是锂金属和碳基材料，并且，更具体地，基于高容量电池特性的考虑，其可以是锂金属。非水电解质可以用作介质，参与锂-空气电池的电化学反应的离子可以通过其传输。此外，非水电解质可以是不含水的有机溶剂，并且这样的非水有机溶剂可以是碳酸酯基、酯基、醚基、酮基、或基于有机硫的溶剂、基于有机磷的溶剂、或者非质子溶剂。所述非水有机溶剂可以含有锂盐，而该锂盐可以溶解在有机溶剂中以充当电池中锂离子的来源，并且例如，可用于促进负极和锂离子传导性固体电解质膜之间的锂离子迁移。该锂盐可以是选自LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiN(SO2C2F5)2、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、LiClO4、LiAlO2、LiAlCl4、LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(此处，x和y是自然数)、LiF、LiBr、LiCl、LiI、和双草酸硼酸锂(LiB(C2O4)2；LiBOB)中的一种、两种或更多种。锂盐的浓度可以在0.1-2.0M的范围内。当锂盐的浓度在上述范围内时，电解质可表现出优良的电解性能且锂离子能有效地迁移，因为该电解质具有合适的电导率和粘度。除了锂盐，非水有机溶剂可进一步含有另一种金属盐，实例包括AlCl3、MgCl2、NaCl、KCl、NaBr、KBr、和CaCl2。【有益效果】本专利技术的锂-空气电池的正极可通过使用中孔碳作为氧气的氧化还原催化剂实现高的充电/放电容量，从而改善能量效率和容量。【附图说明】图1是空气电池的示意图。图2是根据本专利技术的一个实施例制得的中孔碳的孔径分布测试结果。图3至6是包含根据本专利技术的一个实施例和比较例制得的中孔碳的锂-空气电池的充电/放电特性的测试结果。【具体实施方式】以下，参照实施例对本专利技术进行更详细地说明。然而，本专利技术并不受以下实施例的限制。<制备实施例>中孔碳的制备<制备实施例1>1.7nm中孔碳的制备48gF127加入到含有30g0.2M的盐酸溶液和120g乙醇的溶液中，在40℃下混合1小时。32.2g原硅酸四乙酯加到51.53g乙醇中，在40℃下一起混合1小时。将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂‑空气电池正极，其用氧气作为正极活性材料，且含有中孔碳作为氧气的还原/氧化(氧化还原)催化剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.19 KR 10-2013-01408061.一种锂-空气电池正极，其用氧气作为正极活性材料，且含有中孔碳作为氧气的还原/氧化(氧化还原)催化剂。2.如权利要求1所述的正极，其中该中孔碳具有通过Brunauer-Emmett-Teller(BET)法测得的1-5nm的平均孔径。3.如权利要求1所述的正极，其中该中孔碳具有100nm-100μm的平均直径。4.如权利要求1所述的正极，其中中孔碳具有通过BET法测得的10m2/g或更高的比表面积。5.如权利要求1所述的正极，其进一步包含：选自金属颗粒、金属氧化物颗粒和有机金属化合物中的一种或多种的氧气还原/氧化(氧化还原)催化剂。6.如权利要求5所述的正极，其中该金属颗粒选自Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Ag、Au、Ti、...

【专利技术属性】
技术研发人员：宣良国，朴晋范，
申请(专利权)人：汉阳大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：韩国;KR