用于鋰-空氣電池的陰極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于鋰-空氣電池的陰極。陰極可以由在陰極表面上施加由親水性離 子和疏水性離子組成的雙極性材料層形成，以便可以抑制浸漬在陰極中的電解質(zhì)的揮發(fā)， 并且可以防止?jié)駳鈴耐饨缌魅?，從而提高?空氣電池的壽命。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了找到對于在可持續(xù)經(jīng)濟增長中的化石燃料消耗、高油價和由環(huán)境污染造成的 全球變暖的解決方案，不僅對于新的可再生能源的開發(fā)，而且用于有效能源使用的儲能技 術(shù)的興趣在全世界已迅速增長。例如，現(xiàn)今具有高達約97%的外國能源依賴的韓國在京都 議定書的第二個指定時期期間（2013年至2017年）將遇到溫室氣體減排義務的嚴重壓力， 并且同時，經(jīng)濟缺點諸如支付不履行義務的環(huán)保費用是可以預期的。
[0003] 因此，為了有效能源使用的儲能技術(shù)的開發(fā)已被認為是重要事務，這可決定韓國 經(jīng)濟的未來，并且進一步地，可以預期作為下一步的事務的、通過減少對其它國家的能源依 賴可以確保能源安全會快速增長。
[0004] 因而，為了增強這些問題，可能需要在用于具有高能量密度的電池系統(tǒng)的技術(shù)中 的進展，并且作為對這些的解決方案，發(fā)達國家諸如美國、日本等開始對開發(fā)鋰-空氣電池 越來越感興趣。
[0005] 例如，可以以在空氣中的無限氧供給的鋰-空氣電池可具有高能量密度的優(yōu)點， 因為所述電池通過具有大的比表面積的空氣電極可存儲大量能量。鋰金屬的能量密度可以 為約11140Wh/kg，接近汽油和柴油燃料的能量密度，并且從理論上說，可以獲得高能量密度 因為蓄電池可從外界接收氧供給。當計算鋰-空氣電池的理論能量密度時，在當前用于下 一代二次電池的候選中，所述電池可在提供約3500Wh/kg的最高能量密度，這可能是鋰離 子電池能量密度的約10倍高。
[0006] 鋰-空氣電池是一種電池系統(tǒng)，其陽極使用鋰且陰極（空氣電極）使用空氣中的 氧分別作為活性材料。在陽極中發(fā)生鋰的氧化和還原，并且在陰極中發(fā)生從外界流入的氧 的氧化和還原。
[0007] 如在下述化學式1和化學式2中所示，在鋰-空氣電池中，陽極的鋰金屬在放電反 應期間被氧化，從而形成鋰離子和電子，然后鋰離子通過電解質(zhì)移動到陰極，并且電子通過 外部導線或集電器移動到陰極。包含在外部空氣中的氧流入到陰極中，然后通過電子還原 以形成Li 2O2。充電反應與該反應相反地進行。
[0008] 化學式1
[0009] (陽極）：Li - Li++e
[0010] 化學式2
[0011] (陰極）：02+2Li++2e - Li 202
[0012] 參考化學式2,由鋰和氧的反應制備氧化鋰（Li2O2)，并且該反應發(fā)生在固（導電材 料）_液（電解質(zhì)）_氣（氧）的3-相界面處。因此，因為當適當?shù)靥峁┤嘟缑鏁r電池被 有效地充電和放電，所以其適當控制已作為鋰-空氣電池最重要的問題來研究。
[0013] 另一方面，當將液體電解質(zhì)用于必須需要空氣（氧）循環(huán)的鋰-空氣電池時，可存 在問題，例如，隨著反應的進行可發(fā)生電解質(zhì)溶液的揮發(fā)，并且向反應部位提供電解質(zhì)以便 反應積極發(fā)生可能是困難的。
[0014] 因此，已進行了用于以固型或混合型電解質(zhì)代替有機型電解質(zhì)的研究，但此類限 制沒有被克服，因為該電解質(zhì)可能比有機型鋰-空氣電池具有更加復雜的結(jié)構(gòu)和較低的能 量密度。
[0015] 因而，迫切需要開發(fā)防止有機電解質(zhì)的揮發(fā)并且接收三相界面的適當供給的 鋰-空氣電池。
[0016] 在該【背景技術(shù)】部分中所公開的以上信息僅用于增強對本發(fā)明背景的理解，并且因 此可包含沒有形成本國中本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 在優(yōu)選的方面中，本發(fā)明提供用于鋰-空氣電池的陰極（空氣電極）以解決在現(xiàn) 有技術(shù)中的上述問題。由于本發(fā)明的陰極，可以抑制電解質(zhì)的揮發(fā)，并且順利地，電解質(zhì)可 以被有效地供給到發(fā)生反應的反應部位。
[0018] 然而，本發(fā)明可不限于上述目的的陰極，但本發(fā)明的陰極將由本領(lǐng)域技術(shù)人員從 下面的描述中為其他目的清楚地理解。
[0019] 在一個方面，本發(fā)明提供用于鋰-空氣電池的陰極，其可包括：結(jié)構(gòu)；在結(jié)構(gòu)上涂 覆的碳材料；以及雙極性材料層，特別地，雙極性材料層可以由將雙極性材料涂覆或附著到 結(jié)構(gòu)的表面形成。特別地，雙極性材料層可以聚合物刷狀結(jié)構(gòu)形成。進一步地，特別地，雙 極性材料可以包括在聚合物刷狀結(jié)構(gòu)中面向結(jié)構(gòu)的表面的疏水性離子部分，和與疏水性離 子相反定位的親水性離子部分。
[0020] 親水性離子部分可以選自任選地被具有1個至15個碳原子的烷基取代的咪唑鑰、 P比挫鐵、二唑鐵、卩莖唑鐵、噁唑鐵、啦嘆鐵、嗤陡鐵、吡嘆鐵、錢、鱗鐵、吡陡鐵、吡略燒鐵以及 它們的混合物中的一種。另選地，親水性離子部分可以選自乙基甲基咪唑鑰、丁基甲基咪唑 鑰、己基甲基咪唑鑰、辛基甲基咪唑鑰、乙基二甲基咪唑鑰、丁基二甲基咪唑鑰、己基二甲基 咪唑鑰、辛基二甲基咪唑鑰以及它們的混合物中的一種。
[0021] 疏水性離子部分可以選自由 PF6、BF4、CF3SO3、N(CF 3SO2)2、N(C2F5SO 2)2、 C (CF2SO2) 3以及它們的混合物中的一種。
[0022] 雙極性材料層可以被涂覆或附著到結(jié)構(gòu)的一側(cè)或兩側(cè)。
[0023] 進一步地，雙極性材料層可以由，例如通過浸涂涂覆、模壓涂覆、輯涂、刮刀涂覆以 及它們的組合方法中的任一種方法，將雙極性材料涂覆到結(jié)構(gòu)的表面形成。特別地，雙極性 材料可以被涂覆或附著到結(jié)構(gòu)的表面，然后碳材料可以被涂覆在結(jié)構(gòu)上。
[0024] 另選地，碳材料可以被涂覆在結(jié)構(gòu)上，并且然后雙極性材料可以被涂覆或附著到 結(jié)構(gòu)的表面。
[0025] 在另一方面，本發(fā)明提供包括如本文所述的陰極的鋰-空氣電池。
[0026] 本發(fā)明的其它方面和優(yōu)選的實施方式在下文討論。
【附圖說明】
[0027] 本發(fā)明的以上和其它特點現(xiàn)在將參考附圖示出的其某些示例性實施方式詳細描 述，所述附圖僅以說明的方式在下文給定，因而不是本發(fā)明的限制，并且其中：
[0028] 圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式用于示例性鋰-空氣電池的示例性陰極 的示例性剖視圖；
[0029] 圖2A-圖2B是用于說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的一個示例性雙極性材料 形成位置的示例性參考視圖；
[0030] 圖3是用于闡明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式示例性親水性離子可以如何抑制 電解液的揮發(fā)的示例性參考視圖；
[0031] 圖4是用于闡明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式示例性疏水性離子可以如何防止 濕氣從外界入侵的示例性參考視圖；以及
[0032] 圖5是用于說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的示例性鋰-空氣電池的示例性剖 視圖。
[0033] 應當理解，所附附圖未必按比例繪制，呈現(xiàn)了本發(fā)明的基本原理的各種優(yōu)選特征 的略微簡化的表示。如本文所公開本發(fā)明的具體設(shè)計特征包括例如，具體尺寸、取向、位置 和形狀將部分地由特定的預期應用和使用環(huán)境來確定。
[0034] 在附圖中，貫穿附圖的若干附圖的參考標號是指本發(fā)明的相同或等同部件。
【具體實施方式】
[0035] 這里使用的術(shù)語僅用于描述特定的實施例，而不意味著限制本發(fā)明。如這里所用， 單數(shù)形式"一個"、"一"和"該"意味著包括復數(shù)形式，除非上下文另外明確指出。應該進一 步理解，當術(shù)語"包括"和/或"包含"用于本說明書時，規(guī)定所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元 件和/或組件的存在，但不排除一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或其 群組的存在或添加。如這里所用，術(shù)語"和/或"包括一個或多個關(guān)聯(lián)的列出項的任何和所 有的組合。
[0036] 除非具體規(guī)定或從上下文顯而易見，如這里所用，在本領(lǐng)域中術(shù)語"大約"應理解 為在一系列標準公差之內(nèi)，例如在2的平均值標準差之內(nèi)。"約"可以理解為在規(guī)定值的 10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%