用于金属空气电池的正极、包括其的金属空气电池、和制备用于金属空气电池的正极的方法技术

提供用于金属空气电池的正极、包括其的金属空气电池、和制备用于金属空气电池的正极的方法。用于金属空气电池的正极包括锂盐、和具有包覆在表面上并且包含聚合物电解质的聚合物电解质层的碳质材料，所述聚合物电解质包括至少一种类型的亲水材料和至少一种类型的疏水材料，其中所述聚合物电解质的一部分经由非共价或共价键锚定至所述碳质材料的表面。

A positive pole for a metal air battery, a metal air battery including it, and a method for preparing the positive pole for metal air batteries

A positive pole for a metal air battery is provided, a metal air battery including it, and a method for preparing a positive pole for a metal air battery. Carbonaceous material for cathode of metal air battery includes lithium, and having a polymer electrolyte layer is coated on the surface and includes a polymer electrolyte, the polymer electrolyte material includes at least one type of hydrophobic hydrophilic material and at least one type, one part of the polymer electrolyte surface via covalent or non covalent anchor to the carbonaceous material.

【技术实现步骤摘要】
用于金属空气电池的正极、包括其的金属空气电池、和制备用于金属空气电池的正极的方法对相关申请的交叉引用本申请要求在韩国知识产权局于2016年8月8日提交的韩国专利申请No.10-2016-0100881和于2017年6月2日提交的韩国专利申请No.10-2017-0069076的权益，其公开内容全部引入本文中作为参考。
本公开内容的实例实施方式的一个或多个方面涉及用于金属空气电池的正极、包括其的金属空气电池、和制备所述用于金属空气电池的正极的方法。
技术介绍
金属空气电池例如锂空气电池通常包括容许锂离子的嵌入和脱嵌的负极、使用氧(氧气)作为活性材料的其中发生氧的氧化和还原的正极(空气电极)、以及介于所述负极和正极之间的隔板。锂空气电池具有3,500Wh/kg或更大的每单位重量的理论能量密度，其为锂离子电池的每单位重量的理论能量密度的约10倍大。通常，锂空气电池可包括电解质以获得锂离子的通路。然而，当锂空气电池包括与正极(空气电极)的碳质材料相比过量的电解质时，每单位重量的能量密度可降低。为了防止每单位重量的能量密度的降低，仍然存在开发用于金属空气电池的正极、包括其的金属空气电池、和制备所述用于金属空气电池的正极的方法的需要。
技术实现思路
提供用于金属空气电池的正极，其包括具有包覆(涂覆)在其表面上并且包含聚合物电解质的聚合物电解质层的碳质材料，所述聚合物电解质包括至少一种类型的亲水材料和至少一种类型的疏水材料。提供包括所述正极的金属空气电池。提供制备所述用于金属空气电池的正极的方法。额外的方面将部分地在随后的描述中阐明，且部分地将由所述描述明晰，或者可通过所呈现的实例实施方式的实践获悉。根据一个实例实施方式的方面，用于金属空气电池的正极可包括锂盐和碳质材料，所述碳质材料具有包覆在所述碳质材料的表面上的聚合物电解质层，所述聚合物电解质层包括包含至少一种类型的亲水材料和至少一种类型的疏水材料的聚合物电解质，其中所述聚合物电解质的一部分经由非共价或共价键锚定(anchor)至所述碳质材料的表面。根据另一实例实施方式的方面，金属空气电池可包括：包括锂或锂合金的负极、所述正极、以及设置于所述负极和所述正极之间的隔板。根据另一实例实施方式的方面，制备用于金属空气电池的正极的方法可包括通过如下制备具有包覆在碳质材料的表面上并且包括聚合物电解质的聚合物电解质层的正极，所述聚合物电解质包括至少一种类型的亲水材料和至少一种类型的疏水材料：将所述碳质材料、聚合物电解质、和锂盐添加到溶剂以制备混合物，将所述混合物分散以制备分散体，和将所述分散体干燥。附图说明由结合附图考虑的实例实施方式的以下描述，这些和/或其它方面将变得明晰和更容易理解，其中：图1为根据实例实施方式的包覆有聚合物电解质层的碳质材料排布在其中的正极的结构的示意图；图2为用于描述根据实例实施方式的制备用于金属空气电池的正极的方法的示意图；图3为根据实例实施方式的锂空气电池的结构的示意图；图4A为根据实施例1制备的包覆有聚合物电解质层的碳质材料的透射电子显微镜(TEM)图像；图4B和4C为根据实施例2制备的包覆有聚合物电解质层的碳质材料的TEM图像；图5为根据实施例1制备的包覆有聚合物电解质层的碳质材料的聚合物电解质层的热重分析(TGA)图；图6A和6B为通过X-射线光电子能谱法(XPS)获得的根据实施例2制备的包覆有聚合物电解质层的碳质材料的C1s谱和O1s谱；和图7A和7B为根据实施例3和4制备的锂空气电池的第一次放电循环的图。具体实施方式现在将对实例实施方式详细地进行介绍，所述实例实施方式在附图中说明，其中相同的附图标记始终指相同的元件。在这点上，本实例实施方式可具有不同的形式并且不应被解释为限于本文中阐明的描述。因此，下面仅通过参照附图描述实例实施方式以说明方面。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关列举项目的一个或多个的任何和全部组合。表述例如“的至少一个(种)”当在要素列表之前或之后时，修饰整个要素列表而不修饰所述列表的单独要素。在下文中，将参照附图详细地描述根据实例实施方式的用于金属空气电池的正极、包括其的金属空气电池、和制备所述用于金属空气电池的正极的方法。在整个说明书中，涉及要素的术语“包括(包含)”不排除其它要素，而是可进一步包括另外的要素，除非另外说明。金属空气电池例如锂空气电池可包括容许锂离子的嵌入/脱嵌的负极、使用氧作为活性材料的正极、和传输锂离子的电解质。锂空气电池作为因为氧不需要被储存在锂空气电池中而具有高的每单位重量的理论能量密度的电池已引起了注意。作为电解质，锂空气电池可包括含水电解质和非水电解质。然而，由于在锂负极和含水电解质之间的接触，含水电解质可导致在包括其的锂空气电池中的严重的腐蚀。结果，已经对非水电解质进行了大量研究。非水电解质的实例可包括离子液体或有机液体电解质。有机液体电解质的实例可包括碳酸酯、醚、砜、二甲亚砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)等。使用非水电解质作为电解质可导致由以下反应方案1表示的反应机理。反应方案1Eo＝2.91VEo＝3.10V在放电期间，从负极引入的锂与从正极(空气电极)引入的氧反应以产生锂氧化物和使氧还原(氧还原反应(ORR))。相反，在充电期间，锂氧化物被还原，且氧被氧化以产生氧气(析氧反应(OER))。根据反应方案1，在放电期间Li2O2沉淀在正极(空气电极)的孔中，并且随着电解质与正极(空气电极)的接触面积增加，锂空气电池的容量增加。正极(空气电极)可包括具有大的比表面积和大的孔体积的碳质材料。然而，由于所述大的孔体积，需要使用大量的电解质。当电解质的量大于碳质材料的量时，用于放电产物的空间被过量的电解质占据。结果，放电产物的产生被抑制，且因此金属空气电池的重量可增加且每单位重量的能量密度可降低。根据实例实施方式的用于金属空气电池的正极包括：锂盐；和具有包覆在其表面上并且包括聚合物电解质的聚合物电解质层的碳质材料，所述聚合物电解质包括至少一种类型的亲水材料和至少一种类型的疏水材料。聚合物电解质可经由非共价或共价键部分地锚定至碳质材料的表面。在整个说明书中，术语“亲水(的)”和“疏水(的)”作为相对概念理解。在整个说明书中，术语“亲水(的)”和“疏水(的)”被定义为“材料的表面的亲水性质”和“材料的表面的疏水性质”。如本文中使用的，术语“亲水材料”和“疏水材料”基于材料的表面被水的润湿性而彼此区分。材料的表面被水的润湿性可使用与水的接触角定量地分析。“与水的接触角”指当水达到与材料的表面的热力学平衡时在水和材料之间的角度。例如，与水的接触角可通过如下获得：使具有预定体积的水滴落在涂覆有材料的基底上并且测量在基底与水滴之间的接触的端点和材料的表面的接触点之间的线的正切角。例如，与水的接触角可在理论上通过以下杨氏方程定义。γlνcosθY＝γsν-γslγlνc(1)在以上方程(1)中，γlν、γsν和γsl为在液相和气相之间、在固相和气相之间、以及在固相和液相之间的界面张力，且θY为接触角。与水的接触角可通过使用本领域中可利用的各种方法例如Telescope-Goniometer、俘泡法(掳泡法)、倾斜板法、Wilhelmy平衡法、毛细管法、静态停滴法、或ACCUDY本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于金属空气电池的正极，所述正极包括：锂盐；和具有包覆有聚合物电解质层的表面的碳质材料，所述聚合物电解质层包括包含至少一种类型的亲水材料和至少一种类型的疏水材料的聚合物电解质，其中所述聚合物电解质的一部分经由非共价或共价键锚定至所述碳质材料的表面。

【技术特征摘要】
2016.08.08 KR 10-2016-0100881;2017.06.02 KR 10-2011.用于金属空气电池的正极，所述正极包括：锂盐；和具有包覆有聚合物电解质层的表面的碳质材料，所述聚合物电解质层包括包含至少一种类型的亲水材料和至少一种类型的疏水材料的聚合物电解质，其中所述聚合物电解质的一部分经由非共价或共价键锚定至所述碳质材料的表面。2.如权利要求1所述的正极，其中所述聚合物电解质包括亲水材料和疏水材料，和所述亲水材料与水的接触角和所述疏水材料与水的接触角之间的差异为5°或更大。3.如权利要求2所述的正极，其中所述亲水材料与水的接触角为0°-70°。4.如权利要求2所述的正极，其中所述疏水材料与水的接触角大于70°。5.如权利要求1所述的正极，其中所述聚合物电解质的疏水材料的全部或一部分经由非共价键锚定至所述碳质材料的表面。6.如权利要求1所述的正极，其中所述聚合物电解质的疏水材料的全部或一部分经由范德华相互作用吸附至所述碳质材料的表面。7.如权利要求1所述的正极，其中所述聚合物电解质包括交联聚合物电解质。8.如权利要求1所述的正极，其中所述聚合物电解质包括由疏水嵌段和亲水嵌段构成的嵌段共聚物。9.如权利要求8所述的正极，其中所述嵌段共聚物的所述疏水嵌段锚定至所述碳质材料的表面，和所述亲水嵌段离开所述碳质材料的表面地排布在所述碳质材料的表面上。10.如权利要求8所述的正极，其中所述嵌段共聚物包括至少两种不同的能聚合的单体嵌段。11.如权利要求8所述的正极，其中所述嵌段共聚物的所述亲水嵌段具有500Da-20,000Da的数均分子量。12.如权利要求8所述的正极，其中所述亲水嵌段为具有锂离子传导基团作为侧链的聚合物嵌段。13.如权利要求12所述的正极，其中所述具有锂离子传导基团作为侧链的聚合物嵌段为用TFSI-阴离子或FSI-阴离子官能化的聚丙烯酸酯嵌段或者用TFSI-阴离子或FSI-阴离子官能化的聚甲基丙烯酸酯嵌段。14.如权利要求8所述的正极，其中所述嵌段共聚物包括选自如下的至少一种：聚乙二醇-b-聚丙二醇二嵌段共聚物、聚苯乙烯-b-聚乙二醇二嵌段共聚物、聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)二嵌段共聚物、聚苯乙烯-b-聚(甲基)丙烯酸酯二嵌段共聚物、用TFSI-阴离子官能化的聚苯乙烯-b-聚(甲基)丙烯酸酯二嵌段共聚物、用FSI-阴离子官能化的聚苯乙烯-b-聚(甲基)丙烯酸酯二嵌段共聚物、聚乙二醇-b-聚丙二醇-b-聚乙二醇三嵌段共聚物、和聚乙二醇-b-聚苯乙烯-b-聚乙二醇三嵌段共聚物。15.如权利要求8所述的正极，其中所述嵌段共聚物包括选自如下的至少一种：交联聚乙二醇-b-聚丙二醇二嵌段共聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铉杓，金泰映，李东埈，李兴灿，林东民，崔源成，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国,KR