气体扩散层、包括其的金属-空气电池、和制造金属-空气电池的方法技术

本发明专利技术涉及气体扩散层、包括其的金属‑空气电池、和制造金属‑空气电池的方法。金属‑空气电池包括：至少一个正极层，其配置为使用氧作为活性材料并且包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；在所述正极层的所述第一表面上并且包含多根碳纤维的气体扩散层；在所述正极层的所述第二表面上的电解质层；和在所述电解质层上的负极金属层，其中所述正极层包括多个凹槽，和其中所述多根碳纤维的部分在所述凹槽中。

Gas diffusion layers, metal-air batteries including them, and methods for manufacturing metal-air batteries

The invention relates to a gas diffusion layer, a metal-air battery including the gas diffusion layer, and a method for manufacturing the metal-air battery. Metal-air batteries include: at least one positive layer configured to use oxygen as an active material and comprise a first surface and a second surface opposite to the first surface; a gas diffusion layer comprising multiple carbon fibers on the first surface of the positive layer; an electrolyte layer on the second surface of the positive layer; and a negative layer on the electrolyte layer. The positive electrode layer comprises a plurality of grooves, and the portion of the plurality of carbon fibers in the groove.

【技术实现步骤摘要】
气体扩散层、包括其的金属-空气电池、和制造金属-空气电池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2017年7月26日提交的韩国专利申请No.10-2017-0094966的优先权和权益、以及由其产生的所有权益，将其内容全部引入本文中作为参考。
本公开内容涉及用于金属-空气电池的气体扩散层、包括所述气体扩散层的金属-空气电池、和制造所述金属-空气电池的方法。更具体地，本公开内容涉及具有增加的能量密度的用于金属-空气电池的气体扩散层、包括所述气体扩散层的金属-空气电池、和制造所述金属-空气电池的方法。
技术介绍
金属-空气电池包括能够吸收/释放离子的负极和使用来自空气的氧(氧气)作为活性材料的正极。在金属-空气电池中，从外部引入的氧的还原/氧化在正极处发生，金属的氧化/还原在负极处发生，且通过这些反应产生的化学能被提取作为电能。例如，金属-空气电池在放电期间吸收氧且在充电期间释放氧。由于金属-空气电池使用来自大气的氧，因此与其它类型的二次电池相比，金属-空气电池可具有显著增加的能量密度。例如，金属-空气电池可具有为锂离子电池的能量密度的几倍大的能量密度。而且，由于金属-空气电池在异常高的温度下引燃的可能性低，因此金属-空气电池具有优异的稳定性。而且，由于金属-空气电池仅通过储存/释放氧而运行且不使用重金属，因此导致环境污染的风险是低的。由于这样的多种优点，已对金属-空气电池进行了许多研究。
技术实现思路
提供用于金属-空气电池的气体扩散层、包括所述气体扩散层的金属-空气电池、和制造所述金属-空气电池的方法，通过减小所述气体扩散层的每单位面积的重量，所述气体扩散层具有增加的能量密度。额外的方面将部分地在随后的描述中阐明且部分地将从所述描述明晰，或者可通过所呈现的实施方式的实践获悉。根据实施方式的方面，金属-空气电池包括：至少一个正极层，其配置为使用氧作为活性材料并且包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；在所述正极层的所述第一表面上并且包含多根(个)碳纤维的气体扩散层；在所述正极层的所述第二表面上的电解质层；和在所述电解质层上的负极金属层，其中所述正极层包括多个凹槽且所述多根碳纤维的部分在所述凹槽中。所述多个凹槽各自的平均深度可为所述多根碳纤维各自的直径的约20％-约60％。所述多个凹槽各自的平均宽度可为所述多根碳纤维的一根碳纤维的直径的约80％-约100％。所述多个凹槽各自的平均长度可大于或等于约3毫米。在所述多个凹槽的相邻凹槽之间的平均距离可为约30微米-约1,000微米。所述多根碳纤维各自的直径可为约5微米-约10微米。所述气体扩散层的每单位面积的重量可小于或等于约0.5毫克/平方厘米。所述气体扩散层的每单位面积的重量可大于或等于约0.007毫克/平方厘米。所述气体扩散层可包括布置在所述正极层上的包含多根碳纤维的第一碳纤维层、和在所述第一碳纤维层上并且包含在与所述第一碳纤维层的所述多根碳纤维各自延伸的方向交叉的方向上延伸的多根碳纤维的第二碳纤维层。所述气体扩散层可包括折叠部分(褶皱，fold)。所述气体扩散层可包括多个碳纤维层，所述碳纤维层包含多根碳纤维，和所述多个碳纤维层可包括少于或等于四个层。所述气体扩散层可部分地在所述正极层上。所述负极金属层、电解质层和正极层可在所述气体扩散层上方弯曲，使得所述正极层接触所述气体扩散层的三个表面，且所述气体扩散层的一个表面可暴露。根据实施方式的方面，制造金属-空气电池的方法包括：将多根碳纤维布置在正极层的第一表面上，所述正极层配置为使用氧作为活性材料；朝着所述正极层压制所述多根碳纤维，使得所述多根碳纤维的部分嵌入所述正极层的所述第一表面中以形成凹槽，由此形成气体扩散层；以及在所述正极层的第二表面上提供电解质层和在所述电解质层上提供负极金属层以形成所述金属-空气电池。所述多根碳纤维的压制可包括压制所述多根碳纤维使得所述凹槽的平均深度为所述多根碳纤维的一根碳纤维的直径的约20％-约60％。所述多根碳纤维的压制可包括压制所述多根碳纤维使得所述凹槽的平均宽度为所述多根碳纤维的一根碳纤维的直径的约80％-约100％。所述多根碳纤维的布置可包括布置所述多根碳纤维使得在所述多根碳纤维的相邻碳纤维之间的平均距离为约30微米-约1,000微米。所述气体扩散层的每单位面积的重量可小于或等于约0.5毫克/平方厘米。所述气体扩散层的每单位面积的重量可大于或等于约0.007毫克/平方厘米。根据实施方式的方面，气体扩散层包括布置在正极层的第一表面上的多根碳纤维，所述正极层配置为使用氧作为活性材料，其中所述多根碳纤维的部分在所述正极层的所述第一表面中。所述气体扩散层可不包括粘结剂。附图说明通过参照附图进一步详细地描述本公开内容的示例性实施方式，本公开内容的以上和其它优点和特征将变得更加明晰，其中：图1为金属-空气电池的实施方式的横截面图；图2为图1的气体扩散层的一部分的放大图；图3为其中省略了气体扩散层的图2的正极层的横截面图；图4A为气体扩散层的实施方式的平面图，且图4B为气体扩散层的实施方式的平面图；图5为显示气体扩散层的电压损失(mV)对每单位面积的重量(mg/cm2)的图；图6为金属-空气电池的实施方式的横截面图；图7为图6的气体扩散层的一部分的放大图；图8A为气体扩散层的实施方式的平面图，且图8B为气体扩散层的实施方式的平面图；图9为金属-空气电池的实施方式的透视图；图10A为气体扩散层的实施方式的平面图，图10B为气体扩散层的实施方式的平面图，且图10C为气体扩散层的实施方式的平面图；图11A和11B为金属-空气电池的实施方式的透视图；图12为制造金属-空气电池的方法的实施方式的流程图；图13A和13B为制造金属-空气电池的方法的实施方式的横截面图；图14为在制造金属-空气电池的方法中制造的正极层的实施方式的电子显微镜图；和图15为显示根据对比例1和2以及实施方式1、2和3的金属-空气电池的电压(V)对能量密度(Wh/kg)的图。具体实施方式现在将参照附图详细地描述根据实施方式的用于金属-空气电池的气体扩散层、金属-空气电池、和制造金属-空气电池的方法。附图中的相同的附图标记表示相同的元件，且在附图中，为了说明的方便可放大元件的尺寸或厚度。在这点上，下面的实施方式可具有不同的形式且不应被解释为限于本文中阐明的描述。将理解，当一个元件被称为“在”另外的元件“上”时，其可直接在所述另外的元件上或者在其间可存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另外的元件“上”时，不存在中间元件。将理解，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可在本文中用于描述各种元件、部件(组分)、区域、层和/或部分，但这些元件、部件(组分)、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语仅用于使一个元件、部件(组分)、区域、层或部分区别于另外的元件、部件(组分)、区域、层或部分。因此，在不背离本文中的教导的情况下，下面讨论的“第一元件”、“部件(组分)”、“区域”、“层”或“部分”可称为第二元件、部件(组分)、区域、层或部分。本文中使用的术语仅为了描述具体实施方式的目的且不意图为限制性的。如本文中使用的，单数形式“一个(种)(a，an)”和“所述(该)”意图包括复数形式，包括“至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.金属‑空气电池，包括：至少一个正极层，其配置为使用氧作为活性材料并且包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；在所述正极层的所述第一表面上并且包含多根碳纤维的气体扩散层；在所述正极层的所述第二表面上的电解质层；和在所述电解质层上的负极金属层，其中所述正极层包括多个凹槽，和其中所述多根碳纤维的部分在所述凹槽中。

【技术特征摘要】
2017.07.26 KR 10-2017-00949661.金属-空气电池，包括：至少一个正极层，其配置为使用氧作为活性材料并且包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；在所述正极层的所述第一表面上并且包含多根碳纤维的气体扩散层；在所述正极层的所述第二表面上的电解质层；和在所述电解质层上的负极金属层，其中所述正极层包括多个凹槽，和其中所述多根碳纤维的部分在所述凹槽中。2.如权利要求1所述的金属-空气电池，其中所述多个凹槽的平均深度为所述多根碳纤维的一根碳纤维的直径的20％-60％。3.如权利要求1所述的金属-空气电池，其中所述多个凹槽的平均宽度为所述多根碳纤维的一根碳纤维的直径的80％-100％。4.如权利要求1所述的金属-空气电池，其中所述多个凹槽各自的平均长度大于或等于3毫米。5.如权利要求1所述的金属-空气电池，其中在所述多个凹槽的相邻凹槽之间的平均距离为30微米-1,000微米。6.如权利要求1所述的金属-空气电池，其中所述多根碳纤维各自的直径为5微米-10微米。7.如权利要求1所述的金属-空气电池，其中所述气体扩散层的每单位面积的重量小于或等于0.5毫克/平方厘米。8.如权利要求7所述的金属-空气电池，其中所述气体扩散层的每单位面积的重量大于或等于0.007毫克/平方厘米。9.如权利要求1所述的金属-空气电池，其中所述气体扩散层...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴贞玉，金木源，金峻熙，林东民，
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