ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЛИТИЕВО-ВОЗДУШНОЙ БАТАРЕИ И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H01M4/13 H01M4/64 H01M12/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[1] Настоящая заявка испрашивает приоритет и преимущества корейской патентной заявки № 10-2013-0110193, поданной в ведомство Кореи по интеллектуальной собственности 13 сентября 2013 г., все содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

[2] Настоящее изобретение относится к положительному электроду для литиево-воздушной (литий-воздушной) батареи, а также к способу его приготовления.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[3] Батареи широко используются в качестве источника питания для электрического оборудования, и эти батареи включают в себя первичные батареи, такие как марганцевые батареи, щелочные марганцевые батареи и цинково-воздушные батареи, а также вторичные (аккумуляторные) батареи, такие как никель-кадмиевые (Ni-Cd) батареи, никель-металлогидридные (Ni-MH) батареи и литий-ионные батареи.

[4] В настоящее время наиболее широко используемыми аккумуляторными батареями являются литий-ионные батареи, однако все еще существует много проблем, требующих решения, а также было выявлено много ограничений, таких как относительно низкая теоретическая плотность энергии и ограниченность естественных запасов лития. В соответствии с потребностями в аккумуляторной батарее следующего поколения, которая могла бы заменить литий-ионные аккумуляторные батареи и которая была бы способна снизить производственные затраты, обладая при этом высокими характеристиками, была предложена металловоздушная батарея, такая как литиево-воздушная батарея.

[5] Литиево-воздушная батарея имеет плотность энергии в 10 раз выше, чем существующие литий-ионные батареи, и демонстрирует эффективность, которая соответствует эффективности бензина, и тем самым способна значительно сократить объем и вес батареи.

[6] Теоретическая плотность энергии литиево-воздушной батареи составляет 3000 Вт⋅ч/кг или более, и это соответствует приблизительно 10-кратной энергетической плотности литий-ионных батарей. Кроме того, литиево-воздушная батарея обладает тем преимуществом, что она является экологически безопасной и более устойчивой по сравнению с литий-ионными батареями, однако все еще существует много подлежащих решению для коммерциализации проблем, которые включают ресурс зарядки и разрядки, улучшение эффективности и т.п.

[7] Соответственно, требовались исследования по коммерциализации литиево-воздушной батареи.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

[8] Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить положительный электрод для литиево-воздушной батареи, способный улучшить удельную электропроводность и механическую прочность электрода и увеличить величины нагрузки электрода, а также способ его приготовления.

[9] Задача настоящего изобретения не ограничивается описанной выше задачей, и другая задача, которая не описана, будет легко понята специалистами в данной области техники из приведенного ниже описания.

ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

[10] Один вариант осуществления настоящего изобретения предлагает положительный электрод для литиево-воздушной батареи, включающий в себя токоотвод положительного электрода, образованный пористым металлом; и активный слой положительного электрода, предусмотренный на токоотводе положительного электрода и включающий в себя проводящий материал и катализатор для восстановления кислорода.

[11] Другой вариант осуществления настоящего изобретения предлагает способ приготовления положительного электрода для литиево-воздушной батареи, формирующий активный слой положительного электрода нанесением материала положительного электрода, включающего проводящий материал, на поверхность токоотвода положительного электрода, образованного пористым металлом.

[12] Еще один вариант осуществления настоящего изобретения предлагает литиево-воздушную батарею, включающую в себя положительный электрод; отрицательный электрод, расположенный напротив положительного электрода и принимающий и высвобождающий ионы лития; а также электролит, предусмотренный между отрицательным электродом и положительным электродом.

[13] Другой вариант осуществления настоящего изобретения предлагает батарейный модуль, включающий в себя литиево-воздушную батарею в качестве единичной батареи.

ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ

[14] Положительный электрод для литиево-воздушной батареи в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения обладает тем преимуществом, что он улучшает удельную электропроводность и механическую прочность электрода, увеличивает величины нагрузки и улучшает характеристики батареи за счет увеличения емкости батареи. В дополнение к этому, способ приготовления этого положительного электрода позволяет обеспечить экономичный процесс и эффекты снижения издержек простым образом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[15] Фиг. 1 иллюстрирует схематическое изображение литиево-воздушной батареи.

[16] Фиг. 2 показывает кривые разряда Примера 1 и Сравнительного примера 1.

[17] 10: токоотвод положительного электрода

[18] 20: активный слой положительного электрода

[19] 30: отрицательный электрод

[20] 40: электролит

[21] 50: сепаратор

[22] 100: положительный электрод

ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[23] Преимущества и признаки настоящей заявки, а также способы достижения этих преимуществ и признаков станут понятны при обращении к подробно описанным ниже вариантам осуществления с приложенными чертежами. Однако настоящая заявка не ограничивается описанными ниже вариантами осуществления и может быть реализована в самых разнообразных формах, и представленные варианты осуществления делают описание настоящей заявки полным и предусмотрены для того, чтобы полностью изложить объем изобретения специалистам в данной области техники, и настоящая заявка определяется только объемом формулы изобретения. Размер и относительный размер составных частей, показанных на чертежах, могут быть преувеличены для облегчения описания.

[24] Если не определено иное, все термины, включая технические и научные термины, использованные в данном описании, могут быть использованы в соответствии с их значениями, обычно понятными специалистам в данной области техники. В дополнение к этому, термины, определяемые в общеупотребимых словарях, не интерпретируются идеально или чрезмерно, если явно не указано иное.

[25] Далее настоящее изобретение будет описано подробно.

[26] Один аспект настоящего изобретения предлагает положительный электрод для литиево-воздушной батареи, включающий в себя токоотвод положительного электрода, образованный пористым металлом, и активный слой положительного электрода, предусмотренный на токоотводе положительного электрода и включающий в себя проводящий материал и катализатор для восстановления кислорода.

[27] В настоящем документе пористый металл означает структуру, включающую в себя поры.

[28] В качестве токоотвода положительного электрода существующих литиево-воздушных батарей использовалась пористая углеродная бумага, и этот материал имеет те преимущества, что через него легко проникает кислород, можно контролировать содержащуюся в воздухе влагу, а сам материал является легким. Однако имеются проблемы в том, что углеродная бумага всего лишь играет роль переноса электронов и роль облегчения диффузии внешнего кислорода в батарею, но не участвует непосредственно в электрохимической реакции. В дополнение к этому, существуют также проблемы в том, что углеродную бумагу трудно обрабатывать из-за ее слабой механической прочности, и процесс нанесения электродного материала на углеродную бумагу является непростым.

[29] Настоящее изобретение признает проблемы углеродной бумаги и вводит пористый металл в качестве токоотвода положительного электрода для того, чтобы решить эти проблемы. Пористый металл играет роль переноса электронов и диффузии внешнего кислорода в батарею, а также может улучшить скорость реакции с преимуществом улучшения электрохимических характеристик батареи за счет непосредственного участия в электрохимической реакции в зависимости от типов металла. Следовательно, за счет использования положительного электрода с токоотводом положительного электрода по настоящему изобретению может быть приготовлена батарея большой емкости при улучшении характеристик батареи, и циклические свойства батареи могут быть улучшены. В дополнение к этому, процесс нанесения электродного материала на пористый металл прост, поэтому существует также преимущество в процессе приготовления батареи.

[30] Пористый металл может иметь диаметр пор, больший или равный 20 нанометрам (нм) и меньший или равный 1 миллиметру (мм). Когда диаметр пор составляет 20 нм или более, может быть предотвращена проблема прерывания достаточной диффузии кислорода, которое происходит, когда поры слишком малы, а когда диаметр пор составляет 1 мм или менее, толщина электрода может быть получена равномерной. Когда диаметр пор является слишком большим, материал положительного электрода может выходить изнутри пор, когда материал положительного электрода наносится на поверхность токоотвода положительного электрода, что приводит к неравномерной толщине электрода, поэтому предпочтительным является диаметр пор, составляющий 1 мм или менее.

[31] Пористый металл может иметь пористость 10% или более, более конкретно 20% или более, и 50% или менее, а более конкретно 40% или менее.

[32] Пористый металл может включать в себя металлическую фольгу, металлическую сетку или металлическую пену, а предпочтительно является металлической фольгой. В случае металлической фольги легко достигается обработка равномерно распределенных пор или отверстий. В дополнение, существуют те преимущества, что электролит легко улетучивается, а покрытие электрода становится простым.

[33] В случае металлической сетки форма одиночной структуры, образующей решетчатую структуру, не ограничена, и может регулярно или нерегулярно повторяться такая форма, как треугольник, четырехугольник, пятиугольник, многоугольник или трапеция.

[34] Пористый металл может включать любой один или сплав двух или более, выбираемых из группы, состоящей из элементов групп IA-VA и элементов групп IB-VIIIB в Периодической таблице, и, в частности, включает в себя любой один или сплав двух или более, выбираемых из группы, состоящей из железа, нержавеющей стали, алюминия, меди, никеля, цинка, магния, олова, титана, марганца, хрома, индия, платины, рутения, родия, палладия, осмия, иридия, золота и серебра. Нержавеющая сталь может включать марки STS или SUS.

[35] Толщина токоотвода положительного электрода может составлять 10 микрометров (мкм) или более, более конкретно 15 мкм или более, и 50 мкм или менее, а более конкретно 30 мкм или менее. Толщина 10 мкм или более является выгодной при обработке пор, а также в аспекте механической прочности, а толщина 50 мкм или менее может предотвратить избыточное увеличение сопротивления токоотвода, а также является выгодной при обработке пор.

[36] Толщина активного слоя положительного электрода может составлять 10 мкм или более, более конкретно 20 мкм или более, и 100 мкм или менее, а более конкретно 80 мкм или менее. Толщина 20 мкм или более может предотвратить слишком сильное уменьшение площади электрохимической реакции, а также предотвратить ограничение емкости, а толщина 100 мкм или менее может предотвратить уменьшение эффективности площади электродной реакции.

[37] Активный слой положительного электрода включает в себя проводящий материал.

[38] Проводящий материал особенно не ограничивается при условии, что этот материал обладает электропроводностью, не вызывая химических изменений в батарее, и его примеры могут включать в себя один или смесь двух или более материалов, выбираемых из группы, состоящей из углеродных материалов, проводящих полимеров, проводящих волокон и металлического порошка.

[39] Углеродный материал не ограничивается при условии, что он имеет пористую структуру или высокую удельную площадь поверхности, и конкретные его примеры могут включать в себя один, два или более материалов, выбираемых из группы, состоящей из мезопористого углерода, графита, графена, углеродной сажи, ацетиленовой сажи, сажи DENKA, сажи Ketjenblack, углеродных нанотрубок, углеродных волокон, фуллеренов и активированного угля. Проводящий полимер может, в частности, включать в себя один, два или более полимеров, выбираемых из группы, состоящей из полианилина, политиофена, полиацетилена и полипиррола, проводящие волокна могут, в частности, включать в себя углеродные волокна, металлические волокна или т.п., и металлический порошок может, в частности, включать в себя один, два или более порошков, выбираемых из группы, состоящей из порошка фторуглерода, порошка алюминия и порошка никеля.

[40] Содержание проводящего материала может быть в диапазоне от 10 мас.% до 99 мас.% в расчете на общую массу активного слоя положительного электрода. Когда содержание проводящего материала слишком мало, может снижаться емкость батареи из-за уменьшения площади реакции, а когда содержание проводящего материала слишком большое, содержание катализатора относительно уменьшается, и катализатор может функционировать недостаточно эффективно.

[41] Активный слой положительного электрода может дополнительно включать в себя выборочно одно, два или более из связующих, растворителей и добавок в дополнение к проводящему материалу для того, чтобы успешно прикрепить катализатор для восстановления кислорода и материал положительного электрода к токоотводу.

[42] Положительный электрод использует кислород в качестве активного вещества положительного электрода и включает в себя катализатор для восстановления кислорода в активном слое положительного электрода, способный облегчать реакцию кислорода, и конкретные примеры катализатора для восстановления кислорода включают в себя один, два или более, выбираемых из группы, состоящей из драгоценных металлов, неметаллов, оксидов металлов и органических комплексов металлов, но не ограничиваются этим.

[43] Драгоценный металл может включать в себя один, два или более металлов, выбираемых из группы, состоящей из платины (Pt), золота (Au) и серебра (Ag).

[44] Неметалл может включать в себя один, два или более, выбираемых из группы, состоящей из бора (B), азота (N) и серы (S).

[45] Оксид металла может включать в себя оксиды одного, двух или более металлов, выбираемых из группы, состоящей из марганца (Mn), никеля (Ni), кобальта (Co) и рутения (Ru). Например, оксид металла может включать в себя оксид рутения.

[46] Органический комплекс металла может включать в себя один или два, выбираемых из группы, состоящей из порфиринов металла и фталоцианинов металла.

[47] Содержание катализатора может быть в диапазоне от 0,1 мас.% до 10 мас.% в расчете на общую массу активного слоя положительного электрода. Когда это содержание составляет 0,1 мас.% или более, катализатор является подходящим для функционирования в качестве катализатора, а когда это содержание составляет 10 мас.% или менее, явление уменьшения степени дисперсии может быть предотвращено, и это также является предпочтительным с точки зрения затрат.

[48] Связующее может включать в себя одно, два или более веществ, выбираемых из группы, состоящей из поли(винилацетата), поливинилового спирта, полиэтиленоксида, поливинилпирролидона, алкилированного полиэтиленоксида, сшитого полиэтиленоксида, поливинилового простого эфира, поли(метилметакрилата), поливинилиденфторида (ПВДФ), сополимера полигексафторпропилена и поливинилиденфторида (торговая марка: Kynar), поли(этилакрилата), политетрафторэтиленполивинилхлорида, полиакрилонитрила, поливинилпиридина, полистирола, а также их производных, смесей и сополимеров.

[49] Что касается содержания связующего, то связующее может быть добавлено в количестве от 0,5 мас.% до 30 мас.% в расчете на общую массу активного слоя положительного электрода. Когда содержание связующего составляет менее 0,5 мас.%, физические свойства положительного электрода ухудшаются, приводя к выделению активного вещества и проводника внутри положительного электрода, а когда содержание связующего составляет более 30 мас.%, емкость аккумуляторной батареи может уменьшиться из-за относительного уменьшения пропорций активного вещества и проводника в положительном электроде.

[50] Растворитель может включать в себя растворитель, имеющий точку кипения 200°C или менее, и его примеры могут включать один, два или более растворителей, выбираемых из группы, состоящей из ацетонитрила, метанола, этанола, тетрагидрофурана, воды, изопропилового спирта, ацетона, N,N-диметилформамида (DMF) и N-метил-2-пирролидона (NMP).

[51] Один вариант осуществления настоящего изобретения предлагает способ приготовления положительного электрода для литиево-воздушной батареи, формирующий активный слой положительного электрода нанесением материала положительного электрода, включающего проводящий материал и катализатор для восстановления кислорода, на поверхность токоотвода положительного электрода, образованного пористым металлом.

[52] В описанном выше способе приготовления описания относительно пористого металла, токоотвода положительного электрода, катализатора для восстановления кислорода, проводящего материала, активного слоя положительного электрода и т.п. являются теми же самыми, что и приведенные выше.

[53] Материал положительного электрода является композицией для формирования активного слоя положительного электрода и может дополнительно включать в себя выборочно одно, два или более из связующих, растворителей и добавок в дополнение к проводящему материалу для того, чтобы успешно прикреплять катализатор для восстановления кислорода и материал положительного электрода к токоотводу.

[54] Нанесение может быть осуществлено с использованием способа фильтрации под пониженным давлением, способа погружения или способа трафаретной печати.

[55] Температура во время нанесения особенно не ограничивается при условии, что металл не окисляется и структура проводящего материала не изменяется, и может быть, в частности, большей или равной 100°C и меньшей или равной 300°C.

[56] Когда углеродная бумага используется в качестве положительного электрода, углеродная бумага легко рвется, однако когда положительный электрод включает в себя пористый металл, прочность улучшается.

[57] Один вариант осуществления настоящего изобретения предлагает литиево-воздушную батарею, включающую в себя положительный электрод; отрицательный электрод, расположенный напротив положительного электрода и принимающий и высвобождающий ионы лития; а также электролит, предусмотренный между отрицательным электродом и положительным электродом.

[58] Электролит описан предусмотренным между отрицательным электродом и положительным электродом, однако, учитывая, что электролит является жидкостью, а не твердым телом, весь неводный электролит или его часть может присутствовать в пропитанном в структуру положительного электрода и/или отрицательного электрода виде. В дополнение, когда присутствует сепаратор, весь неводный электролит или его часть может также присутствовать в пропитанном в сепаратор виде.

[59] Электролит может включать в себя соль лития. Соль лития может функционировать в качестве источника ионов лития в батарее при ее растворении в растворителе и, например, может играть роль облегчения переноса ионов лития между отрицательным электродом и мембраной из проводящего по ионам лития твердого электролита. Соль лития может включать одно, два или более веществ, выбираемых из группы, состоящей из LiPF₆, LiBF₄, LiSbF₆, LiAsF₆, LiN(SO₂C₂F₅)₂, Li(CF₃SO₂)₂N, LiC₄F₉SO₃, LiClO₄, LiAlO₂, LiAlCl₄, LiF, LiBr, LiCl, LiI, LiB(C₂O₄)₂, LiCF₃SO₃, LiN(SO₂CF₃)₂(LiTFSI), LiN(SO₂C2F₅)₂ и LiC(SO₂CF₃)₃. Концентрация соли лития может составлять от 0,1 М до 1,5 М. Когда концентрация соли лития находится в пределах вышеуказанного диапазона, электролит имеет подходящую удельную электропроводность и вязкость и может проявлять превосходные характеристики электролита, а ионы лития могут переноситься эффективно.

[60] Электролит может включать в себя водный электролит или неводный электролит.

[61] Водный электролит может быть электролитом, включающим в себя соль лития в воде.

[62] Неводный электролит может быть электролитом, включающим в себя соль лития в органическом растворителе.

[63] Неводный электролит может включать в себя неводный органический растворитель, выбираемый из группы, состоящей из растворителей на основе карбоната, растворителей на основе сложного эфира, растворителей на основе простого эфира, растворителей на основе кетона, растворителей на основе сероорганики, растворителей на основе фосфорорганики, непротогенных растворителей и их сочетаний.

[64] Неводный органический растворитель может быть выбран из группы, состоящей из этиленкарбоната (ЭК), пропиленкарбоната (ПК), бутиленкарбоната (БК), диметилкарбоната (ДМК), диэтилкарбоната (ДЭК), дипропилкарбоната (ДПК), дибутилкарбоната (ДБК), этилметилкарбоната (ЭМК), метилпропилкарбоната (МПК), этилпропилкарбоната (ЭПК), фторэтиленкарбоната (ФЭК), дибутилового эфира, тетраглайма, диглайма, диметоксиэтана, тетрагидрофурана, 2-метилтетрагидрофурана, 1,3-диоксолана, 1,4-диоксана, 1,2-диметоксиэтана, 1,2-диэтоксиэтана, 1,2-дибутоксиэтана, ацетонитрила, диметилформамида, метилформиата, этилформиата, пропилформиата, бутилформиата, метилацетата, этилацетата, пропилацетата, бутилацетата, метилпропионата, этилпропионата, пропилпропионата, бутилпропионата, метилбутирата, этилбутирата, пропилбутирата, бутилбутирата, ϒ-бутиролактона, 2-метил-ϒ-бутиролактона, 3-метил-ϒ-бутиролактона, 4-метил-ϒ-бутиролактона, β-пропиолактона, δ-валеролактона, триметилфосфата, триэтилфосфата, трис(2-хлорэтил)фосфата, трис(2,2,2-трифторэтил)фосфата, трипропилфосфата, диметилового простого эфира триэтиленгликоля (TEGDME), триизопропилфосфата, трибутилфосфата, тригексилфосфата, трифенилфосфата, тритолилфосфата, диметилового простого эфира полиэтиленгликоля (PEGDME) и их сочетаний.

[65] Неводный органический растворитель может дополнительно включать в себя соли других металлов в дополнение к соли лития. Их примеры включают AlCl₃, MgCl₂, NaC_l, KC_l, NaBr, KBr, CaCl₂ и т.п.

[66] Отрицательный электрод высвобождает ионы лития при разряде и принимает ионы лития при заряде, а положительный электрод восстанавливает кислород при разряде и высвобождает кислород при заряде.

[67] Отрицательный электрод может включать в себя в качестве активного вещества отрицательного электрода материал, выбираемый из группы, состоящей из металлического лития, сплавов на основе металлического лития, соединений лития и материалов с интеркаляцией лития (интеркаляционных материалов).

[68] Примеры сплавов на основе металлического лития могут включать в себя сплав лития и металла, выбираемого из группы, состоящей из Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al и Sn.

[69] Соединение лития является материалом, способным к обратимому образованию литийсодержащего соединения при реагировании с ионами лития, и его примеры могут включать оксид олова, нитрат титана или кремний.

[70] Материал с интеркаляцией лития означает материал, способный к обратимой интеркаляции или деинтеркаляции ионов лития, и его примеры могут включать кристаллический углерод, аморфный углерод или их смесь.

[71] Отрицательный электрод может дополнительно включать в себя токоотвод отрицательного электрода. Токоотвод отрицательного электрода осуществляет сбор (заряда) с отрицательного электрода и особенно не ограничивается при условии, что его материал является электропроводящим, и его примеры могут включать один, два или более материалов, выбираемых из группы, состоящей из углерода, нержавеющей стали, никеля, алюминия, железа и титана, а более конкретные примеры могут включать покрытый углеродом алюминиевый токоотвод. По сравнению с алюминиевой подложкой, которая не покрыта углеродом, использование покрытой углеродом алюминиевой подложки обладает тем преимуществом, что она имеет более высокую адгезию к активному веществу, более низкое контактное сопротивление и предотвращает коррозию алюминия, вызываемую полисульфидом. Форма токоотвода может быть различной и включает в себя пленки, листы, фольгу, сетку, пористые каркасы, пену или различные виды нетканого полотна и т.п.

[72] Литиево-воздушная батарея может дополнительно включать в себя сепаратор, предусмотренный между положительным электродом и отрицательным электродом. Сепаратор, расположенный между положительным электродом и отрицательным электродом, разделяет и изолирует положительный электрод и отрицательный электрод и обеспечивает возможность переноса ионов лития между положительным электродом и отрицательным электродом и может использоваться без ограничений при условии, что сепаратор пропускает только ионы лития и блокирует остальные. Например, сепаратор может быть образован пористым непроводящим или изолирующим материалом. Более конкретно, его примеры могут включать полимерные нетканые полотна, такие как нетканые полотна, выполненные из полипропилена, или нетканые полотна, выполненные из полифениленсульфида, или пористые пленки из смолы на основе олефина, такой как полиэтилен или полипропилен, и два или более из перечисленных типов могут быть скомбинированы. Такой сепаратор может быть независимой деталью, такой как пленка, или слоем покрытия, нанесенным на положительный электрод и/или отрицательный электрод. Сепаратор поглощает электролит и может также использоваться в качестве носителя для электролита.

[73] Форма литиево-воздушной батареи не ограничена, и ее примеры могут включать форму монеты, форму плоской пластины, форму цилиндра, форму стержня, форму пуговицы, форму листа или форму многослойного типа.

[74] Один вариант осуществления настоящего изобретения предлагает батарейный модуль, включающий в себя литиево-воздушную батарею в качестве единичной батареи. Батарейный модуль может быть сформирован путем укладки друг на друга литиево-воздушных батарей в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения при вставке между ними биполярной пластины. Биполярная пластина может быть пористой, так что подаваемый снаружи воздух может быть подан к положительному электроду, входящему в состав каждой литиево-воздушной батареи. Например, может быть введена пористая нержавеющая сталь или пористая керамика.

[75] Батарейный модуль может, в частности, использоваться в качестве источника питания электрических транспортных средств (электромобилей), гибридных электромобилей, заряжаемых от сети гибридных электромобилей или систем хранения электроэнергии.

[76] Далее настоящее изобретение будет подробно описано со ссылкой на пример и сравнительный пример для конкретного описания настоящего изобретения. Однако следует понимать, что примеры в соответствии с настоящим изобретением могут быть модифицированы в различных других формах, и объем настоящего изобретения не ограничивается описанным ниже примером. Пример настоящего изобретения приводится тем, кто имеет средние познания в данной области техники, для более полного описания настоящего изобретения.

[77] <ПРИМЕР 1>

[78] Поры с диаметром 1 мм создали на алюминиевой фольге так, чтобы от 38 до 42 пор располагалось на круглом электроде с диаметром 19 мм, и приготовили токоотвод положительного электрода с толщиной 20 мкм. Затем приготовили электродную пасту смешиванием сажи Ketjenblack, оксида рутения и связующего ПВДФ в массовом соотношении 6:2:2, а затем добавлением к ним и смешиванием NMP в количестве 1300% по отношению к массе твердого содержимого. Положительный электрод приготовили путем покрытия обработанной поверхности алюминиевой фольги до толщины 30 мкм, а затем вакуумной сушки покрытой фольги в течение 12 часов при 120°C. Ее обработали в круглый электрод с диаметром 19 мм, а затем использовали в сборке ячейки. Электролит приготовили с использованием 1 M солевого электролита LiTES1 и растворителя TEGDME, а отрицательный электрод обработали в круглый электрод с диаметром 16 мм и затем использовали. Что касается сепаратора, ячейка в форме монеты с диаметром 20 мм и толщиной 32 мм была собрана с использованием круглого стекловолокна диаметром 19 мм (производства компании GE Healthcare Company, GF/C, торговая марка Whatman).

[79] <СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 1>

[80] Ячейка была собрана тем же самым образом, что и в Примере 1, с использованием углеродной бумаги (производства компании Toray Industries, Inc., TGP-H-030) в качестве токоотвода положительного электрода.

[81] <ПРИМЕР ИСПЫТАНИЙ> ИЗМЕРЕНИЕ РАЗРЯДА

[82] Испытания на разряд батареи осуществляли с использованием потенциостата (производства компании bio-Logic SAS, VMP3). Батарею разряжали с использованием метода прерывания напряжения при подаче плотности тока 100 мА/г по отношению к массе электрода (сажа Ketjenblack и оксид рутения), и нижний предел напряжения установили равным 2,0 В, и осуществляли электрохимические испытания ячеек в форме монеты, приготовленных в Примере 1 и Сравнительном примере 1. В закрытом пространстве приготовленные ячейки заполнили чистым кислородом до 1,5 атм и измерения начали по истечении достаточного времени смачивания в 5 часов с тем, чтобы электролит достаточно проник в электрод и сепаратор.

[83] Результаты измерений показаны на Фиг. 2. График на Фиг. 2 показывает кривые разряда Примера 1 и Сравнительного примера 1, и напряжение разряда в Примере 1 было более высоким, чем в Сравнительном примере 1. Это показывает, что имело место меньшее сопротивление протеканию реакции разряда. В дополнение к этому, судя по большой емкости разряда, можно заметить, что нет никаких емкостных ограничений по подаче кислорода, когда кислород подается с использованием отверстий, созданных в алюминиевой фольге.

[84] Выше был описан пример настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, однако настоящее изобретение не ограничивается этим примером и может быть подготовлено в различных других формах, и специалисты в данной области техники будут в состоянии понять, что настоящее изобретение может быть реализовано в других конкретных формах без модификации его технологических идей или существенных признаков. Следовательно, необходимо понимать, что описанный выше пример предназначен только для иллюстративных целей во всех отношениях и не ограничивает настоящее изобретение.

Изобретение относится к положительному электроду для литиево-воздушной батареи, а также к способу его приготовления. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи содержит: токоотвод положительного электрода, образованный пористым металлом; и активный слой положительного электрода, предусмотренный на токоотводе положительного электрода и включающий в себя проводящий материал и катализатор для восстановления кислорода, и при этом пористый металл имеет диаметр пор, равный или больший 20 нм и равный или меньший 1 мм. Изобретение позволяет улучшить электропроводность и механическую прочность электрода и увеличить величину нагрузки. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи, содержащий:

токоотвод положительного электрода, образованный пористым металлом; и

активный слой положительного электрода, предусмотренный на токоотводе положительного электрода и включающий в себя проводящий материал и катализатор для восстановления кислорода,

и при этом пористый металл имеет диаметр пор, равный или больший 20 нм и равный или меньший 1 мм.

2. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи по п. 1, в котором пористый металл включает в себя металлическую фольгу, металлическую сетку или металлическую пену.

3. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи по п. 1, в котором пористый металл включает в себя любой один или сплав двух или более, выбираемых из группы, состоящей из элементов групп IA-VA и элементов групп IB-VIIIB в Периодической таблице.

4. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи по п. 1, в котором пористый металл включает в себя любой один или сплав двух или более, выбираемых из группы, состоящей из железа, нержавеющей стали, алюминия, меди, никеля, цинка, магния, олова, титана, марганца, хрома, индия, платины, рутения, родия, палладия, осмия, иридия, золота и серебра.

5. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи по п. 1, в котором толщина токоотвода положительного электрода больше или равна 10 мкм и меньше или равна 50 мкм.

6. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи по п. 1, в котором толщина активного слоя положительного электрода больше или равна 10 мкм и меньше или равна 100 мкм.

7. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи по п. 1, в котором проводящий материал включает в себя один или смесь двух или более, выбираемых из группы, состоящей из углеродных материалов, проводящих полимеров, проводящих волокон и металлического порошка.

8. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи по п. 1, в котором проводящий материал включает в себя один, два или более, выбираемых из группы, состоящей из мезопористого углерода, графита, графена, углеродной сажи, ацетиленовой сажи, сажи DENKA, сажи Ketjenblack, углеродных нанотрубок, углеродных волокон, фуллеренов и активированного угля, полианилина, политиофена, полиацетилена, полипиррола, волокон углерода, волокон металла, порошка фторуглерода, порошка алюминия и порошка никеля.

9. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи по п. 1, в котором катализатор для восстановления кислорода включает в себя один, два или более, выбираемых из группы, состоящей из драгоценных металлов, неметаллов, оксидов металлов и органических комплексов металлов.

10. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи по п. 1, в котором катализатор для восстановления кислорода включает в себя один, два или более, выбираемых из группы, состоящей из платины, золота, серебра, бора, азота, серы, оксидов марганца, оксидов никеля, оксидов кобальта, оксидов рутения, порфиринов металлов и фталоцианинов металлов.

11. Способ приготовления положительного электрода для литиево-воздушной батареи, формирующий активный слой положительного электрода нанесением материала положительного электрода, включающего проводящий материал и катализатор для восстановления кислорода, на поверхность токоотвода положительного электрода, образованного пористым металлом, и при этом пористый металл имеет диаметр пор, равный или больший 20 нм и равный или меньший 1 мм.

12. Способ приготовления положительного электрода для литиево-воздушной батареи по п. 11, в котором нанесение осуществляют с использованием способа фильтрации под пониженным давлением, способа погружения или способа трафаретной печати.

13. Литиево-воздушная батарея, содержащая:

положительный электрод по любому из пп. 1-10;

отрицательный электрод, расположенный напротив положительного электрода и принимающий и высвобождающий ионы лития; и

электролит, предусмотренный между отрицательным электродом и положительным электродом.

14. Литиево-воздушная батарея по п. 13, в которой отрицательный электрод включает в себя материал, выбираемый из группы, состоящей из металлического лития, сплавов на основе металлического лития, соединений лития и материалов с интеркаляцией лития.

15. Литиево-воздушная батарея по п. 13, дополнительно содержащая сепаратор между положительным электродом и отрицательным электродом.

16. Батарейный модуль, содержащий литиево-воздушную батарею по п. 13 в качестве единичной батареи.