CN107706427B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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。
技术领域
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。
背景技术
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。
发明内容
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1
Figure BDA0001372739320000041
Eo＝2.91V
Figure BDA0001372739320000042
Eo＝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ACCUDYNE TESTTM工具测量。
聚合物电解质可包括各自具有与水的接触角的亲水材料和疏水材料，其中所述接触角之间的差异为5°或更大。亲水材料与水的接触角可为约0°-约70°。疏水材料与水的接触角可大于70°。
与水的接触角与在水中的溶解度密切相关。即，随着在水中的溶解度增加，与水的接触角可降低，并且随着在水中的溶解度降低，与水的接触角可增加。因此，亲水材料具有比疏水材料高的在水中的溶解度。
例如，具有4000道尔顿(Da)的分子量的作为亲水材料的聚乙二醇在20℃下是高度可溶于水的，溶解度为66％(重量/重量)。与其相比，例如，具有4000Da的分子量的作为疏水材料的聚丙二醇在20℃下是几乎不可溶于水的，溶解度小于0.01％(重量/重量)。因此，例如，在聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇聚合物中，根据聚合物在水溶液中的浓度，具有低的溶解度的作为疏水材料的聚丙二醇嵌段设置于内部位置处且具有高的溶解度的作为亲水材料的聚乙二醇嵌段设置于外部位置处。
非共价键指在碳质材料的表面和聚合物电解质之间形成的一种弱的键。非共价键可为例如氢键、范德华键、电荷转移、偶极-偶极相互作用、π-π堆积相互作用等。非共价键可通过如下形成：将聚合物电解质键合到碳质材料，而不在碳质材料的表面上引起缺陷。
共价键指指通过直接附着到碳质材料的表面的反应性官能团与聚合物电解质的官能团之间的反应形成的键。例如，直接附着到碳质材料的表面的反应性官能团可为“-COOH”、“-COH”、或“-OH”。例如，共价键可通过氧化、卤化、环加成、自由基加成、硫醇化等形成。例如，共价键可通过如下形成：经由通过酸处理的氧化将反应性官能团例如羧基(-COOH)引入碳质材料的表面中，然后通过使用具有拥有侧链例如氨基基团(-NH2)的环氧乙烷嵌段的聚合物电解质(例如：聚环氧乙烷(PEO)-b-聚环氧丙烷(PPO)-b-聚环氧乙烷(PEO)三嵌段共聚物)的官能团在碳质材料的表面和聚合物电解质之间形成共价键。
术语“锚定”指其中材料附着在载体的表面上并且附着到所述表面的一个部分固定到所述表面的状态。材料的未附着到载体的表面的其它部分可移动或固定。
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。
参照图1，正极具有如下结构：其中，聚合物电解质包覆层形成于碳质材料1的表面上。聚合物电解质包覆层包括包含疏水材料2和亲水材料3的聚合物电解质。空隙存在于多个分别具有聚合物电解质包覆层的碳质材料1之间。
由于根据实例实施方式的用于金属空气电池的正极具有包覆在碳质材料的表面上的聚合物电解质包覆层，所述聚合物电解质包覆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，因此电解质的量可减少。另外，由于聚合物电解质的一部分经由非共价或共价键锚定至碳质材料的表面，因此在金属空气电池的反复的充电和放电期间聚合物电解质包覆层可得以保持。结果，金属空气电池可具有减少的重量和增加的每单位重量的能量密度。
聚合物电解质的所述至少一种类型的疏水材料的全部或一部分可经由非共价键锚定至碳质材料的表面。由于碳质材料的表面是疏水的，因此由于碳质材料与聚合物电解质的疏水材料的高的亲和性，聚合物电解质的疏水材料的全部或一部分可容易地锚定至碳质材料的表面。
所述聚合物电解质的疏水材料的全部或一部分可包括疏水重复单元和/或疏水官能团。
疏水重复单元的实例可包括丙烯酸丁酯、丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸苄基酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸十六烷基酯、甲基丙烯酸己酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸十八烷基酯、甲基丙烯酸四氢糠基酯、丙烯腈、马来酸酐、苯乙烯、丙二醇、环氧丙烷、丁烯、1-癸烯、二环戊二烯、异丁烯、4-甲基-1-戊烯、乙烯、丙烯、己二酸乙二醇酯、琥珀酸乙二醇酯、对苯二甲酸乙二醇酯、2-乙基-1,3-己二醇癸二酸酯、乙酸乙烯酯、肉桂酸乙烯酯、硬脂酸乙烯酯、四氢呋喃、和其任意共聚物。
疏水官能团的实例可包括羟基、甲基、羰基、羧基、氨基、磷酸酯基团和巯基基团。
疏水重复单元和/或疏水官能团可位于聚合物电解质的主链和/或侧链处。
聚合物电解质层中包括的聚合物电解质的疏水材料的全部或一部分可吸附至碳质材料的表面，例如，经由范德华相互作用。由于这样的吸附，不需要对碳质材料的表面引发缺陷，且因此碳质材料的表面可以碳质材料的内在性质功能化。因此，金属空气电池的锂离子传导性可得以保持而不降低。
聚合物电解质可包括交联聚合物电解质。交联聚合物电解质可将聚合物电解质包覆层更牢固地锚定至碳质材料的表面。因此，电解质的量可显著降低。结果，金属空气电池可具有减小的重量和增加的每单位重量的能量密度。
例如，聚合物电解质层的聚合物电解质可包括由疏水嵌段和亲水嵌段构成的嵌段共聚物。
疏水嵌段与以上描述的疏水重复单元相同。
亲水嵌段的实例可包括乙二醇、环氧乙烷、N-异丙基丙烯酰胺、2-
Figure BDA0001372739320000071
唑啉、2-乙基-2-
Figure BDA0001372739320000072
唑啉、乙烯亚胺、丙烯酸磺丙酯、甲基丙烯酸2-羟基丙酯、乙烯醇、乙烯基吡咯烷酮、及其任意共聚物。
嵌段共聚物的疏水嵌段可锚定至碳质材料的表面，且亲水嵌段可离开(远离)碳质材料的表面地排布在碳质材料的表面上。例如，由于嵌段共聚物的疏水嵌段经由范德华相互作用吸附至碳质材料的表面，且亲水嵌段离开碳质材料的表面地排布在碳质材料的表面上，因此锂离子可被有效地传导。在图2和4B中可确定该结构。
例如，嵌段共聚物可包括环氧丙烷(或丙二醇)作为疏水嵌段的实例并且包括环氧乙烷(或乙二醇)作为亲水嵌段的实例。该分类是基于其如上所述的其相对概念。
在所述嵌段共聚物中，作为疏水嵌段的环氧丙烷(或丙二醇)经由范德华相互作用吸附至碳质材料的表面，且作为亲水嵌段的环氧乙烷(或乙二醇)从碳质材料的表面向外地排布。于是，例如，可形成包括用相邻的:CH自由基交联的聚环氧乙烷(或聚乙二醇)和大部分未交联的聚环氧丙烷(或聚丙二醇)的聚合物电解质，所述:CH自由基是使用自由基试剂例如UV引发剂由环氧乙烷(或乙二醇)亲水嵌段的CH2经由UV交联(或热交联)如以下反应方案2中所示地形成的。
反应方案2
Figure BDA0001372739320000081
嵌段共聚物可包括两种或更多种不同的能聚合的单体嵌段。例如，嵌段共聚物可包括两种或三种不同的能聚合的单体嵌段。
嵌段共聚物的亲水嵌段的数均分子量Mn可为约500Da-约20,000Da。例如，嵌段共聚物的亲水嵌段的数均分子量Mn可为约500Da-约18,000Da、例如约500Da-约16,000Da、例如约500Da-约14,000Da、例如约500Da-约12,000Da、例如约500Da-约10,000Da、例如约500Da-约9,000Da、例如约500Da-约8,000Da、例如约500Da-约7,000Da、例如约500Da-约6,000Da、例如约500Da-约5,000Da、例如约600Da-约5,000Da、例如约700Da-约5,000Da、和例如约800Da-约5,000Da。如果嵌段共聚物的亲水嵌段的数均分子量Mn在这些范围内，则亲水嵌段不附聚而是分散，导致金属空气电池的锂离子传导性的改善。
亲水嵌段可为具有锂离子传导基团作为侧链的聚合物嵌段。锂离子传导基团是亲水基团。作为侧链的锂离子传导基团的实例可包括-SO3 -、-COO-、-(CF3SO2)2N-(在下文中，称作TFSI-)、-(FSO2)2N-(在下文中，称作FSI-)、-SO2N-SO2CF3、-SO2N-SO2CF2CF3、-SO2C6H4COO-、-C6H3(SO2NH2)COO-、-CH(COO-)CH2COO-、-C6H3(OH)COO-、-C6H2(NO2)2COO-、或-CH2C(CH3)2COO-。
具有锂离子传导基团作为侧链的聚合物嵌段可为例如用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-阴离子官能化的的聚(甲基)丙烯酸酯嵌段。如果锂离子传导基团被包括作为侧链，则通过容易地保证锂离子的移动性(迁移率)，可改善锂离子传导性。
嵌段共聚物可为未交联或交联嵌段共聚物。
例如，嵌段共聚物可包括如下的至少一种：聚乙二醇-b-聚丙二醇二嵌段共聚物、聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷二嵌段共聚物、聚苯乙烯-b-聚乙二醇二嵌段共聚物、聚苯乙烯-b-聚环氧乙烷二嵌段共聚物、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、聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、聚乙二醇-b-聚苯乙烯-b-聚乙二醇三嵌段共聚物、和聚环氧乙烷-b-聚苯乙烯-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物。
例如，嵌段共聚物可包括如下的至少一种：交联聚乙二醇-b-聚丙二醇二嵌段共聚物、交联聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷二嵌段共聚物、交联聚苯乙烯-b-聚乙二醇二嵌段共聚物、交联聚苯乙烯-b-聚环氧乙烷二嵌段共聚物、用TFSI-阴离子官能化的交联聚苯乙烯-b-聚(甲基)丙烯酸酯二嵌段共聚物、用FSI-阴离子官能化的交联聚苯乙烯-b-聚(甲基)丙烯酸酯二嵌段共聚物、交联聚乙二醇-b-聚丙二醇-b-聚乙二醇三嵌段共聚物、交联聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、交联聚乙二醇-b-聚苯乙烯-b-聚乙二醇三嵌段共聚物、和交联聚环氧乙烷-b-聚苯乙烯-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物。
例如，嵌段共聚物可包括如下的至少一种：交联聚乙二醇-b-聚丙二醇二嵌段共聚物、交联聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷二嵌段共聚物、交联聚苯乙烯-b-聚乙二醇二嵌段共聚物、交联聚苯乙烯-b-聚环氧乙烷二嵌段共聚物、交联聚乙二醇-b-聚丙二醇-b-聚乙二醇三嵌段共聚物、交联聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、交联聚乙二醇-b-聚苯乙烯-b-聚乙二醇三嵌段共聚物、和交联聚环氧乙烷-b-聚苯乙烯-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物。
嵌段共聚物的数均分子量Mn可为约3,000Da-约60,000Da。例如，嵌段共聚物的数均分子量Mn可为约3,000Da-约55,000Da、例如约3,000Da-约50,000Da、例如约3,000Da-约45,000Da、例如约3,000Da-约40,000Da、例如约3,000Da-约35,000Da、例如约3,000Da-约30,000Da、例如约3,000Da-约25,000Da、例如约3,000Da-约20,000Da、例如约3,500Da-约20,000Da、例如约4,000Da-约20,000Da、例如约4,500Da-约20,000Da、和例如约5,000Da-约20,000Da。如果嵌段共聚物的数均分子量Mn在这些范围内，则锂离子传导性可增加，具有高的弹性，而不使结晶性增加。
聚合物电解质的量可为约10重量份-约300重量份，基于100重量份的碳质材料。如果聚合物电解质的量在该范围内，则锂电池可具有充足的锂离子传导性和高的每单位重量的能量密度。
聚合物电解质层的厚度可为约1nm-约30nm。例如，聚合物电解质层的厚度可为约1nm-约28nm、例如约1nm-约26nm、例如约1nm-约24nm、例如约1nm-约22nm、例如约1nm-约20nm、例如约1nm-约18nm、例如约1nm-约16nm、例如约1nm-约14nm、例如约1nm-约12nm、和例如约1nm-约10nm。当聚合物电解质层的厚度在这些范围内时，可获得充足的锂离子传导性和高的每单位重量的能量密度。
聚合物电解质层相对于锂在约1.4V-约4.5V的充电/放电电压范围内可为电化学稳定的。例如，聚合物电解质层相对于锂在约1.5V-约4.5V的充电/放电电压范围内可为电化学稳定的。
碳质材料可具有多孔碳结构。碳质材料的全部或一部分可具有多孔碳结构。例如，多孔碳结构可为中孔的。碳质材料可具有充足的比表面积并且在其上有效地传输电子。
例如，碳质材料可选自碳纳米管、碳纳米颗粒、碳纳米纤维、碳纳米片、碳纳米棒、碳纳米带、石墨烯、石墨烯氧化物、碳气凝胶、反蛋白石结构碳(inverse opal carbon)、其任意混合物、和其任意复合物。例如，碳质材料可为碳纳米管、碳纳米颗粒、和其任意复合物。例如，所述复合物可为其中包括碳纳米颗粒的颗粒设置在碳纳米管的表面上的复合物。
例如，碳质材料可为碳纳米管。碳纳米管可为单壁碳纳米管(SWCNT)、双壁碳纳米管(DWCNT)、多壁碳纳米管(MWCNT)、绳状碳纳米管、或其任意组合。
碳质材料可为单壁碳纳米管(SWCNT)、双壁碳纳米管(DWCNT)、多壁碳纳米管(MWCNT)、或其任意组合。
碳纳米管的平均长径比(平均长度/平均直径)可为约1-约20,000。所述平均长径比可通过本领域中公知的任意方法、例如使用透射电子显微镜(TEM)图像、高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)图像、扫描电子显微镜(SEM)图像、或场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)图像、和/或使用动态光散射的测量设备测量。当碳纳米管的平均长径比在该范围内时，电荷被快速地从各纳米管的表面传输到其内部。
碳质材料的量可为约50重量份-约95重量份，基于100重量份的正极。
锂盐可包括如下的至少一种：LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiN(SO2C2F5)2、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、LiClO4、LiAlO2、LiAlCl4、LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(其中x和y为自然数)、LiF、LiBr、LiCl、LiOH、LiI和LiB(C2O4)2(双(草酸)硼酸锂；LiBOB)。然而，实例实施方式不限于此，且也可使用本领域中可用作锂盐的任何化合物。
锂盐的量可为约5重量份-约50重量份，基于100重量份的正极。当锂盐的量在该范围内时，可获得充足的锂离子传导性。
聚合物电解质层的聚合物电解质单体对锂离子的摩尔比可为约40:1-约3:1。例如，聚合物电解质层的聚合物电解质单体对锂离子的摩尔比可为约20:1-约10:1。然而，聚合物电解质层的聚合物电解质单体对锂离子的摩尔比不限于此，只要在充电和放电期间锂离子和/或电子被有效地传输。
正极可为空气电极。
根据另一实例实施方式的锂电池可为锂空气电池。锂空气电池可包括：包括锂或锂合金的负极；如上所述的正极；以及设置于负极和正极之间的隔板。
图3为说明根据实例实施方式的锂空气电池10的结构的示意图。
如图3中所示，锂空气电池10包括邻近于第一集流体14设置并且使用氧作为活性材料的正极(空气电极)15、邻近于第二集流体12设置并且包括锂或锂合金的负极13、以及介于负极13和正极15之间的隔板16。可进一步在正极(空气电极)15的面对隔板16的表面上设置锂离子传导固体电解质膜(未示出)。
多孔的第一集流体14也可用作容许空气的扩散的气体扩散层。可进一步在第一集流体14上设置容许空气到达正极(空气电极)15的挤压(加压)构件19。绝缘树脂材料的壳11设置在正极(空气电极)15和负极13之间以将空气电极与负极电隔离。空气通过空气入口17a供应且通过空气出口17b排放。锂空气电池10可储存在不锈钢反应器中。
正极(空气电极)15包括所述锂盐和所述碳质材料，所述碳质材料具有包覆在所述碳质材料的表面上并且包括聚合物电解质的聚合物电解质层，所述聚合物电解质由至少一种类型的亲水材料和至少一种类型的疏水材料构成。聚合物电解质的一部分可经由非共价或共价键锚定到碳质材料的表面。
所述锂盐、聚合物电解质、聚合物电解质层、碳质材料、和经由非共价或共价键的锚定状态如上所述，且因此将不给出其进一步的描述。
正极(空气电极)15可进一步包括氧的氧化/还原催化剂。氧的氧化/还原催化剂的实例可包括贵金属催化剂例如铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、钌(Ru)、铑(Rh)、和锇(Os)，氧化物催化剂例如氧化锰、氧化铁、氧化钴、和氧化镍，或有机金属催化剂例如酞菁钴，而不限于此。也可使用本领域中用作氧的氧化/还原催化剂的任何其它催化剂。
正极(空气电极)15可进一步包括粘合剂。粘合剂可包括热塑性树脂或热固性树脂。粘合剂的实例可包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、苯乙烯-丁二烯橡胶、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、偏氟乙烯-五氟丙烯共聚物、丙烯-四氟乙烯共聚物、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚-四氟乙烯共聚物、和乙烯-丙烯酸共聚物，其各自可单独或彼此组合使用，而不限于此。也可使用本领域中可用作粘合剂的任何材料。
第二集流体12可为具有导电性的任何集流体，而没有限制。例如，可使用不锈钢、镍(Ni)、铜(Cu)、铝(Al)、铁(Fe)、钛(Ti)、碳(C)等。第二集流体12可具有薄膜、板、网和栅格的形式。例如，第二集流体12可包括铜箔。第二集流体12可固定到特氟隆壳(未示出)。
负极13可包括锂或锂合金。如果需要，负极13可包括锂嵌入化合物。然而，负极13不限于此，且也可使用容许锂的嵌入和脱嵌的任何化合物或任何含锂的材料作为负极13。锂合金的实例可包括锂与铝、锡、镁、铟、钙、钛、或钒的合金。决定锂空气电池的容量的负极13可为锂薄膜。
如果需要，负极13可进一步包括粘合剂。例如，粘合剂可为聚偏氟乙烯(PVdF)或聚四氟乙烯(PTFE)。粘合剂的量可为30重量份或更少、例如约1-约10重量份，基于100重量份的负极13，而不限于此。
当用在锂空气电池10中时，隔板16可具有变化的组成。例如，隔板16可为聚合物无纺织物例如聚丙烯无纺织物或聚苯硫醚无纺织物、或烯烃树脂例如聚乙烯或聚丙烯的多孔膜，其单独使用或者以其至少两种的组合使用。
可进一步在正极(空气电极)15或负极13的表面上设置锂离子传导固体电解质膜。例如，锂离子传导固体电解质膜可用作保护层以防止在包括在电解质中的杂质例如水和氧与包括在负极13中的锂之间的直接反应。锂离子传导固体电解质膜的实例可包括无机材料例如锂离子传导玻璃、锂离子传导晶体(陶瓷或玻璃-陶瓷)、或包括其任意混合物的无机材料。然而，锂离子传导固体电解质膜不限于此，且也可使用具有锂离子传导性且保护正极(空气电极)15或负极13的本领域中可利用的任何固体电解质膜。同时，考虑到化学稳定性，锂离子传导固体电解质膜可为氧化物。
锂离子传导晶体的实例可为Li1+x+y(Al,Ga)x(Ti,Ge)2-xSiyP3-yO12(其中0≤x≤1和0≤y≤1，例如，0≤x≤0.4且0<y≤0.6或0.1≤x≤0.3且0.1<y≤0.4)。锂离子传导玻璃-陶瓷的实例可包括锂-铝-锗-磷酸盐(LAGP)、锂-铝-钛-磷酸盐(LATP)、和锂-铝-钛-硅-磷酸盐(LATSP)。此外，如果需要，锂离子传导固体电解质膜可进一步包括无机固体电解质。无机固体电解质的实例可包括Cu3N、Li3N和LiPON。锂离子传导固体电解质膜可为单层或多层膜。
锂空气电池10可如下制备。
首先，制备前述正极(空气电极)15)；包括锂或锂合金的负极13；和隔板16。
接着，将负极13安装在壳的一侧上，将隔板16安装在负极13上，并且将锂离子传导固体电解质膜设置在其上的正极(空气电极)15安装在壳的相反侧上以面对负极13。随后，将第一集流体14设置在正极(空气电极)15上，并压制容许空气到达正极(空气电极)15的挤压部件19以将单元电池固定，由此完成锂空气电池10的制备。
如果需要，可在电池的制备期间将少量的包括锂盐的液体电解质注入安装在负极上的隔板中。例如，可将隔板用1.0M LiTFSI碳酸亚丙酯电解质溶液浸渍，但不限于此，且隔板可以少的量包括非质子有机溶剂和锂盐、或者离子液体和锂盐。
非质子有机溶剂的实例可包括碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、碳酸氟代亚乙酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸甲基异丙基酯、碳酸二丙酯、碳酸二丁酯、苄腈、乙腈、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、γ-丁内酯、二氧戊环、4-甲基二氧戊环、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、二氧六环、1,2-二甲氧基乙烷、环丁砜、二氯乙烷、氯苯、硝基苯、一缩二乙二醇、二甲基醚、或其任意混合物。
离子液体的实例可包括双(三氟甲磺酰)亚胺二乙基甲基(2-甲氧基乙基)铵(DEME-TFSi)。
例如，离子液体可为聚合物离子液体。聚合物离子液体可包括包含如下的重复单元：i)选自如下的至少一种阳离子：铵、吡咯烷
Figure BDA00013727393200001413
吡啶
Figure BDA00013727393200001414
嘧啶
Figure BDA00013727393200001415
咪唑
Figure BDA00013727393200001416
哌啶
Figure BDA00013727393200001417
吡唑
Figure BDA00013727393200001418
唑
Figure BDA00013727393200001419
哒嗪
Figure BDA00013727393200001411
锍、三唑
Figure BDA00013727393200001412
和其任意混合物，和ii)选自如下的至少一种阴离子：BF4 -、PF6 -、AsF6 -、SbF6 -、AlCl4 -、HSO4 -、ClO4 -、CH3SO3 -、CF3CO2 -、(CF3SO2)2N-、Cl-、Br-、I-、SO4 2-、CF3SO3 -、(C2F5SO2)2N-、(C2F5SO2)(CF3SO2)N-、NO3 -、Al2Cl7 -、CH3COO-、CF3SO3 -、(CF3SO2)3C-、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、SF5CF2SO3 -、SF5CHFCF2SO3 -、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、(SF5)3C-、和(O(CF3)2C2(CF3)2O)2PO-。
壳可划分为接触负极的下部部分和接触空气电极的上部部分。绝缘树脂可介于所述上部部分和下部部分之间以使空气电极和负极彼此电绝缘。
不需要进一步在负极13和正极(空气电极)15之间设置锂离子传导聚合物电解质。因此，锂空气电池的总重量可减少，由此改善每单位重量的能量密度。
锂空气电池可用作锂一次电池或锂二次电池。锂空气电池可具有任意多种形式，且例如可为硬币、钮扣、片、堆、圆柱体、平面、或角的形式，而没有限制。此外，锂空气电池可应用于用于电动车的大型电池。
本文中使用的术语“空气”不限于大气空气，且还可指包括氧气的气体组合或纯氧气。“空气”的该宽泛的定义还适用于其它术语，包括空气电池、空气正极等。
根据另一实例实施方式的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，所述聚合物电解质由至少一种类型的亲水材料和至少一种类型的疏水材料构成：将碳质材料、聚合物电解质、和锂盐在溶剂中混合以制备混合物，将混合物分散，和将分散体干燥。
所述碳质材料、聚合物电解质和锂盐如上所述，且因此将不给出其进一步的描述。
例如，所述溶剂可包括选自如下的至少一种：水、醇、丙酮、四氢呋喃、环己烷、四氯化碳、氯仿、二氯甲烷、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲亚砜、和N-甲基吡咯烷酮。
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。
将碳质材料和聚合物电解质以适当的重量比添加到溶剂以获得混合物。以适当的聚合物电解质单体对锂离子的摩尔比向其添加锂盐并将之分散。然后，可在将所得分散体干燥之前将其过滤。过滤过程可使用包括具有1μm或更小的孔径的孔的过滤器进行。例如，过滤过程可使用PVdF膜进行。通过该过程，可获得包括锂盐且在其表面上具有聚合物电解质包覆层的碳质材料。
所述方法可进一步包括在将碳质材料、聚合物电解质和锂盐添加到溶剂、将混合物分散和将分散体干燥之后的交联过程。
交联过程可为热交联过程或紫外(UV)交联过程。如果需要，在热交联过程中可使用交联剂，和在UV交联过程中可使用UV引发剂。
例如，交联剂可为多元醇或多价环氧化合物。多元醇的实例可包括：脂族多元醇例如乙二醇、甘油和聚乙烯醇，以及芳族多元醇例如邻苯二酚、间苯二酚和对苯二酚。多价环氧化合物的实例可包括：脂族多价环氧化合物例如甘油基多缩水甘油醚和三羟甲基丙烷多缩水甘油醚，以及芳族多价环氧化合物例如双酚A型环氧化合物。然而，交联剂不限于此，且也可使用本领域中使用的任何交联剂。通过使用交联剂，可容易地调节交联密度且包括聚合物电解质的聚合物电解质层可有效地锚定至碳质材料的表面。
交联剂的量可为约1-约40重量％，基于聚合物电解质的能聚合的单体的总重量。
热交联可在大气条件或氧化条件下在约80℃-约120℃的温度下进行约2小时-约6小时。
UV引发剂可为在接收UV线时产生自由基的任何材料，而没有限制。例如，UV引发剂可具有双键。可使用UV辐照器将在其表面上具有聚合物电解质包覆层的碳质材料暴露于UV线约20分钟-约60分钟以进行UV交联。
然后，从真空烘箱除去未反应的交联剂或未反应的UV引发剂以制备用于金属空气电池的正极。
在下文中，将参照以下实施例和对比例详细地描述本公开内容的一个或多个实例实施方式。这些实施例和对比例不意图限制本发明构思的所述一个或多个实例实施方式的目的和范围。
实施例
实施例1：包覆有聚合物电解质层的碳质材料的制备
将50mg多壁碳纳米管(Hanwha Chemical，CM250，92～96％)和作为聚合物电解质的200mg聚乙二醇-b-聚丙二醇-b-聚乙二醇三嵌段共聚物(Sigma Aldrich，Pluronic P-123，平均Mn：5800Da，EO:PO:EO＝20:70:20进料比，PEG：30重量％)添加到100mL水以制备混合物。
向混合物添加双(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiTFSI)粉末使得EO/Li的摩尔比为20，并且使用超声器将混合物分散2小时。使用
Figure BDA0001372739320000161
PVdF膜(孔尺寸：0.2μm)将预定量的分散体过滤以制备包覆有包括PEG-b-PPG-b-PEG三嵌段共聚物聚合物电解质的聚合物电解质层的多壁碳纳米管。
将所得物在室温下干燥12小时并在真空烘箱中干燥12小时。然后，将干燥的所得物用过量的UV引发剂
Figure BDA0001372739320000162
104浸渍，以进行UV交联。从真空烘箱除去未反应的
Figure BDA0001372739320000163
104UV引发剂以制备包覆有由交联PEG-b-PPG-b-PEG三嵌段共聚物聚合物电解质构成的聚合物电解质层的多壁碳纳米管。
实施例2：包覆有聚合物电解质层的碳质材料的制备
以与实施例1中相同的方式制备包覆有聚合物电解质层的多壁碳纳米管，除了如下之外：使用聚乙二醇-b-聚丙二醇-b-聚乙二醇三嵌段共聚物(Sigma Aldrich，PluronicF-127，平均Mn：12100Da，EO:PO:EO＝101:56:101进料比，PEG：73.5重量％)作为聚合物电解质代替聚乙二醇-b-聚丙二醇-b-聚乙二醇三嵌段共聚物(Sigma Aldrich，Pluronic P-123，平均Mn：5800Da，EO:PO:EO＝20:70:20进料比，PEG：30重量％)。
实施例3：锂空气电池的制备
将隔板(Celgard 3501)设置在锂金属薄膜负极上。
将通过在聚(乙二醇)-二甲基醚(Sigma Aldrich，Mw：500Da)中溶解1M双(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiTFSl)而制备的0.1mL电解质注入隔板中。
作为固体电解质，将锂-铝-钛磷酸盐(LATP，厚度：250μm，Ohara Corp.，Japan)设置在隔板上。
然后，将根据实施例1制备的包覆有由交联PEG-b-PPG-b-PEG三嵌段共聚物聚合物电解质构成的聚合物电解质层的多壁碳纳米管设置在LATP固体电解质上作为正极(空气电极)。在这种情况下，包覆有聚合物电解质层的多壁碳纳米管的量为90.5重量份且锂盐的量为9.5重量份，基于100重量份的空气电极。
然后，将气体扩散层(GDL，SGL，25BC)附着到正极的上表面，将镍网设置在气体扩散层上，并且向其施加容许空气到达正极的加压部件以将单元电池固定，由此完成锂空气电池的制备。
根据实例实施方式的锂空气电池的结构示于图3中。
实施例4：锂空气电池的制备
以与实施例3中相同的方式制备锂空气电池，除了如下之外：使用根据实施例2制备的包覆有聚合物电解质层的多壁碳纳米管作为正极(空气电极)代替根据实施例1制备的包覆有聚合物电解质层的多壁碳纳米管。
对比例1：锂空气电池的制备
(1)正极(空气电极)的制备
通过如下制备电解质：将作为离子传导聚合物的聚环氧乙烷(平均Mn：100,000Da，Aldrich)与作为锂盐的LiTFSI在热板上混合使得EO/Li的摩尔比为20。向电解质添加多壁碳纳米管(Hanwha Chemical，CM250，92～96％)使得电解质对多壁碳纳米管的重量比为3:1，然后混合以制备正极(空气电极)浆料。
将空气电极浆料涂覆在LATP固体电解质层(厚度：250μm，Ohara Corp.，Japan)上使得用于制备正极(空气电极)的空气电极浆料的量为3.248mg/cm2(约1cm×1cm的面积)。
(2)锂空气电池的制备
以与实施例3中相同的方式制备锂空气电池，除了如下之外：使用以上根据制备(1)制备的正极(空气电极)作为正极代替根据实施例1制备的包覆有聚合物电解质层的多壁碳纳米管。
分析实施例1：TEM分析-形态分析
使用TEM图像分析分别根据实施例1和2制备的包覆有聚合物电解质层的碳质材料。使用由FEI制造的Titan Cubed G2 60-300显微镜进行TEM分析。结果分别显示于图4A-4C中。
图4A和4C为根据实施例1和2制备的包覆有聚合物电解质层的碳质材料的TEM图像。图4B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。
参照图4A和4C，证实，在碳质材料的表面上分别以约2nm、和约5nm-约10nm的厚度(双向箭头)形成根据实施例1和2制备的聚合物电解质层。
参照图4B，证实，聚合物电解质层的聚合物电解质的全部或一部分经由非共价或共价键锚定至实施例2的碳质材料的表面并在其上交联。
分析实施例2：TGA-聚合物电解质的重量减少率
通过热重分析(TGA)分析和鉴别根据实施例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。
通过如下进行TGA：使用热重分析仪(由TA Instruments制造的Q5000)测量当在氮气气氛中10mg所述碳质材料的样品的温度以10℃/分钟的速率从0℃增加到800℃时的其重量损失。结果示于图5中。
参照图5，聚合物电解质的重量减少在约330℃处开始并且在约400℃处停止。证实，聚合物电解质的重量减少水平为约45.5％。
分析实施例3：XPS分析-在碳质材料的表面上的聚合物电解质层的分析
通过X-射线光电子能谱法(XPS)分析根据实施例2制备的包覆有聚合物电解质层的碳质材料以鉴别聚合物电解质层的聚合物电解质。结果示于图6A和6B中。
使用适量的所述碳质材料的样品使用X-射线光电子能谱仪(PHI，Versaprobe)进行XPS。
参照图6A，在包覆在碳质材料的表面上的聚合物电解质中观察到C-O键，并且在碳质材料和聚合物电解质之间观察到C-C键和C＝C键。在溅射2分钟之后，将碳质材料的表面粉碎并且通过XPS进行观察。结果显示，对应于C-O键的峰减小。
参照图6B，在溅射2分钟之后，观察到对应于C-O键的峰的减小。因此，确定聚合物电解质包覆在碳质材料的表面上。
评价实施例1：充电和放电特性的评价-能量密度的评价
将根据实施例3和对比例1制备的锂空气电池在60℃下且在氧气气氛中在1atm下以0.048mA/cm2的恒定电流放电直至电压达到2.0V(相对于Li)并且以相同的电流充电直至电压达到4.3V；在该电压下进行充电直至充电电流达到0.0048mA/cm2。在第一次循环的充电和放电测试的结果的部分显示于表1和图7A中。
此外，将根据实施例4和对比例1制备的锂空气电池在60℃下且在氧气气氛中在1atm下以0.048mA/cm2的恒定电流放电直至电压达到2.0V(相对于Li)并且以相同的电流充电直至电压达到4.3V；在该电压下进行充电直至充电电流达到0.0048mA/cm2。在第一次循环的充电和放电测试的结果的部分显示于表2和图7B中。
在每单位重量的能量密度中，单位重量是包括电解质、碳质材料(包覆有聚合物电解质层)、和放电产物的正极的总重量，且能量密度是通过将放电量和平均放电电压的积除以重量而获得的。
表1
Figure BDA0001372739320000191
表2
Figure BDA0001372739320000192
参照表1和图7A，根据实施例3制备的锂空气电池的能量密度比根据对比例1制备的锂空气电池的能量密度高约44Wh/kg。参照表2和图7B，根据实施例4制备的锂空气电池的能量密度比对比例1的锂空气电池的能量密度高72Wh/kg。这些结果是在锂空气电池的正极(空气电极)中电解质的重量减少的后果。
根据实例实施方式的用于金属空气电池的正极包括锂盐、和在其表面上具有包括聚合物电解质的聚合物电解质包覆层的碳质材料，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。由于聚合物电解质的一部分经由非共价或共价键锚定至碳质材料的表面，因此电解质的量可减少。包括所述用于金属空气电池的正极的金属空气电池可具有增加的每单位重量的能量密度。
应理解，本文中描述的实例实施方式应仅在描述的意义上考虑且不用于限制的目的。在各实例实施方式内的特征或方面的描述应典型地被认为可用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。
尽管已经参照附图描述了一个或多个实例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不背离如由所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可在其中进行形式和细节方面的多种变化。

Claims (29)

1.用于金属空气电池的正极，所述正极包括：
锂盐；和
表面包覆有聚合物电解质层的碳质材料，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共价键锚定至所述碳质材料的表面，或者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，
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，
其中所述疏水材料与水的接触角大于70°。
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。
5.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。
6.如权利要求1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，和所述亲水嵌段远离所述碳质材料的表面地排布在所述碳质材料的表面上。
7.如权利要求1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。
8.如权利要求1所述的正极，其中所述嵌段共聚物的所述亲水嵌段具有500Da-20000Da的数均分子量。
9.如权利要求1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。
10.如权利要求9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。
11.如权利要求1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。
12.如权利要求1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物、交联聚苯乙烯-b-聚乙二醇二嵌段共聚物、用TFSI-阴离子官能化的交联聚苯乙烯-b-聚(甲基)丙烯酸酯二嵌段共聚物、用FSI-阴离子官能化的交联聚苯乙烯-b-聚(甲基)丙烯酸酯二嵌段共聚物、交联聚乙二醇-b-聚丙二醇-b-聚乙二醇三嵌段共聚物、和交联聚乙二醇-b-聚苯乙烯-b-聚乙二醇三嵌段共聚物。
13.如权利要求1所述的正极，其中所述嵌段共聚物具有3000Da-60000Da的数均分子量。
14.如权利要求1所述的正极，其中所述聚合物电解质的量为10重量份-300重量份，基于100重量份的所述碳质材料。
15.如权利要求1所述的正极，其中所述聚合物电解质层具有1nm-30nm的厚度。
16.如权利要求1所述的正极，其中所述聚合物电解质层相对于锂在1.4 V-4.5 V的充电/放电电压范围内是电化学稳定的。
17.如权利要求1所述的正极，其中所述碳质材料为多孔碳结构。
18.如权利要求1所述的正极，其中所述碳质材料选自碳纳米管、碳纳米颗粒、碳纳米纤维、碳纳米片、碳纳米棒、碳纳米带、石墨烯、石墨烯氧化物、碳气凝胶、反蛋白石结构碳、及其混合物。
19.如权利要求1所述的正极，其中所述碳质材料的量为50重量份-95重量份，基于100重量份的所述正极。
20.如权利要求1所述的正极，其中所述锂盐包括选自如下的至少一种：LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiC4F9SO3、LiClO4、LiAlO2、LiAlCl4、其中x和y为自然数的LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)、LiF、LiBr、LiCl、LiOH、LiI、和LiB(C2O4)2。
21.如权利要求20所述的正极，其中x和y为自然数的LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)为LiN(SO2C2F5)2和Li(CF3SO2)2N。
22.如权利要求1所述的正极，其中所述锂盐的量为5重量份-50重量份，基于100重量份的所述正极。
23.如权利要求1所述的正极，其中所述正极为空气电极。
24.金属空气电池，包括：
包括锂或锂合金的负极；
如权利要求1-23任一项所述的正极；以及
设置在所述负极和所述正极之间的隔板。
25.制备如权利要求1-23任一项所述的用于金属空气电池的正极的方法，
其中所述制备包括将所述碳质材料、所述聚合物电解质、和所述锂盐添加到溶剂，将所述碳质材料、聚合物电解质、锂盐、和溶剂的混合物分散以制备分散体，和将所述分散体干燥。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括在将所述碳质材料、聚合物电解质、锂盐、和溶剂的混合物分散之后并且在将所述分散体干燥之前进行过滤过程。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述过滤过程使用具有拥有1µm或更小的孔径的孔的过滤器进行。
28.如权利要求25所述的方法，进一步包括在将所述分散体干燥之后进行交联过程。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述交联过程为热交联过程或UV交联过程。
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