CN113299923A - 正极、包括正极的锂-空气电池和制造正极的方法 - Google Patents

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Abstract

正极、包括正极的锂‑空气电池和制造正极的方法，所述正极配置成使用氧气作为正极活性材料，所述正极包括：多孔层；和设置在所述多孔层的表面上的阻隔层，其中所述阻隔层包括第一含锂的金属氧化物。

Description

正极、包括正极的锂-空气电池和制造正极的方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求2020年2月24日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2020-0022375的优先权和权益、以及由其产生的所有权益，将其内容全部通过引用引入本文中。
技术领域
本公开内容涉及正极、包括所述正极的锂-空气电池、和制备所述正极的方法。
背景技术
锂-空气电池采用锂金属作为负极并且在所述电池中可不存储空气即正极活性材料，从而使得所述电池能够具有大的容量。
锂-空气电池的每单位重量的理论能量密度可为非常高的，约3,500瓦时/千克(Wh/kg)或更大。锂-空气电池的这样的能量密度为锂离子电池的能量密度的约10倍大。
锂空气电池的正极可通过将碳质导电剂、粘合剂等混合而制备。在锂-空气电池的充电/放电时，在电化学反应期间可产生自由基等，并且碳质导电剂、粘合剂等可被分解。
锂-空气电池可采用例如包括包含碳质导电剂或粘合剂的正极。
期望针对在电化学反应期间产生的自由基等是化学稳定的正极。
发明内容
提供化学稳定并且具有新型结构的正极。
提供包括所述正极的锂-空气电池。
提供制造所述正极的方法。
另外的方面将部分地在随后的描述中阐明并且部分地将从所述描述明晰，或者可通过本公开内容的所呈现的实施方式的实践而获知。
根据实施方式，
配置成使用氧气作为正极活性材料的正极包括：
多孔层；和
设置在所述多孔层的表面上的阻隔层，
其中所述阻隔层包括第一含锂的金属氧化物。
根据实施方式，
锂-空气电池包括
所述正极；
包括锂的负极；以及
在所述正极和所述负极之间的电解质。
根据实施方式，
制造正极的方法包括
将包括第一含锂的金属氧化物的第一成分(组合物)成型(模塑)以形成经成型的成分(组合物)；
将所述经成型的成分热处理以制备第一层；
制备包括所述第一含锂的金属氧化物和粘合剂的第二成分(组合物)；
将所述第二成分涂布在基底上；
将所述基底上的所述第二成分干燥以形成第二层；
将所述第二层设置在所述第一层上以形成层叠体；和
将所述层叠体在约900℃-约1,300℃的温度下在氧化性气氛下热处理以制造所述正极。
根据实施方式，
阻隔层包括：
第一含锂的金属氧化物，和
第二含锂的金属氧化物，
其中
所述第二含锂的金属氧化物的熔点低于所述第一含锂的金属氧化物的熔点，
在25℃的温度下所述第一含锂的金属氧化物的电子传导率为1×10-6西门子/厘米-约5×10-1西门子/厘米，
在25℃的温度下所述第一含锂的金属氧化物的离子传导率为1×10-7西门子/厘米-约1×10-1西门子/厘米，和
所述阻隔层具有在1个大气压的压差下对于1厘米膜厚度的每平方米每天约0.001-约2,000立方厘米的气体渗透率。
附图说明
从结合附图考虑的以下描述，本公开内容的一些实施方式的以上和其它方面、特征、和优点将更明晰，其中：
图1为正极和阻隔膜的示意性横截面图；
图2为包括多孔层和阻隔层的整体式正极的实施方式的示意性横截面图；
图3为包括整体式正极的锂-空气电池的实施方式的示意性横截面图；
图4为显示实施例2中制造的阻隔层的液体阻隔特性的图像，其中培养皿的直径为约9cm；
图5为强度(任意单位(a.u.))对衍射角(度，2θ(°2θ))的图，其显示当使用Cu Kα辐射分析时在制备实施例1、2、3、和8中制造的尖晶石化合物的X-射线衍射(“XRD”)分析的结果；
图6为强度(任意单位)对衍射角(°2θ)的图，其显示制备实施例9-15中制造的钙钛矿化合物的使用Cu Kα辐射的XRD光谱；和
图7为说明锂-空气电池的实施方式的示意图。
具体实施方式
现在将对实施方式详细地进行介绍，其实例说明于附图中，其中相同的附图标记始终指的是相同的元件。在这点上，本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，下面仅通过参考附图描述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，修饰整个要素列表且不修饰所述列表的单独要素。
由于本发明构思容许多种变化和许多实施方式，因此在附图中图示并且在书面描述中详细地描述具体实施方式。然而，这不意图将本发明构思限制为具体的实践模式，并且将理解，未背离本发明构思的精神和技术范围的所有变化、等同物、和替代物被涵盖在本发明构思中。
本说明书中使用的术语仅用于描述具体实施方式且不意图限制本发明构思。以单数形式使用的表述涵盖复数的表述，除非其在上下文中具有明显不同的含义。在本说明书中，将理解，术语例如“包括”、“具有”等意图表示存在本说明书中所公开的特征、数、步骤、动作、组分、部分、成分、材料、或其组合，并且不意图排除可存在或者可增加一个或多个其它特征、数、步骤、动作、组分、部分、成分、材料、或其组合的可能性。如本文中使用的，“/”可取决于上下文而被解释为指代“和”或者“或”。
在附图中，为了清楚，放大或缩小层和区域的厚度。附图和说明书中的相同的附图标记表示相同的元件。在本说明书中，将理解，当一个元件例如层、膜、区域、或基底被称作“在”另外的元件“上”或“上方”时，其可直接在所述另外的元件上或者还可存在中间层。尽管可使用诸如“第一”、“第二”等的术语来描述各种组分，但这样的组分不应该被限于以上术语。以上术语仅用于将一种组分区别于另外的组分。
此外，在本文中可使用相对术语例如“下部”和“上部”来描述如图中所示的一个元件相对于另外的元件的关系。将理解，除图中描绘的方位之外，相对术语还意图涵盖装置的不同的方位。例如，如果将图之一中的装置翻转，被描述为在另外的元件的“下部”侧上的元件则将定向在所述另外的元件的“上部”侧上。因此，取决于图的具体方位，示例性术语“下部”可涵盖“下部”和“上部”两种方位。类似地，如果将图之一中的装置翻转，被描述为“在”另外的元件“下方”或“下面”的元件则将定向“在”所述另外的元件“上方”。因此，示例性术语“在......下方”或“在......下面”可涵盖在......上方和在......下方两种方位。
如本文中使用的“约”包括所陈述的值且意味着在如由本领域普通技术人员考虑到所讨论的测量和与具体量的测量有关的误差(即，测量系统的限制)而确定的对于具体值的可接受的偏差范围内。例如，“约”可意味着相对于所陈述的值在一种或多种标准偏差内，或者在±30％、20％、10％、或5％内。
除非另外定义，本文中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本公开内容所属领域的普通技术人员通常理解的相同。将进一步理解，术语，例如在常用字典中定义的那些，应被解释为其含义与它们在本公开内容和相关领域的背景中的含义一致，并且将不以理想化或过于形式的意义进行解释，除非在本文中明确地如此定义。
在本文中参照作为理想化实施方式的示意图的横截面图描述示例性实施方式。因此，将预计到作为例如制造技术和/或公差的结果的与图的形状的偏差。因此，本文中描述的实施方式不应被解释为限于如本文中所图示的区域的具体形状，而是将包括由例如制造导致的在形状方面的偏差。例如，图示或描述为平坦的区域可典型地具有粗糙的和/或非线性的特征。此外，所图示的尖锐的角可为圆化的。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，且它们的形状不意图图示区域的精确形状，且不意图限制本权利要求的范围。
如本文中使用的术语“整体式结构”指的是包括不同形状或孔隙率的元件的结构例如一体结构或单一结构，其中这些元件具有基本上相同的组成，并且这些元件是在不存在界面的情况下彼此化学连接的。因此，整体式结构不同于不同形状或孔隙率的元件的简单的层叠体结构和组装结构。如本文中使用的表述“元件具有基本上相同的组成”意指，各元件中包括的主要组分彼此相同。术语“主要组分”指的是在元件中包括的全部组分之中具有最大含量的组分。例如，各元件中的主要组分的含量为50重量百分比(重量％)或更大、60重量％或更大、70重量％或更大、80重量％或更大、或者90重量％或更大。
如本文中使用的术语“相对密度”指的是相对于所述材料的理论密度的由使用材料制备的制品的体积和重量计算的密度。
如本文中使用的术语孔的“尺寸”在球形孔的情况下指的是孔的平均直径，或者在非球形孔的情况下指的是长轴的平均长度。如本文中使用的“孔”指的是开孔。孔的平均直径可例如使用氨气吸附来测量。在实施方式中，孔的平均直径可为例如由扫描电子显微镜图像通过使用软件自动测量的直径或手动测量的孔尺寸的算术平均孔尺寸。
如本文中使用的术语颗粒的“尺寸”在球形颗粒的情况下指的是颗粒的平均直径，或者在非球形颗粒的情况下指的是长轴的平均长度。颗粒的平均直径指的是颗粒的中值直径(“D50”)，并且中值直径定义为与累积直径分布的50％对应的颗粒直径并且指的是样品中的50％的颗粒直径。颗粒的中值直径(“D50”)可使用颗粒尺寸分析仪(“PSA”)测量。
如本文中使用的“水分阻隔特性和气体阻隔特性”可分别使用MOCON Aquatranmodel 1和MOCON Oxytran 2/21仪器(可得自MOCON，Inc.)通过根据ASTM D3985的连续流动试验方法测量。在实施方式中，基底的水分阻隔特性可对于如下测定：在将蒸馏水滴到所述基底上之后12小时，蒸馏水是否浸渍在所述基底中。
如本文中使用的尖晶石化合物指的是与尖晶石即MgAl2O4同构的化合物。
如本文中使用的钙钛矿化合物指的是与钙钛矿即CaTiO3同构的化合物。
如本文中使用的层状化合物指的是具有层状结构的化合物，例如，与α-NaFeO2或LiCoO2同构的化合物。
如本文中使用的石榴石化合物指的是与石榴石即X3Y2(SiO4)3同构的化合物，其中X为二价阳离子例如Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、或其组合，并且Y为三价阳离子例如Al3+、Fe3+、Cr3+、或其组合。
如本文中使用的NASICON化合物指的与NASICON即Na1+xZr2SixP3-xO12同构的化合物，其中0<x<3。
如本文中使用的LISICON化合物指的是与LISICON即Li2+2xZn1-xGeO4同构的化合物,其中0<x<1。
如本文中使用的羟磷锂铁石(tavorite)化合物指的是与羟磷锂铁石即LiFe(PO4)(OH)同构的化合物。
如本文中使用的氟磷铁锰矿(triplite)化合物指的是与氟磷铁锰矿即(MnxFe1-x)2PO4(FyOH1-y)同构的化合物，其中0<x<1且0<y<1。
如本文中使用的反钙钛矿化合物指的是除了阴离子和阳离子位置颠倒之外，与钙钛矿即CaTiO3同构的化合物，例如在Li3OBr中。
如本文中使用的硅酸盐化合物指的是与具有式[SiO(4-2x)- (4-x)]的硅酸根的化合物同构的化合物，其中0≤x<2。
如本文中使用的硼酸盐化合物指的是与包括BO3或BO4单元的硼酸盐例如Ca3(BO3)2同构的化合物。
下文中，根据实施方式，将进一步详细地描述正极、包括所述正极的锂-空气电池、和制备所述正极的方法。
根据实施方式的正极可使用氧气作为正极活性材料并且包括多孔层和设置在所述多孔层的表面、例如一个表面上的阻隔层，其中所述阻隔层可包括第一含锂的金属氧化物。在所述正极中，所述多孔层的孔隙率可大于所述阻隔层的孔隙率。
如图1中所示，可将阻隔膜15设置在正极10的表面、例如一个表面上以帮助防止在从外部引入锂-空气电池中的空气和锂金属负极之间的接触。虽然在图1中未示出，但是可将电解质层和锂金属负极顺序地设置在阻隔膜15的表面、例如一个表面上。由于在正极10上设置额外的阻隔膜15，因此锂-空气电池的结构可为复杂的。此外，在正极10和阻隔膜15之间可产生额外的界面电阻，并且所述锂-空气电池的内阻可增加。
相比之下，如图2中所示，根据实施方式的正极10可包括多孔层10a和设置在多孔层10a的表面、例如一个表面上的阻隔层10b，其中阻隔层10b可包括第一含锂的金属氧化物。即，由于正极10具有除了多孔层10a之外还包含包括所述第一含锂的金属氧化物的阻隔层10b的结构，因此省略单独的阻隔膜。因此，所述锂-空气电池的结构可为简单的，并且可防止在正极和单独的阻隔膜之间的界面电阻。所述锂-空气电池可具有降低的内阻，并且所述锂-空气电池的循环特性可改善。此外，由于阻隔层10b包括所述第一含锂的金属氧化物，阻隔层10b可提供锂离子传导性以及阻隔特性。所述第一含锂的金属氧化物可为包括锂以及至少一种不同于锂的金属的氧化物。
由于阻隔层10b包括所述第一含锂的金属氧化物，并且所述第一含锂的金属氧化物除了锂离子传导特性之外还具有电子传导特性，因此阻隔层10b可具有与多孔层10a相同的电子传导性，并且阻隔层10b可不同于仅具有锂离子传导性并且不具有电子传导性的电绝缘阻隔膜。
阻隔层10b可具有例如与多孔层10a一起的整体式结构。由于阻隔层10b具有与多孔层10a一起的整体式结构，因此锂-空气电池的结构和制造工艺可更简单。此外，由于阻隔层10b具有与多孔层10a一起的整体式结构，因此可防止在阻隔层10b和多孔层10a之间的界面处发生的劣化，并且包括所述正极的锂-空气电池可具有改善的寿命特性。
阻隔层10b的相对密度可为例如70％或更大、75％或更大、80％或更大、85％或更大、90％或更大、95％或更大、96％或更大、97％或更大、98％或更大、或者99％或更大。阻隔层10b的相对密度可例如在如下范围内：约70％-约100％、约75％-约100％、约80％-约100％、约85％-约100％、约90％-约100％、约95％-约100％、约96％-约100％、约97％-约100％、约98％-约100％、或者约99％-约100％。当阻隔层10b具有在任意这些范围内的高的相对密度时，阻隔层10b可具有更致密的结构，并且阻隔层10b可具有进一步改善的阻隔特性。
阻隔层10b的孔隙率可为例如10％或更小、5％或更小、1％或更小、0.5％或更小、0.1％或更小、0.01％或更小、或者0.001％或更小，基于所述阻隔层的总体积。当阻隔层10b具有在任意这些范围内的低的孔隙率时，阻隔层10b可具有更致密的结构。
阻隔层10b中包括的所述第一含锂的金属氧化物的含量可为50重量％或更大、60重量％或更大、70重量％或更大、75重量％或更大、80重量％或更大、85重量％或更大、90重量％或更大、95重量％或更大、96重量％或更大、97重量％或更大、98重量％或更大、或者99重量％或更大，基于阻隔层10b的总重量。阻隔层10b中包括的所述第一含锂的金属氧化物的含量可例如在如下范围内：约60重量％-约100重量％、约70重量％-约100重量％、约75重量％-约100重量％、约80重量％-约100重量％、约85重量％-约100重量％、约90重量％-约100重量％、约95重量％-约100重量％、约96重量％-约100重量％、约97重量％-约100重量％、约98重量％-约100重量％、或者约99重量％-约100重量％。当阻隔层10b具有在任意这些范围内的所述第一含锂的金属氧化物的含量时，阻隔层10b可为致密的并且提供化学稳定的阻隔特性。
阻隔层10b可进一步包括第二含锂的金属氧化物或锂盐的至少一种。由于阻隔层10b进一步包括第二含锂的金属氧化物或锂盐的至少一种，因此阻隔层10b可具有进一步改善的相对密度。由于阻隔层10b具有进一步改善的相对密度，因此阻隔层10b可具有进一步改善的阻隔特性。
阻隔层10b中包括的所述第二含锂的金属氧化物的熔点可低于所述第一含锂的金属氧化物的熔点。由于所述第二含锂的金属氧化物的熔点低于所述第一含锂的金属氧化物的熔点，因此所述第二含锂的金属氧化物可在所述第一含锂的金属氧化物颗粒之中(among)熔融，第一含锂的金属氧化物颗粒可彼此结合，或者所述第一含锂的金属氧化物颗粒之中例如之间的间隔可被填充，并且阻隔层10b的相对密度可改善。所述第二含锂的金属氧化物可为锂离子导体或电子导体的至少一种。
例如，阻隔层10b中包括的所述第二含锂的金属氧化物可为如下的至少一种：Li2B4O7、Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(其中0<x<2且0≤y<3)、BaTiO3、Pb(ZraTi1-a)O3(“PZT”)(其中0≤a≤1)、Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(“PLZT”)(其中0≤x<1且0≤y<1)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(“PMN-PT”)、HfO2、SrTiO3、SnO2、CeO2、Na2O、MgO、NiO、CaO、BaO、ZnO、ZrO2、Y2O3、Al2O3、TiO2、SiO2、Li3PO4、LixTiy(PO4)3(其中0<x<2且0<y<3)、LixAlyTiz(PO4)3(其中0<x<2，0<y<1，且0<z<3)、Li1+x+y(AlaGa1-a)x(TibGe1-b)2-xSiyP3-yO12(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤a≤1，且0≤b≤1)、LixLayTiO3(其中0<x<2且0<y<3)、Li2O、LiOH、Li2CO3、LiAlO2、Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2、Li3+xLa3M2O12(其中M为Te、Nb、或Zr，且x可为1-10的整数)、Li7La3Zr2O12(“LLZO”)、或Li3+xLa3Zr2-aMaO12(M掺杂的LLZO，其中M为Ga、W、Nb、Ta、或Al，并且x可为1-10的整数，0<a<2)。
例如，阻隔层10b中包括的所述锂盐可为如下的至少一种：LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiNO3、双(草酸)硼酸锂(“LiBOB”)、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO3CF3)2、LiC4F9SO3、LiAlCl4、或三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3，“LiTfO”)。
与多孔层10a的厚度相比，阻隔层10b的厚度可为例如500％或更小、450％或更小、400％或更小、350％或更小、300％或更小、250％或更小、200％或更小、150％或更小、100％或更小、50％或更小、45％或更小、40％或更小、35％或更小、30％或更小、25％或更小、20％或更小、15％或更小、10％或更小、或者5％或更小。阻隔层10b的厚度可例如在如下范围内：多孔层10a的厚度的约0.1％-约500％、约1％-约450％、约1％-约400％、约1％-约350％、约1％-约300％、约1％-约250％、约1％-约200％、约1％-约150％、约1％-约100％、约0.1％-约50％、约1％-约45％、约1％-约40％、约1％-约35％、约1％-约30％、约1％-约25％、约1％-约20％、约1％-约15％、约1％-约10％、或者约1％-约5％。当阻隔层10b具有在任意这些范围内的小的厚度时，正极10中包括的多孔层10a的厚度可增加，并且所述锂-空气电池可具有改善的能量密度。
在实施方式中，阻隔层10b可具有水分阻隔特性和气体阻隔特性。由于阻隔层10b具有阻止水分或气体的至少一种的阻隔特性，因此锂金属负极可被隔离和保护免受外部环境，并且可防止所述锂金属负极的劣化，并且所述锂-空气电池的寿命特性可改善。被阻隔层10b阻止的气体可为例如负极腐蚀性气体例如氧气、蒸汽、或二氧化碳。阻隔层10b可充当氧气阻隔层、水分阻挡层、或者二氧化碳阻隔层。阻隔层10b的气体渗透率可例如在如下范围内：在1个大气压的压差下对于1厘米膜厚度的每平方米每天约0.001-约2,000立方厘米(cm3cm/m2天atm)。如本文中使用的术语“气体”被解释为包括如下的至少一种：氧气、二氧化碳、或水蒸气。所述气体渗透率可为例如氧气渗透率、二氧化碳渗透率、或水蒸气渗透率。
多孔层10a可包括例如所述第一含锂的金属氧化物。因此，由于多孔层10a和阻隔层10b包括相同的第一含锂的金属氧化物，因此正极10的组成均匀性可改善。
由于正极10包括多孔层10a和阻隔层10b，并且多孔层10a和阻隔层10b包括所述第一含锂的金属氧化物，因此与包括碳质导电剂的正极相比，在正极10中可防止由于例如在电化学反应期间伴有的自由基所引起的分解，并且包括正极10的锂-空气电池100可具有改善的充电和放电特性。
如图1中所示，当通过热处理等将正极10连接至阻隔膜15以提升在正极10和阻隔膜15之间的锂离子传导性时，由于正极10的组成与阻隔膜15的组成不同，因此在热处理期间，可通过交互扩散在正极10和阻隔膜15之间的界面处产生额外的相，并且其可充当电阻层。相比之下，如图2中所示，由于根据实施方式的正极10中包括的多孔层10a和阻隔层10b包括相同的第一含锂的金属氧化物，因此可抑制由交互扩散引起的额外相的产生，并且可防止电阻层的产生。可防止多孔层10a和阻隔层10b之间的界面电阻，可降低正极10的内阻，并且所述锂-空气电池可具有降低的内阻和改善的循环特性。例如，多孔层10a中包括的所述第一含锂的金属氧化物的含量和阻隔层10b中包括的所述第一含锂的金属氧化物的含量可彼此相同。在实施方式中，多孔层10a的组成可与阻隔层10b的组成相同。在实施方式中，正极10可具有多孔层10a和阻隔层10b的整体式结构。
例如，基于多孔层10a的总体积，多孔层10a的孔隙率可为10％或更大、20％或更大、30％或更大、40％或更大、50％或更大、55％或更大、60％或更大、65％或更大、70％或更大、75％或更大、80％或更大、85％或更大、或者90％或更大。例如，基于多孔层10a的总体积，多孔层10a的孔隙率可在如下范围内：约50％-约99％、约51％-约99％、约55％-约99％、约60％-约99％、约65％-约95％、约70％-约95％、约75％-约95％、约80％-约95％、约85％-约95％、或者约90％-约95％。所述孔隙率为相对于多孔层10a的总体积的孔体积。当多孔层10a具有在这样的范围内的高的孔隙率时，包括正极10的锂-空气电池的能量密度可提高。
多孔层10a的局部孔隙率可例如取决于在多孔层10a中的位置而不同。在实施方式中，多孔层10a可包括与阻隔层10b相邻的表面例如一个表面和与所述与阻隔层10b相邻的表面对面的另一表面，并且所述与阻隔层10b相邻的表面的周围区域中的孔隙率可小于或大于所述另一表面的周围区域中的孔隙率。在实施方式中，多孔层10a在所述与阻隔层10b相邻的表面的周围区域中的孔隙率可为50％或更大，并且多孔层10a在与所述表面对面的另一表面的周围区域中的孔隙率可为50％或更小。在实施方式中，多孔层10a在所述与阻隔层10b相邻的表面的周围区域中的孔隙率可在约50％-约99％的范围内，并且多孔层10a在与所述表面对面的另一表面的周围区域中的孔隙率可为约1％-约50％。在实施方式中，多孔层10a可具有从与阻隔层10b相邻的表面例如一个表面至与所述表面对面的另一表面的孔隙率梯度。在实施方式中，多孔层10a可在与阻隔层10b相邻的表面例如一个表面中具有最高的孔隙率，并且多孔层10a可在与所述表面对面的另一表面中具有最低的孔隙率。在实施方式中，多孔层10a可在与阻隔层10b相邻的表面例如一个表面中具有最低的孔隙率，并且多孔层10a可在与所述表面对面的另一表面中具有最高的孔隙率。
例如，多孔层10a的负载(载荷)水平可为4毫克/平方厘米(mg/cm2)或更大、4.2mg/cm2或更大、4.4mg/cm2或更大、4.6mg/cm2或更大、4.8mg/cm2或更大、5mg/cm2或更大、5.2mg/cm2或更大、5.4mg/cm2或更大、5.6mg/cm2或更大、或者5.8mg/cm2或更大。例如，多孔层10a的负载水平可在如下范围内：约4mg/cm2-约100mg/cm2、约4mg/cm2-约50mg/cm2、约4mg/cm2-约30mg/cm2、约4mg/cm2-约20mg/cm2、约4mg/cm2-约10mg/cm2、约4.2mg/cm2-约9.5mg/cm2、约4.4mg/cm2-约9mg/cm2、约4.6mg/cm2-约8.5mg/cm2、约4.8mg/cm2-约8mg/cm2、约5mg/cm2-约8mg/cm2、约5.2mg/cm2-约7.5mg/cm2、约5.4mg/cm2-约7mg/cm2、约5.6mg/cm2-约7mg/cm2、或者约5.8mg/cm2-约7mg/cm2。通过具有多孔层10a的在这样的范围内的高的负载水平和50％或更大的孔隙率，可实现具有800瓦时/千克(Wh/kg)或更大的高的能量密度的电池。所述负载水平为在单位面积的多孔层10a上设置的所述第一含锂的金属氧化物的重量。
多孔层10a的厚度可为例如约1μm-约1,000μm、约1μm-约500μm、约1μm-约400μm、约1μm-约300μm、约1μm-约200μm、约1μm-约100μm、约1μm-约80μm、约1μm-约70μm、约1μm-约60μm、约1μm-约50μm、约5μm-约45μm、约10μm-约40μm、或者约20μm-约40μm。当多孔层10a的厚度小于1μm时，例如，机械强度可为弱的，和当多孔层10a的厚度大于1,000μm时，例如，所述电池可具有劣化的、例如降低的能量密度。例如，与多孔层10a的厚度相比，阻隔层10b的厚度可为50％或更小。例如，与多孔层10a的厚度相比，阻隔层10b的厚度可为40％或更小、30％或更小、20％或更小、或者10％或更小。
多孔层10a中包括的孔的尺寸可为例如1μm或更小、900nm或更小、800nm或更小、700nm或更小、600nm或更小、500nm或更小、400nm或更小、300nm或更小、或者200nm或更小。多孔层10a中包括的孔的尺寸可在例如如下的范围内：约1nm-约1,000nm、约10nm-约900nm、约50nm-约800nm、约100nm-约700nm、约100nm-约600nm、约100nm-约500nm、约100nm-约400nm、约100nm-约300nm、或者约100nm-约200nm。通过包括具有小于1μm的尺寸的小孔，多孔层10a可提供高的比表面积。包括多孔层10a的正极中的可发生电极反应的反应位点的面积可增加，并且包括多孔层10a的电池的高倍率特性可改善。
多孔层10a中包括的孔可不规则地且非周期性地排列在多孔层10a中，并且包括不规则的且非周期性的孔的多孔层10a可区别于通过阳极氧化制备的包括周期性的且有序的孔的由无机材料形成的多孔层。多孔层10a中包括的孔可为例如开孔。
包括多孔层10a和阻隔层10b的正极10可为例如无机膜。正极10可由例如含锂的金属氧化物形成。例如，正极10可不包括碳质材料例如多孔碳质导电剂，并且可为包括多孔层10a和阻隔层10b的膜。例如，正极10可为不含有有机组分例如有机粘合剂的膜。如本文中使用的术语“无机膜”指的是可本质上为无机的并且不含有有机物质的多孔膜。多孔无机膜可无意地(非故意地)包括在制造过程中使用的有机组分、其残留物、或其变型。然而，这些有机组分、其残留物、或其变型的含量可为所述多孔无机膜的总重量的1重量％或更小、0.5重量％或更小、0.1重量％或更小、0.05重量％或更小、0.01重量％或更小、0.001重量％或更小。在实施方式中，由于例如在约25℃-约900℃的温度下的热重分析(“TGA”)分析时有机组分的蒸发或分解的至少一种，所述无机膜可经历1重量％或更小、0.5重量％或更小、0.1重量％或更小、0.05重量％或更小、0.01重量％或更小、或者0.001重量％或更小的重量变化。正极10可为例如自支撑(自立式)膜，并且正极10可容易处理和运输，并且可应用于、例如用在多种类型的锂-空气电池中。如本文中使用的术语“自支撑膜”指的是在没有支持层的情况下保持膜形状的膜。
正极10的形状没有特别限制。所述正极可具有可用于锂-空气电池中的任何合适的正极的形式。例如，所述正极可具有二维结构例如片材形式或者三维结构例如管形式。
例如，正极10可不传导质子离子(H+)，并且因此，正极10可区别于用于燃料电池的电极或电解质膜。例如，燃料电池的正极或电解质膜的至少一个传导质子离子，然而，根据实施方式的正极10可不传导质子离子。正极10是非柔性膜，其可不是可弯曲的或柔性的，并且正极10可区别于锂离子电池中使用的电极。在实施方式中，不使用氧气作为正极活性材料的锂离子电池的正极可为可弯曲的或者柔性的，然而，根据实施方式的正极10可不是可弯曲的或柔性的。多孔层10a或阻隔层10b的至少一个中包括的所述第一含锂的金属氧化物可为例如结晶的锂离子导体。所述第一含锂的金属氧化物可通过包括锂而为结晶的，并且所述第一含锂的金属氧化物可为锂离子提供迁移通道。因此，所述第一含锂的金属氧化物可为锂离子导体。由于所述第一含锂的金属氧化物为锂离子导体，因此正极10可不进一步包括单独的电解质。
多孔层10a或阻隔层10b的至少一个中包括的所述第一含锂的金属氧化物可为例如结晶的电子导体。由于所述第一含锂的金属氧化物可为结晶的并且具有电子传导性，因此所述第一含锂的金属氧化物可为电子提供迁移通道。因此，所述第一含锂的金属氧化物可为电子导体。由于所述第一含锂的金属氧化物为电子导体，因此正极10可不进一步包括单独的导电剂。
多孔层10a或阻隔层10b的至少一个中包括的所述第一含锂的金属氧化物可为例如具有锂离子传导性和电子传导性的混合导体。所述混合导体可具有例如1×10-6西门子/厘米(S/cm)或更大的电子传导率和1.0×10-7S/cm或更大、例如2.0×10-7S/cm或更大的离子传导率。在实施方式中，所述混合导体可具有例如在约1×10-6S/cm-约5.0×10-1S/cm的范围内的电子传导率。在实施方式中，所述混合导体可具有例如在约1.0×10-7S/cm-约1.0×10-1S/cm的范围内、例如在约2.0×10-7S/cm-约1.0×10-1S/cm的范围内的离子传导率。所述混合导体可具有例如5.0×10-6S/cm或更大的电子传导率和5.0×10-7S/cm或更大的离子传导率。所述混合导体可具有例如1.0×10-5S/cm或更大的电子传导率和1.0×10-6S/cm或更大的离子传导率。所述混合导体可具有例如5.0×10-5S/cm或更大的电子传导率和5.0×10-6S/cm或更大的离子传导率。所述混合导体可具有例如1.0×10-4S/cm或更大的电子传导率和1.0×10-5S/cm或更大的离子传导率。所述混合导体可具有例如5.0×10-4S/cm或更大的电子传导率和5.0×10-5S/cm或更大的离子传导率。所述混合导体可具有例如1.0×10- 3S/cm或更大的电子传导率和1.0×10-4S/cm或更大的离子传导率。所述混合导体可具有例如5.0×10-3S/cm或更大的电子传导率和5.0×10-4S/cm或更大的离子传导率。所述混合导体可具有例如1.0×10-2S/cm或更大的电子传导率和1.0×10-3S/cm或更大的离子传导率。所述混合导体可具有例如1.0×10-1S/cm或更大的电子传导率和1.0×10-2S/cm或更大的离子传导率。由于所述第一含锂的金属氧化物作为混合导体同时提供离子传导性和电子传导性，因此，在没有单独的导电剂和单独的电解质的情况下，通过使用各自包括所述第一含锂的金属氧化物的多孔层10b和阻隔层10b，正极10可具有气体和水分阻隔特性。
例如，所述第一含锂的金属氧化物可为如下的至少一种化合物：尖晶石化合物或钙钛矿化合物。当所述第一含锂的金属氧化物包括具有这样的结晶结构的化合物时，可进一步防止由于例如在电化学反应期间伴有的自由基等而引起的正极10的分解。
例如，所述第一含锂的金属氧化物可包括由式1表示的钙钛矿化合物：
式1
LixAyGzO3-δ
其中，在式1中，A和G可各自独立地为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，δ可为氧空位，并且0<x<1，0<y<1，0<x+y≤1，0<z≤1.5，且0≤δ≤1.5。
所述钙钛矿化合物为具有钙钛矿结晶结构或类钙钛矿结晶结构的化合物。
在实施方式中，在式1中，A可为如下的至少一种：Ca、Sr、Ba、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、或Er，G可为如下的至少一种：Ti、Pd、Pb、Fe、Ir、Co、Rh、Mn、Cr、Ni、Ru、Re、Sn、V、Ge、W、Zr、Mo、Hf、U、Nb、Th、Ta、Bi、Ca、Sr、Ba、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Mg、Al、Sc、Zn、Ga、Rb、Ag、Cd、In、Sb、Pt、或Au，δ可为氧空位，并且0.2<x≤0.7，0<y≤0.7，0<x+y<1，0<z≤1.2，且0≤δ≤1.2。
在实施方式中，在式1中，A可为如下的至少一种：La、Ce、Pr、Gd、Ca、Sr、或Ba，G可为如下的至少一种：Ti、Mn、Ni、Ru、Cr、Co、Ir、Fe、Pd、Pb、Rh、Sn、V、Re、Ge、W、Zr、Mo、Nb、Ta、Hf、或Bi，δ可为氧空位，并且0.2<x≤0.5，0.4<y≤0.7，0<x+y<1，0.8<z≤1.2，0≤δ≤1.0。
所述钙钛矿化合物可具有例如ABO3相。例如，空位和锂(Li)的至少一种可排列在A的位点处，和所述ABO3相可具有拥有氧缺陷的正交、立方、单斜、或三斜结晶相。此外，A位点中的锂浓度可优化，并且因此，锂离子传导可为优异的，并且通过将具有低的氧缺陷产生能量的金属(G)引入B位点处，电子传导率可提高。
例如，所述钙钛矿化合物可包括GO6八面体，所述GO6八面体可包括六个氧的顶点并且具有如下结构：其中式1的G可位于所述八面体的中心中，并且所述八面体可共享八面体的角(角共享)。此外，镧(La)、锂(Li)、和空位可根据组成、例如组成比而在通过连接所述八面体的顶点而形成的空间中无规地分布。例如，在所述钙钛矿化合物中，锂离子可通过在镧(La)中的空层而传导，并且电子可通过金属(G)离子层而传导。
例如，所述钙钛矿化合物的X-射线衍射分析可提供在2θ＝32.5°±2.5°的衍射角处的主峰、和在46.5°±2.5°或57.5°±2.5°的至少一个的衍射角2θ处的次峰。“主峰”指的是就强度而言的最高峰，并且“次峰”具有比所述主峰低的强度。
例如，所述钙钛矿化合物的X-射线衍射的在衍射角2θ＝46.5°±2.5°处的峰强度(I(46.5°±2.5°):Ib)对在衍射角2θ＝32.5°±2.5°处的峰强度(I(32.5°±2.5°):Ia)的比率(Ib:Ia)可为0.1:1或更大、例如约0.1:1-约0.9:1、或者例如约0.2:1-约0.6:1。所述钙钛矿材料的X-射线衍射的在衍射角2θ＝57.5°±2.5°处的峰强度(I(57.5°±2.5°):Ic)对在衍射角2θ＝32.5°±2.5°处的峰强度(I(32.5°±2.5°):Ia)的比率((Ic:Ia)可为0.1:1或更大、例如约0.1:1-约0.9:1、例如约0.2:1-约0.6:1、或者例如约0.2:1-约0.4:1。
例如，所述钙钛矿化合物可包括如下的至少一种：Li0.34La0.55TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34La0.55BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.63BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.60BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30La0.57BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40La0.53BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.45La0.52BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.34Ce0.55BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63IrO-δ(其中0≤δ≤1.0)3，Li0.10Ce0.63RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ce0.63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≤1.0)，Li0.40Ca0.20MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ca0.20NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ca0.20TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ca0.20HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ca0.20BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Sr0.80BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Sr0.60BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Sr0.50BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Sr0.40BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Sr0.20BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10Ba0.80BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20Ba0.60BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25Ba0.50BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.30Ba0.40BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.40Ba0.20BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50TiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50MnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50NiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50CrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50CoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50IrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50RuO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50FeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50PdO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50PbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50RhO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50SnO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50VO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50ReO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50GeO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50WO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50ZrO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50MoO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50NbO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50TaO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50HfO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.25La0.50BiO3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.05La0.82Ti0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.05La0.82Mn0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.80Mn0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.77Mn0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.05La0.82Nb0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.80Nb0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.77Nb0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.05La0.82Ta0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.80Ta0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.77Ta0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.05La0.82V0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.80V0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.77V0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.05La0.82W0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.80W0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.77W0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.05La0.82Mo0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.80Mo0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.77Mo0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.05La0.82Bi0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.80Bi0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.20La0.77Bi0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.05La0.82Cr0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，Li0.10La0.80Cr0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)，或Li0.20La0.77Cr0.70O3-δ(其中0≤δ≤1.0)。
例如，所述钙钛矿化合物可为Li0.31La0.56TiO3、Li0.34La0.55RuO3、Li0.2Ca0.6Mn0.5Ni0.5O3、Li0.34La0.55RuO3-δ、或Li0.2Ca0.6Mn0.5Ni0.5O3-δ。可使用含有锂并且同时提供电子传导性和离子传导性的任何合适的钙钛矿化合物。
所述钙钛矿化合物可具有例如在25℃的温度下的1.0×10-6S/cm或更大的电子传导率和1.0×10-7S/cm或更大、例如2.0×10-7S/cm或更大的离子传导率。
所述钙钛矿化合物可具有例如在25℃的温度下的5.0×10-6S/cm或更大、1.0×10-5S/cm或更大、5.0×10-5S/cm或更大、1.0×10-4S/cm或更大、5.0×10-4S/cm或更大、1.0×10-3S/cm或更大、5.0×10-3S/cm或更大、1.0×10-2S/cm或更大、5.0×10-2S/cm或更大、或者1.0×10-1S/cm或更大的电子传导率。当所述钙钛矿化合物的高的电子传导率在这样的范围内时，包括所述钙钛矿化合物的正极和电池的内阻可降低，并且所述电池可具有改善的循环特性。
所述钙钛矿化合物可具有例如在25℃的温度下的5.0×10-7S/cm或更大、1.0×10-6S/cm或更大、5.0×10-6S/cm或更大、1.0×10-5S/cm或更大、5.0×10-5S/cm或更大、1.0×10-4S/cm或更大、5.0×10-4S/cm或更大、1.0×10-3S/cm或更大、5.0×10-3S/cm或更大、或者1.0×10-2S/cm或更大的离子传导率。当所述钙钛矿化合物的高的离子传导率在这样的范围内时，包括所述钙钛矿化合物的正极和电池的内阻可进一步降低，并且所述电池可具有改善的循环特性。
例如，所述第一含锂的金属氧化物可包括由式2或式3表示的尖晶石化合物：
式2
Li1±xM2±yO4-δ1
式3
Li4±aM5±bO12-δ2
其中，在式2和3中，M可为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，δ1和δ2可各自为氧空位，并且0<x<1，0<y<1，0≤δ1≤1，0<a<2，0.3<b<5，且0≤δ2≤3。
所述尖晶石化合物为具有尖晶石结晶结构或类尖晶石结晶结构的化合物。
在实施方式中，在式2和3中，M可为如下的至少一种：Ni、Pd、Pb、Fe、Ir、Co、Rh、Mn、Cr、Ru、Re、Sn、V、Ge、W、Zr、Ti、Mo、Hf、U、Nb、Th、Ta、Bi、Ca、Sr、Ba、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Mg、Al、Sc、Zn、Ga、Rb、Ag、Cd、In、Sb、Pt、或Au，δ1和δ2可各自为氧空位，并且0<x<1，0<y<1，0≤δ1≤1，0<a<2，0.3<b<5，且0≤δ2≤3。
在实施方式中，所述尖晶石化合物可由式4表示：
式4
Li4±aTi5-bM'cO12-δ
其中，在式4中，M'可包括如下的至少一种：Cr、Mg、Ca、Sr、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Al、Ga、In、Tl、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Po、As、Se、或Te，δ可为氧空位，并且0.3<a<2，0.3<b<2，0.3<c<2，且0≤δ≤3。在实施方式中，0≤δ≤2.5，0≤δ≤2，0≤δ≤1.5，0≤δ≤1，或者0≤δ≤0.5。
在式4的尖晶石化合物的X-射线衍射(“XRD”)光谱中，在衍射角2θ＝18°±1.9°处的对应于晶面(111)的峰强度(Ia)对在衍射角2θ＝23.5°±2.5°处的峰强度(Ib)的峰强度比(Ia:Ib)可为1:1或更小、0.9:1或更小、0.8:1或更小、0.7:1或更小、0.6:1或更小、0.5:1或更小、或者0.4:1或更小。当所述尖晶石化合物具有这样的峰强度比时，电子传导性和离子传导性可进一步改善。
式4的尖晶石化合物可具有与具有类尖晶石晶体结构的相不同的另外的相。例如，复合导体(式4的尖晶石化合物)可包括具有属于Fd-3m空间群的类尖晶石晶体结构的相，并且除了所述相之外，所述复合导体可包括如下的另外的相：其与具有类尖晶石晶体结构的相不同并且为Li2TiO3、Gd2Ti2O7、GdTiO3、LiNbO3、或Nb2O5。由于所述复合导体具有包括多个不同相的多晶结构，因此所述复合导体的电子传导性和离子传导性可进一步改善。
例如，所述尖晶石化合物的价带和所述尖晶石化合物的导带之间的带隙可为例如2.0电子伏(eV)或更小、1.8eV或更小、1.6eV或更小、1.4eV或更小、或者1.2eV或更小。复合导体的价带和导带之间的带隙可为小的，从所述价带至所述导带的电子转移可被促进，并且所述尖晶石化合物的电子传导性可改善。
在式4的尖晶石化合物中，例如，Ti可具有三价氧化数或四价氧化数的至少一种氧化数。例如，由于所述复合导体的Ti具有拥有至少两种不同氧化数的混合价态，因此在费米能(Ef)附近可观察到新的态密度函数，并且价带和导带之间的带隙可降低。结果，所述尖晶石化合物可具有进一步改善的电子传导性。
所述尖晶石化合物中的M'可具有例如与Ti的氧化数不同的氧化数。例如，由于在所述复合导体中另外包括具有与Ti的氧化数不同的氧化数的M'，因此在费米能(Ef)附近可观察到另外的新的态密度函数，并且价带和导带之间的带隙可降低。结果，所述尖晶石化合物可具有进一步改善的电子传导性。
通过包括氧空位，式4的尖晶石化合物可提供进一步改善的离子传导性。此外，由于在所述复合导体中包括氧空位，因此可使态密度函数的位置移动更接近费米能(Ef)，并且价带和导带之间的带隙可降低。结果，所述尖晶石化合物可具有进一步改善的电子传导性。
在实施方式中，所述尖晶石化合物可包括如下的至少一种：Li4±xTi5-yMgzO12-δ(0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yCazO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-ySrzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4± xTi5-ySczO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yYzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yLazO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yCezO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- yPrzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yNdzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-ySmzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yEuzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- yGdzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yTbzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yDyzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yHozO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- yErzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yTmzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yYbzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yLuzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- yZrzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yHfzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yVzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yNbzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- yTazO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yMozO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yWzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yMnzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- yTczO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yRezO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yFezO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yRuzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- yOszO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yCozO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yRhzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yIrzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- yNizO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yPdzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yPtzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yCuzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- yAgzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yAuzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yZnzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yCdzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- yHgzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yAlzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yGazO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yInzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- yTlzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yGezO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-ySnzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yPbzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- ySbzO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yBizO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yPozO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5-yAszO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，Li4±xTi5- ySezO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)，或Li4±xTi5-yTezO12-δ(其中0.4<x≤1，0.4<y≤1，0.4<z≤1，和0<δ≤3)。
在实施方式中，所述尖晶石化合物可为LiMn2O4、LiTiNbO4、Li4Ti5O12、Li4Mn5O12、或Li4.5Ti4.5Gd0.5O12。可使用含有锂并且同时提供电子传导性和离子传导性的任何合适的尖晶石化合物。
所述尖晶石化合物可具有例如在25℃的温度下的1.0×10-6S/cm或更大的电子传导率和1.0×10-7S/cm或更大的离子传导率。
所述尖晶石化合物可具有例如在25℃的温度下的5.0×10-6S/cm或更大、1.0×10-5S/cm或更大、5.0×10-5S/cm或更大、1.0×10-4S/cm或更大、5.0×10-4S/cm或更大、1.0×10-3S/cm或更大、5.0×10-3S/cm或更大、1.0×10-2S/cm或更大、5.0×10-2S/cm或更大、或者1.0×10-1S/cm或更大的电子传导率。当所述尖晶石化合物的高的电子传导率在这样的范围内时，包括所述尖晶石化合物的正极和电池的内阻可降低，并且所述电池可具有改善的循环特性。
所述尖晶石化合物可具有例如在25℃的温度下的5.0×10-7S/cm或更大、1.0×10-6S/cm或更大、5.0×10-6S/cm或更大、1.0×10-5S/cm或更大、5.0×10-5S/cm或更大、1.0×10-4S/cm或更大、5.0×10-4S/cm或更大、1.0×10-3S/cm或更大、5.0×10-3S/cm或更大、或者1.0×10-2S/cm或更大的离子传导率。当所述尖晶石化合物的高的离子传导率在这样的范围内时，包括所述尖晶石化合物的正极和电池的内阻可进一步降低，并且所述电池可具有改善的循环特性。
所述第一含锂的金属氧化物可包括例如如下的至少一种：层状化合物、石榴石化合物、钠超离子导体(“NASICON”)化合物、锂超离子导体(“LISICON”)化合物、磷酸盐化合物、羟磷锂铁石化合物、氟磷铁锰矿化合物、反钙钛矿化合物、硅酸盐化合物、或硼酸盐化合物。由于所述第一含锂的金属氧化物包括具有这样的结晶结构的化合物，因此可进一步防止由于例如在电化学反应期间伴有的自由基等引起的正极的分解。
所述第一含锂的金属氧化物可包括例如由式5表示的层状化合物：
式5
Li1±xM1±yO2±δ
其中，在式5中，M可为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，δ可为氧空位，并且0<x<0.5，0<y<1，且0≤δ≤1。
所述层状化合物可为具有层状结晶结构的化合物。
在实施方式中，所述层状化合物可由如下表示：LiaA1-bBbD2(其中0.90≤a≤1.8且0≤b≤0.5)；LiaE1-bBbO2-cDc(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，且0≤c≤0.05)；LiaNi1-b- cCobBcDα(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，且0<α≤2)；LiaNi1-b-cCobBcO2-αF′α(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，且0<α<2)；LiaNi1-b-cCobBcO2-αF′2(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，且0<α<2)；LiaNi1-b-cMnbBcDα(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，且0<α≤2)；LiaNi1-b-cMnbBcO2-αF′α(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，且0<α<2)；LiaNi1-b-cMnbBcO2-αF′2(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，且0<α<2)；LiaNibEcGdO2(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.9，0≤c≤0.5，且0.001≤d≤0.1)；LiaNibCocMndGeO2(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.9，0≤c≤0.5，0≤d≤0.5，且0.001≤e≤0.1)；LiaNiGbO2(其中0.90≤a≤1.8且0.001≤b≤0.1)；LiaCoGbO2(其中0.90≤a≤1.8且0.001≤b≤0.1)；或LiaMnGbO2(其中0.90≤a≤1.8且0.001≤b≤0.1)。A为Ni、Co、或Mn的至少一种；B′为Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、或稀土元素的至少一种；D为O、F、S、或P的至少一种；E为Co或Mn的至少一种；F′为F、S、或P的至少一种；G为Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、或V的至少一种。
所述层状化合物可为例如LiNiO2、LiCoO2、LiMnO2、LiNi1-xMnxO2(0<x<1)、LiNi1-x- yCoxMnyO2(其中0<x≤0.5且0<y≤0.5)、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、或LiNi1-x-yCoxAlyO2(其中0<x≤0.5且0<y≤0.5)。可使用含有锂的任何合适的层状化合物。
所述第一含锂的金属氧化物可包括例如由式6表示的NASICON化合物：
式6
Li1+xAxM2-x(XO4)3
其中，在式6中，A和M可各自独立地为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，X可为As、P、Mo、或S，且0<x<1.0。
所述NASICON化合物为具有NASICON结晶结构(例如，与钠超离子导体的结晶结构同构的结晶结构)或类NASICON结晶结构的化合物。
所述NASICON化合物可为例如Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li1.3Al0.3Ge1.7(PO4)3、或Li1.3Al0.3Zr1.7(PO4)3。可使用含有锂的任何合适的NASICON化合物。
所述第一含锂的金属氧化物可包括例如由式7表示的LISICON化合物：
式7
Li8-cM1aM2bO4
其中，在式7中，M1和M2可各自独立地为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，c＝ma+nb，m可为M1的氧化数，n可为M2的氧化数，0<c<8，0<a≤1，且0≤b≤1。
所述LISICON化合物为具有LISICON结晶结构(例如，与锂超离子导体的结晶结构同构的结晶结构)或者类LISICON结晶结构的化合物。
所述LISICON化合物可为例如Li4SiO4、Li3.75Si0.75P0.25O4、Li14Zn(GeO4)4、Li3.4V0.6Ge0.4O4、或Li3.5V0.5Ti0.5O4。可使用含有锂的任何合适的LISICON化合物。
所述第一含锂的金属氧化物可包括例如由式8表示的石榴石化合物：
式8
LixM13M22O12
其中，在式8中，M1和M2可各自独立地为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，且3.0≤x≤7.0。
所述石榴石化合物为具有石榴石结晶结构或类石榴石结晶结构的化合物。
所述石榴石化合物可为例如Li3Tb3Te2O12、Li4.22Al0.26La3Zr2WO12、Li5La3Nb2O12、Li6BaLa2Ta2O12、或Li7La3Zr2O12。可使用含有锂的任何合适的石榴石化合物。
所述第一含锂的金属氧化物可包括例如由式9和10表示的磷酸盐化合物：
式9
Li1±xMPO4
式10
Li2MP2O7
其中，在式9和10中，M可为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，且0≤x≤1.0。
由式9表示的化合物可为橄榄石化合物。所述橄榄石化合物为具有橄榄石结晶结构或类橄榄石结晶结构的化合物。
所述磷酸盐化合物可为例如LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiNiPO4、Li2MnP2O7、或Li2FeP2O7。可使用含有锂的任何合适的磷酸盐化合物。
所述第一含锂的金属氧化物可包括例如由式11表示的羟磷锂铁石或氟磷铁锰矿化合物:：
式11
Li1±xM(TO4)X
其中在式11中，M可为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，T可为P或S，并且X可为F、O、或OH，且0≤x≤1.0。
所述羟磷锂铁石化合物为具有羟磷锂铁石结晶结构或类羟磷锂铁石结晶结构的化合物。所述氟磷铁锰矿化合物为具有氟磷铁锰矿结晶结构或类氟磷铁锰矿结晶结构的化合物。
所述羟磷锂铁石或氟磷铁锰矿化合物可为例如LiVO(PO4)、LiV(PO4)F、LiFe(SO4)F、或Li2Fe(PO4)F。可使用含有锂的任何合适的羟磷锂铁石氟磷铁锰矿化合物。所述羟磷锂铁石化合物可具有与所述氟磷铁锰矿化合物相同的组成，具有不同结晶结构。
所述第一含锂的金属氧化物可包括例如由式12表示的反钙钛矿化合物：
式12
LixMyOA
其中在式11中，M可为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，A可为F、Cl、Br、I、S、Se、或Te，并且2.0≤x≤3.0且0≤y≤1.0。
所述反钙钛矿化合物具有钙钛矿结晶结构或类钙钛矿结晶结构。然而，阳离子和阴离子的位置与所述钙钛矿化合物的那些相反。
所述反钙钛矿化合物可为例如Li3OCl、Li2OHBr、Li2(OH)0.9F0.1Cl、或Li3OCl0.5Br0.5。可使用含有锂的任何合适的反钙钛矿化合物。
所述第一含锂的金属氧化物可包括例如至少一种由式13表示的硅酸盐化合物：
式13
Li2±xMSiO4
其中，在式13中，M可为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，并且0≤x≤1.0。
所述硅酸盐化合物可为包括SiO4 4-阴离子的结晶化合物。
所述硅酸盐化合物可为，例如，Li2MnSiO4或Li2FeSiO4。可使用含有锂的任何合适的硅酸盐化合物。
所述第一含锂的金属氧化物可包括例如至少一种由式14表示的硼酸盐化合物：
式14
Li1±xMBO3
其中，在式14中，M可为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，并且0≤x≤1.0。
所述硼酸盐化合物可为包括BO3 3-阴离子的结晶化合物。
所述硼酸盐化合物可为，例如，LiFeBO3或LiCoBO3。可使用含有锂的任何合适的硼酸盐化合物。
由式5表示的层状化合物、由式6表示的NASICON化合物、由式7表示的LISICON化合物、由式8表示的石榴石化合物、由式9和10表示的磷酸盐化合物、由式11表示的羟磷锂铁石或氟磷铁锰矿化合物、由式12表示的反钙钛矿化合物、由式13表示的硅酸盐化合物、或者由式14表示的硼酸盐化合物的至少一种可具有例如如下的在25℃的温度下的离子传导率：1.0×10-6S/cm或更大、5.0×10-6S/cm或更大、1.0×10-5S/cm或更大、5.0×10-5S/cm或更大、1.0×10-4S/cm或更大、5.0×10-4S/cm或更大、1.0×10-3S/cm或更大、5.0×10-3S/cm或更大、1.0×10-2S/cm或更大、5.0×10-2S/cm或更大、或者1.0×10-1S/cm或更大。当式5-14的化合物的高的离子传导率在这样的范围内时，包括式5-14的化合物的正极和锂-空气电池的内阻可进一步降低。
多孔层10a或阻隔层10b的至少一个中包括的所述第一含锂的金属氧化物可为例如在相对于锂金属的约2.0伏(V)-约4.0V的电压范围内电化学稳定的。因此，包括多孔层10a和阻隔层10b的正极10可长时间用于具有在相对于锂金属的约2.0V-约4.0V的范围内的工作电压的电池中。
根据实施方式的锂金属电池可包括：上述正极；包括锂的负极；以及在所述正极和所述负极之间的电解质。
如图3中所示，由于锂-空气电池100可包括包含多孔层10a和设置在多孔层10a的表面例如一个表面上的阻隔层10b的正极10，其中阻隔层10b可包括所述第一含锂的金属氧化物，因此锂-空气电池100可具有改善的结构稳定性并且其劣化可被防止。此外，锂-空气电池100可具有简单的结构和降低的内阻，并且循环特性可改善。
锂-空气电池100可包括正极10。正极10可为空气电极。例如，正极10可在正极集流体(未示出)上。
正极10中包括的多孔层10a和阻隔层10b可包括所述第一含锂的金属氧化物。基于100重量份的正极10，所述第一含锂的金属氧化物的含量可在例如如下的范围内：约1重量份-约100重量份、约10重量份-约100重量份、约50重量份-约100重量份、约60重量份-约100重量份、约70重量份-约100重量份、约80重量份-约100重量份、或者约90重量份-约100重量份。在实施方式中，正极10可具有基本上由多孔层10a和阻隔层10b形成的整体式结构。多孔层10a和阻隔层10b可例如基本上由所述第一含锂的金属氧化物形成。由于正极10由包括所述第一含锂的金属氧化物的多孔层10a和阻隔层10b形成，因此正极10可具有简单的结构并且可容易制造。由于正极10包括阻隔层10b，因此正极10的一部分可为例如对于气体例如氧气或空气不能渗透的。由于正极10的多孔层10a为多孔的或气体能渗透的至少一种，因此氧气或空气可扩散到正极10中，并且锂离子或电子的至少一种可通过正极10中包括的所述第一含锂的金属氧化物迁移。因此，在正极10中可发生通过氧气、锂离子、和电子的电化学反应。此外，由于例如正极10的阻隔层10b的气体阻隔特性，因此可防止渗透到所述正极中的氧气或空气向锂金属负极层的迁移，并且可防止所述负极的劣化并且所述锂-空气电池的寿命可改善。
除了包括第一含锂的金属氧化物的多孔膜之外，根据实施方式的正极10可进一步包括例如另外的正极材料。
正极10可进一步包括例如导电材料，这样的导电材料可为例如多孔的。由于所述导电材料为多孔的，因此可促进空气向所述导电材料中的渗透。所述导电材料可为如下的材料：其为多孔或电传导的至少一种。可使用任何合适的导电材料。例如，所述导电材料可为多孔碳质材料。所述碳质材料的实例可包括炭黑、石墨、石墨烯、活性碳、碳纤维等。可使用任何合适的碳质材料。所述导电材料可为例如金属材料。所述金属材料可为例如金属纤维、金属网、金属粉末等。所述金属粉末可为例如铜、银、镍、铝等。所述导电材料可为例如导电有机材料。所述导电有机材料的实例包括聚亚苯基衍生物或聚噻吩衍生物。可使用两种或更多种不同的导电材料。所述正极可包括复合导体作为所述导电材料。除了所述复合导体之外，所述正极可进一步包括任意以上列出的导电材料。
正极10可进一步包括例如用于氧的氧化/还原的催化剂。所述催化剂可为例如基于贵金属的催化剂例如铂、金、银、钯、钌、铑、或锇；基于氧化物的催化剂例如锰氧化物、铁氧化物、钴氧化物、或镍氧化物；和有机金属催化剂例如酞菁钴。可使用用于氧的氧化/还原的任何合适的催化剂。
例如，所述催化剂可负载于催化剂载体上。所述催化剂载体可为例如氧化物催化剂载体、沸石催化剂载体、基于粘土的矿物催化剂载体、碳催化剂载体等。所述氧化物催化剂载体可为例如包括如下的至少一种的金属/准金属氧化物催化剂载体：Al、Si、Zr、Ti、Ce、Pr、Sm、Eu、Tb、Tm、Yb、Sb、Bi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Mo、或W。所述氧化物催化剂载体可包括例如氧化铝、二氧化硅、氧化锆、二氧化钛等。所述碳催化剂载体可为：炭黑例如科琴黑、乙炔黑、槽黑、或灯黑；石墨例如天然石墨、人造石墨、或可膨胀石墨；活性碳；或碳纤维。可使用任何合适的催化剂载体。
正极10可进一步包括例如粘合剂。所述粘合剂可包括例如热塑性树脂或可热固化树脂。所述粘合剂的非限制性实例包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(“PTFE”)、聚偏氟乙烯(“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。可使用两种或更多种不同的粘合剂。可使用任何合适的粘合剂。
例如，正极10可通过如下制造：将导电材料、用于氧的氧化/还原的催化剂、和粘合剂混合在一起，并且向所得混合物添加溶剂以制备正极浆料，将所述正极浆料涂布在基底的表面上，将所涂布的正极浆料干燥，并且将所述所述正极浆料针对所述基材进行压制成型以改善电极的密度。所述基底可为例如包括多孔层10a和阻隔层10b的多孔膜。制备正极的更具体的方法可参考在以下描述的方法。
锂-空气电池100可包括负极20。负极20可包括锂。
负极20可为例如锂金属薄膜或者基于锂金属的合金薄膜。例如，所述基于锂金属的合金可为锂与例如铝、锡、镁、铟、钙、钛、或钒的合金。
锂-空气电池100可包括设置在正极10和负极20之间的电解质层30。
在实施方式中，电解质层30的厚度可在如下范围内：约1μm-约1,000μm、约1μm-约500μm、约1μm-约300μm、约1μm-约200μm、约1μm-约100μm、约1μm-约50μm、约1μm-约40μm、约1μm-约30μm、约1μm-约20μm、或者约1μm-约10μm。
电解质层30可包括如下的至少一种：液体电解质、凝胶电解质、或固体电解质。所述液体电解质、凝胶电解质、和固体电解质没有特别限制，并且可为任何合适的电解质。
所述固体电解质可包括如下的至少一种：包括离子传导性无机材料的固体电解质、包括聚合物离子液体(“PIL”)和锂盐的固体电解质、包括离子传导性聚合物和锂盐的固体电解质、或者包括电子传导性聚合物的固体电解质。可使用任何合适的固体电解质材料。
所述离子传导性无机材料可包括如下的至少一种：玻璃或无定形金属离子导体、陶瓷活性金属离子导体、或者玻璃-陶瓷活性金属离子导体。可使用任何合适的离子传导性无机材料。所述离子传导性无机材料可为例如离子传导性无机颗粒的成型制品或片材。
所述离子传导性无机材料可为例如如下的至少一种：LiPON(锂磷氮氧化物)、BaTiO3、Pb(ZraTi1-a)O3(“PZT”)(其中0≤a≤1)、Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(“PLZT”)(其中0≤x<1且0≤y<1)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(“PMN-PT”)、HfO2、SrTiO3、SnO2、CeO2、Na2O、MgO、NiO、CaO、BaO、ZnO、ZrO2、Y2O3、Al2O3、TiO2、SiO2、SiC、磷酸锂(Li3PO4)、锂钛磷酸盐(LixTiy(PO4)3，其中0<x<2且0<y<3)、锂铝钛磷酸盐(LixAlyTiz(PO4)3，其中0<x<2，0<y<1，且0<z<3)、Li1+x+y(AlaGa1-a)x(TibGe1-b)2-xSiyP3-yO12(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤a≤1，且0≤b≤1)、锂镧钛酸盐(LixLayTiO3，其中0<x<2且0<y<3)、锂锗硫代磷酸盐(LixGeyPzSw，其中0<x<4，0<y<1，0<z<1，且0<w<5)、氮化锂(LixNy，其中0<x<4且0<y<2)、基于SiS2的玻璃(LixSiySz，其中0<x<3，0<y<2，且0<z<4)、基于P2S5的玻璃(LixPySz，其中0<x<3，0<y<3，且0<z<7)、Li2O、LiF、LiOH、Li2CO3、LiAlO2、基于Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2的陶瓷、或基于石榴石的陶瓷(Li3+ xLa3M2O12(其中0≤x≤4，M为Te、Nb、或Zr))。
当所述固体电解质层包括LiPON时，所述固体电解质层的厚度可为10μm或更小、9μm或更小、8μm或更小、7μm或更小、6μm或更小、5μm或更小、4μm或更小、3μm或更小、2μm或更小、或者1μm或更小。包括LiPON的固体电解质层的厚度可例如在如下范围内：约0.1μm-约10μm、约0.1μm-约9μm、约0.1μm-约8μm、约0.1μm-约7μm、约0.1μm-约6μm、约0.1μm-约5μm、约0.1μm-约4μm、约0.1μm-约3μm、约0.1μm-约2μm、约0.1μm-约1μm。
所述聚合物离子液体(“PIL”)可包括例如包含如下的重复单元：i)如下的至少一种阳离子：基于铵的阳离子、基于吡咯烷
Figure BDA0002945345690000401
的阳离子、基于吡啶
Figure BDA0002945345690000402
的阳离子、基于嘧啶
Figure BDA0002945345690000403
的阳离子、基于咪唑
Figure BDA0002945345690000404
的阳离子、基于哌啶
Figure BDA0002945345690000405
的阳离子、基于吡唑
Figure BDA0002945345690000406
的阳离子、基于
Figure BDA0002945345690000407
唑
Figure BDA0002945345690000408
的阳离子、基于哒嗪
Figure BDA0002945345690000409
的阳离子、基于鏻的阳离子、基于锍的阳离子、或基于三唑
Figure BDA00029453456900004010
的阳离子；和ii)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-、(CF3SO2)3C-、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、SF5CF2SO3 -、SF5CHFCF2SO3 -、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、(SF5)3C-、或(O(CF3)2C2(CF3)2O)2PO-。例如，所述PIL可为聚(双(三氟甲磺酰)亚胺(“TFSI”)二烯丙基二甲基铵)、聚(双(三氟甲磺酰)亚胺1-烯丙基-3-甲基咪唑
Figure BDA00029453456900004011
)、和聚(双(三氟甲磺酰)亚胺N-甲基-N-丙基哌啶
Figure BDA00029453456900004012
)。
所述离子传导性聚合物可包括，例如，得自如下的至少一种离子传导性重复单元：基于醚的单体、基于丙烯酰基的单体、基于甲基丙烯酰基的单体、或基于硅氧烷的单体。
所述离子传导性聚合物可包括例如聚环氧乙烷(“PEO”)、聚乙烯醇(“PVA”)、聚乙烯基吡咯烷酮(“PVP”)、聚砜、聚环氧丙烷(“PPO”)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸2-乙基己酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸2-乙基己酯、聚丙烯酸癸酯、聚乙烯乙酸乙烯酯、磷酸酯聚合物、聚酯硫化物、聚偏氟乙烯(“PVdF”)、Li取代的Nafion(例如，Li取代的基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物)等。可使用任何合适的离子传导性聚合物材料。
所述电子传导性聚合物可为例如聚亚苯基衍生物、聚噻吩衍生物等。可使用任何合适的电子传导性聚合物。
例如，所述凝胶电解质可通过将低分子量溶剂添加至在所述正极和所述负极之间的所述固体电解质而获得。例如，所述凝胶电解质可通过将溶剂例如低分子量有机化合物、低聚物等添加到聚合物中而获得。例如，所述凝胶电解质可通过将溶剂例如低分子量有机化合物、低聚物等添加到上述聚合物电解质中而获得。
例如，所述液体电解质可包括溶剂和锂盐。
所述溶剂可包括如下的至少一种：有机溶剂、离子液体、或低聚物。可使用在室温(25℃)下为液体形式的任何合适的溶剂。
所述有机溶剂可包括例如如下的至少一种：基于醚的溶剂、基于碳酸酯的溶剂、基于酯的溶剂、和基于酮的溶剂。例如，所述有机溶剂可包括选自如下的至少一种：碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、碳酸氟代亚乙酯、碳酸乙烯基亚乙酯、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、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、琥珀腈、一缩二乙二醇二甲基醚(“DEGDME”)、三缩四乙二醇二甲基醚(“TEGDME”)、聚乙二醇二甲基醚(“PEGDME”，Mn＝约500)、二甲基醚、二乙基醚、二丁基醚、或二甲氧基乙烷。可使用在室温下为液体形式的任何合适的有机溶剂。
所述离子液体(“IL”)可包括例如i)如下的至少一种阳离子：基于铵的阳离子、基于吡咯烷
Figure BDA0002945345690000421
的阳离子、基于吡啶
Figure BDA0002945345690000422
的阳离子、基于嘧啶
Figure BDA0002945345690000423
的阳离子、基于咪唑
Figure BDA0002945345690000424
的阳离子、基于哌啶
Figure BDA0002945345690000425
的阳离子、基于吡唑
Figure BDA0002945345690000426
的阳离子、基于
Figure BDA0002945345690000427
唑
Figure BDA0002945345690000428
的阳离子、基于哒嗪
Figure BDA0002945345690000429
的阳离子、基于鏻的阳离子、基于锍的阳离子、或基于三唑
Figure BDA00029453456900004210
的阳离子；和ii)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-、(CF3SO2)3C-、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、SF5CF2SO3 -、SF5CHFCF2SO3 -、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、(SF5)3C-、或(O(CF3)2C2(CF3)2O)2PO-。
所述锂盐可包括例如如下的至少一种：LiTFSI(LiN(SO2CF3)2)、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiNO3、双(草酸硼酸)锂(“LiBOB”)、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO3CF3)2、LiC4F9SO3、LiAlCl4、或三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3，“LiTfO”)。可使用任何合适的锂盐材料。所述锂盐的浓度可例如在约0.01摩尔浓度(M)-约5.0M的范围内。
锂-空气电池100可进一步包括例如在正极10和负极20之间的隔板。所述隔板可为具有在锂-空气电池100的使用环境下耐久的组成的任何合适的隔板。例如，所述隔板可包括如下的至少一种：聚合物无纺物例如聚丙烯无纺物或聚苯硫醚无纺物；基于烯烃的树脂例如聚乙烯或聚丙烯的多孔膜；或玻璃纤维。可使用两种或更多种不同的隔板材料。
例如，电解质层30可具有包括浸渍有固体聚合物电解质或液体电解质的隔板的结构。包括浸渍有固体聚合物电解质的隔板的电解质膜可通过如下制备：将固体聚合物电解质膜设置在隔板的一个或两个表面上，同时对其进行辊压。在实施方式中，包括浸渍有液体电解质的隔板的电解质膜可通过将包括锂盐的液体电解质注入到隔板中而制备。
在锂-空气电池100中，负极20可设置于设置在壳的一侧上的负极集流体21的表面例如一个表面上，电解质层30可设置在负极20上，正极10可设置在电解质层30上，多孔正极集流体(未示出)可设置在正极10上，允许空气到达空气电极的加压构件(未示出)可设置在多孔正极集流体(未示出)上并且对单元电池(cell)进行加压以固定所述单元电池，并且可完成制造。所述壳可分成分别接触所述负极和所述空气电极的上部部分和下部部分。绝缘树脂可在所述上部和下部部分之间以使正极10和负极20彼此电绝缘。
在实施方式中，锂-空气电池100可用作锂一次电池或锂二次电池。锂-空气电池100可具有任意各种形状，不限于特定形状，例如像硬币、钮扣、片材、堆叠体、圆柱、平面、或角的形状。锂-空气电池100可适用于电动车用大型电池。
如图3中所示，根据实施方式的锂-空气电池100可使用氧气作为活性材料并且包括在具有多孔层10a和阻隔层10b的整体式结构的正极10和含有锂的负极20之间的固体电解质层30，负极20与负极集流体21相邻。所述固体电解质层可为例如LiPON。因此，如图3中所示的锂-空气电池100可为不包括液体电解质/凝胶电解质的固体电池。
如图7中所示，根据实施方式的锂-空气电池500可包括与第一集流体210相邻并且使用氧气作为活性材料的正极200、与第二集流体310相邻并且包括锂的负极300、以及在正极200和负极300之间的第一电解质膜400。第一电解质膜400可为浸渍有液体电解质的隔板。可省略第一电解质膜400。第二电解质膜450可在正极200和第一电解质膜400之间。第二电解质膜450可为锂离子传导性固体电解质膜。多孔的第一集流体210可充当气体扩散层。在实施方式中，可进一步在第一集流体210和正极200之间包括气体扩散层。此外，容许空气到达正极200的加压构件220可在第一集流体210上。绝缘树脂材料的壳320可将正极200与负极300电分离。空气可通过空气入口230a供应并且通过空气出口230b排出。可将锂-空气电池500容纳在不锈钢(“SUS”)容器中。正极200可具有包括所述多孔层和所述阻隔层的整体式结构。
如本文中使用的关于锂-空气电池的术语“空气”不限于大气，并且可指包括氧气(例如，约1体积百分比(体积％)-约99体积％、约2体积％-约95体积％、约4体积％-约90体积％、约5体积％-约40体积％、约10体积％-约30体积％、或者约15体积％-约25体积％的量)的气体组合。在实施方式中，空气可指合适的具有约99体积％-约99.999体积％、约99.1体积％-约99.99体积％、或者约99.2体积％-约99.9体积％的氧气含量的气体组合。“空气”的该宽泛定义也适用于包括“空气电池”和“空气电极”在内的其它术语。如本文中使用的短语“氧化性气氛”可指如下的至少一种：空气、例如大气，或纯氧气。
根据实施方式的制造正极的方法可包括：通过将包括第一含锂的金属氧化物的第一成分(组合物)成型和热处理而制备第一层；制备包括所述第一含锂的金属氧化物和粘合剂的第二成分(组合物)；通过将所述第二成分涂布在基底上并干燥而制备第二层；通过将所述第二层设置在所述第一层上而制备层叠体；和将所述层叠体在约900℃-约1,300℃的温度下在氧化性气氛下例如在氧化性气氛中热处理。
所述第一成分可包括所述第一含锂的金属氧化物。所述第一成分可进一步包括所述第二含锂的金属氧化物或锂盐的至少一种。所述第一含锂的金属氧化物、所述第二含锂的金属氧化物、和所述锂盐的类型可通过参照本文中提供的第一含锂的金属氧化物、第二含锂的金属氧化物、和锂盐的描述而理解。所述第一成分可进一步包括热解性粘合剂。所述粘合剂的类型没有特别限制。可使用任何合适的粘合剂。所述粘合剂的实例可包括聚乙烯醇缩丁醛、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(“CMC”)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、聚四氟乙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(“EPDM”)、磺化EPDM、苯乙烯丁二烯橡胶、和氟橡胶。
所述第一成分中包括的所述第一含锂的金属氧化物的含量可在如下范围内：约50重量份-约100重量份、约60重量份-约100重量份、约70重量份-约100重量份、约80重量份-约100重量份、或者约90重量份-约100重量份，基于100重量份的所述第一成分的固体含量(内容物)。
可使用模具将所述第一成分成形。所述模具的形状可为例如圆盘形状。所述模具的形状可根据所述正极的形状而确定。所述第一成分的热处理可通过例如放电(火花)等离子体烧结(“SPS”)而进行。可使用提供具有致密结构的烧结体的任何合适的方法。所述第一成分的热处理可在约700℃-约950℃、约750℃-约950℃、约800℃-约950℃、或者约850℃-约950℃的温度范围内进行。
所述第二成分可包括第一含锂的金属氧化物和粘合剂。所述第二成分中包括的第一含锂的金属氧化物可与所述第一成分中包括的第一含锂的金属氧化物相同。
所述第二成分可包括，例如，第一含锂的金属氧化物、粘合剂、分散剂、增塑剂等。所述粘合剂、分散剂、和增塑剂的类型没有特别限制。可使用可用于形成包括陶瓷的第二层即生的片材(green sheet)的任何合适的粘合剂、分散剂、和增塑剂。所述粘合剂的实例可包括聚乙烯醇缩丁醛、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(“CMC”)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、聚四氟乙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(“EPDM”)、磺化EPDM、苯乙烯丁二烯橡胶、和氟橡胶。
例如，可在约5重量份-约20重量份的范围内包括所述粘合剂，可在约1重量份-约10重量份的范围内包括所述分散剂，并且可在约1重量份-约10重量份的范围内包括所述增塑剂，基于100重量份的所述第一含锂的金属氧化物。所述第二成分可进一步包括溶剂。所述溶剂的含量可例如在约1重量份-约500重量份的范围内，基于100重量份的所述第一含锂的金属氧化物、所述粘合剂、所述分散剂、所述增塑剂等。
所述溶剂可为醇例如乙醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(“NMP”)。可适当地调节所述溶剂的含量，使得构成所述成分的组分可被溶解或分散。
在制备所述第二层时，例如，可使用刮刀将所述第二成分在基底例如离型膜上涂布至1-1,000μm的厚度，然后干燥以制备第二层。
在制备所述第二层时，例如，可在离型膜上制备多个涂层，并且可将所述涂层堆叠成面对彼此，之后层压，以制备所述第二层。层压可通过在恒定压力下热压而进行。
在制备所述层叠体时，例如，可将所述第二层堆叠在所述第一层上以制备所述层叠体。层压可通过在恒定压力下热压而进行。
所述层叠体的热处理可在约500℃-约700℃的温度范围在氧化性气氛下例如在氧化性气氛中进行1小时-4小时，之后在约900℃-1,300℃的温度范围在氧化性气氛下例如在氧化性气氛中热处理3小时-10小时。
通过在约500℃-约700℃的温度范围在氧化性气氛下例如在氧化性气氛中热处理1小时-4小时，所述层叠体中的有机物质，即主要包括在所述第二层中的有机物质，可被稳定地分解和除去。此外，通过在约900℃-1,300℃的温度范围在氧化性气氛下例如在氧化性气氛中热处理3小时-10小时，第一含锂的金属氧化物粉末可被烧结，并且所述第一层和所述第二层可与彼此烧结以制造具有所述多孔层和所述阻隔层的整体式结构的正极。
在所述热处理期间升至所述热处理温度的加热速率可为5度(例如℃)/分钟，并且冷却可为自然冷却。
下文中，将参照实施例和对比例详细地描述实施实施方式。这些实施例仅出于说明目的而提供并且不意图限制本发明构思的范围。
实施例
含锂的金属氧化物的制备
制备实施例1：尖晶石材料(Li4.5Ti4.5Nb0.5O12-δ)的制备
将作为锂前体的Li2CO3、作为钛前体的TiO2、和作为铌前体的Nb2O5以化学计量比混合在一起，之后与乙醇混合。将混合物使用包括氧化锆球的球磨机以280转/分钟(rpm)粉碎和混合4小时，从而获得混合物。将所获得的混合物在90℃的温度下干燥6小时，然后在700℃的温度下在大气下例如在大气中进行一次热处理5小时。将一次热处理的所得物通过使用球磨机粉碎并且在等静压下压制以制备圆片。将所制备的圆片在950℃的温度下在还原性气氛下进行二次热处理24小时，从而制备复合导体。所述还原性气氛包括5％的氢气和95％的氩气。所制备的含锂的金属氧化物具有Li4.5Ti4.5Nb0.5O12-δ(其中0<δ<3)的组成。
制备实施例2：尖晶石材料(Li3.5Ti4.0Nb1.0O12-δ)的制备
以与制备实施例1中基本上相同的方式制备复合导体，除了如下之外：所述锂前体、所述钛前体、和所述铌前体的化学计量比不同。
所制备的含锂的金属氧化物具有Li3.5Ti4.0Nb1.0O12-δ(其中0<δ<3)的组成。
制备实施例3：尖晶石材料(Li3.5Ti4.0Ta1.0O12-δ)的制备
以与制备实施例1中基本上相同的方式制备复合导体，除了如下之外：使用钽前体Ta2O5代替所述铌前体，并且所述锂前体、所述钛前体、和所述钽前体的化学计量比不同。
所制备的含锂的金属氧化物具有Li3.5Ti4.0Ta1.0O12-δ(其中0<δ<3)的组成。
制备实施例4：尖晶石材料(Li4.5Ti4.5Gd0.5O12-δ)的制备
以与制备实施例1中基本上相同的方式制备复合导体，除了如下之外：使用钆前体Gd2O3代替所述铌前体。
所制备的含锂的金属氧化物具有Li4.5Ti4.5Gd0.5O12-δ(其中0<δ<3)的组成。
制备实施例5：尖晶石材料(Li5.0Ti4.0Gd1.0O12-δ)的制备
以与制备实施例1中基本上相同的方式制备复合导体，除了如下之外：使用钆前体Gd2O3代替所述铌前体，并且所述锂前体、所述钛前体、和所述钆前体的化学计量比不同。
所制备的含锂的金属氧化物具有Li5.0Ti4.0Gd1.0O12-δ(其中0<δ<3)的组成。
制备实施例6：尖晶石材料(Li4.5Ti4.5In0.5O12-δ)的制备
以与制备实施例1中基本上相同的方式制备复合导体，除了如下之外：使用铟前体In2O3代替所述铌前体。
所制备的含锂的金属氧化物具有Li4.5Ti4.5In0.5O12-δ(其中0<δ<3)的组成。
制备实施例7：尖晶石材料(Li5.0Ti4.0In1.0O12-δ)的制备
以与制备实施例1中基本上相同的方式制备复合导体，除了如下之外：使用铟前体In2O3代替铌前体，并且所述锂前体、所述钛前体、和所述铟前体的化学计量比不同。
所制备的含锂的金属氧化物具有Li5.0Ti4.0In1.0O12-δ(其中0<δ<3)的组成。
制备实施例8：尖晶石材料(Li4Ti5O12)的制备
使用可商购获得的Li4Ti5O12。
制备实施例9：钙钛矿材料(Li0.34La0.55TiO3)的制备
对于Li0.34La0.55TiO3的组成比，将Li2CO3、La2O3、和TiO2粉末添加至乙醇并且混合在一起。乙醇的含量为约4重量份，基于100重量份的Li2CO3、La2O3和TiO2粉末的总重量。
将混合物添加至球磨设备以进行粉碎和混合4小时。将经混合的所得物干燥，然后以约5℃/分钟的加热速率加热至800℃。在该温度下在大气下例如在大气中进行一次热处理4小时。
将得自一次热处理的粉末研磨，从而制备具有约0.3微米(μm)的一次颗粒尺寸的粉末。将所制备的粉末加压以制备具有约1.3厘米(cm)的直径、约0.5cm的高度、和约0.3克(g)的重量的圆柱形圆片。将所制备的圆片在大气下例如在大气中在1,100℃下进行二次热处理约24小时，从而获得所得产物。对于二次热处理升至1,100℃的加热速率为约5℃/分钟。所制备的含锂的金属氧化物的组成为Li0.34La0.55TiO3。
制备实施例10：钙钛矿材料(Li0.34La0.55RuO3)的制备
以与制备实施例9中基本上相同的方式获得所得产物，除了如下之外：使用RuO2代替TiO2，并且所述二次热处理在1,200℃下进行。
所制备的含锂的金属氧化物的组成为Li0.34La0.55RuO3。
制备实施例11：钙钛矿材料(Li0.34La0.55MnO3)的制备
以与制备实施例9中基本上相同的方式获得所得产物，除了如下之外：使用MnO2代替TiO2，并且所述二次热处理在1,200℃下进行。
所制备的含锂的金属氧化物的组成为Li0.34La0.55MnO3。
制备实施例12：钙钛矿材料(Li0.34La0.55NiO3)的制备
以与制备实施例9中基本上相同的方式获得所得产物，除了如下之外：使用Ni(OH)2代替TiO2，并且所述二次热处理在1,200℃下进行。
所制备的含锂的金属氧化物的组成为Li0.34La0.55NiO3。
制备实施例13：钙钛矿材料(Li0.34La0.55CrO3)的制备
以与制备实施例9中基本上相同的方式获得所得产物，除了如下之外：使用Cr2O3代替TiO2，并且所述二次热处理在1,200℃下进行。
所制备的含锂的金属氧化物的组成为Li0.34La0.55CrO3。
制备实施例14：钙钛矿材料(Li0.34La0.55IrO3)的制备
以与制备实施例9中基本上相同的方式获得所得产物，除了如下之外：使用IrO2代替TiO2，并且所述二次热处理在1,200℃下进行。
所制备的含锂的金属氧化物的组成为Li0.34La0.55IrO3。
制备实施例15：钙钛矿材料(Li0.34La0.55CoO3)的制备
以与制备实施例9中基本上相同的方式获得所得产物，除了如下之外：使用Co2O3代替TiO2，并且所述二次热处理在1,200℃下进行。
所制备的含锂的金属氧化物的组成为Li0.34La0.55CoO3。
正极的制备
实施例1：阻隔层/多孔层的顺序制备
阻隔层
将Li0.34La0.55RuO3(下文中，称作“LLRuO”)即制备实施例10中制备的含锂的金属氧化物球磨以粉碎，从而获得具有约300纳米(nm)的颗粒尺寸的粉末。
将0.5g的所得含锂的金属氧化物粉末添加至具有1cm的直径的碳模具，之后进行放电等离子体烧结(“SPS”)，从而获得具有致密结构的圆盘。所述SPS在900℃下在50兆帕斯卡(MPa)下进行10分钟。
阻隔层/多孔层的整体式结构的正极
将所获得的LLRuO含锂的金属氧化物粉末、粘合剂即聚乙烯醇缩丁醛树脂(ButvarB79，可得自Eastman)、分散剂(DISPERBYK111，可得自BYK-Chemie GmbH)、和增塑剂(邻苯二甲酸二正丁酯，可得自DBP)以100:10:5:5的重量比混合，之后添加作为溶剂的乙醇并且混合，从而获得浆料。将所制备的浆料使用刮刀在离型膜上涂布至200微米(μm)的厚度，然后在大气中干燥12小时，之后在真空烘箱中在60℃下干燥12小时，以制备涂层。
在所述离型膜上将所制备的涂层切割至7×7平方毫米(mm2)的尺寸。然后，将切割的涂层堆叠在所述具有致密结构的圆盘上并且在100℃下以250磅/平方英寸(psi)热压15分钟以进行层叠。
随后，将所述离型膜除去以获得层叠体。将所获得的层叠体在大气中在600℃下热处理2小时，之后在1,100℃下热处理6小时，以制造整体式结构的正极。
所述整体式结构的正极具有包括阻隔层和形成于所述阻隔层上的多孔层的结构。所述多孔层的厚度为27μm，并且所述阻隔层的厚度为100μm。
将在所述正极的制备中使用的相同的圆盘不用浆料涂布，和将使用相同的方法、热压和热处理而以与所述正极的制备中基本上相同的方式获得的圆盘视为阻隔层。
由所述圆盘的重量和体积以及所述含锂的金属氧化物的理论密度，计算相对密度。所述阻隔层的相对密度为75％。
由所制备的正极和经热处理的圆盘之间的重量差异和体积差异以及所述含锂的金属氧化物的理论密度，计算所述多孔层的孔隙率和负载水平。
使用光学显微镜测量面积，并且使用扫描电子显微镜(“SEM”)测量厚度以分别计算所述经热处理的圆盘和正极的体积。使用所计算的体积和重量计算所述多孔层的孔隙率。
所制备的正极中包括的所述多孔层的孔隙率为70％。孔隙率为所述多孔层的总体积中的被孔所占据的体积。所制备的正极的所述多孔层的重量(负载水平)为5.22毫克/平方厘米(mg/cm2)。
由所制备的正极的横截面测量的在所述多孔层中包括的孔的尺寸小于1μm。
实施例2：阻隔层/多孔层的顺序制备
阻隔层
将Li0.34La0.55RuO3即制备实施例10中制备的含锂的金属氧化物球磨以粉碎，从而获得具有约300nm的颗粒尺寸的粉末。
将重量比90:7:3的含锂的金属氧化物粉末、LiBO3、和LiF的混合物0.5g添加至具有1cm的直径的碳模具，之后进行SPS，从而获得具有致密结构的圆盘。所述SPS在900℃下在50兆帕斯卡(MPa)下进行5分钟。
所制备的圆盘被视为阻隔层。由所述圆盘的重量和体积以及所使用化合物的理论密度，计算所述阻隔层的相对密度。所述阻隔层的相对密度为99％。阻隔层/多孔层的整体式结构的正极
以与实施例1中基本上相同的方式制造整体式结构的正极，除了如下之外：使用以上制备的圆盘。
实施例3：阻隔层/多孔层的同时制备
将Li0.34La0.55RuO3即制备实施例10中制备的含锂的金属氧化物球磨以粉碎，从而获得具有约300nm的颗粒尺寸的LLRuO粉末。
将重量比90:7:3的含锂的金属氧化物粉末、LiBO3、和LiF的混合物0.2g添加至具有1cm的直径的碳模具以制备第一粉末层。
随后，将0.3g的所述LLRuO粉末添加到所述第一粉末层上，并且通过SPS制造具有其中阻隔层(致密层)和多孔层堆叠的整体式结构的正极。
所述SPS在900℃下在50兆帕斯卡(MPa)下进行10分钟。所述多孔层和所述阻隔层的厚度与实施例1中的那些相同。
所述正极中包括的所述阻隔层的孔隙率为1％或更小，并且所述阻隔层的重量(负载水平)为200mg/cm2。所述正极中包括的所述多孔层的孔隙率为50％，并且所述多孔层的重量(负载水平)为300mg/cm2。
对比例1：阻隔膜和多孔膜的制备
阻隔膜
将Li0.34La0.55RuO3(下文中，称作“LLRuO”)即制备实施例10中制备的含锂的金属氧化物球磨以粉碎，从而获得具有约300nm的颗粒尺寸的粉末。
将0.5g的所得LLRuO即含锂的金属氧化物粉末添加至具有1cm的直径的碳模具，之后进行放电等离子体烧结(“SPS”)，从而获得具有致密结构的圆盘形状的阻隔膜。.
所述SPS在900℃下在50MPa下进行10分钟。
多孔膜
将Li0.34La0.55RuO3(下文中，称作“LLRuO”)即制备实施例10中制备的含锂的金属氧化物球磨以粉碎，从而获得具有约300nm的颗粒尺寸的粉末。
将所获得的LLRuO即含锂的金属氧化物粉末、粘合剂即聚乙烯醇缩丁醛树脂(Butvar B79，可得自Eastman)、分散剂(DISPERBYK111，可得自BYK-Chemie GmbH)、和增塑剂(邻苯二甲酸二正丁酯，可得自DBP)以100:10:5:5的重量比混合，之后添加作为溶剂的乙醇并且混合，从而获得浆料。将所制备的浆料使用刮刀在离型膜上涂布至200μm的厚度，然后在大气中干燥12小时，之后在真空烘箱中在60℃下干燥12小时，以制备涂层。
在所述离型膜上将所制备的涂层切割至7×7mm2的尺寸。然后，将切割的涂层在100℃下以250磅/平方英寸(psi)热压15分钟。
随后，将所述离型膜除去以获得经压制的涂层膜。将所获得的涂层膜在大气中在600℃下热处理2小时，之后在1,100℃下热处理6小时，以制造多孔膜。
准备单独制备的阻隔膜和多孔膜。
锂-空气电池的制造
实施例4：锂-空气电池(正极/LiPON/Li负极)的制备
在实施例1中制造的正极中包括的阻隔层上，作为固体电解质层，通过溅射(射频(“RF”)磁控管溅射)形成LiPON层至2μm的厚度。
在所述LiPON层上，作为负极活性材料层，通过热蒸发形成锂金属层至30μm的厚度。
在所述锂金属层上，作为负极集流体，设置铜箔至10μm的厚度。
在所述正极中包括的所述多孔层上设置气体扩散层(25BC，可得自SGL)，并且在所述气体扩散层上设置镍网。
在所述镍网上设置加压构件以容许空气到达所述正极和将单元电池固定，从而完成锂-空气电池的制造。所述锂-空气电池具有图7中所示的结构，其中省略第一电解质膜400。
实施例5
以与实施例4中基本上相同的方式制造锂-空气电池，除了如下之外：使用实施例2中制备的正极代替实施例1中制备的正极。
实施例6
以与实施例4中基本上相同的方式制造锂-空气电池，除了如下之外：使用实施例3中制备的正极代替实施例1中制备的正极。
对比例2
在对比例1中制备的多孔膜上设置阻隔膜，并且在所述阻隔膜上，作为固体电解质层，通过溅射(RF磁控管溅射)形成LiPON层至2μm的厚度。
在所述LiPON层上，作为负极活性材料层，通过热蒸发形成锂金属层至30μm的厚度。
在所述锂金属层上，作为负极集流体，设置铜箔至10μm的厚度。
在所述正极中包括的多孔膜上设置气体扩散层(25BC，可得自SGL)，并且在所述气体扩散层上设置镍网。
在所述镍网上设置加压构件以容许空气到达所述正极和将单元电池固定，从而完成锂-空气电池的制造。所述锂-空气电池具有图7中所示的结构，其中省略第一电解质膜400。
评价实施例1：电子传导率的评价
使制备实施例1-15中制备的尖晶石化合物的圆片和钙钛矿化合物的圆片各自的两侧经历用金的溅射，从而完成离子阻塞单元电池的制造。在25℃的温度下通过使用DC(直流)极化方法测量其电子传导率。
测量依赖于时间的电流，其是在向完成的对称的单元电池施加100毫伏(mV)的恒定电压30分钟的同时获得的。由测量的电流计算复合导体的电子电阻，并且由所述电子电阻计算电子传导率。所测量的电子传导率的结果示于表1和2中。
评价实施例2：离子传导率的评价
将各自浸渍有液体电解质(在碳酸亚丙酯(“PC”)中的1摩尔浓度(M)的LiTFSI)的隔板层设置在制备实施例1-15中制备的尖晶石化合物和钙钛矿化合物的圆片的两侧上，并且在所述隔板层上设置不锈钢(“SUS”)集流体，从而完成电子阻塞单元电池的制造。在25℃的温度下通过使用DC(直流)极化方法测量其离子传导率。
测量依赖于时间的电流，其是在向完成的对称的单元电池施加100毫伏(mV)的恒定电压30分钟的同时获得的。由测量的电流计算所述单元电池的离子电阻，并且从所述单元的离子电阻减去所述隔板层的离子电阻以计算混合导体的离子电阻。由所述混合导体的离子电阻计算离子传导率。所测量的离子传导率的结果示于表1和2中。
表1
Figure BDA0002945345690000531
Figure BDA0002945345690000541
如表1中所示，制备实施例1-8中制造的尖晶石化合物为提供1×10-8S/cm或更大的离子传导率的结晶离子导体。
此外，发现制备实施例1-7的尖晶石化合物与制备实施例8的尖晶石化合物相比具有同时改善的电子传导率和离子传导率。
表2
组成 电子传导率(S/cm) 离子传导率(S/cm)
制备实施例9 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>TiO<sub>3</sub> 3.8X10<sup>-9</sup> 1.2X10<sup>-5</sup>
制备实施例10 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>RuO<sub>3</sub> 5.6X10<sup>-2</sup> 2.1X10<sup>-5</sup>
制备实施例11 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>MnO<sub>3</sub> 2.0X10<sup>-3</sup> 8.8X10<sup>-5</sup>
制备实施例12 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>NiO<sub>3</sub> 2.8X10<sup>-2</sup> 3.0X10<sup>-6</sup>
制备实施例13 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>CrO<sub>3</sub> 2.6X10<sup>-4</sup> 2.0X10<sup>-6</sup>
制备实施例14 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>IrO<sub>3</sub> 4.3X10<sup>-3</sup> 1.7X10<sup>-5</sup>
制备实施例15 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>CoO<sub>3</sub> 4.5X10<sup>-4</sup> 4.6X10<sup>-6</sup>
如表2中所示，制备实施例9-15中制造的钙钛矿化合物为提供1×10-7S/cm或更大的离子传导率的结晶离子导体。
此外，发现制备实施例10-15的钙钛矿化合物与制备实施例9的钙钛矿化合物相比具有改善的电子传导率。
评价实施例3：XRD光谱的评价
测量制备实施例1、2、3和8的尖晶石化合物的XRD光谱。其结果示于图5中。在各XRD光谱测量中，使用Cu Kα辐射。
如图5中所示，制备实施例8中的Li4Ti5O12显示出对应于尖晶石结晶结构的峰，并且制备实施例1-3的尖晶石化合物显示出与制备实施例8中的Li4Ti5O12的光谱类似的光谱。
如图5中所示，在制备实施例1-3的尖晶石化合物的情况下，在衍射角2θ＝23.5°±2.5°处显示出新的峰，并且该新的峰的强度(Ib)大于对应于晶面(111)的峰的强度(Ia)。
即，在制备实施例1-3的尖晶石化合物中，在衍射角2θ＝18°±1.9°处的对应于晶面(111)的峰强度(Ia)对在衍射角2θ＝23.5°±2.5°处的峰强度(Ib)的峰强度比(Ia:Ib)为1:1或更小。
测量制备实施例9-15的钙钛矿化合物的XRD光谱。其结果示于图6中。在各XRD光谱测量中，使用Cu Kα辐射。
如图6中所示，制备实施例9-15的钙钛矿化合物显示出对应于钙钛矿结晶结构的峰。
在所述XRD光谱中，在2θ＝46.5°±2.5°处的峰强度(I(46.5°±2.5°):Ib)对在衍射角2θ＝32.5°±2.5°处的峰强度(I(32.5°±2.5°):Ia)的强度比(I(46.5°±2.5°):I(32.5°±2.5°))(Ib:Ia)、以及在2θ＝57.5°±2.5°处的峰强度(I(57.5°±2.5°):Ic)对在衍射角2θ＝32.5°±2.5°处的峰强度(I(32.5°±2.5°):Ia)的强度比(I(57.5°±2.5°):I(32.5°±2.5°))(Ic:Ia)示于表3中。
表3
组成 强度比I<sub>b</sub>:I<sub>a</sub> 强度比I<sub>c</sub>:I<sub>a</sub>
制备实施例9 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>TiO<sub>3</sub> 0.3:1 0.3:1
制备实施例10 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>RuO<sub>3</sub> 0.2:1 0.2:1
制备实施例11 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>MnO<sub>3</sub> 0.5:1 0.4:1
制备实施例12 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>NiO<sub>3</sub> 0.3:1 0.3:1
制备实施例13 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>CrO<sub>3</sub> 0.3:1 0.3:1
制备实施例14 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>IrO<sub>3</sub> 0.2:1 0.3:1
制备实施例15 Li<sub>0.34</sub>La<sub>0.55</sub>CoO<sub>3</sub> 0.6:1 0.3:1
如图6中所示，制备实施例9的钙钛矿化合物在衍射角11.3±0.5°处显示出峰，然而，在制备实施例10-15的钙钛矿化合物中在衍射角11.3±0.5°处未观察到峰。
评价实施例4：液体阻隔特性
在将有机液体电解质(在PC中的1摩尔/升(摩尔浓度(M))LiTFSI)滴在实施例2中制备的致密结构的圆盘上之后，观察液滴是否渗透所述圆盘。
如图4中所示，即使在12小时之后，所述有机液体电解质(在PC中的1M LiTFSI)也未渗透所述圆盘。
因此，发现实施例2的正极中包括的阻隔层具有液体阻隔特性。
评价实施例5：锂-空气电池的充电和放电特性的评价(I)
在氧气气氛中在40℃下在1个大气压(1atm)下和在100％的相对湿度下进行充电和放电。
将实施例4和5中制造的锂-空气电池以0.06毫安/平方厘米(mA/cm2)的恒定电流放电，直至电压达到2.0伏(V)(相对于Li)。然后，将所述锂-空气电池以相同的恒定电流充电，直至电压达到4.5V。在4.5V的电压下，将所述锂-空气电池以相同的恒定电压充电直到电流降低至0.006mA/cm2，由此进行充电和放电循环一次。
然而，在放电时，在3.0毫安时/平方厘米(mAh/cm2)的放电容量处进行截止。发现所述锂-空气电池稳定地运行。
评价实施例6：锂-空气电池的充电和放电特性的评价(II)
在氧气气氛中在40℃下在1个大气压(1atm)下以非潮湿条件进行充电和放电。
将实施例4中制造的锂-空气电池以0.06mA/cm2的恒定电流放电，直至电压达到2.0V(相对于Li)。然后，将所述锂-空气电池以相同的恒定电流充电，直至电压达到4.5V。在4.5V的电压下，将所述锂-空气电池以相同的恒定电压充电直到电流降低至0.006mA/cm2，由此进行充电和放电循环一次。然而，在放电时，在3.0mAh/cm2的放电容量处进行截止。发现实施例4的锂-空气电池稳定地运行。
相比之下，由于例如在多孔膜和阻隔膜之间的高的界面电阻，对比例2的锂-空气电池在与实施例4相同的充电和放电条件下具有至2.0V或更低的电压降。即，对比例2的锂-空气电池未稳定地运行。
如从前面的描述明晰的，由于所述正极包括包含所述第一含锂的金属氧化物的阻隔层，因此所述锂-空气电池可具有更简单的结构、降低的内阻、和改善的循环特性。
应理解，本文中描述的实施方式应仅在描述意义上考虑并且不用于限制的目的。各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。虽然已经参照附图描述了一种或多种实施方式，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限定的精神和范围的情况下，可在其中进行形式和细节上的多种变化。

Claims (29)

1.配置成使用氧气作为正极活性材料的正极，所述正极包括：
多孔层；和
设置在所述多孔层的表面上的阻隔层，
其中所述阻隔层包括第一含锂的金属氧化物。
2.如权利要求1所述的正极，其中所述阻隔层具有与所述多孔层一起的整体式结构，且具有在1个大气压的压差下对于1厘米膜厚度的每平方米每天0.001-2,000立方厘米的气体渗透率。
3.如权利要求1所述的正极，其中所述阻隔层具有70％-100％的相对密度。
4.如权利要求1所述的正极，其中所述第一含锂的金属氧化物的含量为50重量％-100重量％，基于所述阻隔层的总重量。
5.如权利要求1所述的正极，其中所述阻隔层进一步包括第二含锂的金属氧化物或锂盐的至少一种，和
其中所述第二含锂的金属氧化物的熔点低于所述第一含锂的金属氧化物的熔点。
6.如权利要求1所述的正极，其中所述阻隔层的厚度为所述多孔层的厚度的0.1％-500％。
7.如权利要求2所述的正极，其中所述气体包括水蒸气。
8.如权利要求1所述的正极，其中所述多孔层包括所述第一含锂的金属氧化物。
9.如权利要求1所述的正极，其中所述多孔层的孔隙率为50％-99％，基于所述多孔层的总体积，和所述多孔层的负载水平为4毫克/平方厘米-100毫克/平方厘米。
10.如权利要求1所述的正极，其中所述多孔层中的孔的尺寸为1nm-1,000nm。
11.如权利要求1所述的正极，其中所述第一含锂的金属氧化物为具有1×10-7西门子/厘米-1×10-1西门子/厘米的离子传导率的结晶锂离子导体。
12.如权利要求1所述的正极，其中所述第一含锂的金属氧化物为具有1×10-6西门子/厘米-5×10-1西门子/厘米的电子传导率的结晶电子导体。
13.如权利要求1所述的正极，其中所述第一含锂的金属氧化物为具有1×10-6西门子/厘米-5×10-1西门子/厘米的在25℃的温度下的电子传导率和2×10-7西门子/厘米-1×10-1西门子/厘米的在25℃的温度下的离子传导率的混合导体。
14.如权利要求1所述的正极，其中所述第一含锂的金属氧化物包括钙钛矿化合物或尖晶石化合物的至少一种。
15.如权利要求1所述的正极，其中所述第一含锂的金属氧化物包括由式1表示的钙钛矿化合物：
式1
LixAyGzO3-δ
其中，在式1中，
A和G各自独立地为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，
δ为氧空位，和
0<x<1，0<y<1，0<x+y≤1，0<z≤1.5，且0≤δ≤1.5。
16.如权利要求15所述的正极，其中A为如下的至少一种：Ca、Sr、Ba、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、或Er，
G为如下的至少一种：Ti、Pd、Pb、Fe、Ir、Co、Rh、Mn、Cr、Ni、Ru、Re、Sn、V、Ge、W、Zr、Mo、Hf、U、Nb、Th、Ta、Bi、Ca、Sr、Ba、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Mg、Al、Sc、Zn、Ga、Rb、Ag、Cd、In、Sb、Pt、或Au，
δ为氧空位，和
0.2<x≤0.7，0<y≤0.7，0<x+y<1，0<z≤1.2，且0≤δ≤1.2。
17.如权利要求15所述的正极，其中A为如下的至少一种：La、Ce、Pr、Gd、Ca、Sr、或Ba，
G为如下的至少一种：Ti、Mn、Ni、Ru、Cr、Co、Ir、Fe、Pd、Pb、Rh、Sn、V、Re、Ge、W、Zr、Mo、Nb、Ta、Hf、或Bi，
δ为氧空位，和
0.2<x≤0.5，0.4<y≤0.7，0<x+y<1，0.8<z≤1.2，且0≤δ≤1.0。
18.如权利要求15所述的正极，其中在25℃的温度下所述钙钛矿化合物的电子传导率为1×10-6西门子/厘米-5×10-1西门子/厘米，和在25℃的温度下所述钙钛矿化合物的离子传导率为2×10-7西门子/厘米-1×10-1西门子/厘米。
19.如权利要求1所述的正极，其中所述第一含锂的金属氧化物包括由式2或式3表示的尖晶石化合物：
式2
Li1±xM2±yO4-δ1
式3
Li4±aM5±bO12-δ2
其中，在式2和3中，
式2和3中的M各自独立地为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，
δ1和δ2各自为氧空位，和
0<x<1，0<y<1，0≤δ1≤1，0<a<2，0.3<b<5，且0≤δ2≤3。
20.如权利要求19所述的正极，其中式2和3中的M各自独立地为如下的至少一种：Ni、Pd、Pb、Fe、Ir、Co、Rh、Mn、Cr、Ru、Re、Sn、V、Ge、W、Zr、Ti、Mo、Hf、U、Nb、Th、Ta、Bi、Ca、Sr、Ba、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Mg、Al、Sc、Zn、Ga、Rb、Ag、Cd、In、Sb、Pt、或Au。
21.如权利要求19所述的正极，其中所述尖晶石化合物由式4表示：
式4
Li4±aTi5-bM'cO12-δ
其中，在式4中，
M'为如下的至少一种：Cr、Mg、Ca、Sr、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Al、Ga、In、Tl、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Po、As、Se、或Te，
δ为氧空位，和
0.3<a<2，0.3<b<2，0.3<c<2，且0≤δ≤3。
22.如权利要求19所述的正极，其中在25℃的温度下所述尖晶石化合物的电子传导率为1×10-6西门子/厘米-5×10-1西门子/厘米，和在25℃的温度下所述尖晶石化合物的离子传导率为1×10-7西门子/厘米-1×10-1西门子/厘米。
23.如权利要求1所述的正极，其中所述第一含锂的金属氧化物包括如下的至少一种：层状化合物、石榴石化合物、钠超离子导体化合物、锂超离子导体化合物、磷酸盐化合物、羟磷锂铁石化合物、氟磷铁锰矿化合物、反钙钛矿化合物、硅酸盐化合物、或硼酸盐化合物。
24.如权利要求1所述的正极，其中所述第一含锂的金属氧化物包括如下的至少一种：由式5表示的层状化合物、由式6表示的钠超离子导体化合物、由式7表示的锂超离子导体化合物、由式8表示的石榴石化合物、由式9和10表示的磷酸盐化合物、由式11表示的羟磷锂铁石化合物或氟磷铁锰矿化合物、由式12表示的反钙钛矿化合物、由式13表示的硅酸盐化合物、或者由式14表示的硼酸盐化合物：
式5
Li1±xM1±yO2±δ
其中，在式5中，
M为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，
δ为氧空位，和
0<x<0.5，0<y<1，且0≤δ≤1，
式6
Li1+xAxM2-x(XO4)3
其中，在式6中，
A和M各自独立地为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，
X为As、P、Mo、或S，和
0<x<1.0，
式7
Li8-cM1aM2bO4
其中，在式7中，
M1和M2各自独立地为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，
c＝ma+nb，m为M1的氧化数，且n为M2的氧化数，和
0<c<8，0<a≤1，且0≤b≤1，
式8
LixM13M22O12
其中，在式8中，
M1和M2各自独立地为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，和
3.0≤x≤7.0，
式9
Li1±xMPO4
式10
Li2MP2O7
其中，在式9和10中，
M为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，和
0≤x≤1.0，
式11
Li1±xM(TO4)X
其中，在式11中，
M为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，
T为P或S，
X为F、O、或OH，和
0≤x≤1.0，
式12
LixMyOA
其中，在式12中，
M为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，
A为F、Cl、Br、I、S、Se、或Te，和
2.0≤x≤3.0和0≤y≤1.0，
式13
Li2±xMSiO4
其中，在式13中，
M为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，和
0≤x≤1.0，和
式14
Li1±xMBO3
其中，在式14中，
M为元素周期表的第2-16族的至少一种金属元素，和
0≤x≤1.0。
25.如权利要求23所述的正极，其中所述第一含锂的金属氧化物具有1×10-6西门子/厘米-5×10-1西门子/厘米的在25℃的温度下的离子传导率。
26.如权利要求1所述的正极，其中所述第一含锂的金属氧化物在相对于锂金属的2伏-4伏范围内的电压下是电化学稳定的。
27.锂-空气电池，其包括：
如根据权利要求1-26任一项所述的正极；
包括锂的负极；以及
在所述正极和所述负极之间的电解质。
28.如权利要求27所述的锂-空气电池，其中所述电解质包括固体电解质。
29.制造如权利要求1-26任一项所述的正极的方法，所述方法包括：
将包括第一含锂的金属氧化物的第一成分成型以形成经成型的成分；
将所述经成型的成分热处理以制备第一层；
制备包括所述第一含锂的金属氧化物和粘合剂的第二成分；
将所述第二成分涂布在基底上；
将所述基底上的所述第二成分干燥以形成第二层；
将所述第二层设置在所述第一层上以形成层叠体；和
将所述层叠体在900℃-1,300℃的温度下在氧化性气氛下热处理以制造所述正极。
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