DE102015224578A1

DE102015224578A1 - Bipolarer stromkollektor für eine lithium-luft-batterie, verfahren zum herstellen derselben und lithium-luft-batterie mit demselben

Info

Publication number: DE102015224578A1
Application number: DE102015224578.0A
Authority: DE
Inventors: Won Keun Kim; Tae Young Kim; Na Ry SHIN; Kyoung Han Ryu
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2016-06-16
Also published as: KR20160071799A; CN105703040B; US20160172688A1; CN105703040A

Abstract

Ein bipolarer Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie weist ein einen Substrat mit einer Plattenform auf. Eine Mehrzahl von Nanodrähten ist auf dem Substrat anodisiert und weist eine Säulenform mit einer vorbestimmten Höhe auf. Ein Luftpfad ist zwischen der Mehrzahl von Nanodrähten ausgebildet, und eine Batterie strömende Außenluft bewegt sich durch diesen. Die Mehrzahl von Nanodrähten weist Titandioxid (TiO2) auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen bipolaren Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie, ein Verfahren zum Herstellen desselben, und eine Lithium-Luft-Batterie mit demselben. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen bipolaren Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie, mit einem Substrat, Titandioxidnanodrähten (TiO₂-Nanodrähten) und einem Luftpfad, und auf ein Verfahren zum Herstellen derselben, um eine Lithium-Luft-Batterie mit einem niedrigen Ausfallrisiko zu schaffen, verbesserter Energiedichte pro Gewicht/pro Volumen der gesamten Batterie, und verbesserter Entladungskapazität.
HINTERGRUND
Energiespeichertechnologien für effiziente Energie und auch neue und erneuerbare Energie sind aufgrund von Umweltverschmutzen mit einem kontinuierlichen Wirtschaftswachstum in Bezug auf eine Erschöpfung von fossilen Brennstoffen, hohen Ölpreisen und dem Treibhauseffekt schnell entwickelt worden.
Eine Anzahl von Staaten verlässt sich für Energie auf andere Staaten und steht vor einer schweren Belastung in Bezug auf eine Treibhausgasreduktionsverpflichtung. Als solches sehen sich Staaten vor wirtschaftliche Nachteile gestellt, wie Umweltabgaben, wenn die Verpflichtung nicht erfüllt wird.
Dementsprechend wird die Entwicklung von Energiespeichertechnologien für effiziente Energieverwendung für eine wichtige Aufgabe betrachtet, welche die Zukunft von vielen Staaten beeinflusst, und es wird ein schnelles Wachstum zu einer Industrie der nächsten Generation hinsichtlich der Sicherung von Energiesicherheit erwartet, indem eine Energieabhängigkeit von fremden Staaten reduziert wird.
Daher wird die Entwicklung von Technologien für ein Batteriesystem mit hoher Energiedichte benötigt, um die vorstehenden Probleme zu lösen. Als eine Lösung haben die USA und Japan Metall-Luft-Batterien entwickelt.
Es wurde eine Lithium-Luft-Batterie entwickelt, die Lithium als eine Anode und Sauerstoff in Luft als ein aktives Material einer Kathode (Luftelektrode) verwendet. In der Lithium-Luft-Batterie treten Oxidations- und Reduktionsreaktionen des Lithiums in der Anode auf, und Oxidations- und Reduktionsreaktionen des Sauerstoffs treten in der Kathode auf.
Unter Bezugnahme auf die nachfolgenden chemischen Gleichungen 1 und 2, wird ein Lithiummetall einer Anode oxidiert, um Lithiumionen und Elektroden während einer Entladungsreaktion in einer Lithium-Luft-Batterie zu erzeugen, und die Lithiumionen bewegen sich durch einen Elektrolyten zu einer Kathode, und die Elektronen durch einen externen leitenden Draht oder einen Stromkollektor. Der in Außenluft enthaltene Sauerstoff strömt in eine Kathode, mittels der Elektronen reduziert, um Li₂O₂ auszubilden. Die Ladereaktion läuft mittels einer dazu entgegengesetzten Reaktion ab.
[Chemische Gleichung 1]

(Anode): Li → Li⁺ + e^–

[Chemische Gleichung 2]

(Kathode): O₂ + 2Li⁺ + 2e^– → Li₂O₂

Eine Lithium-Luft-Batterie nimmt unbeschränkt Sauerstoff in Luft auf und ist dadurch in der Lage, eine große Energiemenge durch eine Anode mit einer großen spezifischen Oberfläche zu speichern, und weist eine hohe Energiedichte auf. Die Energiedichte eines Lithiummetalls beträgt 11140 Wh/kg, nahe an der Energiedichte von Benzin und Dieselkraftstoffen, und daher kann eine sehr hohe Energiedichte erzielt werden, da die Batterie durch Aufnehmen von leichtem Sauerstoff von außen betrieben wird. Eine theoretische Energiedichte einer Lithium-Luft-Batterie wird auf 3500 Wh/kg berechnet, was der höchsten unter gegenwärtigen Zweitbatteriekandidaten der nächsten Generation entspricht, und diese Energiedichte ist ungefähr zehnmal höher als die Energiedichte von Lithiumionen-Batterien.
Die Energiedichte ist jedoch ein Energiedichtewert auf Basis eines Gewichts von lediglich einem aktiven Material, und ein Energiedichtewert in Bezug auf das Gewicht der tatsächlichen gesamten Lithium-Luft-Batterie nimmt massiv ab. Ein Energiedichtewert in Bezug auf das Gewicht einer tatsächlichen gesamten Batterie kann nicht genau berechnet werden, da eine Lithium-Luft-Batterie nicht vollständig kommerzialisiert ist und das Batteriedesign nicht abgeschlossen ist, das Verbessern einer Energiedichte durch Reduzieren der Dicke und des Gewichts einer Lithium-Luft-Batterie ist jedoch sicherlich eine sehr wichtige technologische Herausforderung auf dem Gebiet einer Lithium-Luft-Batterie.
Bestehende Lithium-Luft-Batterien verwenden einen bipolaren Graphitstromkollektor für bestehende Brennstoffzellen. Der bipolare Stromkollektor sammelt sowohl von der Katode als auch von Anode erzeugte Elektronen und hat auch eine Funktion eines Pfads, der Außenluft leitet, wenn in einer Lithium-Luft-Batterie verwendet.
Der bipolare Graphitstromkollektor hat jedoch große Schwierigkeiten hinsichtlich des Vorgangs des Schaffung eines Luftpfads, und die Herstellung eines dünnen bipolaren Stromkollektors kennt ihre Beschränkung aufgrund von Problemen wie Festigkeit, und dementsprechend hat ein bipolarer Graphitstromkollektor einen Nachteil, dass er einen großen Energiedichteverlust pro Gewicht/pro Volumen aufweist, wenn in einer Lithium-Luft-Batterie verwendet, da es schwierig ist, die Dicke und das Gewicht zu reduzieren.
Zudem reagiert ein bipolarer Graphitstromkollektor mit einem organischen Elektrolyt und kann korrodiert werden, was zu einem Defekt führt, und daher ist eine Lösung für dieses Problem notwendig.
Als eine Alternative zum Verhindern einer Korrosion wurde ein aus Edelstall hergestellter bipolarer Stromkollektor ausprobiert, es gibt jedoch eine Schranke, insofern als ein Energiedichteverlust pro Gewicht noch größer wird, da ein Material selbst eine hohe Dichte aufweist.
Demensprechend ist die Entwicklung eines Stromkollektors, der beim Angrenzen an einen Elektrolyten nicht korrodiert und der zum Verbessern einer Energiedichte in Bezug auf das Gesamtgewicht der Lithium-Luft-Batterie geeignet ist, indem eine Dicke und ein Gewicht reduziert werden, zu einer wichtigen technologischen Herausforderung geworden.
Die in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte, vorstehende Information dient lediglich der Förderung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung, und sie kann daher Informationen enthalten, die nicht Stand der Technik bilden, die dem Fachmann bereits bekannt ist.
Zusammenfassung der Offenbarung
Die vorliegende Erfindung wurde im Rahmen einer Anstrengung konzipiert, die mit dem Stand der Technik assoziierten, vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, und ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft einen bipolaren Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie, der nicht korrodiert wird, wenn er mit einem organischen Elektrolyten reagiert.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft einen bipolaren Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie, der zum Verbessern einer Energiedichte pro Gewicht/pro Volumen einer Batterie geeignet ist, indem eine Dicke und ein Gewicht des bipolaren Stromkollektor reduziert werden, wodurch ein Gewicht und Volumen der gesamten Batterie reduziert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft einen bipolaren Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie mit einem Luftpfad, wodurch ein reibungsloses bzw. glattes Einströmen von Luft und eines kathodischen aktivem Materials erlaubt wird, selbst wenn eine Batteriezelle laminiert ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die vorstehend erwähnte Aufgabe beschränkt, und der Fachmann kann klar andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung verstehen, die nicht vorstehend beschrieben sind, anhand der Beschreibungen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein bipolarer Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie ein Substrat mit einer Plattenform aufweisen. Eine Mehrzahl von Nanodrähten ist auf dem Substrat anodisch oxidiert bzw. anodisiert (anodized) und weist eine Säulenform mit einer vorbestimmten Höhe auf. Ein Luftpfad ist zwischen der Mehrzahl von Nanodrähten ausgebildet, und durch diesen bewegt sich in eine Batterie strömende Außenluft. Die Mehrzahl von Nanodrähten weist Titandioxid (TiO₂) auf.
Die TiO₂-Nanodrähte können anodisiert werden und senkrecht zum Substrat stehen.
Der bipolare Stromkollektor kann eine Dicke von 0,5 mm bis 1,5 mm und ein Gewicht von 15g bis 30g aufweisen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Herstellen eines bipolaren Stromkollektors für eine Lithium-Luft-Batterie umfassen: Bereitstellen einer Mehrzahl von Nanodrähten durch Anodisieren mit einem konstanten Strom von 1mA zu 10mA auf einem Substrat während 30 bis 60 Minuten in einem Elektrolyten und Wärmbehandeln der Mehrzahl von Nanodrähten.
Der Elektrolyt kann Ethylenglykol, 0,2 M bis 1,0 M Fluorwasserstoff (HF) mit 0,1 M bis 1,0 M Wasserstoffperoxid aufweisen.
Die Mehrzahl von Nanodrähten kann während 3 Stunden bis 7 Stunden bei 300°C bis 500°C wärmebehandelt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Lithium-Luft-Batterie eine Mehrzahl von laminierten Batteriezellen auf. Jede der Mehrzahl von Batteriezellen kann den bipolaren Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie aufweisen, der aufweist: ein Substrat mit einer Plattenform; eine Mehrzahl von Nanodrähten, die auf dem Substrat anodisiert sind und eine Säulenform mit einer vorbestimmten Höhe aufweisen; und einen Luftpfad, der zwischen der Mehrzahl von Nanodrähten ausgebildet ist, und durch den sich in eine Batterie strömende Außenluft bewegt. Eine Kathode ist an der Mehrzahl von Nanodrähten befestigt. Eine Anode ist an einem Substrat eines Stromkollektors einer weiteren Batterie befestigt. Ein Elektrolyt ist zwischen der Kathode und der Anode angeordnet. Die Mehrzahl von Nanodrähten weist TiO₂ auf.
Die Anode kann ein Lithiummetall sein, die Kathode ist irgendeines aus einem kohlenstoff- bzw. karbonbasierten Material, einem metalloxidbasierten Material und/oder einem edelmetallbasierten Material.
Der Elektrolyt kann irgendeines sein von: einem Lithiumsalz enthaltendem etherbasiertem Lösungsmittel, einem sulfonbasiertem Lösungsmittel und einem kohlenstoff- bzw. karbon- bzw. karbonatbasiertem Lösungsmittel.
Weitere Aspekte und beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend diskutiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden und andere Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen derselben detailliert beschrieben, die in den begleitenden Zeichnungen gezeigt ist, die hiernach nur zum Zwecke der Illustration angegeben sind und daher nicht beschränkend sind für die vorliegende Offenbarung.
1 ist ein Diagramm, das einen bipolaren Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zum Herstellen derselben zeigt.
2 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt einer Lithium-Luft-Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Graphik, die eine Entladungskapazität von Lithium-Luft-Batterien misst, die gemäß einem Beispiel und einem Vergleichsbeispiel hergestellt sind.
Es zu verstehen, dass die begleitenden Zeichnungen nicht notwendigerweise skaliert sind und ein etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen Merkmalen sind, welche die Grundprinzipien der Erfindung illustrieren. Die spezifischen Gestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie hierin offenbart, einschließlich beispielsweise von spezifischen Abmessungen, Orientierung, Positionierung und Formen, werden teilweise durch die spezifisch vorgesehene Anwendung und Verwendungsumgebung festgelegt.
Bezugszeichen in den Figuren beziehen sich durch die verschiedenen Figuren der Zeichnung hin auf dieselben oder entsprechenden Teile der vorliegenden Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung
Hiernach wird detailliert Bezug auf beispielshafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genommen, Beispiele welche in den begleitenden Zeichnungen gezeigt und nachstehenden beschrieben sind. Während die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist zu verstehen, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu gedacht ist, die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Abwandlungen, Äquivalente, und andere Ausführungsformen abzudecken, die in den Rahmen und Bereich der Erfindung fallen können, wie in den begleitenden Ansprüchen definiert. Beim Beschreiben der Beispiele der vorliegenden Erfindung werden detaillierte Beschreibungen von bekannten Funktionen und Konstruktionen nicht aufgenommen, wenn entschieden wird, dass die detaillierten Beschreibungen den Kern der vorliegenden Offenbarung unnötigerweise verschleiern könnten.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 weist ein bipolarer Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung (hiernach ein „Stromkollektor“ 11) ein plattenförmiges Substrat 111, eine Mehrzahl von Titandioxidnanodrähten (TiO₂-Nanodrähten) (hiernach „Nanodraht“ 113), die durch Anodisieren auf dem Substrat 111 ausgebildet sind, und einen Luftpfad 115 auf, der einen Raum darstellt, der zwischen den Nanodrähten 113 ausgebildet ist.
Das Substrat 111 sammelt mittels einer Reaktion in einer Kathode und einer Anode erzeugte Elektronen, und es kann ein Titansubstrat verwendet werden. Wie später beschrieben wird, kann eine Nanodrahtschicht auf einer Oberfläche des Substrats 111 ausgebildet werden, indem das Substrat 111 anodisiert wird.
Ein Nanodraht wird auf dem Substrat 111 in einer Säulenform mit einer bestimmten Höhe anodisiert, und in 1 ist eine Zylinderform gezeigt, die Form ist jedoch nicht darauf beschränkt, und der Nanodraht kann eine Säulenform aufweisen, solange die Form dazu geneigt ist, einen ausreichenden Raum zu sichern, um den Luftpfad 115 mit benachbarten Nanodrähten auszubilden.
Die Nanodrähte 113 weisen Titandioxid (TiO₂) auf und korrodieren nicht, wenn sie mit einem Elektrolyten reagieren, anders als bestehende Stromkollektoren, und können daher eine chemische Stabilität des Stromkollektors 11 verstärken.
Die Nanodrähte 113 können vorbereitet bzw. bereitgestellt werden, indem das Titandioxid senkrecht oder fast senkrecht zu dem Substrat 111 wächst. Dementsprechend kann der Nanodraht durch gleichmäßiges Anordnen auf dem Substrat 111 verteilt werden, und der Luftpfad 115 kann deutlich ausgebildet werden. Daher kann Luft gleichmäßig auf eine Kathode treffen, und im Ergebnis kann eine Entladungskapazität einer Lithium-Luft-Batterie verstärkt werden.
Der Luftpfad 115 ist ein Raum zwischen der Mehrzahl von Nanodrähten 113 und spielt eine Rolle eines Pfads bei dem sich die Außenluft, die in die Batterie strömt, bewegt. In der vorliegenden Erfindung kann, selbst wenn eine Batteriezelle laminiert ist, Luft, die ein kathoden-aktives Material darstellt, gleichmäßig zu dem Luftpfad 115 in eine Batterie gelangen, und trifft gleichmäßig auf eine Kathode, und daher kann eine Entladungskapazität der Batterie verbessert werden.
In dem Stromkollektor 11 kann ein Titansubstrat als das Substrat 111 verwendet werden, und die Nanodrähte 113 können durch Anodisieren von Titandioxid auf dem Substrat 111 ausgebildet werden. Daher können die vorstehend beschriebene Probleme der bestehenden Lithium-Luft-Batterien gelöst werden, da der gegenwärtige Kollektor aufgrund der Natur eines Titanmaterials (i) nicht korrodiert, da er nicht sensibel mit einem Elektrolyten reagiert, und (ii) genügend Festigkeit aufweist, um als eine Lithium-Luft-Batterie verwendet zu werden, selbst wenn ein Gewicht und eine Dicke reduziert werden.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines bipolaren Stromkollektors für eine Lithium-Luft-Batterie (1) einen Schritt S2, bei dem die Nanodrähte 113 durch Anodisieren vorbereitet werden, indem ein kontanter Strom an das Substrat 111 in einem Elektrolyten angelegt wird, und (2) einen Schritt S3, bei dem eine Wärmebehandlung an dem Ergebnis des ersten Schritts durchgeführt wird.
In dem Herstellungsverfahren, das vorstehend beschrieben worden ist, sind spezifische Beschreibungen der Bestandteile wie einem Substrat und von Nanodrähten dieselben wie die vorstehend beschriebenen, und daher wird die Beschreibung nicht wiederholt, um die Wiederholung von Beschreibungen zu vermeiden.
Das Substrat 111 kann zusätzlich vor dem Anodisieren einem Waschvorgang S1 unterzogen werden.
Spezifisch kann der Schritt S2 durch Ausbilden einer elektrochemischen Zweielektrodenzelle mit einem Substrat, Platin und einem Elektrolyten durchgeführt werden. Unter Verwendung eines Zweielektrodensystems mit Platin als einer Anode und einem Titansubstrat als einer Kathode kann eine Anodisierung in einem Elektrolyten ausgeführt werden, der eine gemischte Flüssigkeit von Ethylenglykol, 0,2M bis 1,0M Fluorwasserstoff (HF) und 0,1M bis 1,0M Wasserstoffperoxid (H₂O₂) darstellt.
Eine Anodisierung kann durchgeführt werden, indem während 30 Minuten bis 60 Minuten ein konstanter Strom von einem 1mA bis 10mA angelegt wird.
In Schritt S3 können die Nanodrähte 113 durch eine Wärmebehandlung des Ergebnisses des ersten Schritts während 3 Stunden bis 7 Stunden bei 300°C bis 500°C als eine Nachbehandlung nach dem Beenden der Anodisierung aktiviert werden.
In Abhängigkeit des Herstellungszustandes von Schritt S1 und Schritt S2 kann die Mehrzahl von Nanodrähten 113, in denen Titandioxid in einer Säulenform senkrecht oder fast senkrecht zu dem Substrat 111 anodisiert ist, auf dem Substrat 111 erzielt werden.
In Schritt S1 wird ein Titansubstrat als eine Kathode verwendet. Dementsprechend nimmt eine Breite des Titansubstrats durch Anodisieren ab, und daher kann eine Breite des Stromkollektors dünner sein als diejenige des Titansubstrats.
Eine Dicke des gegenwärtigen Kollektors kann 0,5mm bis 1,5mm betragen. Wenn die Dicke geringer ist als 0,5mm, kann der Kollektor leicht beschädigt werden. Wenn die Dicke mehr als 1,5mm beträgt, kann eine Energiedichte des Batteriesystems abnehmen.
Ein Gewicht des gegenwärtigen Kollektors kann 10g bis 30g betragen. Wenn das Gewicht geringer ist als 10g, kann der Kollektor leicht beschädigt werden. Wenn das Gewicht mehr als 30g beträgt, kann die Energiedichte des Batteriesystems abnehmen.
In Bezugnahme auf 2, weist eine Batteriezelle 1 bei einer Lithium-Luft-Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung den Stromkollektor 11, eine Kathode 13, eine Anode 15, und einen Elektrolyten 17 auf und ist laminiert (z.B. Batteriezellen 1, 1‘).
2 zeigt eine Lithium-Luft-Batterie, bei der die Batteriezelle 1 in zwei Schichten laminiert ist, die Lithium-Luft-Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann eine Struktur aufweisen, bei der zwei oder mehr Schichten von Batteriezellen laminiert sind.
Die Batteriezelle 1 kann den Stromkollektor 11, die Kathode 13 und die Anode 15 aufweisen, die von einer oberen Seite laminiert ist, und der Elektrolyt 17 kann zwischen der Kathode 13 und der Anode 15 in der Batteriezelle 1 angeordnet sein.
Detaillierte Beschreibungen zu dem Stromkollektor sind gleich wie die Beschreibungen, die vorstehend abgegeben wurden, und daher werden die Beschreibungen hiernach nicht wiederholt, um die Wiederholung von Beschreibungen zu vermeiden.
Der Stromkollektor 11 kann eine (nicht gezeigte) Substratfläche, eine glatte Oberfläche, auf der kein Nanodraht wächst, als eine Oberfläche des Substrats, und eine (nicht gezeigte) Nanodrahtoberfläche aufweisen, auf dem Nanodrähte wachsen, als eine weitere Oberfläche des Substrats.
Die Kathode 13 erzeugt eine Reaktion gemäß chemischer Gleichung 2, wenn eine Batterie entladen wird, wie vorstehend beschrieben, und kann auf einer Nanodrahtflächenseite eines Stromkollektors angeordnet sein. Dementsprechend kann durch den Luftpfad 115 von außen einströmende Luft zu der Kathode 13 gerichtet werden. Die Luft, die ein aktives Material darstellt, und Elektronen und Metallionen (Lithiumionen) die von der Anode 15 erzeugt werden, können eine Reaktion gemäß chemischer Gleichung 2 in der Kathode 13 erzeugen.
Die Kathode 13 kann eine kohlenstoff- bzw. karbonbasiertes, ein metalloxidbasiertes Material oder ein auf verschiedenen Metallen basiertes Material verwenden, oder kann, spezifischer, ein karbonbasiertes auf Basis einer Gasdiffusionsschicht (GDL) verwenden.
In der Lithium-Luft-Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung wachsen Nanodrähte in einer angeordneten Struktur auf dem Substrat 111, und dementsprechend ist der Luftpfad 115 gut entwickelt, wie vorstehend beschrieben, und daher kann die Reaktion gemäß chemischen Gleichung 2 reibungslos bzw. gleichmäßig in der Kathode ablaufen. Im Ergebnis kann eine Entladungskapazität der Lithium-Luft-Batterie verbessert werden.
Die Anode erzeugt eine Reaktion gemäß chemischer Gleichung 1, wenn eine Batterie entladen wird, wie vorstehend beschrieben, und unter Bezugnahme von 2 kann die Anode an einer Substratoberfläche des Stromkollektors 11 einer weiteren Batteriezelle 1‘ befestigt sein, die an der unteren Seite (einer Nanodrahtoberflächenrichtung auf Basis des Stromkollektors) der Batteriezelle 1 angeordnet ist.
Die Anode 15 kann ein Lithiummetall oder eine Lithiummetallfolie verwenden.
Der Stromkollektor 11 grenzt an die Kathode 13 in derselben Batteriezelle durch eine Nanodrahtoberfläche an, und grenzt an die Anode 15 in einer weiteren Batteriezelle durch eine Substratoberfläche an, wodurch sie Elektronen annimmt, die in der Kathode und Anode erzeugt werden, und im Ergebnis kann sie eine bipolare Eigenschaft aufweisen.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Elektrolyt allgemein über einen Raum verteilt, der durch eine Kathode und eine Anode eingenommen wird, und steht daher mit dem Stromkollektor in Kontakt, und der Stromkollektor gemäß der vorliegenden Erfindung kann nicht korrodieren, wenn er mit einem Elektrolyten reagiert, anders als die existierenden Stromkollektoren, da der Stromkollektor gemäß der vorliegenden Erfindung aus Titanmaterialien ausgebildet sein kann.
Der Elektrolyt kann irgendeines verwenden von: Lithiumsalz enthaltendem etherbasiertem Lösungsmittel, einem sulfonbasiertem Lösungsmittel und einem karbonatbasiertem Lösungsmittel, oder spezifischer, Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME) einem Lösungsmittel mit dem höchsten Siedepunkt unter etherbasierten Lösungsmitteln, kann als das Lösungsmittel verwendet werden, und LiTFSI, LiCF₃SO₃, LiI, LiPF₆ und dergleichen können als das Salz verwendet werden.
Beispiele
Hiernach werden spezifische Beispiel der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Die nachstehend beschriebenen Beispiele dienen jedoch lediglich illustrativen oder beschreibenden Zwecken, und der Rahmen der vorliegenden Offenbarung ist nicht darauf beschränkt.
Beispiel
(1) Herstellung von Stromkollektor

1) Ein 0,8mm Titansubstrat wurde gewaschen.
2) Eine elektrochemische Zweielektrodenzelle wurde unter Verwendung des Titansubstrats als eine Kathode, Platin als eine Anode, und einer gemischten Flüssigkeit von Ethylenglykol, 0,2M bis 1,0M HF und 0,1M bis 1,0M H₂O₂ als ein Elektrolyt ausgebildet.
3) Ein konstanter Strom von 5mA wurde während 60 Minuten zum Ausführen einer Anodisierung angelegt.
4) ein Stromkollektor wurde durch eine Wärmebehandlung des Ergebnisses während 5 Stunden bei 400°C hergestellt.

(2) Herstellung von Lithium-Luft-Batterie

1) Ein GDL-basiertes Karbonsubstrat wurde als eine Kathode verwendet, und Lithiummetallfolie wurde als eine Anode verwendet, und ein Elektrolyt wurde durch Auflösen von 1M LiTFSI in einem TEGDME-Lösungsmittel als ein Lithiumsalz bereitgestellt.
2) eine Batteriezelle, in welcher der Stromkollektor, die Kathode und die Anode von einer oberen Seite her laminiert sind und der Elektrolyt ausgebildet ist, wurde bereitgestellt bzw. vorbereitet, und die Batteriezelle wurde in zwei Schichten laminiert, wie in 2, um eine 5V-Grad Lithium-Luft-Batterie herzustellen.

Vergleichsbeispiel
Eine Lithium-Luft-Batterie wurde unter Verwendung derselben Bestandteile und desselben Herstellungsverfahrens wie in dem Beispiel hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein bipolarer Graphitstromkollektor wie in bestehenden Technologien als der Stromkollektor verwendet wurde.
Messbeispiel 1

Physikalische Eigenschaften des bei dem Beispiel hergestellten Stromkollektors wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]

	Graphit (Vergleichsbeispiel)	Edelstahl	Beispiel
Dichte (g/cc)	2,09	8,03	4,23
Dicke (mm)	3,5	2,0	0,52)
Gewicht (g, 100 × 100 mm²)	73,15	160,6	21,15
Korrosionswiderstand¹⁾	X	O	O

1) Korrosionswiderstand bezeichnet eine Eigenschaft, dass es schwierig ist, Korrosion zu erzeugen.
2) Die Dickte (Höhe) des Stromkollektors der vorliegenden Erfindung wurde gemessen. In dem Vorgang der Herstellung des Stromkollektors, bei dem Nanodrähte durch Anodisieren eines Titansubstrats mit einer Dicke von 0,8mm hergestellt werden, nimmt die Dicke um 0,3mm ab.

Unter Bezugnahme auf Tabelle 1 ist der Stromkollektor gemäß der vorliegenden Offenbarung effektiv beim Reduzieren der Dicke um ungefähr 85% und dem Gewicht um ungefähr 71%.
Vergleichsbeispiel 2
Eine Entladungskapazität wurde bei dem Beispiel und bei dem Vergleichsbeispiel durch an die Lithium-Luft-Batterie Anlegen eines konstanten Stroms von 0,25mA/cm² ausgewertet.
3 ist eine Graphik, die eine Entladungskurve der Lithium-Luft-Batterie zeigt, die mit einem konstanten Strom kontinuierlich entladen wird, und unter Bezugnahme auf die Graphik wurde identifiziert, dass die Lithium-Luft-Batterie des Beispiels im Vergleich zu der Lithium-Luft-Batterie des Vergleichsbeispiels eine höhere Entladungskapazität (ungefähr 330mAh/cm²) zeigt.
Die vorliegenden Offenbarung schafft einen Stromkollektor mit einem Titansubstrat und Titandioxidnanodrähten und ist daher effektiv beim Bereitstellen einer Lithium-Luft-Batterie, bei welcher der Stromkollektor nicht mittels eines Elektrolyten korrodiert, und es ist möglich, eine Energiedichte pro Gewicht/ pro Volumen der gesamten Batterie zu verbessern, indem die Dicke und das Gewicht des Stromkollektors reduziert werden.
Zusätzlich weist der Stromkollektor der vorliegenden Offenbarung einen gut entwickelten Luftpfad auf, und ist daher beim Schaffen einer Lithium-Luft-Batterie mit verbesserter Entladungskapazität effektiv, da Luft, die ein kathodisch aktives Material darstellt, gleichmäßig in eine Kathode strömen kann.
Der bipolare Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie gemäß vorstehender Beschreibung erzielt die folgenden Effekte.
Die Lithium-Luft-Batterie der vorliegenden Erfindung schafft ein kleines Ausfallrisiko, da ein Stromkollektor nicht durch einen Elektrolyten korrodiert.
Zusätzlich verbessert die Lithium-Luft-Batterie der vorliegenden Erfindung eine Energiedichte pro Gewicht/pro Volumen der gesamten Batterie durch Reduzieren der Dicke und des Gewichts des Stromkollektors.
Darüber hinaus schafft die Lithium-Luft-Batterie der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Entladungskapazität, da Luft, die ein kathodisch aktives Material darstellt, gleichmäßig in einen Stromkollektor strömt.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen derselben detailliert beschrieben. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass Veränderungen bei den Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wobei ihr Rahmen durch die beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente definiert ist.

Claims

Bipolarer Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie, mit: einem Substrat, das eine Plattenform aufweist; einer Mehrzahl von Nanodrähten, die auf dem Substrat anodisiert ist und eine Säulenform mit einer vorbestimmten Höhe aufweist; und einem Luftpfad, der zwischen der Mehrzahl von Nanodrähten ausgebildet ist und durch den sich in eine Batterie strömende Außenluft bewegt, wobei die Mehrzahl von Nanodrähten Titandioxid (TiO₂) aufweist.
Bipolarer Stromkollektor nach Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von Nanodrähten auf und senkrecht zu dem Substrat anodisiert ist.
Bipolarer Stromkollektor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der bipolare Stromkollektor eine Dicke von 0,5mm bis 1,5mm aufweist.
Bipolarer Stromkollektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der bipolare Stromkollektor ein Gewicht von 15g bis 30g aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines bipolaren Stromkollektors für eine Lithium-Luft-Batterie, das umfasst: Bereitstellen einer Mehrzahl von Nanodrähten durch Anodisieren mit einem konstantem Strom von 1mA bis 10mA auf einem Substrat über 30 Minuten bis 60 Minuten in einem Elektrolyten; und Wärmebehandeln der Mehrzahl von Nanodrähten, wobei die Mehrzahl von Nanodrähten TiO₂ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Elektrolyt Ethylenglykol, 0,2M bis 1,0M Fluorwasserstoff (HF) und 0,1M bis 1,0M Wasserstoffperoxid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Mehrzahl von Nanodrähten in der Wärmebehandlung während 3 Stunden bis 7 Stunden bei 300°C bis 500°C wärmebehandelt wird.
Lithium-Luft-Batterie mit einer Mehrzahl von laminierten Batteriezellen, wobei jede der Mehrzahl von Batteriezellen aufweist: einen bipolaren Stromkollektor für eine Lithium-Luft-Batterie, wobei der bipolare Stromkollektor aufweist: ein Substrat mit einer Plattenform; eine Mehrzahl von Nanodrähten, die auf dem Substrat anodisiert ist und eine Säulenform mit einer vorbestimmten Höhe aufweist; und einen Luftpfad, der zwischen der Mehrzahl von Nanodrähten ausgebildet ist und durch den sich in eine Batterie strömende Außenluft bewegt; eine Kathode, die an der Mehrzahl von Nanodrähten des bipolaren Stromkollektors befestigt ist; eine Anode, die an einem Substrat eines bipolaren Stromkollektors einer weiteren Batteriezelle befestigt ist; und einen Elektrolyten, der zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von Nanodrähten TiO₂ aufweist.
Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 8, bei welcher die Anode ein Lithiummetall ist.
Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Kathode irgendeines ist von: einem Material auf Kohlenstoffbasis, einem Material auf Metalloxidbasis und einem Material auf Edelmetallbasis.
Lithium-Luft-Batterie nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welcher der Elektrolyt irgendeiner ist von: einem Lithiumsalz enthaltendem Lösungsmittel auf Etherbasis, einem Lösungsmittel auf Sulfonbasis und einem Lösungsmittel auf Kohlenstoffbasis.