對相關申請的交叉引用

本申請要求在韓國知識產(chǎn)權局于2016年2月3日提交的韓國專利申請no.10-2016-0013538的優(yōu)先權和權益、以及由其產(chǎn)生的全部權益，其內(nèi)容全部引入本文中作為參考。

本公開內(nèi)容涉及固體電解質和包括所述固體電解質的鋰電池。

背景技術：

鋰-空氣電池包括容許鋰離子的沉積和溶解的負極、用于氧化和還原來自空氣的氧的正極、以及在正極和負極之間的鋰離子傳導介質。

鋰-空氣電池可使用鋰作為負極且可具有高的容量，因為不存在將空氣存儲在該電池中作為正極活性材料的需要。鋰-空氣電池可因而具有約3500瓦-時/千克(wh/kg)或更大的高的理論比能量，其為鋰離子電池的理論比能量的約十倍大。

鋰-空氣電池可使用液體電解質或固體電解質。

液體電解質可具有高的離子傳導率，但在大量的液體電解質被用于填充正極的孔時可增加電池的總重量，因而使得難以制造具有高的比能量的鋰-空氣電池。此外，液體電解質可更有可能泄漏。

用于用作固體電解質的材料可包括包含陶瓷的固體電解質和包含聚合物的固體電解質。包含陶瓷的固體電解質是堅固但重的，并且由于缺乏柔性而有可能開裂。另一方面，包含聚合物的固體電解質是柔性的但更有可能惡化，并且在確保鋰-空氣電池的良好的循環(huán)特性方面可不是有效的。

因此，存在對于柔性的且還可提供改善的循環(huán)特性的固體電解質的需要。

技術實現(xiàn)要素：

提供固體電解質。

還提供包括所述固體電解質的鋰電池。

根據(jù)一個實施方式的方面，固體電解質包括：離子液體；鋰鹽；無機顆粒；和聚合物，其中離子液體的量大于或等于約33重量份，基于100重量份的聚合物。

根據(jù)另一實施方式的方面，鋰電池包括：正極；負極；以及設置在正極和負極之間的電解質層，其中電解質層包括固體電解質，固體電解質包括離子液體、鋰鹽、無機顆粒、和聚合物，其中離子液體的量大于或等于約33重量份，基于100重量份的聚合物。

根據(jù)一個方面，制備復合電解質膜的方法包括：提供隔板；和用固體電解質滲透(浸漬)隔板以制備復合電解質膜，其中固體電解質包括離子液體、鋰鹽、無機顆粒、和聚合物，其中離子液體的量大于或等于約33重量份，基于100重量份的聚合物。

根據(jù)另一方面，制備鋰電池的方法包括：提供正極；提供負極；以及將電解質層設置在正極和負極之間以制備鋰電池，電解質層包括離子液體、鋰鹽、無機顆粒、和聚合物，其中離子液體的量大于或等于約33重量份，基于100重量份的聚合物。

額外的方面將部分地在隨后的描述中闡明，且部分地將由所述描述明晰，或者可通過所提供的實施方式的實踐獲悉。

附圖說明

由結合附圖考慮的實施方式的以下描述，這些和/或其它方面將變得明晰和更容易理解，其中：

圖1為實施例2和對比例4的固體電解質膜的離子傳導率(西門子/厘米，s/cm)對倒數(shù)溫度(1000/t，開^-1(k^-1))的圖；

圖2為比能量(瓦-時/千克，wh/kg)對循環(huán)次數(shù)的圖，其說明實施例5、實施例6、和對比例6的鋰-空氣電池的壽命特性；

圖3為比能量(wh/kg)對循環(huán)次數(shù)的圖，其說明實施例6、實施例8、和對比例6的鋰-空氣電池的壽命特性；

圖4為容量(安-時/克，ah/g)對循環(huán)次數(shù)的圖，其說明實施例7和對比例7的鋰-空氣電池的壽命特性；

圖5為說明根據(jù)一個實施方式的鋰-空氣電池的結構的示意圖；

圖6為說明根據(jù)另一實施方式的鋰-空氣電池的結構的示意圖；和

圖7為說明根據(jù)另一實施方式的鋰離子電池的結構的示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將對固體電解質和包括任意所述固體電解質的鋰電池詳細地進行介紹，其實例說明于附圖中，其中相同的附圖標記始終是指相同的元件。在這點上，本實施方式可具有不同的形式且不應被解釋為限于本文中闡明的描述。因此，下面僅通過參考附圖描述實施方式以說明方面。如本文中使用的，術語“和/或”包括相關列舉項目的一個或多個的任何和全部組合。表述例如“…的至少一個(種)”當在要素列表之前或之后時，修飾整個要素列表且不修飾所述列表的單獨要素。

將理解，當一個元件被稱為“在”另外的元件“上”時，其可直接在所述另外的元件上或者在其間可存在中間元件。相反，當一個元件被稱為“直接在”另外的元件“上”時，則不存在中間元件。

將理解，盡管術語“第一”、“第二”、“第三”等可在本文中用于描述各種元件、組分、區(qū)域、層和/或部分，但這些元件、組分、區(qū)域、層和/或部分不應受這些術語限制。這些術語僅用于將一個元件、組分、區(qū)域、層或部分區(qū)別于另外的元件、組分、區(qū)域、層或部分。因此，在不背離本文中的教導的情況下，下面討論的“第一元件”、“組分”、“區(qū)域”、“層”或“部分”可稱為第二元件、組分、區(qū)域、層或部分。

本文中使用的術語僅為了描述具體實施方式的目的且不意圖為限制性的。如本文中使用的，單數(shù)形式“一個(種)(a，an)”和“所述(該)”意圖包括復數(shù)形式，包括“至少一個(種)”，除非內(nèi)容清楚地另外指明?！爸辽僖粋€(種)”將不被解釋為限制“一個”或“一種”?！盎颉币馕吨昂?或”。如本文中使用的，術語“和/或”包括相關列舉項目的一個或多個的任何和全部組合。將進一步理解，術語“包括”或“包含”當用在本說明書中時，表明存在所陳述的特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件、和/或組分，但不排除存在或增加一種或多種另外的特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件、組分、和/或其集合。

此外，在本文中可使用相對術語例如“下部”或“底部”以及“上部”或“頂部”來描述如圖中所示的一個元件與另外的元件的關系。將理解，除圖中所描繪的方位之外，相對術語還意圖涵蓋裝置的不同方位。例如，如果將圖之一中的裝置翻轉，被描述為在另外的元件的“下部”側上的元件則將被定向在所述另外的元件的“上部”側上。因此，取決于圖的具體方位，示例性術語“下部”可涵蓋“下部”和“上部”兩種方位。類似地，如果將圖之一中的裝置翻轉，被描述為“在”另外的元件“下面”或“之下”的元件則將定向“在”所述另外的元件“上方”。因此，示例性術語“在……下面”或“在……之下”可涵蓋在……上方和在……下面兩種方位。

如本文中使用的“約”或“大約”包括所陳述的值且意味著在如由本領域普通技術人員考慮到所討論的測量和與具體量的測量有關的誤差(即，測量系統(tǒng)的限制)而確定的對于具體值的可接受的偏差范圍內(nèi)。例如，“約”可意味著相對于所陳述的值的偏差在一種或多種偏差范圍內(nèi)，或者在±30％、20％、10％、5％的范圍內(nèi)。

除非另外定義，在本文中所使用的所有術語(包括技術和科學術語)的含義與本公開內(nèi)容所屬領域的普通技術人員所通常理解的相同。將進一步理解，術語，例如在常用字典中定義的那些，應被解釋為其含義與它們在相關領域背景和本公開內(nèi)容中的含義一致，并且將不以理想化或過度形式的意義進行解釋，除非在本文中清楚地如此定義。

在本文中參照作為理想化實施方式的示意圖的橫截面圖描述示例性實施方式。這樣，將預計到作為例如制造技術和/或公差的結果的與圖的形狀的偏差。因而，本文中描述的實施方式不應解釋為限于如本文中所示的區(qū)域的具體形狀，而是包括由例如制造所導致的形狀上的偏差。例如，圖示或描述為平坦的區(qū)域可具有粗糙的和/或非線性的特征。此外，圖示的尖銳的角可為圓形的。因而，圖中所示的區(qū)域在本質上是示意性的并且它們的形狀不意圖圖示區(qū)域的精確形狀且不意圖限制本權利要求的范圍。

如本文中使用的，術語“液體”指的是如下的能流動的材料：其在室溫下具有非獨立式的形狀，例如，其中形狀由容納該能流動的材料的容器的形狀決定的能流動的狀態(tài)，且這樣，形狀取決于液體的容器的形狀而改變。

術語“液體電解質”指的是如下的能流動的電解質：其在室溫下不具有獨立式的形狀，且對于其，形狀由容納液體電解質的容器的形狀決定。

如本文中使用的，術語“固體”指的是在室溫下具有獨立式的形狀的不能流動的材料。

術語“固體電解質”指的是在室溫下保持獨立式的形狀的具有鋰離子傳導性的材料，例如，不能流動的電解質。術語“固體電解質”指的是不包括溶劑的電解質，其中該溶劑是在室溫下為液體的非離子傳導性的低分子量材料(例如，水或有機溶劑)。“固體電解質”包括使用溶劑制備的電解質，且該溶劑已通過例如干燥而被基本上除去。

術語“離子液體”指的是在室溫下為液體的離子傳導性的低分子材料，且因而不被認為是在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)的溶劑。

根據(jù)本公開內(nèi)容的一個方面，提供固體電解質，其包括：離子液體、鋰鹽、無機顆粒、和聚合物，其中離子液體的大于或等于約33重量份，基于100重量份的聚合物。例如，離子液體的量可為約33重量份-約300重量份、和在一些實施方式中40重量份-約200重量份、和在一些另外的實施方式中約50重量份-約150重量份、和在一些另外的實施方式中約80重量份-約120重量份，基于100重量份的聚合物。當固體電解質中的離子液體的量太小(例如，低于33重量份)時，固體電解質可具有惡化的機械性質，且因而可無法形成自立式的膜和可具有降低的離子傳導率。當離子液體的量太大(例如，大于約300重量份)時，可形成液體電解質、而不是固體電解質。

包括離子液體、鋰鹽、無機顆粒、和聚合物并且具有上述的離子液體對聚合物的比率的固體電解質，可具有改善的柔性以及改善的充電和放電特性。例如，固體電解質可為沒有支撐體的獨立式的膜，且例如可為能折疊的、柔性的自立式的膜的形式。例如，柔性的自立式的膜可為紙狀膜、例如具有約0.01毫米(mm)-約1mm、或約0.05mm-約0.5mm的厚度的膜。例如，固體電解質可為在機械上堅固的。固體電解質由于其柔性而可能夠成型為任意各種形狀，且因而可容納在鋰電池的充電和放電期間可發(fā)生的在體積或形狀方面的變化。例如，固體電解質對于充電和放電過程可為耐久的。固體電解質的強度和耐久性可通過包括具有較高的耐久性程度的聚合物而實現(xiàn)。

例如，固體電解質的聚合物可為無環(huán)氧烷(氧化烯，亞烷基氧)的(例如，不含環(huán)氧烷的)聚合物。即，固體電解質的聚合物可與聚環(huán)氧乙烷聚合物不同且不含有環(huán)氧烷結構單元。盡管不希望受理論束縛，但理解包括環(huán)氧烷重復單元的聚合物例如聚環(huán)氧乙烷(peo)可傾向于在充電和放電過程期間惡化。例如，固體電解質的聚合物不可為離子聚合物。即，固體電解質的聚合物不可為離子液體聚合物。因而，例如，固體電解質的聚合物可為除了包括環(huán)氧烷的聚合物和聚合物型離子液體(例如，離子聚合物)之外的任何合適的聚合物。

例如，固體電解質的聚合物可為選自如下的至少一種：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏氟乙烯(pvdf)、丁苯橡膠、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物、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、乙烯-丙烯酸共聚物、聚丙烯腈、和聚甲基丙烯酸甲酯。然而，實施方式不限于此。固體電解質的聚合物可為任何適于用作固體電解質的聚合物，除了包括環(huán)氧烷重復單元的聚合物和離子液體聚合物之外。

例如，固體電解質可為無聚合物纖維的電解質、例如不包括聚合物纖維的電解質。例如，固體電解質可不包括具有約10納米(nm)-約100微米(μm)的直徑的聚合物纖維?？墒褂脪呙桦娮语@微鏡(sem)確定固體電解質是否包括聚合物纖維。由于固體電解質不包括這樣的聚合物纖維，因此固體電解質中的聚合物可在整個固體電解質中均勻地分布。

例如，固體電解質的離子液體可由式1或2表示。

式1

在式1中，為包括2-30碳原子和至少一個雜原子的3-31元環(huán)，且可為雜環(huán)烷基環(huán)或雜芳基環(huán)；

x可為-n(r1)、-p(r1)、-n(r1)(r2)、或-p(r1)(r2)；r1和r2各自獨立地為氫、未取代的或取代的c1-c30烷基、未取代的或取代的c1-c30烷氧基、未取代的或取代的c6-c30芳基、未取代的或取代的c6-c30芳氧基、未取代的或取代的c3-c30雜芳基、未取代的或取代的c3-c30雜芳氧基、未取代的或取代的c4-c30環(huán)烷基、未取代的或取代的c3-c30雜環(huán)烷基、或者未取代的或取代的c2-c100環(huán)氧烷基；和y^-可為陰離子。

式2

在式2中，x可為-n(r1)(r2)(r3)、或-p(r1)(r2)(r3)；r1-r3可各自獨立地為氫、未取代的或取代的c1-c30烷基、未取代的或取代的c1-c30烷氧基、未取代的或取代的c6-c30芳基、未取代的或取代的c6-c30芳氧基、未取代的或取代的c3-c30雜芳基、未取代的或取代的c3-c30雜芳氧基、未取代的或取代的c4-c30環(huán)烷基、未取代的或取代的c3-c30雜環(huán)烷基、或者未取代的或取代的c2-c100環(huán)氧烷基；r11可為氫、未取代的或取代的c1-c30烷基、未取代的或取代的c1-c30烷氧基、未取代的或取代的c6-c30芳基、未取代的或取代的c6-c30芳氧基、未取代的或取代的c3-c30雜芳基、未取代的或取代的c3-c30雜芳氧基、未取代的或取代的c4-c30環(huán)烷基、未取代的或取代的c3-c30雜環(huán)烷基、或者未取代的或取代的c2-c100環(huán)氧烷基；和y^-可為陰離子。

例如，在固體電解質的離子液體中，式1的可由式3的陽離子表示，且式2中的可為由式4表示的陽離子。

式3

在式3中，z可為氮(n)或磷(p)；和r12-r18可各自獨立地為氫、未取代的或取代的c1-c30烷基、未取代的或取代的c1-c30烷氧基、未取代的或取代的c6-c30芳基、未取代的或取代的c6-c30芳氧基、未取代的或取代的c3-c30雜芳基、未取代的或取代的c3-c30雜芳氧基、未取代的或取代的c4-c30環(huán)烷基、未取代的或取代的c3-c30雜環(huán)烷基、或者未取代的或取代的c2-c100環(huán)氧烷基。

式4

在式4中，z可為氮(n)或磷(p)；且r12-r15可各自獨立地為氫、未取代的或取代的c1-c30烷基、未取代的或取代的c1-c30烷氧基、未取代的或取代的c6-c30芳基、未取代的或取代的c6-c30芳氧基、未取代的或取代的c3-c30雜芳基、未取代的或取代的c3-c30雜芳氧基、未取代的或取代的c4-c30環(huán)烷基、未取代的或取代的c3-c30雜環(huán)烷基、或者未取代的或取代的c2-c100環(huán)氧烷基。

例如，離子液體可包括選自如下的至少一種：[emim]cl/alcl3、[bmpyr]ntf2、[bpy]br/alcl3(其中bpy＝4,4'-聯(lián)吡啶)、[膽堿]cl/crcl3·6h2o、[hpy(ch2)3pyh][ntf2]2、[emim]otf/[hmim]i、[膽堿]cl/hoch2ch2oh、[et2men(ch2ch2ome)]bf4、[bu3pch2ch2c8f17]otf、[bmim]pf6、[bmim]bf4、[omim]pf6、[oct3pc18h37]i、[nc(ch2)3mim]ntf2、[pr4n][b(cn)4]、[bmim]ntf2、[bmim]cl、[bmim][me(och2ch2)2oso3]、[phch2mim]otf、[me3nch(me)ch(oh)ph]ntf2、[pmim][(ho)2po2]、[b(6-me)quin]ntf2、[bmim][cu2cl3]、[c18h37och2mim]bf4、[heim]pf6、[mim(ch2ch2o)2ch2ch2mim][ntf2]2、[obim]pf6、[oquin]ntf2、[hmim][pf3(c2f5)3]、[c14h29mim]br、[me2n(c12h25)2]no3、[emim]bf4、[mm(3-no2)im][二硝基三唑化物]、[men(ch2ch2oh)3][meoso3]、[hex3pc14h29]ntf2、[emim][etoso3]、[膽堿][異丁苯丙酸鹽(ibuprofenate)]、[emim]ntf2、[emim][(eto)2po2]、[emim]cl/crcl2、和[hex3pc14h29]n(cn)2，其中im為咪唑，emim為乙基甲基咪唑，mm為二甲基，hpy為吡啶，bmpyr為丁基甲基吡啶，ntf2為雙(三氟甲磺酰)亞胺，bpy為4,4'-聯(lián)吡啶，hmim為己基甲基咪唑，et為乙基，me為甲基，pr為丙基，bu為丁基，ph為苯基，oct為辛基，hex為己基，otf為三氟甲磺酸根，bmim為丁基甲基咪唑，omim為辛基甲基咪唑，mim為甲基咪唑，pmim為丙基甲基咪唑，obim為辛基丁基咪唑，bquin為丁基喹啉，b(6-me)quin為丁基(6-甲基)喹啉，heim為己基乙基咪唑，和oquin為辛基喹啉。然而，實施方式不限于此?？墒褂萌魏魏线m的材料，包括本領域中可作為離子液體利用的那些。

例如，離子液體可包括選自如下的至少一種：四氟硼酸n,n-二乙基-n-甲基-n-(2-甲氧基乙基)銨([deme][bf4])、三氟甲磺酸二乙基甲基銨([dema][tfo])、三氟甲磺酸二甲基丙基銨([dmpa][tfo])、三氟甲磺酰亞胺二乙基甲基銨([deme][tfsi])、和三氟甲磺酰亞胺甲基丙基哌啶([mpp][tfsi])。然而，實施方式不限于此?？墒褂萌魏芜m于用作固體電解質的離子液體，包括本領域中可利用的那些。

例如，固體電解質的離子液體可具有小于1000道爾頓(da)的分子量。例如，固體電解質的離子液體可具有小于或等于約900da、和在一些實施方式中小于或等于約800da、和在一些另外的實施方式中小于或等于約700da、和在一些另外的實施方式中小于或等于約600da、和在一些另外的實施方式中小于或等于約500da的分子量。當離子液體的分子量在任意以上范圍內(nèi)時，可獲得具有改善的循環(huán)特性的鋰電池。

例如，固體電解質中的聚合物的量可為約30重量份-約300重量份，基于100重量份的離子液體。例如，固體電解質中的聚合物的量可為約40重量份-約200重量份、和在一些實施方式中約50重量份-約150重量份、和在一些實施方式中約70重量份-約130重量份、和在一些另外的實施方式中約80重量份-約120重量份，基于100重量份的離子液體。當固體電解質中的聚合物的量太小(例如，小于30重量份，基于100重量份的離子液體)時，聚合物可未能在室溫下形成固體電解質，和代替地，可獲得液體電解質。當固體電解質中的聚合物的量太大(例如，大于300重量份，基于100重量份的離子液體)時，固體電解質可具有降低的離子傳導率。

例如，固體電解質的鋰鹽可包括選自如下的至少一種：雙(三氟甲磺酰)亞胺鋰(litfsi)、lipf6、libf4、liasf6、liclo4、lino3、雙(草酸)硼酸鋰(libob)、licf3so3、lin(so2cf3)2、lin(so2c2f5)2、lic(so2cf3)3、lin(so3cf3)2、lic4f9so3、lialcl4、和三氟甲磺酸鋰(litfo)。然而，實施方式不限于此。可使用任何適于用作固體電解質的鋰鹽。

例如，固體電解質中的鋰鹽的量可為約33重量份-約300重量份，基于100重量份的離子液體。例如，固體電解質中的鋰鹽的量可為約40重量份-約200重量份、和在一些實施方式中約50重量份-約150重量份、和在一些實施方式中約70重量份-約130重量份、和在一些另外的實施方式中約80重量份-約120重量份，基于100重量份的離子液體。當固體電解質的鋰鹽的量太小(例如，小于33重量份，基于100重量份的離子液體)時，由于降低的鋰離子的離子傳導率，包括所述固體電解質的鋰電池可具有惡化的循環(huán)特性。另一方面，當固體電解質中的鋰鹽的量太大(例如，大于300重量份，基于100重量份的離子液體)時，可不能形成固體電解質膜。

例如，在固體電解質中包括無機顆粒可改善固體電解質的阻擋特性。阻擋特性指的是阻止氣體和/或水蒸汽通過固體電解質的能力。分散在固體電解質中的無機顆?？尚纬汕鄣穆窂揭砸种蒲鯕獾臄U散，使得固體電解質可具有阻擋特性。因此，固體電解質對于氣體例如氧氣可為不能透過的，因而固體電解質可有效地保護正極例如鋰金屬免受外部環(huán)境影響。

固體電解質中的無機顆粒可為電化學惰性的。換句話說，固體電解質中的電化學惰性的無機顆粒不同于電極活性材料。例如，固體電解質的無機顆粒在電池的運行期間不被氧化或還原，且因而無機顆粒的氧化數(shù)可不由于鋰離子或電子的嵌入和脫嵌而改變。固體電解質的無機顆?？砂ǚ翘假|無機顆粒和/或非金屬無機顆粒。固體電解質的無機顆?？蔀殡娊^緣體。固體電解質的無機顆粒不同于在電極中使用的具有導電性的導電劑。

例如，固體電解質的無機顆粒可包括選自如下的至少一種：金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氧氮化物、金屬碳化物、碳氧化物、碳質材料、和有機-無機復合物。例如，無機顆?？砂ㄟx自如下的至少一種：sio2、tio2、al2o3、aln、sic、batio3、氧化石墨、氧化石墨烯、金屬有機骨架(mof)、多面體低聚倍半硅氧烷(poss)、li2co3、li3po4、li3n、li2s、li2o、和蒙脫土。然而，實施方式不限于此?？墒褂萌魏芜m于用在固體電解質中的無機顆粒。固體電解質的無機顆?？删哂行∮?00納米(nm)的尺寸。例如，固體電解質的無機顆?？删哂行∮诨虻扔诩s50nm、和在一些實施方式中小于或等于約40nm、和在一些實施方式中小于或等于約30nm、和在一些另外的實施方式中小于或等于約20nm的尺寸。例如，固體電解質的無機顆?？删哂屑s1nm-約80nm、或約2nm-約50nm、或約5nm-約20nm的粒度。如本文中使用的術語“粒度”可指的是無機顆粒的直徑。

固體電解質中的無機顆粒的量可為約0.1重量份-約15重量份，基于100重量份的離子液體。例如，固體電解質中的無機顆粒的量可為約0.5重量份-約10重量份、和在一些實施方式中約1重量份-約10重量份、和在一些實施方式中約2重量份-約8重量份、和在一些另外的實施方式中約3重量份-約7重量份，基于100重量份的離子液體。當無機顆粒的量在任意這些范圍內(nèi)時，包括所述固體電解質的鋰電池可具有進一步改善的循環(huán)特性。例如，通過調節(jié)固體電解質中的無機顆粒的量，可容易地控制固體電解質膜的物理性質，包括固體電解質的厚度、離子傳導率、氧氣滲透性、和物理穩(wěn)定性。

例如，固體電解質的無機顆?？蔀槎嗫最w粒。例如，無機顆粒可具有大于或等于約300平方米/克(m²/g)的布魯厄-埃米特-特勒(brunauer-emmett-teller)(bet)比表面積。例如，無機顆?？删哂写笥诨虻扔诩s400m²/g、和在一些實施方式中大于或等于約500m²/g、和在一些實施方式中大于或等于約600m²/g、和在一些另外的實施方式中大于或等于約700m²/g的bet比表面積。在一些實施方式中，固體電解質的無機顆?？蔀闊o孔的。例如，固體電解質的無機顆粒可具有球形狀。然而，無機顆粒的形狀不限于此。無機顆粒可具有可促進固體電解質的阻擋特性的改善的任何結構或形狀。例如，無機顆?？蔀闊o孔球形顆粒。

例如，固體電解質可具有如在約25℃的溫度下測量的大于或等于約1×10^-4西門子/厘米(s/cm)的離子傳導率。例如，固體電解質可具有如在約25℃的溫度下測量的大于或等于約3×10^-4s/cm、和在一些實施方式中大于或等于約5×10^-4s/cm、大于或等于約6×10^-4s/cm、和在一些實施方式中大于或等于約1×10^-3s/cm、和在一些另外的實施方式中大于或等于約1×10^-2s/cm的離子傳導率。

根據(jù)本公開內(nèi)容的另一方面，鋰電池包括正極、負極、以及設置在正極和負極之間的電解質層，其中電解質層包括本文中公開的固體電解質。通過在鋰電池中包括所述固體電解質，鋰電池可為柔性的且具有改善的循環(huán)特性。

例如，鋰電池的電解質層可為包括所公開的固體電解質的固體電解質膜。換句話說，鋰電池可包括正極/電解質膜/負極結構。鋰電池可進一步包括設置在所述電解質層的表面上的無機復合層，其中無機復合層包括無機顆粒。無機復合層可為僅包括無機顆粒(例如，由無機顆粒構成)的層，或者可為包括無機顆粒和固體電解質兩者的復合層。無機復合層可設置在所述電解質層的一個表面上或者可設置在所述電解質層的第一表面和相反的第二表面兩者上。無機復合層可設置在電解質層和負極之間且可與負極接觸，由此抑制鋰枝晶在負極表面上的形成且改善和保持負極的離子傳導率。

無機復合層中的無機顆?？删哂泻线m的離子傳導性。例如，具有離子傳導性的無機顆?？蔀檫x自如下的至少一種：cu3n、li3n、lipon、li3po4·li2s·sis2、li2s·ges2·ga2s3、li2o·11al2o3、na2o·11al2o3、(na1-alia)1+xti2-xalx(po4)3(其中0.1≤x≤0.9和0≤a≤1)、li1+xhf2-xalx(po4)3(其中0.1≤x≤0.9)、na3zr2si2po12、li3zr2si2po12、na5zrp3o12、na5tip3o12、na3fe2p3o12、na4nbp3o12、硅酸鈉、li0.3la0.5tio3、na5msi4o12(其中m為稀土元素例如nd、gd、或dy)、li5zrp3o12、li5tip3o12、li3fe2p3o12、li4nbp3o12、li1+x(mbalcgad)x(ge1-ytiy)2-x(po4)3(其中0<x≤0.8，0≤y≤1，m可為nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、或yb，和0≤b≤1，0≤c≤1，和0≤d≤1)、li1+x+yqxti2-xsiyp3-yo12(其中0<x≤0.4，0<y≤0.6，和q可為al或ga)、li6bala2ta2o12、li7la3zr2o12、li5la3nb2o12、li5la3m2o12(其中m可為nb或ta)、和li7+xaxla3-xzr2o12(其中0<x<3，和a可為zn)。

例如，鋰電池的電解質層可包括包含隔板的復合電解質膜，且固體電解質可滲透在隔板中。通過將固體電解質滲透在多孔膜例如隔板中而形成的復合電解質膜可改善鋰電池的電解質層的耐久性。隔板可為任何適于用在鋰電池中的隔板，且隔板可包括對于氣體是不能透過的聚合物。所述氣體可為氧氣、氮氣、和二氧化碳的至少一種。隨后將關于鋰離子電池的描述提供隔板的詳細描述。

例如，鋰電池的電解質層可具有包含第一電解質層和第二電解質層的多層結構，其中第一電解質層包括隔板且第二電解質層包括固體電解質。例如，鋰電池的電解質層可包括多個第一電解質層和多個第二電解質層。例如，上述多層結構中的第二電解質層可接觸鋰電池的負極或正極。例如，鋰電池可具有正極/第一電解質層/第二電解質層/負極的結構、或正極/第二電解質層/第一電解質層/負極的結構。

例如，第一電解質層的隔板可用選自液體電解質和固體電解質的至少一種電解質滲透。隨后將關于鋰離子電池提供液體電解質的詳細描述。例如，固體電解質可為包括具有離子傳導性的無機顆粒的固體電解質、或包括聚合物的固體電解質。滲透在第一電解質層的隔板中的固體電解質可與滲透在第二電解質層的隔板中的固體電解質相同或不同。

例如，鋰電池可包括至少一個折疊部分。鋰電池的正極、負極、和電解質層可為柔性的，使得鋰電池可為可折疊的。由于鋰電池的至少一個折疊部分，其可容易以多種形狀形成鋰電池。

參照圖5，根據(jù)一個實施方式的鋰電池500可包括包含正極100和固體電解質膜200的正極-膜組件300，其中正極-膜組件300可具有至少一個折疊部分306、307。負極400可具有至少一個折疊部分406、407。正極100可具有至少一個折疊部分106、107，且固體電解質膜200可具有至少一個折疊部分206、207。

參照圖5，在鋰電池500中，正極-膜組件300和負極400可以約180°的角度折疊，使得負極400的折疊部分的內(nèi)表面區(qū)域的一半接觸負極400的折疊部分的內(nèi)表面區(qū)域的另一半。折疊的負極400的外表面區(qū)域408和409兩者可接觸正極-膜組件300以容許活性金屬離子通過外表面區(qū)域408和409傳輸?shù)秸龢O-膜組件300。因此，與其中活性金屬離子通過負極的僅一個表面?zhèn)鬏數(shù)木哂邢嗤亓康默F(xiàn)有技術電化學電池相比，鋰電池500可具有改善的放電容量和能量密度。

參照圖5，鋰電池500可包括在鋰電池500的厚度方向上彼此隔開的多個氣體擴散層160a和160b。正極100的以約180°的角度折疊的相反的外表面區(qū)域可分別接觸氣體擴散層160a的第一表面162a和氣體擴散層160b的第一表面161b，其中第一表面162a和161b彼此面對。固體電解質膜200和正極100可各自以相同的模式(圖案)以約180°的角度折疊，使得固體電解質膜200和正極100彼此接觸。負極400可以與固體電解質膜200相同的模式以約180°的角度折疊，使得負極400和固體電解質膜200彼此接觸。負極400可以約180°的角度折疊，使得負極400的至少兩個部分在氣體擴散層160a和160b之間重疊。盡管未圖示，但是可將多個各自具有與鋰電池500相同的結構的鋰電池彼此堆疊以形成鋰電池模塊(組件)。

例如，鋰電池500的正極-膜組件300和負極400可在其厚度方向上折疊多次以形成3維(3d)鋰電池。

參照圖6，根據(jù)一個實施方式的3d鋰電池500可包括在3d鋰電池500的厚度方向上彼此隔開的多個氣體擴散層160a和160b?？蓪ㄕ龢O100的正極-膜組件300以約180°的角度重復地折疊，使得正極100可分別接觸氣體擴散層160a的第一表面161a和162a以及氣體擴散層160b的相反的第二表面161b和162b?？蓪⒇摌O400以與正極-膜組件300相同的模式以約180°的角度重復地折疊，使得負極400的部分接觸正極-膜組件300的固體電解質膜200。負極400可在兩個鄰近的氣體擴散層160a和160b之間以約180°的角度折疊并且在其間重疊。在3d鋰電池500中，可取決于3d鋰電池的形狀適當?shù)剡x擇正極-膜組件300和負極400的折疊的位置、折疊的次數(shù)、和折疊的折疊方向。盡管未圖示，但是多個各自具有與3d鋰電池500相同的結構的3d鋰電池可彼此堆疊以形成電化學電池模塊。

根據(jù)任意實施方式的鋰電池可為鋰-空氣電池或鋰離子電池。例如，圖5或6的鋰電池500可為鋰-空氣電池。

制備復合電解質膜的方法包括：提供隔板；和用固體電解質滲透隔板以制備復合電解質膜，其中固體電解質包括離子液體、鋰鹽、無機顆粒、和聚合物，其中離子液體的量大于或等于約33重量份，基于100重量份的聚合物。制備鋰電池的方法包括：提供正極；提供負極；以及在正極和負極之間設置電解質層以制備鋰電池，電解質層包括固體電解質，其中固體電解質包括離子液體、鋰鹽、無機顆粒、和聚合物，其中離子液體的量大于或等于約33重量份，基于100重量份的聚合物。制備鋰電池的方法進一步包括在電解質層和負極之間設置無機復合層。在制備鋰電池的方法中，通過如下制備電解質層：提供隔板，和用固體電解質滲透隔板。在制備鋰電池的方法中，電解質層具有多層結構，所述多層結構包括包含隔板的第一電解質層和包含固體電解質的第二電解質層。

鋰-空氣電池

例如，根據(jù)任意實施方式的鋰電池可為鋰-空氣電池。

鋰-空氣電池可如下制造。

首先，制備正極。例如，可如下制造正極。將導電劑例如碳質材料或金屬材料與溶劑混合以制備正極漿料?？蓪⒄龢O漿料涂覆在正極集流體的表面上并干燥，和任選地，隨后對集流體壓制模塑以改善正極的密度。所述集流體可為氣體擴散層。在一些實施方式中，可將正極漿料涂覆在隔板或固體電解質膜的表面上并干燥，任選地隨后對隔板或固體電解質膜壓制模塑以改善正極的密度。

正極漿料可包括粘合劑。粘合劑可包括熱塑性樹脂和能熱固化的樹脂例如熱固性材料的至少一種。例如，粘合劑可為選自如下的至少一種：聚乙烯、聚丙烯、ptfe、pvdf、丁苯橡膠、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。然而，實施方式不限于此?？墒褂萌魏芜m于用在正極中的粘合劑。

可使用具有矩陣或網(wǎng)眼狀形式的多孔結構體作為集流體以促進氧氣的擴散。也可使用由例如不銹鋼、鎳、或鋁制成的多孔金屬板作為集流體。用于集流體的材料沒有特別限制，且可使用可得到的任何適于用作集流體的材料。集流體可涂覆有抗氧化金屬或合金膜以防止集流體的氧化。

任選地，正極漿料可包括用于氧的氧化/還原的催化劑，且還可包括導電材料。任選地，正極漿料可包括鋰氧化物。

添加到鋰-空氣電池的正極的用于促進氧的氧化/還原的催化劑可為選自如下的至少一種：基于金屬的催化劑例如鉑(pt)、金(au)、銀(ag)、鈀(pd)、釕(ru)、銠(rh)、和鋨(os)；基于氧化物的催化劑例如錳氧化物、鐵氧化物、鈷氧化物、和鎳氧化物；和基于有機金屬的催化劑例如鈷酞菁。可使用可得到的任何適合用于氧的氧化和還原的催化劑。

催化劑可負載在載體上。載體的非限制性實例包括選自如下的至少一種：氧化物、沸石、粘土材料、和碳。氧化物可包括如下的至少一種氧化物：氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯、和二氧化鈦。氧化物可為包括選自如下的至少一種金屬的氧化物：鈰(ce)、鐠(pr)、釤(sm)、銪(eu)、鋱(tb)、銩(tm)、鐿(yb)、銻(sb)、鉍(bi)、釩(v)、鉻(cr)、錳(mn)、鐵(fe)、鈷(co)、鎳(ni)、銅(cu)、鈮(nb)、鉬(mo)、和鎢(w)。碳的非限制性實例包括選自如下的至少一種：炭黑例如科琴黑、乙炔黑、槽黑、和燈黑；石墨例如天然石墨、人造石墨、和膨脹石墨；活性炭；和碳纖維?？墒褂萌魏芜m于用作載體的材料。

接著，制備負極。

負極可為堿金屬薄膜例如鋰金屬薄膜或基于鋰金屬的合金薄膜。例如，基于鋰金屬的合金可為鋰與例如鋁、錫、鎂、銦、鈣、鈦、或釩的合金。

可在負極和正極之間設置隔板。隔板可為任何具有適于用在鋰-空氣電池中的組成的隔板。例如，隔板可為聚合物無紡物例如聚丙烯無紡物或聚苯硫醚無紡物；基于烯烴的樹脂例如聚乙烯或聚丙烯的多孔膜；或其至少兩種的組合。

可在正極和負極之間設置包括根據(jù)任意上述實施方式的固體電解質的電解質層。

根據(jù)任意上述實施方式的鋰-空氣電池可作為一次電池或二次電池利用。所述鋰-空氣電池可具有任意各種形狀，和在一些實施方式中可具有例如硬幣、鈕扣、片、堆、圓柱體、平面、或角的形狀。鋰-空氣電池可為用于電動車的大型電池。

本文中使用的術語“空氣”不限于大氣空氣，且為了方便，可指的是包括氧氣的氣體的組合、或者純的氧氣。“空氣”的該寬泛的定義還適用于其它術語，包括“空氣電池”和“空氣電極”。

如本文中使用的術語“取代(的)”意指被如下取代：鹵素原子、被鹵素原子取代的c1-c20烷基(例如，-cf3、-chf2、-ch2f、-ccl3等)、羥基、硝基、氰基、氨基、脒基、肼基、腙基、羧基或其鹽、磺酸基或其鹽、磷酸基或其鹽、c1-c20烷基、c2-c20烯基、c2-c20炔基、c1-c20雜烷基、c6-c20芳基、c7-c20芳烷基、c6-c20雜芳基、或c6-c20雜芳烷基。

如本文中使用的“烷基”意指直鏈或支鏈的飽和的單價烴基(例如，甲基或己基)。

“芳基”意指通過從芳烴的一個或多個環(huán)除去一個氫原子而形成的單價基團(例如，苯基或萘基)。

“環(huán)烷基”意指具有一個或多個其中所有環(huán)成員為碳的飽和環(huán)的單價基團(例如，環(huán)戊基和環(huán)己基)。

“環(huán)氧烷”意指脂族c2-c100環(huán)氧化物，例如環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷或環(huán)氧丁烷。

“烷氧基”意指經(jīng)由氧連接的烷基(即，烷基-o-)，例如甲氧基、乙氧基、和仲丁氧基。

“芳氧基”意指經(jīng)由氧連接的芳基部分(即，-o-芳基)。芳氧基包括c6-c30芳氧基，且特別地c6-c18芳氧基。非限制性實例包括苯氧基、萘氧基、和四氫萘氧基。

前綴“雜”意指化合物或基團包括至少一個雜原子(例如，1、2、或3個雜原子)，其中雜原子各自獨立地為n、o、s、si、或p。

鋰離子電池

例如，根據(jù)任意實施方式的鋰電池可為鋰離子電池。

鋰離子電池可如下制造。

首先，制備負極。

負極可為鋰金屬薄膜。在一些實施方式中，負極可包括負極集流體和設置在集流體上的負極活性材料層。例如，負極可包括作為集流體的導電基底和設置在導電基底上的鋰金屬薄膜。鋰金屬薄膜和集流體可一起一體化以形成單一體。

負極的集流體可包括選自如下的至少一種：不銹鋼、銅、鎳、鐵、和鈷。然而，實施方式不限于此。可使用任何具有良好的導電性的金屬基底。例如，集流體可為導電金屬氧化物基底或導電聚合物基底。集流體的結構沒有限制，且集流體可具有任意各種結構，包括例如被導電材料完全涂覆的基底、和具有至少一個涂覆有導電金屬、導電金屬氧化物、或導電聚合物的表面的絕緣基底。例如，集流體可為柔性基底。因此，集流體可容易地折疊或展開回到其原始形狀。

除鋰金屬之外，負極可進一步包括負極活性材料。負極可包括鋰金屬與負極活性材料的合金、鋰金屬與負極活性材料的復合物、或鋰金屬與負極活性材料的混合物。

可用在負極中的負極活性材料可為例如選自如下的至少一種：與鋰能合金化的金屬、過渡金屬氧化物、非過渡金屬氧化物、和碳質材料。

與鋰能合金化的金屬的實例包括選自如下的至少一種：si、sn、al、ge、pb、bi、sb、si-y’合金(其中y’為選自如下的至少一種：堿金屬、堿土金屬、13-16族元素、過渡金屬、和稀土元素，且y’不是si)、和sn-y’合金(其中y’為選自如下的至少一種：堿金屬、堿土金屬、13-16族元素、過渡金屬、和稀土元素，且y’不是sn)。在一些實施方式中、y’可為選自如下的至少一種：鎂(mg)、鈣(ca)、鍶(sr)、鋇(ba)、鐳(ra)、鈧(sc)、釔(y)、鈦(ti)、鋯(zr)、鉿(hf)、(rf)、釩(v)、鈮(nb)、鉭(ta)、(db)、鉻(cr)、鉬(mo)、鎢(w)、(sg)、锝(tc)、錸(re)、(bh)、鐵(fe)、鉛(pb)、釕(ru)、鋨(os)、(hs)、銠(rh)、銥(ir)、鈀(pd)、鉑(pt)、銅(cu)、銀(ag)、金(au)、鋅(zn)、鎘(cd)、硼(b)、鋁(al)、鎵(ga)、錫(sn)、銦(in)、鉈(tl)、鍺(ge)、磷(p)、砷(as)、銻(sb)、鉍(bi)、硫(s)、硒(se)、碲(te)、和釙(po)。在一些實施方式中，y’可為選自如下的至少一種：鎂(mg)、鈣(ca)、鍶(sr)、鋇(ba)、鐳(ra)、鈧(sc)、釔(y)、鈦(ti)、鋯(zr)、鉻(cr)、鉬(mo)、鎢(w)、鐵(fe)、鉛(pb)、釕(ru)、鋨(os)、銠(rh)、銥(ir)、鈀(pd)、鉑(pt)、銅(cu)、銀(ag)、金(au)、鋅(zn)、鎘(cd)、硼(b)、鋁(al)、鎵(ga)、錫(sn)、銦(in)、鍺(ge)、磷(p)、砷(as)、銻(sb)、鉍(bi)、硫(s)、硒(se)、碲(te)、和釙(po)。

過渡金屬氧化物的實例包括選自如下的至少一種：鋰鈦氧化物、釩氧化物、和鋰釩氧化物。

非過渡金屬氧化物的實例包括選自如下的至少一種：sno2和siox(其中0<x<2)。

碳質材料的實例包括選自結晶碳和無定形碳的至少一種。結晶碳的實例包括石墨例如天然石墨或人造石墨，其為不成形的、板、片、球形、或纖維形式。無定形碳的實例包括選自如下的至少一種：軟碳(在低溫下燒結的碳)、硬碳、中間相瀝青碳化產(chǎn)物、和燒結焦炭。

在一些實施方式中，負極可包括替代性負極活性材料代替鋰金屬。負極可使用包括代替鋰金屬的替代性負極活性材料、導電劑、粘合劑、和溶劑的負極活性材料組合物制造。

例如，在制備負極活性材料組合物之后，可將負極活性材料組合物直接涂覆在集流體上以獲得負極板。在一些實施方式中，可將負極活性材料組合物在單獨的載體上流延以形成負極活性材料膜，其可然后從載體分離并且層疊在集流體上以獲得其上具有負極活性材料膜的負極板。負極可具有多種形狀的任一種，且不限于上述結構。例如，負極可通過如下制備：將包括例如負極活性材料和電解質溶液的負極活性材料墨噴墨印刷到集流體上。

負極活性材料可為粉末形式。粉末形式的負極活性材料可應用于負極活性材料組合物或負極活性材料墨的。

導電劑可為炭黑、石墨顆粒等。然而，實施方式不限于此?？墒褂萌魏芜m于用作導電劑的材料。

粘合劑的實例包括選自如下的至少一種：偏氟乙烯/六氟丙烯共聚物、pvdf、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、和丁苯橡膠聚合物。然而，實施方式不限于此?？墒褂萌魏芜m于用作粘合劑的材料。

溶劑的實例包括選自如下的至少一種：n-甲基-吡咯烷酮、丙酮、和水。然而，實施方式不限于此?？墒褂萌魏芜m于用作溶劑的材料。

負極活性材料、導電劑、粘合劑、和溶劑的量可在鋰電池中所使用的范圍內(nèi)并且可由本領域技術人員在沒有過度實驗的情況下確定?？筛鶕?jù)鋰電池的用途和結構省略導電劑、粘合劑、和溶劑的至少一種。

接著，如下制備正極。

可以與負極活性材料組合物相同的方式制備正極活性材料組合物，除了使用正極活性材料代替負極活性材料之外。對于正極活性材料組合物使用的導電劑、粘合劑、和溶劑的實例可與對于負極活性材料組合物使用的那些相同。

特別地，可將正極活性材料、凝膠電解質、導電劑、粘合劑和溶劑混合在一起以制備正極活性材料組合物。在一些實施方式中，可將正極活性材料、導電劑、和凝膠電解質混合在一起以制備正極活性材料組合物。可將正極活性材料組合物直接涂覆在鋁集流體上并干燥以獲得具有設置于其上的正極活性材料膜的正極板。在一些實施方式中，可將正極活性材料組合物在單獨的載體上流延以形成正極活性材料膜，其可然后從載體分離并層疊在鋁集流體上以獲得具有設置于其上的正極活性材料層的正極板。

正極活性材料沒有限制，且可為例如含鋰的金屬氧化物。在一些實施方式中，正極活性材料可為選自如下的至少一種：鋰與選自co、mn、和ni的至少一種的金屬的復合氧化物。在一些實施方式中，正極活性材料可為選自下式的至少一種化合物：liaa1-bb¹bd2(其中0.90≤a≤1.8，和0≤b≤0.5)；liae1-bb¹bo2-cdc(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，和0≤c≤0.05)；lie2-bb¹bo4-cdc(其中0≤b≤0.5，和0≤c≤0.05)；liani1-b-ccobb¹cdα(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，和0<α≤2)；liani1-b-ccobb¹co2-αf¹α(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，和0<α<2)；liani1-b-ccobb¹co2-αf¹2(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，和0<α<2)；liani1-b-cmnbb¹cdα(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，和0<α≤2)；liani1-b-cmnbb¹co2-αf¹α(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，和0<α<2)；liani1-b-cmnbb¹co2-αf¹2(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，和0<α<2)；lianibecgdo2(其中0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.9，0≤c≤0.5，和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，和0.001≤e≤0.1)；lianigbo2(其中0.90≤a≤1.8，0.001≤b≤0.1)；liacogbo2(其中0.90≤a≤1.8，和0.001≤b≤0.1)；liamngbo2(其中0.90≤a≤1.8，和0.001≤b≤0.1)；liamn2gbo4(其中0.90≤a≤1.8，和0.001≤b≤0.1)；qo2；qs2；liqs2；v2o5；liv2o5；lii¹o2；linivo4；li(3-f)j2(po4)3(其中0≤f≤2)；li(3-f)fe2(po4)3(其中0≤f≤2)；和lifepo4。

在上式中，a可為選自如下的至少一種：鎳(ni)、鈷(co)、和錳(mn)；b¹可為選自如下的至少一種：鋁(al)、鎳(ni)、鈷(co)、錳(mn)、鉻(cr)、鐵(fe)、鎂(mg)、鍶(sr)、釩(v)、和稀土元素；d¹可為選自如下的至少一種：氧(o)、氟(f)、硫(s)、和磷(p)；e可為選自如下的至少一種：鈷(co)和錳(mn)；f¹可為選自如下的至少一種：氟(f)、硫(s)、和磷(p)；g可為選自如下的至少一種：鋁(al)、鉻(cr)、錳(mn)、鐵(fe)、鎂(mg)、鑭(la)、鈰(ce)、鍶(sr)、和釩(v)；q為選自如下的至少一種：鈦(ti)、鉬(mo)、和錳(mn)；i¹為選自如下的至少一種：鉻(cr)、釩(v)、鐵(fe)、鈧(sc)、和釔(y)；和j可為選自如下的至少一種：釩(v)、鉻(cr)、錳(mn)、鈷(co)、鎳(ni)、和銅(cu)。

在一些實施方式中，正極活性材料可為選自如下的至少一種：licoo2、limnxo2x(其中x＝1或2)、lini1-xmnxo2(其中0<x<1)、ni1-x-ycoxmnyo2(其中0≤x≤0.5和0≤y≤0.5)、和lifepo4。

以上列舉作為正極活性材料的化合物可具有表面包覆層(在下文中，也稱作“包覆層”)。替代地，可使用不具有包覆層的化合物和具有包覆層的化合物的混合物，所述化合物選自以上列舉的化合物。在一些實施方式中，包覆層可包括選自如下的至少一種：以下列舉的包覆元素的氧化物、氫氧化物、羥基氧化物、碳酸氧鹽、和羥基碳酸鹽。在一些實施方式中，用于包覆層的化合物可為無定形的或結晶的。在一些實施方式中，用于包覆層的包覆元素可為選自如下的至少一種：鎂(mg)、鋁(al)、鈷(co)、鉀(k)、鈉(na)、鈣(ca)、硅(si)、鈦(ti)、釩(v)、錫(sn)、鍺(ge)、鎵(ga)、硼(b)、砷(as)、和鋯(zr)。在一些實施方式中，可使用沒有不利地影響正極活性材料的物理性質的任何方法在正極活性材料上形成包覆層。例如，包覆層可使用噴涂方法或浸漬方法形成。本領域普通技術人員理解所述涂覆方法，且因而將省略其詳細描述。

接著，可在正極和負極之間設置包括根據(jù)任意上述實施方式的固體電解質的電解質層。

電解質層可包括隔板。用于電解質層的隔板可為在鋰電池中使用的任何隔板。在一些實施方式中，隔板可具有低的對電解質中的離子的遷移的阻力并且可具有優(yōu)異的電解質保持能力。隔板的實例包括選自如下的至少一種：玻璃纖維、聚酯、特氟隆、聚乙烯、聚丙烯、和ptfe，其各自可作為無紡物或紡織物使用。例如，對于鋰離子電池可使用包括聚乙烯或聚丙烯的可卷繞隔板。對于鋰離子聚合物電池可使用具有良好的有機電解質溶液保持能力的隔板。例如，可以下列方式制造隔板。

在一些實施方式中，可將聚合物樹脂、填料、和溶劑混合在一起以制備隔板組合物。然后，可將隔板組合物直接涂覆在電極上并且干燥以形成隔板。在一些實施方式中，可將隔板組合物在載體上流延且然后干燥以形成隔板膜，其可然后從載體分離并層疊在電極上以形成隔板。

用于制造隔板的聚合物樹脂可為用作用于電極板的粘合劑的任何材料。聚合物樹脂的實例包括選自如下的至少一種：偏氟乙烯/六氟丙烯共聚物、pvdf、聚丙烯腈、和聚甲基丙烯酸甲酯。

接著，可用電解質滲透隔板。

電解質可為如上所述的固體電解質或液體電解質。在一些實施方式中，電解質可為有機電解質溶液。例如，有機電解質溶液可通過將鋰鹽溶解在有機溶劑中而制備。

有機溶劑沒有限制且可為本領域中可利用的任何溶劑。在一些實施方式中，有機溶劑可為選自如下的至少一種：碳酸亞丙酯、碳酸亞乙酯、碳酸氟代亞乙酯、碳酸亞丁酯、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、碳酸甲基異丙基酯、碳酸二丙酯、碳酸二丁酯、芐腈、乙腈、四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、γ-丁內(nèi)酯、二氧戊環(huán)、4-甲基二氧戊環(huán)、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲亞砜、二氧六環(huán)、1,2-二甲氧基乙烷、環(huán)丁砜、二氯乙烷、氯苯、硝基苯、二乙二醇、和二甲醚。

在一些實施方式中，鋰鹽可為任何適于用在電解質中的材料。在一些實施方式中，鋰鹽可為選自如下的至少一種：lipf6、libf4、lisbf6、liasf6、liclo4、licf3so3、li(cf3so2)2n、lic4f9so3、lialo2、lialcl4、lin(cxf2x+1so2)(cyf2y+1so2)(其中x和y各自獨立地為自然數(shù))、licl、和lii。

參照圖7，鋰離子電池1包括正極3、負極2、和隔板4。在一些實施方式中，可將正極3、負極2、和隔板4卷繞或折疊，然后密封在電池殼5中。在一些實施方式中，電池殼5可用有機電解質溶液填充并且用帽組件6密封，由此完成鋰離子電池1的制造。在一些實施方式中，電池殼5可為圓柱型、矩形型、或薄膜型。例如，鋰離子電池1可為大的薄膜型電池。在一些實施方式中，隔板4可為用液體電解質和/或固體電解質滲透的隔板。通過使用這樣的隔板，不需要將有機電解質溶液注入隔板中的步驟。

在一些實施方式中，可在正極和負極之間設置隔板以形成電池組件。在一些實施方式中，電池組件可以雙單元電池結構堆疊并且用有機電解質溶液滲透。在一些實施方式中，可將所得組件放入袋中并氣密密封，由此完成鋰離子聚合物電池的制造。

在一些實施方式中，可將多個電池組件堆疊以形成電池組，其可用在任何受益于高的容量和高的輸出功率的裝置中，例如膝上型計算機、智能電話、或電動車中。

根據(jù)任意實施方式的鋰電池可具有改善的壽命特性和高倍率特性，且因而可用在電動車(ev)中、例如混合動力車例如插電式混合動力電動車(phev)中。鋰電池還可應用于高功率存儲領域。例如，鋰電池可用在電動自行車或電動工具中。

現(xiàn)在將參考以下實施例詳細地描述本公開內(nèi)容的一個或多個實施方式。然而，這些實施例僅用于說明性目的且不意圖限制本公開內(nèi)容的一個或多個實施方式的范圍。

實施例

復合電解質的制備

實施例1：使用pvdf、deme、litfsi、5重量％的sio2、且不使用隔板制備固體電解質膜

在向n-甲基吡咯烷酮(nmp)溶劑以1:1:1的重量比添加作為聚合物的pvdf、作為離子液體的雙(三氟甲磺酰)亞胺n,n-二乙基-n-甲基-n-(2-甲氧基乙基)銨(deme)、和作為鋰鹽的litfsi之后，向其添加基于100重量份的deme的5重量份的作為無機顆粒的sio2顆粒(具有約7nm-約20nm的平均直徑)并攪拌約20分鐘以制備混合溶液。將該混合溶液倒入特氟隆盤中，在干燥室中在室溫下干燥2天，并且進一步在真空下在約60℃的溫度下干燥過夜以由此獲得固體電解質膜。該固體電解質膜是柔性的獨立式的膜并且具有約90μm的厚度。

實施例2：使用pvdf、deme、litfsi、5重量％的sio2、和隔板制備90μm厚的固體電解質膜

在向nmp溶劑以1:1:1的重量比添加作為聚合物的pvdf、作為離子液體的deme、和作為鋰鹽的litfsi之后，向其添加基于100重量份的deme的5重量份的作為無機顆粒的sio2顆粒(具有約7nm-20nm的平均直徑)并攪拌約20分鐘以獲得混合溶液。將該混合溶液滲透到多孔隔板中，在干燥室中在室溫下干燥2天，并進一步在真空下在約60℃下干燥過夜以除去溶劑和由此獲得固體電解質膜。該固體電解質膜為柔性的獨立式的膜并且具有約90μm的厚度。

實施例3：使用pvdf、deme、litfsi、5重量％的sio2、和隔板制備60μm厚的固體電解質膜

以與實施例2中相同的方式制備固體電解質膜，除了將固體電解質膜的厚度改為約60μm之外。

實施例4：使用pvdf、pyrr16-tfsi、litfsi、5重量％的sio2、和隔板制備固體電解質膜

以與實施例2中相同的方式制備固體電解質膜，除了使用聚雙(三氟甲磺酰)亞胺(二烯丙基二甲基銨)(pyrr16-tfsi)作為離子液體代替deme之外。該固體電解質膜為柔性的獨立式的膜并且具有約90μm的厚度。

對比例1：使用peo、litfsi、和隔板制備固體電解質膜

將16.32克(g)聚環(huán)氧乙烷(peo)(重均分子量mw＝600,000，可得自aldrich，目錄號182028)溶解在150ml乙腈中以制備peo溶液。然后，向peo溶液以18:1的[peo]對[li]的摩爾比添加litfsi并攪拌以獲得混合溶液。將該混合溶液滲透到多孔隔板中，在干燥室中在室溫下干燥2天，并進一步在真空下在約60℃下干燥過夜以除去溶劑和由此獲得固體電解質膜。該固體電解質膜具有約60μm的厚度。

對比例2：使用pvdf、deme、litfsi、和隔板(沒有sio2)制備固體電解質膜

以與實施例3中相同的方式制備固體電解質膜，除了不添加作為無機顆粒的sio2之外。該固體電解質膜是柔性的獨立式的膜并且具有約60μm的厚度。

對比例3：使用deme、litfsi、5重量％的sio2、和隔板(沒有pvdf聚合物)制備固體電解質

向100重量份的離子液體電解質(其中1.0m作為鋰鹽的雙(三氟甲磺酰)亞胺鋰(litfsi)溶解在作為離子液體的deme中)添加5重量份的作為無機顆粒的sio2顆粒(具有約7nm-20nm的平均直徑)，并攪拌約20分鐘以獲得混合溶液。將該混合溶液滲透到多孔隔板中，在干燥室中在室溫下干燥2天，并進一步在真空下在約60℃下干燥過夜以由此獲得固體電解質膜。該固體電解質膜具有約60μm的厚度。

對比例4：使用pvdf、deme、litfsi、5重量％的sio2、和隔板制備固體電解質膜

以與實施例2中相同的方式制備固體電解質膜，除了將pvdf、deme、和litfsi的重量比改為1:1:0.3之外。該固體電解質膜為柔性的獨立式的膜并且具有約60μm的厚度。

對比例5：使用pvdf、deme+litfsi、5重量％的sio2、和隔板制備電解質

進行與實施例2中相同的電解質制備過程，除了將pvdf、deme和litfsi的重量比改為0.2:1:1之外。然而，未能形成固體電解質膜，且代替地，獲得液體電解質組合物。

鋰-空氣電池的制造

實施例5：鋰-空氣電池的制造

正極的制造

以1:3:0.2的重量比準備作為碳質多孔顆粒的炭黑(，可得自orionengineeredchemicals，usa)、其中1.0m作為鋰鹽的litfsi溶解在作為離子液體的deme中的離子液體電解質、和作為粘合劑的pvdf(可得自sigma-aldrich，粉末，35μm)。

將粘合劑和離子液體電解質在研缽中混合，然后向其添加碳質多孔材料以制備第一糊料。

將該第一糊料涂覆在兩片ptfe膜之間，隨后用輥壓機壓制以減小ptfe膜之間的空間且由此形成作為獨立式的膜的正極。正極具有約31μm的厚度。

電解質膜的制備

準備根據(jù)實施例1的固體電解質膜。

鋰-空氣電池的制造

將兩個正極(1cm×3cm)以約0.5mm的間隙間隔布置在固體電解質膜的表面上以制備正極-膜層疊體。然后將該正極-膜層疊體放置在ptfe膜之間，用壓機在約100℃下熱壓，并經(jīng)歷自然冷卻，由此獲得作為獨立式的膜的正極-膜組件。

在熱壓之后的自然冷卻進行約100分鐘至約80℃的溫度。

將正極-膜組件折疊，使得兩個正極彼此面對，在兩個正極之間有作為氣體擴散層的碳紙(2cm×3cm，25ba，可得自sgl，德國)。

在折疊過程之前，將具有約30μm的厚度的鋰金屬(2.15cm×3cm)布置在正極-膜組件的與正極相反的表面上，且將其上具有鋰金屬的正極-膜組件折疊，使得正極彼此面對(在正極之間有氣體擴散層)，并且相對于正極-膜組件的固體電解質膜對于鋰金屬是對稱的，由此形成氣體擴散層/正極/電解質膜/負極的結構。

氣體擴散層的比正極延伸得遠的部分用作正極集流體。將銅(cu)片作為負極集流體設置在鋰金屬的表面上。

將端板分別設置在負極集流體的表面和鋰金屬負極的另一表面上，由此制造鋰-空氣電池.

實施例6-8

以與實施例5中相同的方式制造鋰-空氣電池，除了分別使用實施例2-4的固體電解質膜代替實施例1的固體電解質膜之外。

對比例6-9

以與實施例5中相同的方式制造鋰-空氣電池，除了分別使用對比例1-4的固體電解質膜代替實施例1的固體電解質膜之外。

對比例10

使用對比例5的液體電解質組合物制造鋰-空氣電池。然而，未能以對比例5的液體電解質組合物形成電解質膜且由于正極和負極之間的短路而不能夠形成鋰-空氣電池。

評價實施例1：阻抗測量

通過2-探針方法用阻抗分析儀(solartron1260a阻抗/增益相位分析儀)在約25℃下以約0.4安/平方厘米(a/cm²)的電流密度和約±10毫伏(mv)的振幅在約0.1赫茲(hz)到10千赫茲(khz)的頻率范圍內(nèi)對實施例2和對比例4的固體電解質膜進行阻抗測量。基于阻抗測量結果測量實施例2和對比例4的固體電解質膜的離子傳導率。結果示于圖1中。

參照圖1，與對比例4的固體電解質膜相比，實施例2的固體電解質膜具有顯著增加的離子傳導率。例如，實施例2的固體電解質膜在25℃下具有約6.6×10^-4s/cm的離子傳導率，而對比例4的固體電解質膜在25℃下具有約2.5×10^-6s/cm的離子傳導率。

評價實施例2：充電-放電特性評價

將實施例5-8和對比例6-9的鋰-空氣電池各自在約60℃下在1atm氧氣氣氛下以約0.24ma/cm²的恒定電流放電至約200wh/kg的能量密度或約2.2v(相對于li)的電壓，然后以相同的恒定電流充電至約4.3v的電壓，然后以該恒定電壓充電至約0.02ma/cm²的充電電流(放電-充電循環(huán))。相對于循環(huán)次數(shù)的能量密度的變化示于圖2和3中。當能量密度(輸出功率，p＝vi)在放電電壓達到2.2v之前達到200wh/kg時，使各鋰-空氣電池的放電截止，隨后充電。當放電電壓在能量密度達到200wh/kg之前達到2.2v時，使各鋰-空氣電池的放電截止，隨后充電。在能量密度的單位(wh/kg)中，kg表示鋰-空氣電池的總重量的度量單位。

參照圖2，發(fā)現(xiàn)實施例5和6的鋰-空氣電池即使在2次或更多次循環(huán)之后也保持約200wh/kg的能量密度，而對比例6的鋰-空氣電池的能量密度僅在第1次循環(huán)時保持在約200wh/kg并且從第2次循環(huán)起顯著降低。因此，發(fā)現(xiàn)，與對比例6的鋰-空氣電池相比，實施例5和6的鋰-空氣電池具有顯著改善的循環(huán)特性。

盡管未在圖2中示出，但是對比例8的鋰-空氣電池未能在第1次循環(huán)時達到約200wh/kg的能量密度。因此，第1次充電-放電循環(huán)表明對比例8的鋰-空氣電池具有差的循環(huán)特性。

參照圖3，發(fā)現(xiàn)，實施例6和8的鋰-空氣電池幾乎在第5次循環(huán)之后保持約200wh/kg的能量密度，而對比例6的鋰-空氣電池的能量密度僅在第1次循環(huán)時保持在約200wh/kg且從第2次循環(huán)起顯著降低。因此，發(fā)現(xiàn)，與對比例6的鋰-空氣電池相比，實施例6和8的鋰-空氣電池具有顯著改善的循環(huán)特性。

評價實施例3：充電-放電特性評價

將實施例7和對比例7的鋰-空氣電池各自在約60℃下在1atm氧氣氣氛下以約0.24ma/cm²的恒定電流放電至約1ah/g的放電容量或約2.2v(相對于li)的電壓，然后以相同的恒定電流充電至約4.3v的電壓，然后以該恒定電壓充電至約0.02ma/cm²的充電電流(充電-放電循環(huán))。相對于循環(huán)次數(shù)的能量密度的變化顯示于圖4中。當放電容量在放電電壓達到2.2v之前達到1ah/g時，使各鋰-空氣電池的放電截止，隨后充電。當放電電壓在放電容量達到1ah/g之前達到2.2v時，使各鋰-空氣電池的放電截止，隨后充電。在放電容量的單位(ah/g)中，g表示炭黑的重量。

參照圖4，發(fā)現(xiàn)實施例7的鋰-空氣電池在第10次循環(huán)之后保持約1ah/g的放電容量，而對比例7的鋰-空氣電池的放電容量直至第6次循環(huán)保持在約1ah/g且從第7次循環(huán)起顯著降低。因此，發(fā)現(xiàn)，由于無機顆粒的添加，實施例7的鋰-空氣電池具有改善的循環(huán)特性。該循環(huán)特性改善歸因于通過無機顆粒的添加所致的改善的阻止氧氣的能力且因此抑制在鋰負極的表面上的副反應。

如上所述，根據(jù)一個或多個實施方式，通過使用包括合適量的聚合物和合適量的鋰鹽的根據(jù)任意實施方式的固體電解質，鋰電池可具有改善的循環(huán)特性。

應理解，本文中描述的實施方式應僅在描述的意義上考慮且不用于限制的目的。在各實施方式中的特征或方面的描述應被認為可用于其它實施方式中的其它類似特征或方面。

盡管已經(jīng)參照附圖描述了一個或多個實施方式，但是本領域普通技術人員將理解，在不背離如由所附權利要求所限定的精神和范圍的情況下，可在其中進行形式和細節(jié)方面的多種變化。