CN107871877A - 空气电池正极和包括其的锂空气电池、及制备正极的方法 - Google Patents

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金显珍
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Abstract

本发明涉及空气电池正极和包括其的锂空气电池、及制备正极的方法。空气电池正极包括碳复合物，所述碳复合物包括芯和设置在所述芯上的导电包覆层，其中所述芯包括第一碳材料和第二碳材料，其中所述导电包覆层包括含金属的半导体。

Description

空气电池正极和包括其的锂空气电池、及制备正极的方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年9月27日提交的韩国专利申请No.10-2016-0124245和于2017年8月10日提交的韩国专利申请No.10-2017-0101711的优先权和权益，将其内容全部引入本文中作为参考。
技术领域
本公开内容涉及正极、包括正极的锂空气电池、和制备正极的方法。
背景技术
作为一种类型的电化学电池的金属-空气电池包括：容许金属离子的沉积和溶解的负极、其中发生来自空气的氧的氧化和还原的正极、以及设置在正极和负极之间的金属离子传导介质。
在金属-空气电池中，使用金属作为负极，且不需要被存储的氧(氧气)用作正极活性材料，且因此金属-空气电池可具有高的容量。金属-空气电池还具有3,500瓦时每千克(Wh/kg)或更大的高的理论比能量。
正极，也称作空气电极，可包括多孔材料。多孔材料可包括具有大的比表面积和多孔结构的碳。如果电解质被氧和氧化物分解，或者如果在金属-空气电池的充电和/或放电期间所述碳恶化，则金属-空气电池的寿命特性可降低。
期望例如通过抑制正极的碳的恶化、或电解质的分解而具有改善的寿命特性的金属-空气电池。
发明内容
提供具有改善的结构的正极。
提供包括所述正极的锂空气电池。
还提供制备正极的方法。
根据一个实施方式的方面，空气电池正极包括：包括芯和设置在所述芯上的导电包覆层(覆盖层)的碳复合物，其中所述芯包括第一碳材料和第二碳材料，其中所述导电包覆层包括含金属的半导体。
根据另一实施方式的方面，锂空气电池包括：正极；和负极；以及设置在所述正极和所述负极之间的电解质层，其中所述正极包括：
包括芯和设置在所述芯上的导电包覆层的碳复合物，
其中所述芯包括选自第一碳材料和第二碳材料的至少一种，
其中所述导电包覆层包括含金属的半导体。
根据另一实施方式的方面，制备正极的方法包括：
提供第一碳材料；和
通过在所述第一碳材料上设置导电包覆层而制备碳复合物以制备所述正极，所述导电包覆层包括含金属的半导体。
额外的方面将部分地在随后的描述中阐明且部分地将由所述描述明晰，或者可通过所呈现的实施方式的实践获悉。
附图说明
由结合附图考虑的实施方式的以下描述，这些和/或其它方面将变得明晰和更容易理解，其中：
图1是显示对比例1的碳纳米管(CNT)的透射电子显微镜(TEM)图像；
图2A和2B各自为显示根据实施例2制备的碳复合物的TEM图像；
图3A是强度(任意单位，a.u.)对拉曼位移(每厘米，cm-1)的图，其显示根据实施例1和2以及对比例1制备的碳复合物正极的拉曼光谱，且图3B为图3A的图的左侧的放大图；
图4是电压(伏，V)对容量(毫安时/克，mAh/g)的图，显示根据实施例9制备的锂空气电池的充电/放电；
图5是电压(V)对容量(mAh/g)的图，显示根据实施例14制备的锂空气电池的充电/放电；
图6是电压(V)对容量(mAh/g)的图，显示根据实施例15制备的锂空气电池的充电/放电；
图7是电压(V)对容量(mAh/g)的图，显示根据对比例4制备的锂空气电池的充电/放电；
图8是电压(V)对容量(mAh/g)的图，显示根据对比例6制备的锂空气电池的充电/放电；
图9是电压(V)对容量(mAh)的图，显示根据实施例12制备的锂空气电池的充电/放电；
图10是电压(V)对容量(mAh)的图，显示根据实施例13制备的锂空气电池的充电/放电；
图11是电压(V)对容量(mAh)的图，显示根据对比例5制备的锂空气电池的充电/放电；
图12是电压(V)对容量(mAh)的图，显示根据实施例16制备的锂空气电池的充电/放电；
图13是气体析出(微摩尔，μmol)对循环数的图，显示根据实施例12制备的锂空气电池的二氧化碳放出相对于所述电池的充电/放电；
图14是气体析出(μmol)对循环数的图，显示根据对比例5制备的锂空气电池的二氧化碳放出相对于所述电池的充电/放电；和
图15是说明根据实施方式的锂空气电池的示意图。
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。“或”意味着“和/或”。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。
将理解，当一个元件被称为“在”另外的元件“上”时，其可直接在所述另外的元件上或者在其间可存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另外的元件“上”时，则不存在中间元件。
将理解，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可在本文中用于描述各种元件、组分、区域、层和/或部分，但这些元件、组分、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组分、区域、层或部分区别于另外的元件、组分、区域、层或部分。因此，在不背离本文中的教导的情况下，下面讨论的“第一元件”、“组分”、“区域”、“层”或“部分”可称为第二元件、组分、区域、层或部分。
本文中使用的术语仅为了描述具体实施方式的目的且不意图为限制性的。如本文中使用的，单数形式“一个(种)(a，an)”和“所述(该)”也意图包括复数形式，包括“至少一个(种)”，除非内容清楚地另外指明。“至少一个(种)”将不被解释为限制“一个”或“一种”。将进一步理解，术语“包括”或“包含”当用在本说明书中时，表明存在所陈述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件、和/或组分，但不排除存在或增加一种或多种另外的特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组分、和/或其集合。
为了便于描述，在本文中可使用空间相对术语例如“在……之下”、“在……下面”、“下部”、“在……上方”、“上部”等来描述如图中所示的一个元件或特征与另外的元件或特征的关系。将理解，除图中所描绘的方位之外，空间相对术语还意图包括在使用或操作中的装置的不同方位。例如，如果将图中的装置翻转，被描述为“在”另外的元件或特征“下面”或“之下”的元件则将被定向“在”所述另外的元件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下面”可包括在……上方和在……下面两种方位。装置可以其它方式定向(旋转90度或在其它方位上)，并且本文中所使用的空间相对描述词相应地进行解释。
如本文中使用的“约”或“大约”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***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的偏差在一种或多种偏差范围内，或者在±30％、20％、10％、或5％范围内。
除非另外定义，在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相关领域的背景和本公开内容中的含义一致，并且将不以理想化或过度形式的意义进行解释，除非在本文中清楚地如此定义。
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。这样，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。因而，本文中描述的实施方式不应解释为限于如本文中所示的区域的具体形状，而是包括由例如制造所导致的形状方面的偏差。例如，图示或描述为平坦的区域可具有粗糙的和/或非线性的特征。此外，所图示的尖锐的角可为圆形的。因而，图中所示的区域在本质上是示意性的，并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。
在下文中，根据实例实施方式，将详细地描述正极、包括正极的锂空气电池、和制备正极的方法。
如本文中使用的，术语“金属”指的是如在元素周期表中定义的选自第1到17族(包括镧系元素和锕系元素)的金属或准金属元素。
“准金属”意指B、Si、Ge、As、Sb、Te、或其组合。
如本文中使用的，“复合物”指的是通过将两种或更多种具有不同的物理和/或化学性质的材料组合而形成的材料，其中复合物具有与构成复合物的各材料不同的性质，和其中在复合物的完成(最终)结构中，各材料的颗粒或线至少在微观上是彼此分离的和可区别的。
如本文中使用的术语“非绝缘包覆层”或“导电包覆层”指的是不包括绝缘材料的包覆层。例如，非绝缘包覆层可为包括导电材料、半导电(半导体)材料、或其组合的导电包覆层。
根据实例实施方式的正极可包括碳复合物，所述碳复合物包括芯和设置在芯上的导电包覆层。在正极中，芯包括选自第一碳材料和第二碳材料的至少一种，第二碳材料包括第一碳材料的热处理的产物，和导电包覆层包括含金属的半导体，且正极活性材料为氧(氧气)。当在包括第一碳材料的芯上设置包括含金属的半导体的导电包覆层(例如，非绝缘包覆层)时，可消除(治愈)第一碳材料中存在的缺陷，且因此，第一碳材料的耐久性可改善。在这点上，包括所述正极的锂空气电池的寿命特性可改善。
在锂空气电池的充电/放电期间，由于在包含于电解质中的锂离子和从外部供应的氧之间的接触，在第一碳材料的表面上发生电化学反应。然而，当在第一碳材料的表面上存在缺陷时，在第一碳材料的表面上的锂氧化物的形成和/或分解期间，第一碳材料的氧化、开裂或分离可更有可能发生。因此，由于第一碳材料的氧化、开裂或分离的增多的发生，在第一碳材料和电解质之间的副反应更有可能发生，且结果，促进正极的恶化。因此，正极的这样的恶化可然后引起气体例如二氧化碳的产生的增加。
已有利地发现，当用导电包覆层包覆(覆盖)第一碳材料的表面上的缺陷时，可在第一碳材料的表面上形成石墨状结构，且因此，可主要暴露无缺陷的结晶碳。在其中这样的无缺陷的结晶碳被暴露的区域中，在锂氧化物的形成和/或分解期间可抑制第一碳材料的氧化、开裂或分离，且因此，在第一碳材料和电解质之间的副反应不太可能发生。结果，可抑制正极的恶化。在这点上，可通过导电包覆层修改(修饰)第一碳材料的表面。
另外，导电包覆层(即，非绝缘包覆层)在导电性方面不同于绝缘包覆层，且因此，可抑制包括第一碳材料的正极的内阻的增加。因此，尽管在第一碳材料上增加导电包覆层，但是可抑制正极的内阻的增加，使得可保持包括所述正极的锂空气电池中的电化学反应的可逆性。例如，绝缘包覆层可用绝缘材料基本上密封第一碳材料的表面，使得在第一碳材料的表面上可防止锂离子和氧之间的反应。在这样的情况中，包括其上设置绝缘包覆层的第一碳材料的正极的内阻可显著增加，且因此，包括所述正极的锂空气电池的充电/放电特性例如电池容量和寿命特性可显著劣化。
另外，在锂空气电池的运行电压和电流容量的范围内，导电包覆层不牵涉于电化学反应中且不与电解质反应。因此，导电包覆层可不与在锂空气电池的充电/放电期间锂的合金的形成有关，且此外，不与氧(氧气)和电解质反应。即，导电包覆层不与锂、氧和/或电解质反应，且用作电导体和/或离子导体。换句话说，包括在非绝缘的导电包覆层中的含金属的半导体不牵涉于氧的氧化和/或还原即电化学反应中，且此外，不与电解质反应。即，包括在导电包覆层中的含金属的半导体不充当用于促进氧的氧化和/或还原的催化剂。
导电包覆层可经历与正极中的芯的复合(络合)。例如，导电包覆层可经由化学或机械化学结合、而不是通过简单的混合连接到芯。在这点上，包括芯和非绝缘包覆层的碳复合物可区别于芯和非绝缘材料的简单混合物。
正极中的含金属的半导体可包含属于元素周期表的第2到16族的金属元素。例如，正极中的含金属的半导体可包括：包含属于第14族的元素的半导体，包含属于第15族的元素的半导体，包含属于第16族的元素的半导体，包含属于第13和15族的元素的半导体，包含属于第12和16族的元素的半导体(即，包含属于第12族的元素和属于第16族的元素的半导体)，包含属于第11和17族的元素的半导体，包含属于第14和16族的元素的半导体，包含属于第15和16族的元素的半导体，包含属于第12和15族的元素的半导体，以及包含属于第11、13和16族的元素的半导体(即，包含属于第13族的元素、属于第11族的元素、和属于第16族的元素的半导体)。例如，正极中的含金属的半导体可包括第2族到第16族金属的氧化物、第2族到第16族金属的硫化物、第2族到第16族金属的氮化物、第2族到第16族金属的氮氧化物、第2族到第16族金属的磷化物、和第2族到第16族金属的砷化物。
例如，正极中的含金属的半导体可包括ZnaOb(其中0<a≤2且0<b≤2)、SnaOb(其中0<a≤2且0<b≤2)、SraTibOc(其中0<a≤2，0<b≤2，且0<c≤2)、TiaOb(其中0<a≤2且2≤b≤4)、BaaTibOc(其中0<a≤2，0<b≤2，且2<c≤4)、CuaOb(其中1<a≤3且0<b≤2)、CuaOb(其中0<a≤2且0<b≤2)、BiaOb(其中1≤a≤3且2≤b≤4)、FeaSb(其中0<a≤2且1≤b≤3)、SnaSb(其中0<a≤2且0<b≤2)、BiaSb(其中1≤a≤3且2≤b≤4)、BiaSeb(其中1≤a≤3且2≤b≤4)、BiaTeb(其中1≤a≤3且2≤b≤4)、SnaSb(其中0<a≤2且1≤b≤3)、PbaSb(其中0<a≤2且0<b≤2)、ZnaSb(其中0<a≤2且0<b≤2)、MoaSb(其中0<a≤2且1≤b≤3)、PbaTeb(其中0<a≤2且0<b≤2)、SnaTeb(其中0<a≤2且0<b≤2)，GaaNb(其中0<a≤2且0<b≤2)、GaaPb(其中0<a≤2且0<b≤2)、BaPb(其中0<a≤2且0<b≤2)、BaaSb(其中0<a≤2且0<b≤2)、GaaAsb(其中0<a≤2且0<b≤2)、ZnaSeb(其中0<a≤2且0<b≤2)、ZnaTeb(其中0<a≤2且0<b≤2)、CdaTeb(其中0<a≤2且0<b≤2)、CdaSeb(其中0<a≤2且0<b≤2)、或其组合。例如，在正极中，含金属的半导体可包括ZnO、SnO、SrTiO、TiO2、BaTiO3、Cu2O、CuO、Bi2O3、FeS2、SnS、Bi2S3、Bi2Se3、Bi2Te3、SnS2、PbS、ZnS、MoS2、PbTe、SnTe、GaN、GaP、BP、BaS、GaAs、ZnSe、ZnTe、CdTe、CdSe、或其组合，但实例不限于此。可使用不是绝缘体的任何材料作为含金属的半导体。
正极中的含金属的半导体可具有约5.0电子伏(eV)或更小的带隙能量(例如，能带隙)。例如，正极中的含金属的半导体可具有在大于约0eV到小于约5.0eV的范围内的带隙能量。例如，正极中的含金属的半导体可具有在约1.0eV-约4.5eV的范围内的带隙能量。例如，正极中的含金属的半导体可具有在约1.5eV-约4.0eV的范围内的带隙能量。例如，正极中的含金属的半导体可具有在约2.0eV-约4.0eV的范围内的带隙能量。例如，正极中的含金属的半导体可具有在约2.5eV-约4.0eV的范围内的带隙能量。例如，正极中的含金属的半导体可具有在约3.0eV-约4.0eV的范围内的带隙能量。带隙能量是在价带的顶部和导带的底部之间的能量差。当材料具有大于5eV的带隙能量时，该材料可被认为是绝缘体。由于绝缘体在室温下具有完全地空的导带，因此没有电流流动。例如，Al2O3具有约8.4eV的能带隙，即，Al2O3为绝缘体。当材料具有5eV或更小的带隙能量时，该材料被认为是半导体。在半导体中，电子可部分地填充导带，且因此，电流在有限的程度上流动。例如，ZnO具有约3.3eV的能带隙，而ZnS具有在约3.54eV-约3.91eV范围内的能带隙。由于在导体中价带和导带彼此重叠，因此导体的能带隙可为约0eV。
正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约1×107欧姆厘米(Ω·cm)或更小的电阻率例如体积电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约1×106Ω·cm或更小的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约1×105Ω·cm或更小的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约1×104Ω·cm或更小的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约1×103Ω·cm或更小的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约800Ω·cm或更小的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约600Ω·cm或更小的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约0.001Ω·cm或更大的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约0.01Ω·cm或更大的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约0.1Ω·cm或更大的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约1Ω·cm或更大的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约10Ω·cm或更大的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约50Ω·cm或更大的电阻率。例如，正极中的含金属的半导体在20℃的温度下可具有约100Ω·cm或更大的电阻率。例如，Al2O3可具有在约1011Ω·cm-约1014Ω·cm的范围内的电阻率，且ZnO可具有约380Ω·cm或更小的电阻率。
正极中的导电包覆层(即，非绝缘包覆层)的厚度可为约20纳米(nm)或更小。例如，正极中的导电包覆层的厚度可为约10nm或更小。例如，正极中的导电包覆层的厚度可为约8nm或更小。例如，正极中的导电包覆层的厚度可为约5nm或更小。例如，正极中的导电包覆层的厚度可为约4nm或更小。例如，正极中的导电包覆层的厚度可为约3nm或更小。例如，正极中的导电包覆层的厚度可为约2.5nm或更小。例如，正极中的导电包覆层的厚度可为约2nm或更小。例如，正极中的导电包覆层的厚度可为约1.5nm或更小。例如，正极中的导电包覆层的厚度可为约1nm或更小。例如，正极中的导电包覆层的厚度可为约0.5nm或更小。例如，正极中的非绝缘包覆层的厚度可为约0.1nm或更大。当导电包覆层的厚度太大时，碳复合物的导电性可降低，且因此，采用包括所述碳复合物的正极的锂空气电池的内阻可增加，由此使锂空气电池的充电/放电特性劣化。
导电包覆层可不连续地设置在正极中的芯上。例如，非绝缘包覆层可以海岛形式设置在芯上。例如，非绝缘包覆层可主要设置在其中存在第一碳材料的缺陷的部分上，且可不设置在其中存在无缺陷的结晶碳的部分上。非绝缘包覆层在芯上的不连续的沉积可使包括非绝缘包覆层的碳复合物的导电性的劣化最小化。
另外，在正极中，导电包覆层可设置在芯上。例如，导电包覆层可设置在芯的整个表面上或者芯的表面的至少一部分上。例如，基于芯的总的表面，芯表面的约0.01％或更大可被导电包覆层包覆。例如，芯表面的约0.05％或更大可被导电包覆层包覆。例如，芯表面的约0.1％或更大可被导电包覆层包覆。例如，芯表面的约0.5％或更大可被导电包覆层包覆。例如，芯表面的约1.0％或更大可被导电包覆层包覆。例如，芯表面的约5％或更大可被导电包覆层包覆。例如，芯表面的约10％或更大可被导电包覆层包覆。例如，芯表面的约90％或更少可被导电包覆层包覆。例如，芯表面的约80％或更少可被导电包覆层包覆。例如，芯表面的约70％或更少可被导电包覆层包覆。例如，芯表面的约60％或更少可被导电包覆层包覆。例如，芯表面的约50％或更少可被导电包覆层包覆。
当被导电包覆层包覆的芯的表面的面积太小时，可难以有效地修复存在于第一碳材料的表面上的缺陷。然而，当被导电包覆层包覆的芯的表面的面积太大时，第一碳材料的表面的大部分可被包覆层包覆，由此降低碳复合物的总的导电性。
在正极中，包括第一碳材料的芯可具有包括球形式、棒形式、片(板)形式、管形式、或其组合的结构，但芯的结构不限于此。可使用适于芯的任何结构。例如，第一碳材料可为具有大的比表面积且包括孔的多孔材料。
在正极中，第一碳材料可包括炭黑、科琴黑、乙炔黑、天然石墨、人造石墨、膨胀石墨、石墨烯、氧化石墨烯、富勒烯烟灰、中间相碳微球(MCMB)、碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维、碳纳米带、软碳、硬碳、沥青碳、中间相沥青碳化产物、烧结焦炭、或其组合，但第一碳材料不限于此。可使用适合作为第一碳材料的任何材料。
在正极中，第一碳材料可包括结晶碳。在第一碳材料中包括结晶碳可减少其表面缺陷。因此，在电池的充电/放电期间，可抑制包括第一碳材料和导电包覆层的碳复合物的恶化。例如，第一碳材料的结晶度可为约50％或更大。如本文中使用的术语“结晶度”指的是结晶碳对第一碳材料的百分比。例如，第一碳材料的结晶度可为约50.5％或更大。例如，第一碳材料的结晶度可为约51％或更大。例如，第一碳材料的结晶度可为约51.5％或更大。例如，第一碳材料的结晶度可为约52％或更大。例如，第一碳材料可不为无定形碳。
在包括在正极中的碳复合物的拉曼光谱中，关于第一碳材料的D带强度(ID)对G带强度(IG)之比，即，ID对IG的强度比(或高度比)(ID/IG)可为约1.0或更小。例如，在包括在正极中的碳复合物的拉曼光谱中，ID对IG的强度比(ID/IG)可为约0.99或更小。例如，在包括在正极中的碳复合物的拉曼光谱中，ID对IG的强度比(ID/IG)可为约0.98或更小。例如，在包括在正极中的碳复合物的拉曼光谱中，ID对IG的强度比(ID/IG)可为约0.97或更小。例如，在包括在正极中的碳复合物的拉曼光谱中，ID对IG的强度比(ID/IG)可为约0.96或更小。例如，在包括在正极中的碳复合物的拉曼光谱中，ID对IG的强度比(ID/IG)可为约0.95或更小。例如，在包括在正极中的碳复合物的拉曼光谱中，ID对IG的强度比(ID/IG)可为约0.90或更小。例如，在包括在正极中的碳复合物的拉曼光谱中，ID对IG的强度比(ID/IG)可为约0.85或更小。例如，在包括在正极中的碳复合物的拉曼光谱中，ID对IG的强度比(ID/IG)可为约0.80或更小。例如，在包括在正极中的碳复合物的拉曼光谱中，ID对IG的强度比(ID/IG)可为约0.75或更小。如本文中使用的术语“ID”指的是在拉曼光谱中在1353cm-1附近测量的并且具有得自表面缺陷或碳的sp3轨道的金刚石结构的D带的峰。如本文中使用的术语“IG”指的是在拉曼光谱中在1583cm-1附近测量的并且具有由碳的sp2轨道形成的石墨结构的G带的峰。ID对IG的强度比(ID/IG)被用作指示第一碳材料的结晶度的量度。例如，当第一碳材料的强度比(ID/IG)为1时，第一碳材料意味着具有约50％的结晶度。第一碳材料的强度比(ID/IG)越小，碳复合物的结晶度越大。
在正极中，碳复合物不包括用于氧的氧化或还原的金属或金属氧化物催化剂。例如，碳复合物可包括：包括第一碳材料的芯和设置在芯上的包括含金属的半导体的导电包覆层(即，非绝缘包覆层)，但在芯中或在非绝缘包覆层中可不进一步包括金属和/或金属氧化物催化剂，其中金属/金属氧化物催化剂牵涉于通过电化学反应的氧的氧化和/或还原中。即，可不在碳复合物的芯或非绝缘包覆层中额外设置牵涉于氧的氧化/还原中的金属/金属氧化物催化剂。因此，考虑到氧的氧化/还原，即使正极的碳复合物不包括牵涉于氧的氧化/还原中的金属/金属氧化物催化剂，正极和包括所述正极的锂空气电池也可充分地呈现所述电池的充电/放电特性。在碳复合物中不包括金属/金属氧化物催化剂表示这样的情况：其中金属/金属氧化物催化剂只是设置在碳复合物上，即，碳复合物的芯的表面上和/或导电包覆层的表面上，但是金属/金属氧化物催化剂可不经历与芯和/或与导电(非绝缘)包覆层的复合。如本文中使用的术语“复合物”或“复合”指的是当多种材料经由化学键和/或机械化学键连接的情况。这里，连接不包括经由物理结合例如通过简单混合经由范德华吸引的物理连接。因此，当在正极中碳复合物作为与金属/金属氧化物催化剂的简单混合物(例如，共混物)组合时，金属/金属氧化物催化剂不包括在碳复合物中。例如，用于氧的氧化/还原的金属/金属氧化物纳米颗粒催化剂可不通过复合作为所述碳复合物的一部分而包括在碳复合物的表面上。
在正极中，芯可包括第二碳材料，其为第一碳材料的热处理的产物。例如，芯可包括第二碳材料，其为第一碳材料的烧结产物并且由于对第一碳材料进行的热处理而具有增加的结晶度和减少的缺陷。
第一碳材料的热处理可在约700℃-约2,500℃范围内的温度下进行。例如，第一碳材料的热处理可在约1,000℃-约2,500℃范围内的温度下进行。例如，第一碳材料的热处理可在约1,500℃-约2,500℃范围内的温度下进行。例如，第一碳材料的热处理可在约1,700℃-约2,300℃范围内的温度下进行。例如，第一碳材料的热处理可在约1,800℃-约2,200℃范围内的温度下进行。当第一碳材料的热处理在以上范围内的温度下进行时，第二碳材料可具有改善的结晶性和减少的表面缺陷。
第一碳材料的热处理可进行约30分钟-约24小时。例如，第一碳材料的热处理可进行约1小时-约10小时。例如，第一碳材料的热处理可进行约1小时-约5小时。当第一碳材料的热处理进行在以上范围内的时间时，第二碳材料可具有改善的结晶性和减少的表面缺陷。
由于所述热处理，第二碳材料可具有减少的表面缺陷，且因此，第二碳材料可具有比第一碳材料小的比表面积。例如，第二碳材料的比表面积可为第一碳材料的比表面积的约95％或更小。例如，第二碳材料的比表面积可为第一碳材料的比表面积的约90％或更小。例如，第二碳材料的比表面积可为第一碳材料的比表面积的约85％或更小。例如，第二碳材料的比表面积可为第一碳材料的比表面积的约60％或更大。例如，第二碳材料的比表面积可为第一碳材料的比表面积的约65％或更大。例如，第二碳材料的比表面积可为第一碳材料的比表面积的约70％或更大。例如，第二碳材料的比表面积可为第一碳材料的比表面积的约75％或更大。例如，第二碳材料的比表面积可在第一碳材料的比表面积的约60％-约95％、或约70％-约90％、或约75％-约85％的范围内。当相对于第一碳材料，第二碳材料的比表面积在以上范围内时，第二碳材料可有效地减少缺陷。
通过所述热处理，在第二碳材料的拉曼光谱中的D带强度对G带强度之比，即，ID对IG的强度比(或高度比)(ID/IG)与第一碳材料的相比可减小。例如，在第二碳材料的拉曼光谱中的ID对IG的强度比(ID/IG)可为第一碳材料的ID对IG的强度比的约99％或更小。例如，在第二碳材料的拉曼光谱中的ID对IG的强度比(ID/IG)可为第一碳材料的ID对IG的强度比的约97％或更小。例如，在第二碳材料的拉曼光谱中的ID对IG的强度比(ID/IG)可为第一碳材料的ID对IG的强度比的约95％或更小。例如，在第二碳材料的拉曼光谱中的ID对IG的强度比(ID/IG)可为第一碳材料的ID对IG的强度比的约93％或更小。例如，在第二碳材料的拉曼光谱中的ID对IG的强度比(ID/IG)可为第一碳材料的ID对IG的强度比的约90％或更小。当第二碳材料的强度比在以上范围内时，第二碳材料可具有显著改善的结晶性。因此，第二碳材料可具有与第一碳材料相同的结晶度或者比第一碳材料高的结晶度。
在包括所述正极的锂空气电池中，当通过将所述空气电池充电/放电到相对于锂金属的2.0V的放电截止电压进行测量时，锂空气电池的放电容量保持在第一次循环时的放电容量的约80％或更大时的循环数可大于20。例如，当通过将所述空气电池充电/放电到相对于锂金属的2.0V的放电截止电压进行测量时，锂空气电池的放电容量保持在第一次循环时的放电容量的约80％或更大时的循环数可为30或更大。例如，当通过将所述空气电池充电/放电到相对于锂金属的2.0V的放电截止电压进行测量时，包括所述正极的锂空气电池在充电和放电期间的放电容量保持在第一次循环时的放电容量的约80％或更大时的循环数可为40或更大。例如，当通过将所述空气电池充电/放电到相对于锂金属的2.0V的放电截止电压进行测量时，锂空气电池的放电容量保持在第一次循环时的放电容量的约80％或更大时的循环数可为50或更大。例如，当通过将所述空气电池充电/放电到相对于锂金属的2.0V的放电截止电压进行测量时，锂空气电池的放电容量保持在第一次循环时的放电容量的约80％或更大时的循环数可为60或更大。例如，当通过将所述空气电池充电/放电到相对于锂金属的2.0V的放电截止电压进行测量时，锂空气电池的放电容量保持在第一次循环时的放电容量的约80％或更大时的循环数可为70或更大。当正极包括碳复合物时，可抑制包括所述正极的锂空气电池的恶化，由此显著改善电池的寿命特性。
在包括所述正极的锂空气电池中，在充电和放电期间在第15次循环时产生的二氧化碳的量可小于在第10次循环时产生的二氧化碳的量。在正极中包括碳复合物可抑制在充电和放电期间包括碳材料的芯的恶化，使得由碳表面的恶化产生的二氧化碳的量可减少。例如，初始副反应发生直至锂空气电池的第10次循环，然后，碳复合物的表面可被稳定化，由此减少其额外的恶化。
在包括在正极中的碳复合物中，基于100重量份的包括第一碳材料和第二碳材料的芯，含金属的半导体的量可在约1重量份-约300重量份、约1重量份-约250重量份、约2重量份-约250重量份、约2重量份-约200重量份、约3重量份-约200重量份、或约3重量份-约150重量份的范围内。
在正极中，可添加用于氧的氧化和/或还原的催化剂。催化剂的实例包括贵金属催化剂例如铂、金、银、钯、钌、铑、和锇；氧化物催化剂例如锰氧化物、铁氧化物、钴氧化物、和镍氧化物；或有机金属催化剂例如钴酞菁，但催化剂的实例不限于此。可使用适合作为用于氧的氧化/还原的催化剂的任何材料。另外，催化剂可担载在载体上。载体的实例包括氧化物、沸石、粘土矿物、和碳。氧化物可包括选自如下的至少一种：氧化铝、二氧化硅、氧化锆、和二氧化钛。氧化物可包含金属，所述金属包括铈(Ce)、镨(Pr)、钐(Sm)、铕(Eu)、铽(Tb)、铥(Tm)、镱(Yb)、锑(Sb)、铋(Bi)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、铌(Nb)、钼(Mo)、钨(W)、或其组合。碳的实例包括：炭黑例如科琴黑、乙炔黑、槽黑、和灯黑；石墨例如天然石墨、人造石墨、和膨胀石墨；活性炭；和碳纤维，但载体的实例不限于此。可使用适合作为载体的任何材料。也可使用包括前述的至少两种的组合。任选地，可省略用于氧的氧化/还原的催化剂。
正极可进一步包括粘合剂。粘合剂可包括热塑性树脂或热固性树脂。例如，粘合剂可包括聚乙烯、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、乙烯-丙烯酸共聚物、或其组合，但粘合剂的实例不限于此。可使用适合作为粘合剂的任何材料。
正极可进一步包括固体电解质、液体电解质、或其组合。固体电解质指的是在室温下保持恒定形状并且具有锂离子传导性的电解质。液体电解质指的是具有锂离子传导性、在室温下不具有恒定的形状、具有根据液体电解质容纳在其中的容器的形状而决定的形状、并且为流体的电解质。
固体电解质可包括：包括聚合物离子液体(PIL)和锂盐的固体电解质、包括离子传导聚合物和锂盐的固体电解质、或包括离子传导无机材料的固体电解质，但固体电解质的实例不限于此。可使用适合作为固体电解质的可用的任何材料。也可使用包括前述的至少两种的组合。
锂盐的实例包括LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiClO4、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、LiAlO2、LiAlCl4、LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(其中x和y各自独立地为自然数)、LiCl、LiI、或其组合，但不限于此。可使用适合用作锂盐的任何材料。
PIL可包括包含如下的重复单元：i)包括如下的阳离子：铵阳离子、吡咯烷阳离子、吡啶阳离子、嘧啶阳离子、咪唑阳离子、哌啶阳离子、吡唑阳离子、唑阳离子、哒嗪阳离子、阳离子、锍阳离子、***阳离子、或其组合，以及ii)包括如下的阴离子：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-、(O(CF3)2C2(CF3)2O)2PO-、或其组合。
例如，PIL可包括聚(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)、聚(双(三氟甲磺酰)亚胺N-甲基-N-丙基-3,5-二亚甲基哌啶)、或其组合。
离子传导聚合物指的是包括离子传导重复单元作为主链或侧链的聚合物。可使用具有离子传导性的任何材料作为离子传导重复单元，且其实例包括环氧烷单元例如环氧乙烷、和亲水性单元。例如，离子传导聚合物可包括包含醚单体、丙烯酰基单体、甲基丙烯酰基单体、硅氧烷单体、或其组合的离子传导重复单元。例如，离子传导聚合物可包括聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、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、或其组合。例如，作为离子传导聚合物，可使用聚乙烯(PE)衍生物、聚环氧乙烷(PEO)衍生物、聚环氧丙烷(PPO)衍生物、磷酸酯聚合物、聚乙烯醇(PVA)、聚偏氟乙烯(PVdF)、含有离子离解基团的聚合物例如被锂取代的Nafion、或其组合，但离子传导聚合物的实例不限于此。可使用适于用作离子传导聚合物的任何材料。例如，离子传导聚合物可包括PEO、PVA、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚砜、或其组合。例如，固体电解质可为掺杂有锂盐的聚环氧乙烷。
离子传导无机材料可包括BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、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(Al,Ga)x(Ti,Ge)2-xSiyP3-yO12(其中0≤x≤1且0≤y≤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)、SiS2玻璃(LixSiySz)(其中0<x<3，0<y<2，且0<z<4)，P2S5玻璃(LixPySz，0<x<3，0<y<3，0<z<7)；基于Li2O的、基于LiF的、基于LiOH的、基于Li2CO3的、基于LiAlO2的、或基于Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2的陶瓷；和基于石榴石的陶瓷(Li3+ xLa3M2O12，M＝Te、Nb、或Zr)、或其组合。
液体电解质可为有机基电解质或水基电解质。
有机基电解质可包括非质子溶剂。非质子溶剂的实例包括基于碳酸酯的溶剂、基于酯的溶剂、基于醚的溶剂、基于酮的溶剂、或基于醇的溶剂。基于碳酸酯的溶剂可为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸甲乙酯(MEC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、或三缩四乙二醇二甲基醚(TEGDME)。基于酯的溶剂可为乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、γ-丁内酯、癸内酯、戊内酯、甲瓦龙酸内酯、或己内酯。基于醚的溶剂可为二丁基醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、二甲氧基乙烷、2-甲基四氢呋喃、或四氢呋喃。基于酮的溶剂可为环己酮。基于醇的溶剂可为乙醇或异丙醇。然而，非质子溶剂的实例不限于此。可使用适合作为非质子溶剂的任何材料。也可使用包括前述的至少两种的组合。另外，非质子溶剂可为腈例如R-C≡N(其中R是C2-C20直链、支化、或环状烃基，其可包括双键芳族环或醚键)、酰胺例如二甲基甲酰胺、二氧戊环例如1,3-二氧戊环、或环丁砜。非质子溶剂可单独或组合使用。当组合使用时，可根据电池的性能适当地调节混合比，并且这样的调节可由本领域普通技术人员在没有过度实验的情况下确定。
有机基电解质可包括碱金属和/或碱土金属的盐。碱金属和/或碱土金属的盐可溶解在有机溶剂中并且可然后用作电池中的碱金属和/或碱土金属的离子的来源。例如，有机基电解质可促进在正极和负极之间的碱金属和/或碱土金属的离子的移动。例如，碱金属和/或碱土金属的盐的阳离子可包括锂离子、钠离子、镁离子、钾离子、铷离子、锶离子、铯离子、或钡离子。有机基电解质中包括的盐的阴离子可包括PF6 -、BF4 -、SbF6 -、AsF6 -、C4F9SO3 -、ClO4 -、AlO2 -、AlCl4 -、CxF2x+1SO3 -(其中x是自然数)、(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)N-(其中x和y各自为自然数)、卤根、或其组合。例如，碱金属和/或碱土金属的盐可包括LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiN(SO2C2F5)2、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、LiClO4、LiAlO2、LiAlCl4、LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(其中x和y各自为自然数)、LiF、LiBr、LiCl、LiI、双(草酸)硼酸锂(LiBOB，LiB(C2O4)2)、或其组合，但碱金属和/或碱土金属的盐的实例不限于此。可使用适合作为碱金属和/或碱土金属的盐的任何材料。在有机基电解质中，碱金属和/或碱土金属的盐的量可在约100毫摩尔浓度(mM)-约10摩尔浓度(M)的范围内。例如，碱金属和/或碱土金属的盐的量可在约250mM-约5M的范围内，或者可在约500mM-约2M的范围内。然而，碱金属和/或碱土金属的盐的量不限于此，且可在使得在电池的充电/放电期间有机基电解质能够有效地传输锂离子和/或电子的任何范围内。
有机电解质可包括离子液体。离子液体可包括包含阳离子和阴离子的化合物，所述阳离子例如取代的直链或支化的铵、咪唑吡咯烷或哌啶所述阴离子例如PF6 -、BF4 -、CF3SO3 -、(CF3SO2)2N-、(C2F5SO2)2N-、或(CN)2N-。例如，离子液体可包括：[emim]Cl/AlCl3(emim＝乙基甲基咪唑)、[bmpyr]NTf2(bmpyr＝丁基甲基吡啶NTf2＝双(三氟甲磺酰)亚胺)、[bpy]Br/AlCl3(bpy＝4,4'-联吡啶)、[胆碱]Cl/CrCl3·6H2O、[Hpy(CH2)3pyH][NTf2]2(py＝吡啶)、[emim]OTf/[hmim]I(hmim＝己基甲基咪唑)、[胆碱]Cl/HOCH2CH2OH、[Et2MeN(CH2CH2OMe)]BF4(Et＝乙基，Me＝甲基)、[Bu3PCH2CH2C8F17]OTf(OTf＝三氟甲磺酸根；Bu＝丁基)、[bmim]PF6(bmim＝丁基甲基咪唑)、[bmim]BF4、[omim]PF6(omim＝辛基甲基咪唑)、[Oct3PC18H37]I(Oct＝辛基)、[NC(CH2)3mim]NTf2(mim＝甲基咪唑)、[Pr4N][B(CN)4](Pr＝丙基)、[bmim]NTf2、[bmim]Cl、[bmim][Me(OCH2CH2)2OSO3]、[PhCH2mim]OTf、[Me3NCH(Me)CH(OH)Ph]NTf2(Ph＝苯基)、[pmim][(HO)2PO2](pmim＝丙基甲基咪唑)、[(6-Me)bquin]NTf2(bquin＝丁基喹啉[bmim][Cu2Cl3]、[C18H37OCH2mim]BF4(mim＝甲基咪唑)、[heim]PF6(heim＝己基乙基咪唑)、[mim(CH2CH2O)2CH2CH2mim][NTf2]2(mim＝甲基咪唑)、[obim]PF6(obim＝辛基丁基咪唑)、[oquin]NTf2(oquin＝辛基喹啉)、[hmim][PF3(C2F5)3]、[C14H29mim]Br(mim＝甲基咪唑)、[Me2N(C12H25)2]NO3、[emim]BF4、[mm(3-NO2)im][二硝基***化物](mm(3-NO2)im＝甲基甲基3-硝基咪唑)、[MeN(CH2CH2OH)3][MeOSO3]、[Hex3PC14H29]NTf2(Hex＝己基)、[emim][EtOSO3]、[胆碱][异丁苯丙酸盐(ibuprofenate)]、[emim]NTf2、[emim][(EtO)2PO2]、或[emim]Cl/CrCl2、[Hex3PC14H29]N(CN)2，但离子液体的实例不限于此。也可使用包括前述的至少两种的组合。例如，离子液体可包括四氟硼酸N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)铵([DEME][BF4])、三氟甲磺酸二乙基甲基铵([dema][TfO])、三氟甲磺酸二甲基丙基铵([dmpa][TfO])、双(三氟甲磺酰)亚胺N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)铵([DEME][TFSI])、双(三氟甲磺酰)亚胺甲基-丙基-哌啶([mpp][TFSI])、或其组合，但离子液体的实例不限于此。可使用适合作为离子液体的任何材料。
水基电解质可通过将碱金属和/或碱土金属的盐添加到含水溶剂而制备。
正极可以例如这样的方式制备：制备正极浆料，其中将碳复合物与粘合剂混合并向混合物添加合适的溶剂，然后，用正极浆料涂覆集流体的表面，然后干燥。替代地，正极可通过压缩模塑制备以改善电极密度。另外，正极可选择性地包括基于锂氧化物或卤化锂的氧化还原媒质(mediator)。
根据实例实施方式的锂空气电池可包括所述正极。
锂空气电池可包括：所述正极；容许锂的沉积和溶解的负极；以及设置在正极和负极之间的电解质膜。
由于负极容许锂的沉积和溶解，因此锂空气电池可使用锂金属薄膜作为负极。在当使用锂金属薄膜作为负极时的情况中，锂金属薄膜可减小集流体的体积和重量，且在这点上，锂空气电池可具有增加的能量密度。替代地，锂金属薄膜可设置在作为集流体的导电基底上。锂金属薄膜可与集流体一体化地形成。这样的集流体可包括不锈钢、铜、镍、铁、钛、或其组合，但集流体的实例不限于此。可使用具有优异的导电性的任何金属基底。另外，作为容许锂的沉积和溶解的负极，可使用锂金属与不同的负极活性材料的合金。这样的不同的负极活性材料可为可与锂合金化的金属。
可与锂合金化的金属的实例为Si、Sn、Al、Ge、Pb、Bi、Sb、Si-Y’合金(其中Y’为碱金属、碱土金属、第13-16族元素、过渡金属、稀土元素、或其组合，且Y’不是Si)、Sn-Y’合金(其中Y’为碱金属、碱土金属、第13-16族元素、过渡金属、稀土元素、或其组合，且Y’不是Sn)、或其组合。Y’可为镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)、钪(Sc)、钇(Y)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、锝(Tc)、铼(Re)、铁(Fe)、铅(Pb)、钌(Ru)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、钯(Pd)、铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、锌(Zn)、镉(Cd)、硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、锡(Sn)、铟(In)、铊(Tl)、锗(Ge)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、钋(Po)、或其组合。在一些实施方式中，Y可为镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)、钪(Sc)、钇(Y)、钛(Ti)、锆(Zr)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、铁(Fe)、铅(Pb)、钌(Ru)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、钯(Pd)、铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、锌(Zn)、镉(Cd)、硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、锡(Sn)、铟(In)、锗(Ge)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、或其组合。例如，可与锂合金化的金属和锂的合金可包括锂-铝合金、锂-硅合金、锂-锡合金、锂-银合金、和锂-铅合金。
负极的厚度可为约10微米(μm)或更大。例如，负极的厚度可在约10μm-约20μm、约20μm-约60μm、约60μm-约100μm、约100μm-约200μm、约200μm-约600μm、约600μm-约1,000μm、约1毫米(mm)-约6mm、约6mm-约10mm、约10mm-约60mm、约60mm-约100mm、和约100mm-约600mm的范围内。
电解质膜可配置为使得液体电解质可注入隔板中。
可使用用于隔板的任何组成，只要其可耐受待用在锂空气电池中的隔板的一系列使用，且其实例包括聚合物无纺物例如聚丙烯无纺物或聚苯硫醚无纺物、和烯烃树脂例如聚乙烯或聚丙烯的多孔膜。可将选自所述实例的至少两种组成组合使用。例如，隔板可由玻璃纤维形成。在当使用下面描述的锂离子传导固体电解质膜时的情况中，可省略隔板。
液体电解质可为有机基电解质或水基电解质。水基电解质可与在正极的制备中使用的电解质相同。
替代地，电解质膜可为锂离子传导固体电解质膜。锂离子传导固体电解质膜可额外设置在隔板的一侧上，或者可设置为代替隔板。锂离子传导固体电解质膜可用作保护负极中包括的锂免于直接与水基电解质中包括的杂质例如水分或氧反应的保护膜。锂离子传导固体电解质膜可包括锂离子传导玻璃、锂离子传导晶体(陶瓷或玻璃-陶瓷)、或包括锂离子传导玻璃和锂离子传导晶体的混合物的无机材料，但锂离子传导固体电解质膜的实例不限于此。可使用具有锂离子传导性并且能够保护正极(空气电极)和/或负极的本领域中可利用的任何固体电解质膜。考虑到化学稳定性，锂离子传导固体电解质膜可为锂离子传导氧化物。锂离子传导晶体的实例包括Li1+x+y(Al,Ga)x(Ti,Ge)2-xSiyP3-yO12(其中0≤x≤1和0≤y≤1，例如，0≤x≤0.4和0<y≤0.6或0.1≤x≤0.3和0.1<y≤0.4)。锂离子传导玻璃-陶瓷的实例包括锂-铝-锗-磷酸盐(LAGP)、锂-铝-钛-磷酸盐(LATP)、和锂-铝-钛-硅-磷酸盐(LATSP)。
除玻璃-陶瓷成分之外，锂离子传导固体电解质膜可进一步包括聚合物固体电解质成分。这样的聚合物固体电解质成分可为掺杂有锂盐的聚环氧乙烷(PEO)，且锂盐的实例包括LiBF4、LiPF6、LiSbF6、LiAsF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO3CF3)2、LiC4F9SO3、和LiAlCl4。
除玻璃-陶瓷成分之外，锂离子传导固体电解质膜可进一步包括无机固体电解质成分。无机固体电解质成分的实例包括Cu3N、Li3N和LiPON。
锂空气电池可如下制备。
首先，制备包括碳复合物的正极、容许锂的沉积和溶解的负极、和隔板。
接着，将负极安装在壳的一侧上，将隔板安装在负极上，并且将正极安装在隔板上。随后，将多孔集流体设置在正极上，并且压制容许空气到达正极(空气电极)的压制构件以形成单元电池，由此完成锂空气电池的制备。在锂空气电池的制备期间可将包括锂盐的液体电解质注入安装在负极的隔板中。壳可划分为接触正极(空气电极)的上部部分和接触负极的下部部分。可使绝缘树脂介于所述上部和下部部分之间以使正极(空气电极)和负极电绝缘。锂空气电池可作为锂一次电池或锂二次电池利用。另外，锂空气电池可具有任意各种形式且例如可为硬币、钮扣、片、堆、圆柱体、平面、或角的形式，而没有限制。此外，锂空气电池可应用于用于电动车的大型电池。
图15是说明锂空气电池30的示意图。锂空气电池30可包括使用氧作为活性材料的正极36、负极33、以及设置在正极36和负极33之间的电解质膜34。负极33可设置在负极集流体32上。电解质膜34可通过将液体电解质注入隔板中而制备。固体电解质膜35可设置在电解质膜34和正极36之间。可省略固体电解质膜35。气体扩散层37可设置在正极36上。容许空气到达正极36的压制构件39可设置在气体扩散层37上，且由绝缘树脂材料形成的壳31可设置在包括空气入口38a与空气出口38b的空气供给单元和负极集流体32之间以将正极36与负极33电隔离。空气通过空气入口38a供应且通过空气出口38b排放。锂空气电池30可存储在不锈钢反应器中。
如这里使用的术语“空气”不限于大气，且还可指包括氧(氧气)的气体组合、或纯的氧气。“空气”的该宽泛定义也可适用于其它术语，包括空气电池、空气正极等。
制备根据实例实施方式的正极的方法可包括：准备第一碳材料；和通过在第一碳材料上设置包括含金属的半导体的导电包覆层而制备碳复合物。在制备正极的方法中，包括含金属的半导体的导电(非绝缘)包覆层在第一碳材料上的沉积可防止正极恶化，且因此，包括所述正极的锂空气电池可具有改善的寿命特性。
在制备正极的方法中，导电包覆层的设置包括沉积方法，且沉积方法可包括原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、或化学气相沉积(CVD)，但沉积方法不限于此。可使用通过其可制备在基底上的具有约20nm或更小的厚度的薄膜的在本领域中可利用的任何方法。
待沉积的含金属的半导体的类型可与如关于正极所定义的相同。非绝缘包覆层的厚度或形状也可与关于正极所定义的相同。
在制备正极的方法中，可进一步增加包括其上设置导电包覆层的第一碳材料的碳复合物或其上未设置导电包覆层的第一碳材料在约700℃-约2,500℃范围内的温度下的热处理。对第一碳材料进行的热处理可改善结晶性并减少其表面缺陷，且因此，碳复合物的耐久性也改善。在这点上，可防止包括碳复合物的正极的恶化，且包括所述正极的锂空气电池的寿命特性可进一步改善。
热处理进行的温度可在约700℃-约2,500℃的范围内。例如，热处理进行的温度可在约1,000℃-约2,500℃的范围内。例如，热处理进行的温度可在约1,500℃-约2,500℃的范围内。例如，热处理进行的温度可在约1,700℃-约2,300℃的范围内。例如，热处理进行的温度可在约1,800℃-约2,200℃的范围内。当热处理在以上范围内进行时，第二碳材料可具有改善的结晶性和减少的表面缺陷。
热处理可进行约30分钟-约24小时。例如，热处理可进行约1小时-约10小时。例如，热处理可进行约1小时-约5小时。当热处理进行在以上范围内的时间时，第二碳材料可具有改善的结晶性和显著减少的表面缺陷。
热处理在其中进行的气氛可为不包括氧气、而是包括N2、Ar或He的惰性气体气氛。
在下文中，将参照以下实施例详细地描述一个或多个实施方式。然而，这些实施例不意图限制一个或多个实施方式的范围。
实施例
正极的制备
实施例1：ZnO(0.5nm)/CNT碳复合物独立式膜正极
通过如下制备正极：使用原子层沉积(ALD)方法用ZnO包覆(覆盖)独立式碳纳米管(CNT)膜。
使通过将CNT粉末(可得自Hanhwa Chemical，Korea，CM250)分散在聚(苯乙烯磺酸)(PSS)中而制备的溶液进行真空过滤以制备独立式膜。然后将所制备的独立式膜真空干燥并且在约450℃的温度下热处理以除去其中所有的PSS，由此制备仅由CNT组成的独立式膜(在下文中，称作独立式CNT膜)。
ALD在连续流动不锈钢反应器中进行。将独立式CNT膜设置在不锈钢盘上，并且将不锈钢网盖夹在该盘上以在仍提供对ALD前体蒸气的通路的同时将CNT膜容纳在固定床中。将所述独立式CNT膜在反应器中在150℃的温度下在高纯度氮气载气的连续流动下在1托的压力下保持30分钟以除气，由此实现热平衡。这里，一次ZnO-ALD循环使用在150℃的温度下对二乙基锌和H2O(蒸气)的交替暴露。用ZnO前体暴露(0.5秒)-N2吹扫(10秒)-H2O(蒸气)暴露(1秒)-N2吹扫(10秒)的顺序进行ZnO-ALD。使用所述独立式CNT膜重复ZnO-ALD循环8次循环，由此制备包括包覆有ZnO的独立式CNT膜的碳复合物正极。这里，所包覆的ZnO的厚度为约0.5nm。
基于碳复合物正极的总重量，ZnO的量为约8.8重量百分数(重量％)且CNT膜的量为约91.2重量％。
实施例2：ZnO(2.5nm)/CNT碳复合物独立式膜正极
以与实施例1中相同的方式通过使用ALD方法在独立式CNT膜上包覆ZnO，除了如下之外：进行包覆至不同的厚度。
包覆的ZnO的厚度为约2.5nm。图2A和2B各自显示用ZnO包覆至2.5nm的厚度的CNT的透射电子显微镜(TEM)图像。如图2A和2B中所示，ZnO包覆在独立式CNT膜上。
基于碳复合物正极的总重量，ZnO的量为约26.6重量％且CNT膜的量为约73.4重量％。
实施例3：ZnO(10nm)/CNT碳复合物独立式膜正极
以与实施例1中相同的方式使用ALD方法在独立式CNT膜上包覆ZnO，除了如下之外：进行包覆至不同的厚度。
包覆的ZnO的厚度为约10nm。
基于碳复合物正极的总重量，ZnO的量为约59.4重量％且CNT膜的量为约40.6重量％。
实施例4：ZnO(0.5nm)/13C碳复合物正极
如下制备具有1mg每面积(cm2)的重量的正极。代替使用独立式CNT膜，将碳(可得自Sigma-Aldrich，USA 99％)和粘合剂(偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物，作为2810可得)以9:1的重量比混合，将混合物与N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂混合，然后，用所得溶液涂覆镍网基底并且干燥以制备13C膜(即，13C芯)。
然后以与实施例1中相同的方式通过使用ALD方法在13C膜上包覆ZnO，除了如下之外：使用13C芯。包覆方法与在实施例1中使用的相同。
包覆的ZnO的厚度为约0.5nm，且未经热处理的13C碳的比表面积为约194.7平方米/克(m2/g)。
基于碳复合物正极的总重量，ZnO的量为约14.0重量％且13C膜的量为约86.0重量％。
实施例5：ZnO(0.5nm)/经热处理的13C碳复合物正极
以与在实施例1中描述的相同的方式使用ALD方法在13C膜上包覆ZnO，除了如下之外：使用经热处理的13C(可得自Sigma-Aldrich，USA 99％)代替独立式CNT膜。
经热处理的13C指的是通过将13C在氮气氛中在约2,000℃的温度下热处理2小时而获得的石墨化的13C。经热处理的13C碳的比表面积为约181.1m2/g。用于热处理的13C膜与在实施例4中制备的13C膜相同。
基于碳复合物正极的总重量，ZnO的量为约3.7重量％且13C膜的量为约96.3重量％。
包覆的ZnS的厚度为约0.5nm。
实施例6：ZnS(0.5nm)/CNT碳复合物独立式膜正极
以与实施例1中相同的方式使用ALD方法在独立式CNT膜上包覆ZnS，除了如下之外：分别使用作为ZnS前体的二乙基锌和H2S代替作为ZnO前体的二乙基锌和H2O。
包覆的ZnO的厚度为约0.5nm。
实施例7：SnS2(0.5nm)/CNT碳复合物独立式膜正极
以与实施例1中相同的方式使用ALD方法在独立式CNT膜上包覆SnS2，除了如下之外：分别使用作为SnS2前体的四(二甲基氨基)锡(IV)和H2S代替作为ZnO前体的二乙基锌和H2O。
包覆的SnS2的厚度为约0.5nm。
实施例8：TiO2(0.5nm)/13C碳复合物正极
如下制备具有1mg每面积(cm2)的重量的正极。代替使用独立式CNT膜，将13C(可得自Sigma-Aldrich，USA 99％)和碳粘合剂(偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物，作为2810可得)以9:1的重量比混合，将混合物与NMP溶剂混合，然后，用所得溶液涂覆镍网基底并且干燥以制备13C膜(即，13C芯)。
然后以与实施例1中相同的方式使用ALD方法在13C膜上包覆TiO2，除了使用13C膜和TiO2之外。包覆方法与在实施例1中使用的相同。
包覆的TiO2的厚度为约0.5nm。
对比例1：独立式CNT膜正极
作为碳材料，使用相同的实施例1的独立式CNT膜而不经历用ZnO的包覆。图1是显示这里使用的独立式CNT膜中包括的CNT的TEM图像。
对比例2：13C膜正极
作为碳材料，使用相同的实施例4的13C而不经历用ZnO的包覆。
对比例3：Al2O3 0.5nm/CNT碳复合物独立式膜正极
以与实施例1中相同的方式使用ALD方法在独立式CNT膜上包覆绝缘材料Al2O3，除了如下之外：使用作为Al2O3前体的三甲基铝(TMA)代替作为ZnO前体的二乙基锌。
锂空气电池的制备
实施例9
使用实施例1的正极、作为负极的锂金属薄膜、和玻璃纤维隔板(其是用作隔板的玻璃纤维材料)(GF/D微纤维滤纸，2.7μm孔径)，且另外，将150微升(μL)电解质溶液注入所述隔板中，在所述电解质溶液中，1M双(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiTFSI)溶解在三缩四(乙二醇)二甲基醚(TEGDME)中。
将用作负极的锂金属薄膜安装在不锈钢壳上，将隔板安装在负极上，将实施例1的正极安装在隔板上，并且将气体扩散层(可得自SGL Company，BA35)安装在正极上。随后，将不锈钢网设置在气体扩散层上，并且向其施加容许空气到达正极的压制构件以将单元电池固定，由此完成锂空气电池的制备。不锈钢壳可划分为接触正极的上部部分和接触负极的下部部分，且绝缘树脂可***上部和下部部分之间以使正极和负极电绝缘。图15显示根据实施方式的锂空气电池的示意性结构。
实施例10-16
以与实施例9中相同的方式各自制备锂空气电池，除了如下之外：使用实施例2-8的正极。
对比例4-6
以与实施例9中相同的方式各自制备锂空气电池，除了如下之外：使用对比例1-3的正极。
评价实施例1：拉曼光谱的测量
各自测量实施例1和2以及对比例1的正极的拉曼光谱，且通过计算在约1353cm-1处测量的D带峰(ID)对在约1583cm-1处测量的G带峰(IG)的强度比得到的结果示于表1以及图3A和3B中。图3A显示实施例1和2以及对比例1的拉曼光谱，且图3B为图3A中的图的左侧的放大图。另外，测量实施例5的正极的拉曼光谱，且通过计算在约1353cm-1处测量的D带峰(ID)对在约1583cm-1处测量的G带峰(IG)的强度比得到的结果示于表1中。
表1
峰的强度比(ID/IG)
实施例1 0.96
实施例2 0.89
实施例5 0.86
对比例1 1.07
如表1以及图3A和3B中所示，各自包括包覆在CNT的表面上的半导电ZnO的实施例1、2和5的碳复合物具有降低的得自有缺陷的或无序的(不正常的)碳(金刚石)结构的D带的峰强度(ID)，但具有增加的得自石墨结构的G带的峰强度。
即，在实施例1、2和5各自的碳复合物的表面上较小可能形成无序结构，而更有可能形成石墨化的结晶碳结构以由此增加结晶性。在这点上，认为CNT的缺陷可通过在CNT的表面的有缺陷的部分上包覆非绝缘ZnO进行修复。
另外，关于包括具有比实施例1的ZnO的包覆厚度大的包覆厚度的ZnO的实施例2的正极，与实施例1的正极相比，实施例2的正极具有显著降低的峰强度比。因此，证实实施例2的正极呈现出显著改善的结晶性。另外，关于由于热处理而具有增加的结晶度的实施例5的正极，证实与实施例1和2的正极相比，实施例5的正极呈现出显著降低的峰强度比。
评价实施例2：独立式CNT膜正极的充电/放电特性的评价
将实施例9、14和15以及对比例4和6的锂空气电池各自在25℃的温度和1atm的压力下以200mA/克碳(mA/g碳)的恒定电流放电直至电压达到2.0V(相对于Li)或1,000mAh/g碳，并且以相同的电流充电直至电压达到4.6V。然后，对直至在电池的放电期间在2.0V(相对于Li)的电压下保持至少600mAh/g碳的放电容量所进行的这样的充电和放电循环的数量进行计数。充电和放电测试的结果的一些示于表2以及图4-8中。图4-8分别为实施例9、实施例14、实施例15、对比例4和对比例6的电压对容量的图。
表2
如表2以及图4-8中所示，与包括仅包含碳芯的正极的对比例4的锂空气电池的那些相比，且与包括包含具有绝缘包覆层的碳复合物的正极的对比例6的锂空气电池相比，各自包括包含在碳芯上具有非绝缘包覆层的碳复合物的正极的实施例9、14和15的锂空气电池呈现出改善的寿命特性。
评价实施例3：13C正极的充电/放电特性的评价
将实施例12和16以及对比例5的锂空气电池各自在25℃的温度和1atm的压力下以130mA/g碳的恒定电流放电直至电压达到2.0V(相对于Li)或0.5mAh，然后以相同的电流充电直至电压达到4.6V。然后，对直至在电池的放电期间在电压2.0V(相对于Li)下保持至少0.3mAh的放电容量所进行的这样的充电和放电循环的数量进行计数。
将实施例13的锂空气电池在25℃的温度和1atm的压力下以200mA/g碳的恒定电流放电直至电压达到2.0V(相对于Li)或1,000mAh/g碳，并且以相同的电流充电直至电压达到4.6V。然后，对直至在电池的放电期间在2.0V(相对于Li)的电压下保持至少800mAh/g碳的放电容量所进行的这样的充电和放电循环的数量进行计数。充电和放电测试的结果的一些示于表3以及图9-12中。图9-12分别为实施例12、实施例13、对比例5和实施例16的电压对容量的图。
表3
如表2以及图9-12中所示，与包括仅包含碳芯的正极的对比例5的锂空气电池相比，各自包括包含在碳芯上具有非绝缘包覆层的碳复合物的正极的实施例12和13的锂空气电池呈现出显著改善的寿命特性。另外，包括通过热处理而具有碳复合物的改善的结晶性并且具有减少的缺陷的正极的实施例13的锂空气电池呈现出超过三倍的在寿命特性方面的增加。
评价实施例4：二氧化碳产生的测量
将实施例12和对比例5的锂空气电池各自在25℃的温度和1atm的压力下以200mA/g的恒定电流放电直至电压达到2.0V(相对于Li)，并且以相同的电流充电直至电压达到4.6V。然后，通过使用微分(差分)电化学质谱仪(DEMS)测量在这样的充电和放电循环期间产生的二氧化碳的量，且结果示于图13和14中。图13和14分别为实施例12和对比例5的气体析出对循环数的图。
如图13中所示，由实施例12的锂空气电池产生的二氧化碳的量在电池的充电和放电循环的开始时增加，并且在电池的第5次充电和放电循环之后减少。关于在电池的第5次充电和放电循环之后产生的二氧化碳的量的减少，不受理论束缚，认为通过ZnO在碳复合物的表面上的包覆抑制碳复合物的表面的恶化，使得其中碳从碳复合物的表面分离的副反应也减少。
然而，如图14中所示，随着在对比例5的锂空气电池中循环数增加，在其中产生的二氧化碳的量也不断地增加。关于所产生的二氧化碳的量的不断增加，不受理论束缚，认为碳表面的连续恶化还导致其中碳从碳复合物表面分离的副反应的增加。
证实，由于使用13C作为碳芯，由碳芯的恶化引起13CO2的排放。
如上所述，根据以上实施方式的一个或多个，包括具有新型结构的正极的锂空气电池的使用可改善锂空气电池的寿命特性。
应理解，本文中描述的实施方式应仅在描述的意义上考虑且不用于限制的目的。在各实施方式中的特征或方面的描述应被认为可用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。
尽管已经参照附图描述了实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不背离如由所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可在其中进行形式和细节方面的多种变化。

Claims (29)

1.空气电池正极，包括：
碳复合物，其包括
芯，和
设置在所述芯上的导电包覆层，
其中所述芯包括选自第一碳材料和第二碳材料的至少一种，
其中所述导电包覆层包括含金属的半导体。
2.如权利要求1所述的正极，其中所述含金属的半导体包含属于元素周期表的第2族到第16族的金属。
3.如权利要求1所述的正极，其中所述含金属的半导体包括：包含属于第14族的元素的半导体、包含属于第15族的元素的半导体、包含属于第16族的元素的半导体、包含属于第13和15族的元素的半导体、包含属于第12和16族的元素的半导体、包含属于第11和17族的元素的半导体、包含属于第14和16族的元素的半导体、包含属于第15和16族的元素的半导体、包含属于第12和15族的元素的半导体、以及包含属于第11、12和16族的元素的半导体。
4.如权利要求1所述的正极，其中所述含金属的半导体包括第2到16族的金属的氧化物、第2到16族的金属的硫化物、第2到16族的金属的氮化物、第2到16族的金属的氮氧化物、第2到16族的金属的磷化物、第2到16族的金属的砷化物、或其组合。
5.如权利要求1所述的正极，其中所述含金属的半导体包括其中0<a≤2且0<b≤2的ZnaOb、其中0<a≤2且0<b≤2的SnaOb、其中0<a≤2、0<b≤2且0<c≤2的SraTibOc、其中0<a≤2且2≤b≤4的TiaOb、其中0<a≤2、0<b≤2且2<c≤4的BaaTibOc、其中1<a≤3且0<b≤2的CuaOb、其中0<a≤2且0<b≤2的CuaOb、其中1≤a≤3且2≤b≤4的BiaOb、其中0<a≤2且1≤b≤3的FeaSb、其中0<a≤2且0<b≤2的SnaSb、其中1≤a≤3且2≤b≤4的BiaSb、其中1≤a≤3且2≤b≤4的BiaSeb、其中1≤a≤3且2≤b≤4的BiaTeb、其中0<a≤2且1≤b≤3的SnaSb、其中0<a≤2且0<b≤2的PbaSb、其中0<a≤2且0<b≤2的ZnaSb、其中0<a≤2且1≤b≤3的MoaSb、其中0<a≤2且0<b≤2的PbaTeb、其中0<a≤2且0<b≤2的SnaTeb、其中0<a≤2且0<b≤2的GaaNb、其中0<a≤2且0<b≤2的GaaPb、其中0<a≤2且0<b≤2的BaPb、其中0<a≤2且0<b≤2的BaaSb、其中0<a≤2且0<b≤2的GaaAsb、其中0<a≤2且0<b≤2的ZnaSeb、其中0<a≤2且0<b≤2的ZnaTeb、其中0<a≤2且0<b≤2的CdaTeb、其中0<a≤2且0<b≤2的CdaSeb、或其组合。
6.如权利要求1所述的正极，其中所述含金属的半导体包括ZnO、SnO、SrTiO、BaTiO3、TiO2、Cu2O、CuO、Bi2O3、FeS2、SnS、Bi2S3、Bi2Se3、Bi2Te3、SnS2、PbS、ZnS、MoS2、PbTe、SnTe、GaN、GaP、BP、BaS、GaAs、ZnSe、ZnTe、CdTe、CdSe、或其组合。
7.如权利要求1所述的正极，其中所述含金属的半导体具有5.0电子伏或更小的带隙能量。
8.如权利要求1所述的正极，其中所述含金属的半导体在20℃的温度下具有1×107欧姆厘米或更小的电阻率。
9.如权利要求1所述的正极，其中所述导电包覆层具有20纳米或更小的厚度。
10.如权利要求1所述的正极，其中所述导电包覆层为设置在所述芯的表面上的不连续的层。
11.如权利要求1所述的正极，其中所述导电包覆层以在所述芯的表面上的导电包覆层的岛的形式设置在所述芯上。
12.如权利要求1所述的正极，其中所述芯为球、棒、片、管、或其组合的形式。
13.如权利要求1所述的正极，其中所述第一碳材料包括炭黑、科琴黑、乙炔黑、天然石墨、人造石墨、膨胀石墨、石墨烯、氧化石墨烯、富勒烯烟灰、中间相碳微球、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米带、软碳、硬碳、沥青碳、中间相沥青碳化产物、烧结焦炭、或其组合。
14.如权利要求1所述的正极，其中所述第一碳材料包括结晶碳。
15.如权利要求1所述的正极，其中在拉曼光谱中，所述碳复合物的D带强度对G带强度之比为1或更小。
16.如权利要求1所述的正极，进一步包括催化剂，其中所述催化剂包括金属颗粒、金属氧化物纳米颗粒、或其组合。
17.如权利要求1所述的正极，其中所述碳复合物不包括用于氧的氧化或还原的催化剂，其中所述催化剂包括金属颗粒、金属氧化物纳米颗粒、或其组合。
18.如权利要求1所述的正极，其中所述第二碳材料为所述第一碳材料的热处理的产物。
19.如权利要求18所述的正极，其中所述热处理在700℃-2,500℃范围内的温度下进行。
20.如权利要求1所述的正极，其中在所述碳复合物中，所述第二碳材料的比表面积为所述第一碳材料的比表面积的90％或更小。
21.如权利要求1所述的正极，其中，在拉曼光谱中，所述第二碳材料的D带强度对G带强度之比为所述第一碳材料的D带强度对G带强度之比的90％或更小。
22.如权利要求1所述的正极，其中基于100重量份的所述芯，所述含金属的半导体的量在1重量份-300重量份的范围内。
23.锂空气电池，包括，
如权利要求1-22任一项所述的正极；
负极；以及
设置在所述正极和所述负极之间的电解质层。
24.如权利要求23所述的锂空气电池，其中当通过将所述锂空气电池充电和放电到相对于锂的2伏的放电截止电压进行测量时，所述锂空气电池的放电容量保持在第一次循环的放电容量的80％或更大时的循环数大于20。
25.如权利要求24所述的锂空气电池，其中在第15次充电和放电循环时产生的二氧化碳的量小于在第10次循环时产生的二氧化碳的量。
26.制备如权利要求1-22任一项所述的正极的方法，所述方法包括：
提供第一碳材料；和
通过在所述第一碳材料上设置导电包覆层而制备碳复合物以制备所述正极，所述导电包覆层包括含金属的半导体。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述导电包覆层的设置包括沉积方法。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述沉积方法包括原子层沉积、物理气相沉积、或化学气相沉积。
29.如权利要求26所述的方法，进一步包括将所述碳复合物在700℃-2,500℃范围内的温度下热处理。
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