KR102565802B1 - Shape adaptable cable type flexible alkali metal battery - Google Patents

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유-센 수
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Abstract

(a) 세공 및 제1 전극 활물질과 제1 전해질의 제1 혼합물을 갖는 전기 전도성 다공질 로드를 포함하고, 제1 혼합물은 다공질 로드의 세공 내에 존재하는 제1 전극; (b) 제1 전극을 둘러싸는 다공질 세퍼레이터; (c) 다공질 세퍼레이터를 둘러싸거나 감싸는 전기 전도성 다공질 층을 포함하고, 전도성 다공질 층은 세공 및 제2 전극 활물질과 제2 전해질의 제2 혼합물을 함유하고, 제2 혼합물은 다공질 층의 세공 내에 존재하는 제2 전극; 및 (d) 제2 전극을 둘러싸거나 감싸는 보호 케이싱 또는 패킹 튜브를 포함하는 케이블 형상의 알칼리 금속 전지가 제공된다.(a) a first electrode comprising an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte, the first mixture present in the pores of the porous rod; (b) a porous separator surrounding the first electrode; (c) an electrically conductive porous layer surrounding or surrounding the porous separator, the conductive porous layer containing pores and a second mixture of a second electrode active material and a second electrolyte, the second mixture present in the pores of the porous layer a second electrode; and (d) a protective casing or packing tube surrounding or surrounding the second electrode.

Description

형상 적응성 케이블형 플렉서블 알칼리 금속 전지Shape adaptable cable type flexible alkali metal battery

관련 출원에 대한 상호 참조CROSS REFERENCES TO RELATED APPLICATIONS

본 출원은 2016년 12월 20일 출원된 미국 특허 출원 15/384,749호, 및 2016년 12월 20일 출원된 미국 특허 출원 15/384,781호에 대해 우선권을 주장하며, 이들은 모두 본원에 참조로 포함된다.This application claims priority to U.S. Patent Application No. 15/384,749, filed on December 20, 2016, and U.S. Patent Application No. 15/384,781, filed on December 20, 2016, both of which are incorporated herein by reference. .

기술분야technology field

본 발명은 일반적으로, 플렉서블하고 형상 적응적이고 불연성인 케이블형 일차(비충전식) 및 이차(충전식) 알칼리 금속 전지 및 알칼리 이온 전지를 비롯한 리튬 전지, 나트륨 전지, 및 칼륨 전지의 분야에 관한 것이다.The present invention relates generally to the field of lithium, sodium, and potassium batteries, including flexible, shape-adaptable, non-flammable, cable-type primary (non-rechargeable) and secondary (rechargeable) alkali metal batteries and alkali ion batteries.

종래의 전지(예를 들어, 18650 타입 원통형 셀 및 직사각형 파우치 또는 각형 셀)는 기계적으로 강성이고, 이러한 비가요성 특징은 제한된 공간에서의 구현이나 웨어러블 장치에서의 사용에 대한 적응성 또는 가능성을 심각하게 제한하였다. 이러한 설계상의 한계를 극복하기 위해 형상 적응성 플렉서블 전력원이 사용될 수 있다. 이러한 새로운 전력원은 스마트 모바일 장치, 롤업 디스플레이, 웨어러블 장치, 및 바이오메디컬 센서와 같은 차세대 전자 장치의 개발을 가능하게 할 것이다. 형상 적응성 플렉서블 전력원은 또한 전기 차량의 무게 및 공간을 절약할 것이다.Conventional batteries (e.g., 18650 type cylindrical cells and rectangular pouches or prismatic cells) are mechanically rigid, and this inflexible feature severely limits their adaptability or potential for implementation in limited space or use in wearable devices. did To overcome these design limitations, a shape adaptable flexible power source may be used. These new power sources will enable the development of next-generation electronic devices such as smart mobile devices, roll-up displays, wearable devices, and biomedical sensors. A shape-adaptable flexible power source will also save weight and space in an electric vehicle.

리튬 이온 전지는 전기 차량(EV) 및 모바일 장치 응용분야를 위한 주요 후보 에너지 저장 장치이다. 지난 20년 동안 Li-이온 전지는 에너지 밀도, 방전 용량(rate capability), 및 안전성 측면에서 지속적으로 개선되어 왔지만, 훨씬 더 높은 에너지 밀도의 Li 금속 전지는 대체로 간과되어 왔다. 그러나, Li-이온 전지에서 흑연계 애노드를 사용하는 데에는 다음과 같은 몇 가지 중요한 단점이 있다: 낮은 비용량(specific capacity) (Li 금속에 대한 3,860 mAh/g와는 대조적으로 372 mAh/g인 이론적 용량), 긴 재충전 시간(예를 들어, 전기 차량 전지에서 7시간)을 필요로 하는 긴 Li 삽입 시간(예를 들어, 흑연 및 무기 산화물 입자 내부 및 외부로의 Li의 낮은 고상 확산 계수), 높은 펄스 전력 전달 불능(전력 밀도 << 1 kW/kg), 및 사전 리튬화된(pre-lithiated) 캐소드(예를 들어, 리튬 코발트 산화물)를 사용해야 할 필요성으로 인한 이용 가능한 캐소드 물질 선택의 제한. 또한, 일반적으로 사용되는 이러한 캐소드는 비교적 낮은 비용량(통상적으로는 200 mAh/g 미만)을 갖는다. 이러한 요인은 현재의 Li-이온 전지의 두 가지 주요 단점인, 낮은 중량 및 체적 에너지 밀도(통상적으로는 150~220 Wh/kg 및 450~600 Wh/L)와 낮은 전력 밀도(통상적으로는 0.5 kW/kg 미만 및 1.0 kW/L 미만)의 원인이었다(모두 전체 전지 셀 중량 또는 체적을 기준).Lithium ion batteries are a prime candidate energy storage device for electric vehicle (EV) and mobile device applications. Over the past 20 years, Li-ion batteries have continued to improve in terms of energy density, rate capability, and safety, but Li metal batteries with much higher energy densities have been largely overlooked. However, the use of graphite-based anodes in Li-ion cells has several significant drawbacks: low specific capacity (theoretical capacity of 372 mAh/g as opposed to 3,860 mAh/g for Li metal ), long Li intercalation times (eg, low solid-state diffusion coefficients of Li into and out of graphite and inorganic oxide particles) requiring long recharge times (eg, 7 hours in electric vehicle batteries), high pulse Limitation of available cathode material choices due to inability to deliver power (power density << 1 kW/kg), and need to use pre-lithiated cathodes (eg, lithium cobalt oxide). In addition, these commonly used cathodes have relatively low specific capacities (typically less than 200 mAh/g). These factors account for two major drawbacks of current Li-ion batteries: low gravimetric and volumetric energy densities (typically 150-220 Wh/kg and 450-600 Wh/L) and low power densities (typically 0.5 kW). /kg and less than 1.0 kW/L) (all based on total battery cell weight or volume).

새로이 떠오르는 EV 및 재생 가능한 에너지 산업은 현재의 Li 이온 전지 기술이 제공할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 중량 에너지 밀도(예를 들어, >> 250 Wh/kg, 바람직하게는 >> 300 Wh/kg 요구) 및 높은 전력 밀도(더 짧은 재충전 시간)를 갖는 충전식 전지의 이용 가능성을 요구한다. 또한, 소비자는 더 많은 에너지를 저장하는 더 작은 부피의 보다 소형의 휴대용 장치(예를 들면 스마트폰 및 태블릿)를 요구하기 때문에, 마이크로일렉트로닉스 산업은 훨씬 더 큰 체적 에너지 밀도(650 Wh/L 초과, 바람직하게는 750 Wh/L 초과)를 갖는 전지를 필요로 한다. 이러한 요구 사항들로부터 리튬 이온 전지에 대해 더 높은 비용량, 뛰어난 방전 용량, 및 우수한 사이클 안정성을 갖는 전극 재료의 개발에 관한 상당한 연구가 시도되었다.The emerging EV and renewable energy industries require significantly higher gravimetric energy densities than current Li-ion cell technologies can provide (e.g., >> 250 Wh/kg, preferably >> 300 Wh/kg). ) and the availability of rechargeable batteries with high power densities (shorter recharge times). Also, as consumers demand smaller portable devices (e.g., smartphones and tablets) with smaller volumes that store more energy, the microelectronics industry is pushing for even greater volumetric energy densities (>650 Wh/L, preferably greater than 750 Wh/L). From these requirements, considerable research has been attempted on the development of electrode materials with higher specific capacity, excellent discharge capacity, and excellent cycle stability for lithium ion batteries.

주기율표 III, IV, 및 V족의 여러 원소는 특정의 원하는 전압에서 Li와 합금을 형성할 수 있다. 따라서, 이러한 원소 및 일부 금속 산화물에 기반한 다양한 애노드 물질이 리튬 이온 전지용으로 제안되었다. 이들 중, 규소는 흑연에 비해 거의 10배 더 높은 이론적 중량 용량(LiC6의 경우 372 mAh/g인 반면 Li3.75Si를 기준으로는 3,5950 mAh/g)과 약 3배 더 큰 체적 용량을 가지므로 고에너지 리튬 이온 전지용 차세대 애노드 물질 중 하나로 인식되어 왔다. 그러나, 리튬 이온 합금화 및 탈합금화 (셀 충전 및 방전) 중의 Si의 급격한 체적 변화(최대 380%)는 종종 심각하고 급속한 전지 성능 열화를 초래한다. 성능 저하는 주로, Si의 체적 변화로 인한 분말화 및 바인더/전도성 첨가제가 분말화된 Si 입자와 집전체 간의 전기 접촉을 유지할 수 없음에 기인한다. 또한, 규소의 본질적으로 낮은 전기 전도도는 해결해야 할 또 다른 과제이다.Several elements from groups III, IV, and V of the periodic table can form alloys with Li at certain desired voltages. Accordingly, various anode materials based on these elements and some metal oxides have been proposed for lithium ion batteries. Of these, silicon has an almost 10-fold higher theoretical gravimetric capacity compared to graphite (372 mAh/g for LiC 6 versus 3,5950 mAh/g for Li 3.75 Si) and about 3-fold larger volumetric capacity compared to graphite. Therefore, it has been recognized as one of the next-generation anode materials for high-energy lithium-ion batteries. However, rapid volume changes (up to 380%) of Si during lithium ion alloying and de-alloying (cell charging and discharging) often result in severe and rapid cell performance degradation. The performance degradation is mainly due to the powdering due to the change in the volume of Si and the inability of the binder/conductive additive to maintain electrical contact between the powdered Si particles and the current collector. In addition, silicon's inherently low electrical conductivity is another challenge to be addressed.

몇몇 고용량 애노드 활물질(예를 들어 Si)이 발견되었지만, 이에 상응하는 이용 가능한 고용량 캐소드 물질은 없었다. Li-이온 전지에서 일반적으로 사용되는 현재의 캐소드 활물질은 다음과 같은 심각한 단점을 갖는다. (1) 현재의 캐소드 물질(예를 들어, 리튬 철 인산염 및 리튬 전이 금속 산화물)로 얻을 수 있는 실제 용량은 150~250 mAh/g, 대부분의 경우, 200 mAh/g 미만의 범위로 제한되어 있다. (2) 이러한 일반적으로 사용되는 캐소드 내부 및 외부로의 리튬의 삽입 및 추출은 매우 낮은 확산 계수(통상적으로는 10-8 내지 10-14 cm2/s)를 갖는 고체 입자 내 Li의 매우 느린 고상 확산에 의존하여, 매우 낮은 전력 밀도(현재의 리튬-이온 전지의 또 다른 오랜 문제점)를 초래한다. (3) 현재의 캐소드 물질은 전기적으로 열적으로 절연성이므로 전자와 열을 효과적이고 효율적으로 전달할 수 없다. 낮은 전기 전도도는 내부 저항이 높다는 것과 다량의 전도성 첨가제를 첨가할 필요가 있어 이미 낮은 용량을 갖는 캐소드에서 전기화학적으로 활성인 물질의 비율을 실질적으로 감소시킴을 의미한다. 낮은 열 전도도는 또한 리튬 전지 산업에서 주요 안전 문제인 열폭주를 받는 경향이 더 높다는 것을 의미한다.Although some high capacity anode active materials (e.g. Si) have been found, there are no correspondingly available high capacity cathode materials. Current cathode active materials commonly used in Li-ion batteries have the following serious drawbacks. (1) Actual capacities achievable with current cathode materials (e.g., lithium iron phosphate and lithium transition metal oxide) are limited to the range of 150 to 250 mAh/g, and in most cases less than 200 mAh/g; . (2) Intercalation and extraction of lithium into and out of these commonly used cathodes is a very slow solid phase of Li in solid particles with very low diffusion coefficients (typically 10 −8 to 10 −14 cm 2 /s). Depending on diffusion, it results in very low power densities (another long-standing problem with current lithium-ion batteries). (3) Current cathode materials are electrically and thermally insulative and cannot effectively and efficiently transfer electrons and heat. Low electrical conductivity means a high internal resistance and the need to add large amounts of conductive additives, substantially reducing the proportion of electrochemically active material in an already low capacity cathode. Low thermal conductivity also means they are more prone to thermal runaway, a major safety issue in the lithium battery industry.

나트륨은 풍부하고 나트륨의 생산은 리튬의 생산에 비해 훨씬 더 환경 친화적이므로, 완전히 다른 종류의 에너지 저장 장치로서, 나트륨 전지는 리튬 전지에 대한 매력적인 대안으로 간주되어 왔다. 또한, 리튬의 높은 비용은 중요한 문제이며, Na 전지는 잠재적으로 훨씬 더 낮은 비용을 가질 수 있다.Since sodium is plentiful and production of sodium is much more environmentally friendly than production of lithium, sodium batteries have been considered as an attractive alternative to lithium batteries as an entirely different type of energy storage device. Also, the high cost of lithium is a significant issue, and Na cells could potentially have much lower costs.

애노드와 캐소드 사이에서 전후로 바운싱(bouncing) 나트륨 이온(Na+)에 작동하는 두 가지 유형의 전지, 즉 애노드 활물질로서 Na 금속 또는 합금을 갖는 나트륨 금속 전지, 및 애노드 활물질로서 Na 삽입 화합물을 갖는 나트륨-이온 전지가 존재한다. 경질 탄소계 애노드 활물질(Na 삽입 화합물) 및 캐소드로서의 나트륨 전이 금속 인산염을 이용한 나트륨 이온 전지가 여러 연구 그룹에 의해 기술되었다(예를 들어, J. Barker 등의 미국 특허 7,759,008호(2010년 7월 20일) "Sodium Ion Batteries").There are two types of cells that operate on sodium ions (Na + ) bouncing back and forth between the anode and cathode: sodium metal cells with Na metal or alloy as the anode active material, and sodium-metal cells with Na intercalating compounds as the anode active material. Ionic cells exist. Sodium ion batteries using hard carbon-based anode active materials (Na intercalating compounds) and sodium transition metal phosphate as cathode have been described by several research groups (see, for example, US Patent 7,759,008 to J. Barker et al. (July 20, 2010) 1) "Sodium Ion Batteries").

그러나, 이들 나트륨 기반의 장치는 Li-이온 전지보다 훨씬 더 낮은 비에너지 및 방전 용량을 나타낸다. Na 삽입용 애노드 활물질 및 Na 삽입용 캐소드 활물질은 Li 저장 용량에 비해 더 낮은 Na 저장 용량을 갖는다. 예를 들어, 경질 탄소 입자는 300~360 mAh/g까지 Li 이온을 저장할 수 있지만, 동일한 물질은 150~250 mAh/g까지 Na 이온을 저장할 수 있고, K 이온 저장의 경우에는 100 mAh/g 미만으로 저장할 수 있다.However, these sodium-based devices exhibit much lower specific energy and discharge capacity than Li-ion cells. The anode active material for Na insertion and the cathode active material for Na insertion have a lower Na storage capacity compared to the Li storage capacity. For example, hard carbon particles can store Li ions up to 300-360 mAh/g, but the same material can store Na ions up to 150-250 mAh/g, and less than 100 mAh/g for K ion storage. can be saved as

나트륨 금속 셀의 애노드 활물질로서, 경질 탄소 또는 다른 탄소질 삽입 화합물 대신 나트륨 금속이 사용될 수 있다. 그러나, 애노드 활물질로서 금속 나트륨의 사용은 덴드라이트 형성, 계면 에이징, 및 전해질 비호환성 문제로 인해 일반적으로 바람직하지 않고 위험한 것으로 간주된다.As the anode active material of the sodium metal cell, sodium metal may be used instead of hard carbon or other carbonaceous intercalating compounds. However, the use of metallic sodium as an anode active material is generally considered undesirable and risky due to problems with dendrite formation, interfacial aging, and electrolyte incompatibility.

저용량 애노드 또는 캐소드 활물질이 알칼리 금속-이온 전지 산업이 직면한 유일한 문제는 아니다. 리튬-이온 전지 산업이 인식하지 못한 것으로 보이거나 대체로 무시해온 심각한 설계 및 제조 문제들이 존재한다. 예를 들어, 공개 문헌 및 특허 문헌에서 자주 주장되는 바와 같이 (애노드 또는 캐소드 활물질 중량만을 기준으로 한) 전극 수준에서의 높은 중량 용량에도 불구하고, 이들 전극은 불행히도 (전체 전지 셀 중량 또는 팩 중량을 기준으로 한) 전지 셀 또는 팩 수준에서 고용량을 갖는 전지를 제공하지 못한다. 이는, 이러한 보고에서, 전극의 실제 활물질 질량 공급량(mass loading)이 너무 낮다는 개념 때문이다. 대부분의 경우, 애노드의 활물질 질량 공급량(면적 밀도)은 15 mg/cm2보다 훨씬 더 낮으며 대부분은 8 mg/cm2 미만이다(면적 밀도 = 전극 두께 방향을 따른 전극 단면적당 활물질의 양). 캐소드 활물질 양은 애노드 활물질보다 통상적으로 1.5~2.5배 더 많다. 그 결과, 리튬-이온 전지 내의 애노드 활물질(예를 들어, 흑연 또는 탄소)의 중량 비율은 통상적으로 12% 내지 17%이고 캐소드 활물질(예를 들어, LiMn2O4)의 중량 비율은 17% 내지 35%(대부분 30% 미만)이다. 캐소드 활물질과 애노드 활물질을 합한 중량 분율은 통상적으로 셀 중량의 30% 내지 45%이다.Low capacity anode or cathode active materials are not the only problems facing the alkali metal-ion battery industry. There are serious design and manufacturing issues that the lithium-ion battery industry seems to be unaware of or has largely ignored. For example, despite the high gravimetric capacities at the electrode level (based only on anode or cathode active material weight), as often claimed in the published literature and patent literature, these electrodes are unfortunately (in terms of total battery cell weight or pack weight) standard) does not provide a battery having a high capacity at the level of a battery cell or pack. This is due to the notion that, in this report, the actual active material mass loading of the electrode is too low. In most cases, the mass supply of active material (area density) in the anode is much lower than 15 mg/cm 2 and in most cases is less than 8 mg/cm 2 (area density = amount of active material per electrode cross-sectional area along the electrode thickness direction). The amount of cathode active material is usually 1.5 to 2.5 times greater than that of anode active material. As a result, the weight proportion of the anode active material (eg graphite or carbon) in a lithium-ion battery is typically 12% to 17% and the weight proportion of the cathode active material (eg LiMn 2 O 4 ) is 17% to 17%. 35% (mostly less than 30%). The combined weight fraction of the cathode active material and the anode active material is usually 30% to 45% of the cell weight.

활물질 질량 공급량이 낮은 것은 주로, 종래의 슬러리 코팅 방법을 사용해 더 두꺼운 (100~200 μm보다 두꺼운) 전극을 얻을 수 없기 때문이다. 이는 생각할 수 있는 만큼 사소한 일이 아니며, 실제로, 전극 두께는 셀 성능을 최적화하기 위해 임의로 자유롭게 변경될 수 있는 설계 파라미터가 아니다. 이는 제조 한계이다. 또한, 더 두꺼운 샘플은 극도로 취성이 되거나 구조적 완전성이 나빠지는 경향이 있으며, 다량의 바인더 수지의 사용을 또한 필요로 할 것이다. (얇은 전극 및 낮은 충전 밀도와 관련된) 낮은 면적 밀도 및 낮은 체적 밀도는 전지 셀의 상대적으로 낮은 체적 용량 및 낮은 체적 에너지 밀도를 초래한다. 나트륨-이온 전지 및 칼륨-이온 전지도 유사한 문제가 있다.The low active material mass supply is mainly because thicker electrodes (thicker than 100-200 μm) cannot be obtained using the conventional slurry coating method. This is not as trivial as one might think, and in practice, electrode thickness is not a design parameter that can be arbitrarily changed freely to optimize cell performance. This is a manufacturing limit. Also, thicker samples tend to be extremely brittle or have poor structural integrity, and will also require the use of large amounts of binder resin. Low areal densities (related to thin electrodes and low packing densities) and low volume densities result in relatively low volumetric capacities and low volumetric energy densities of battery cells. Sodium-ion batteries and potassium-ion batteries have similar problems.

이 외에도, 두꺼운 전극은 또한 기계적으로 강성이고, 플렉서블하지 않고, 구부릴 수 없으며, 원하는 형상에 부합되지 않는다. 이와 같이, 종래의 알칼리 금속 전지에 있어서, 높은 체적/중량 에너지 밀도와 기계적 가요성은 상호 배타적인 것으로 보인다.Besides this, thick electrodes are also mechanically rigid, inflexible, inflexible, and do not conform to a desired shape. Thus, in conventional alkali metal batteries, high volume/weight energy density and mechanical flexibility appear to be mutually exclusive.

보다 소형의 휴대용 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 증가함에 따라, 전지의 체적의 이용률을 증가시키려는 관심이 높아지고 있다. 높은 체적 용량 및 높은 질량 공급량을 가능하게 하는 신규의 전극 재료 및 설계는 알칼리 금속 전지의 향상된 셀 체적 용량 및 에너지 밀도를 달성하는 데 필수적이다.As the demand for more compact and portable energy storage systems increases, there is a growing interest in increasing the utilization rate of the volume of the battery. Novel electrode materials and designs that enable high volumetric capacities and high mass feeds are essential to achieving improved cell volumetric capacities and energy densities of alkali metal batteries.

따라서, 높은 활물질 공급량(높은 면적 밀도), 겉보기 밀도(탭 밀도)가 높은 활물질, 전자 및 이온 전달 속도를 크게 감소시키지 않으면서(예를 들어, 높은 전자 전달 저항 또는 긴 리튬 또는 나트륨 이온 확산 경로 없이) 두꺼운 전극 두께, 높은 체적 용량, 및 높은 체적 에너지 밀도를 갖는 알칼리 금속 전지에 대한 분명하고 시급한 필요성이 있다.Thus, high active material supply (high areal density), active material with high apparent density (tap density), without significantly reducing electron and ion transport rates (e.g., without high electron transfer resistance or long lithium or sodium ion diffusion paths). ) There is a clear and urgent need for alkali metal batteries with thick electrode thickness, high volumetric capacity, and high volumetric energy density.

이러한 속성은 생성된 전지의 가요성, 형상 적응성, 및 안전성과 함께 달성되어야 한다.These attributes must be achieved along with flexibility, shape adaptability, and safety of the resulting battery.

본 발명은 케이블 형상의 알칼리 금속 전지를 제공하며, 알칼리 금속은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 다시 말해, 전지는 Li 금속 전지, Li-이온 전지, 나트륨 금속 전지, Na-이온 전지, 칼륨 금속 전지, 칼륨-이온 전지, 하이브리드 Li/Na, Li/K, Na/K, 및 Li/Na/K 전지일 수 있다.The present invention provides a cable-shaped alkali metal battery, wherein the alkali metal is selected from Li, Na, K, or a combination thereof. In other words, the battery can be Li metal battery, Li-ion battery, sodium metal battery, Na-ion battery, potassium metal battery, potassium-ion battery, hybrid Li/Na, Li/K, Na/K, and Li/Na/ It may be a K cell.

전지는 (a) 세공 및 제1 전극 활물질(전도성 첨가제 또는 바인더는 선택 사항이고, 필수 사항이 아니고 바람직하지 않음)과 제1 전해질의 제1 혼합물을 갖는 전기 전도성 다공질 로드를 포함하고, 제1 혼합물은 다공질 로드의 세공 내에 존재하는 제1 전극; (b) 제1 전극을 둘러싸는 다공질 세퍼레이터; (c) 다공질 세퍼레이터를 둘러싸거나 감싸는 전기 전도성 다공질 층을 포함하고, 전도성 다공질 층은 세공 및 제2 전극 활물질(전도성 첨가제 또는 바인더는 선택 사항이고, 필수 사항이 아님)과 제2 전해질의 제2 혼합물을 함유하고, 제2 혼합물은 다공질 층의 세공 내에 존재하는 제2 전극; 및 (d) 제2 전극을 둘러싸거나 감싸는 보호 케이싱 또는 패킹 튜브(케이블 외피)를 포함한다. 제1 전해질은 제2 전해질과 동일하거나 상이할 수 있다.The cell includes (a) an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material (a conductive additive or binder is optional, not required and not preferred) and a first electrolyte, the first mixture a first electrode present in the pores of the silver porous rod; (b) a porous separator surrounding the first electrode; (c) an electrically conductive porous layer surrounding or enclosing the porous separator, the conductive porous layer comprising pores and a second mixture of a second electrode active material (a conductive additive or binder is optional but not required) and a second electrolyte. and wherein the second mixture is present in the pores of the porous layer; and (d) a protective casing or packing tube (cable sheath) surrounding or surrounding the second electrode. The first electrolyte may be the same as or different from the second electrolyte.

이 알칼리 금속 전지에서, 제1 전극은 음극(또는 애노드)이고 제2 전극은 양극(또는 캐소드)이다. 일부 대안적 구현예에서, 제2 전극은 음극 또는 애노드이고 제1 전극은 양극 또는 캐소드이다.In this alkali metal cell, the first electrode is the negative electrode (or anode) and the second electrode is the positive electrode (or cathode). In some alternative embodiments, the second electrode is the cathode or anode and the first electrode is the anode or cathode.

특정 구현예에서, 제1 전극은 (삽입 화합물이 아닌) Li, Na, 및/또는 K 금속을 애노드 활물질로서 함유한다. 따라서, 케이블 형상의 알칼리 금속 전지는 (A) 세공 및 제1 전극 활물질과 선택적 제1 전해질(바람직하지만 항상 필요하지는 않음)의 제1 혼합물을 갖는 전기 전도성 다공질 로드를 포함하고, 제1 전극 활물질은 리튬, 나트륨, 또는 이들의 조합이고 제1 혼합물은 다공질 로드의 세공 내에 존재하는 제1 전극(이 경우에는 애노드); (B) 제1 전극을 둘러싸는 다공질 세퍼레이터; (C) 다공질 세퍼레이터를 둘러싸거나 감싸는 전기 전도성 다공질 층을 포함하고, 전도성 다공질 층은 세공 및 제2 전극 활물질과 제2 전해질의 제2 혼합물을 함유하고, 제2 혼합물은 다공질 층의 세공 내에 존재하는 제2 전극; 및 (D) 제2 전극을 둘러싸거나 감싸는 보호 케이싱 또는 패킹 튜브를 포함한다. 대안적으로, (A)에서, 제1 전극은 (다공질 발포체가 아닌) 전도성 로드를 포함하고, 제1 혼합물은 이 전도성 로드의 표면에 코팅되거나 증착된다. 이 로드는 금속 와이어, 전도성 고분자 섬유 또는 얀, 탄소 또는 흑연 섬유 또는 얀, 또는 다중 와이어, 섬유, 또는 얀처럼 단순할 수 있다.In certain embodiments, the first electrode contains Li, Na, and/or K metals (other than intercalating compounds) as active anode materials. Accordingly, a cable-shaped alkali metal cell includes (A) an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and an optional first electrolyte (preferred, but not always necessary), the first electrode active material comprising: a first electrode (in this case, an anode) of lithium, sodium, or a combination thereof and the first mixture being within the pores of the porous rod; (B) a porous separator surrounding the first electrode; (C) an electrically conductive porous layer surrounding or surrounding the porous separator, the conductive porous layer containing pores and a second mixture of a second electrode active material and a second electrolyte, the second mixture present in the pores of the porous layer a second electrode; and (D) a protective casing or packing tube surrounding or surrounding the second electrode. Alternatively, in (A), the first electrode comprises a conductive rod (not a porous foam) and the first mixture is coated or deposited on the surface of the conductive rod. This rod can be as simple as a metal wire, a conductive polymer fiber or yarn, a carbon or graphite fiber or yarn, or multiple wires, fibers, or yarns.

특정 구현예에서, 제2 전극은 Li, Na, 및/또는 K 금속을 애노드 활물질로서 함유한다. 이와 같이, 케이블 형상의 알칼리 금속 전지는 (a) 세공 및 제1 전극 활물질과 제1 전해질의 제1 혼합물을 갖는 전기 전도성 다공질 로드를 포함하고, 제1 혼합물은 다공질 로드의 세공 내에 존재하는 제1 전극; (b) 제1 전극을 둘러싸는 다공질 세퍼레이터; (c) 다공질 세퍼레이터를 둘러싸거나 감싸는 전기 전도성 다공질 층을 포함하고, 전도성 다공질 층은 세공 및 제2 전극 활물질과 선택적 제2 전해질의 제2 혼합물을 함유하고, 제2 전극 활물질은 리튬, 나트륨, 또는 이들의 조합이고, 제2 혼합물은 다공질 층의 세공 내에 존재하는 제2 전극; 및 (d) 제2 전극을 둘러싸거나 감싸는 보호 케이싱 또는 패킹 튜브를 포함한다. 대안적으로, (c)에서, 제2 전극은 세퍼레이터층과 케이블 외피 사이에 배치된 Li, Na, 및/또는 K 금속의 층, 또는 Li, Na, 및/또는 K 금속으로 증착된 집전체(예를 들어, Cu 호일, Ni 호일, 스테인리스강 호일과 같은 금속 호일, 또는 탄소 천)의 층을 포함한다.In certain embodiments, the second electrode contains Li, Na, and/or K metal as an active anode material. As such, the cable-shaped alkali metal battery includes (a) an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte, wherein the first mixture is present in the pores of the porous rod; electrode; (b) a porous separator surrounding the first electrode; (c) an electrically conductive porous layer surrounding or surrounding the porous separator, the conductive porous layer containing pores and a second mixture of a second electrode active material and an optional second electrolyte, wherein the second electrode active material is lithium, sodium, or a combination thereof, and the second mixture is a second electrode present in the pores of the porous layer; and (d) a protective casing or packing tube surrounding or surrounding the second electrode. Alternatively, in (c), the second electrode is a layer of Li, Na, and/or K metal disposed between the separator layer and the cable sheath, or a current collector deposited with Li, Na, and/or K metal ( For example, Cu foil, Ni foil, metal foil such as stainless steel foil, or carbon cloth).

특정 구현예에서, 케이블 형상의 전지는 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 제1 전극은 제1 전극에 내장되거나, 연결되거나, 일체화된 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 고분자 섬유를 포함하는 제1 단자 커넥터를 포함한다. 바람직한 특정 구현예에서, 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 고분자 섬유는 대략 제1 단부에서 제2 단부까지 이어진다. 바람직하게, 이 와이어 또는 섬유는 전자 장치 또는 외부 회로 또는 부하에 연결하기 위한 단자 탭이 되도록 제1 단부 또는 제2 단부로부터 돌출된다.In certain embodiments, a cable-shaped battery has a first end and a second end, and the first electrode is at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive that is embedded in, connected to, or integrated with the first electrode. and a first terminal connector comprising a polymer fiber. In certain preferred embodiments, at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymeric fiber runs from approximately the first end to the second end. Preferably, this wire or fiber protrudes from either the first end or the second end to be a terminal tab for connection to an electronic device or an external circuit or load.

대안적으로 또는 부가적으로, 케이블 형상의 전지는 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 제2 전극은 제2 전극에 내장되거나, 연결되거나, 일체화된 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 고분자 섬유를 포함하는 제2 단자 커넥터를 포함한다. 특정 구현예에서, 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 고분자 섬유는 대략 상기 제1 단부에서 상기 제2 단부까지 이어진다. 바람직하게, 이 와이어 또는 섬유는 전자 장치 또는 외부 회로 또는 부하에 연결하기 위한 단자 탭이 되도록 제1 단부 또는 제2 단부로부터 돌출된다.Alternatively or additionally, the cable-shaped battery has a first end and a second end, and the second electrode is at least one metal wire embedded in, connected to, or integrated with the second electrode, a conductive carbon/graphite fiber. , or a second terminal connector including a conductive polymer fiber. In certain embodiments, at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymeric fiber runs from approximately the first end to the second end. Preferably, this wire or fiber protrudes from either the first end or the second end to be a terminal tab for connection to an electronic device or an external circuit or load.

제1 전극의 전기 전도성 다공질 로드 또는 제2 전극의 전기 전도성 다공질 층은 금속 발포체, 금속 웹, 금속 섬유 매트, 금속 나노와이어 매트, 전도성 고분자 섬유 매트, 전도성 고분자 발포체, 전도성 고분자-코팅 섬유 발포체, 탄소 발포체, 흑연 발포체, 탄소 에어로겔, 그래핀 에어로겔, 탄소 제로겔, 그래핀 발포체, 그래핀 산화물 발포체, 환원된 그래핀 산화물 발포체, 탄소 섬유 발포체, 흑연 섬유 발포체, 박리 흑연 발포체, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 다공질 발포체를 함유할 수 있다. 이들 발포체는 매우 잘 변형되는 형상 적응성 구조로 제조될 수 있다.The electrically conductive porous rod of the first electrode or the electrically conductive porous layer of the second electrode may be metal foam, metal web, metal fiber mat, metal nanowire mat, conductive polymer fiber mat, conductive polymer foam, conductive polymer-coated fiber foam, carbon selected from foam, graphite foam, carbon airgel, graphene airgel, carbon xerogel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or combinations thereof It may contain a porous foam. These foams can be made into conformable structures that deform very well.

이들 발포체 구조는 70% 초과, 더 통상적으로 바람직하게는 80% 초과, 훨씬 더 통상적으로 바람직하게는 90% 초과, 가장 바람직하게는 95% 초과의 공극률 수준으로 용이하게 제조될 수 있다(그래핀 에어로겔은 99% 공극률 수준을 초과할 수 있음). 이들 발포체의 골격 구조(세공 벽)는 전자 전도 경로의 3D 네트워크를 형성하는 한편, 세공은 전도성 첨가제 또는 바인더 수지의 사용 없이 전극 활물질(애노드의 애노드 활물질 또는 캐소드의 캐소드 활물질)의 많은 부분을 수용할 수 있다.These foam structures can be readily manufactured with porosity levels of greater than 70%, more typically preferably greater than 80%, even more commonly and preferably greater than 90% and most preferably greater than 95% (graphene aerogels). may exceed the 99% porosity level). The skeletal structure (pore walls) of these foams forms a 3D network of electron conduction pathways, while the pores can accommodate a large portion of the electrode active material (anode active material in the anode or cathode active material in the cathode) without the use of conductive additives or binder resins. can

발포체는 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 육각형, 중공형, 또는 불규칙한 형상의 단면을 가질 수 있다. 발포체 구조의 단면 형상에 대한 특별한 제한은 없다. 전지는 길이와 직경 또는 두께 및 종횡비(길이/두께 또는 길이/직경 비)가 10을 초과, 바람직하게는 15를 초과, 더 바람직하게는 20을 초과, 더욱 바람직하게는 30을 초과, 훨씬 더 바람직하게는 50 또는 100을 초과하는 케이블 형상을 갖는다. 케이블 전지의 길이 또는 직경(또는 두께)에 대한 제한은 없다. 두께 또는 직경은 통상적으로 바람직하게 100 nm 내지 10 cm, 더 바람직하게 통상적으로는 1 μm 내지 1 cm, 가장 통상적으로는 10 μm 내지 1 mm이다. 길이는 1 μm 내지 수 십 미터 또는 (원하는 경우) 심지어 수 백 미터까지 이어질 수 있다.The foam may have a cross section of round, oval, rectangular, square, hexagonal, hollow, or irregular shape. There are no particular restrictions on the cross-sectional shape of the foam structure. The cell has a length and diameter or thickness and aspect ratio (length/thickness or length/diameter ratio) greater than 10, preferably greater than 15, more preferably greater than 20, even more preferably greater than 30, even more preferably It has a cable shape that exceeds 50 or 100. There are no restrictions on the length or diameter (or thickness) of the cable battery. The thickness or diameter is usually preferably between 100 nm and 10 cm, more preferably between 1 μm and 1 cm, most typically between 10 μm and 1 mm. The length can be from 1 μm to tens of meters or (if desired) even to hundreds of meters.

일부 구현예에서, 제1 전극 또는 제2 전극은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합의 입자, 호일, 또는 코팅을 전극 활물질로서 포함한다.In some embodiments, the first electrode or the second electrode includes particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as the active electrode material.

본 발명의 특정 구현예에서, 알칼리 금속 전지는 리튬-이온 전지이고, 제1 또는 제2 전극 활물질은 (a) 천연 흑연, 인조 흑연, 메소탄소 마이크로비드(MCMB), 및 탄소의 입자; (b) 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 철(Fe), 및 카드뮴(Cd); (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, 또는 Cd와 다른 원소와의 화학양론적 또는 비화학양론적 합금 또는 금속간 화합물; (d) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, 또는 Cd, 및 이들의 혼합물 또는 복합체의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물, 및 텔루르화물; (e) 이들의 사전 리튬화된 형태; (f) 사전 리튬화된 그래핀 시트; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.In certain embodiments of the present invention, the alkali metal cell is a lithium-ion cell, and the first or second electrode active material is (a) particles of natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), and carbon; (b) Silicon (Si), Germanium (Ge), Tin (Sn), Lead (Pb), Antimony (Sb), Bismuth (Bi), Zinc (Zn), Aluminum (Al), Nickel (Ni), Cobalt ( Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd); (c) stoichiometric or non-stoichiometric alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with other elements; (d) oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenium of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd, and mixtures or complexes thereof. cargo, and tellurium cargo; (e) their pre-lithiated form; (f) a pre-lithiated graphene sheet; and combinations thereof.

사전 리튬화된 그래핀 시트는 순수(pristine) 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 붕소-도핑된 그래핀, 질소-도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 이들의 물리적 또는 화학적으로 활성화되거나 에칭된 형태, 또는 이들의 조합의 사전 리튬화된 형태로부터 선택될 수 있다.Pre-lithiated graphene sheets include pristine graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, and nitrated graphene. , boron-doped graphene, nitrogen-doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched forms thereof, or pre-lithiated forms of combinations thereof. .

일부 구현예에서, 알칼리 금속 전지는 나트륨-이온 전지이고, 제1 또는 제2 전극 활물질은 석유 코크스, 카본 블랙, 비정질 탄소, 활성탄, 경질 탄소, 연질 탄소, 주형 탄소, 중공 탄소 나노와이어, 중공 탄소 구체, 티탄산염, NaTi2(PO4)3, Na2Ti3O7, Na2C8H4O4, Na2TP, NaxTiO2 (x = 0.2 내지 1.0), Na2C8H4O4, 카복실레이트계 물질, C8H4Na2O4, C8H6O4, C8H5NaO4, C8Na2F4O4, C10H2Na4O8, C14H4O6, C14H4Na4O8, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 알칼리 삽입 화합물을 함유한다.In some embodiments, the alkali metal cell is a sodium-ion cell, and the first or second electrode active material is petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, soft carbon, template carbon, hollow carbon nanowires, hollow carbon sphere, titanate, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 C 8 H 4 O 4 , Na 2 TP, Na x TiO 2 (x = 0.2 to 1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4 , carboxylate material, C 8 H 4 Na 2 O 4 , C 8 H 6 O 4 , C 8 H 5 NaO 4 , C 8 Na 2 F 4 O 4 , C 10 H 2 Na 4 O 8 , an alkali intercalating compound selected from C 14 H 4 O 6 , C 14 H 4 Na 4 O 8 , or a combination thereof.

일부 구현예에서, 알칼리 금속 전지는 나트륨-이온 전지이고, 제1 또는 제2 전극 활물질은 (a) 나트륨- 또는 칼륨-도핑된 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 카드뮴(Cd), 및 이들의 혼합물; (b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, 및 이들의 혼합물의 나트륨- 또는 칼륨-함유 합금 또는 금속간 화합물; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, 및 이들의 혼합물 또는 복합체의 나트륨- 또는 칼륨-함유 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물, 텔루르화물, 또는 안티몬화물; (d) 나트륨 또는 칼륨 염; 및 (e) 나트륨 또는 칼륨이 사전 공급된 그래핀 시트; 및 이들의 조합의 물질 군으로부터 선택되는 알칼리 삽입 화합물을 함유한다.In some embodiments, the alkali metal cell is a sodium-ion cell, and the first or second active electrode material is (a) sodium- or potassium-doped silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead ( Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), cadmium (Cd), and these a mixture of; (b) sodium- or potassium-containing alloys or intermetallics of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof; (c) sodium- or potassium-containing oxides, carbides, nitrides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or complexes thereof; sulfide, phosphide, selenide, telluride, or antimonide; (d) sodium or potassium salts; and (e) a graphene sheet pre-supplied with sodium or potassium; and an alkali intercalating compound selected from the group of substances of combinations thereof.

일부 바람직한 구현예에서, 제2 또는 제1 전극 활물질은 리튬 코발트 산화물, 도핑된 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 도핑된 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 도핑된 리튬 망간 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 도핑된 리튬 바나듐 산화물, 리튬 혼합 금속 산화물, 리튬 철 인산염, 리튬 바나듐 인산염, 리튬 망간 인산염, 리튬 혼합 금속 인산염, 금속 황화물, 리튬 셀렌화물, 리튬 폴리설파이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 리튬 삽입 화합물 또는 리튬 흡수 화합물을 함유한다.In some preferred embodiments, the second or first electrode active material is lithium cobalt oxide, doped lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, doped lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, doped lithium manganese oxide, lithium vanadium oxide, doped A lithium intercalating compound selected from the group consisting of lithium vanadium oxide, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium manganese phosphate, lithium mixed metal phosphate, metal sulfide, lithium selenide, lithium polysulfide, and combinations thereof; or Contains a lithium absorbing compound.

특정 구현예에서, 제2 또는 제1 전극 활물질은 NaFePO4, Na(1-x)KxPO4, KFePO4, Na0.7FePO4, Na1.5VOPO4F0.5, Na3V2(PO4)3, Na3V2(PO4)2F3, Na2FePO4F, NaFeF3, NaVPO4F, KVPO4F, Na3V2(PO4)2F3, Na1.5VOPO4F0.5, Na3V2(PO4)3, NaV6O15, NaxVO2, Na0.33V2O5, NaxCoO2, Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2, Nax(Fe1/2Mn1/2)O2, NaxMnO2, λ-MnO2, NaxK(1-x)MnO2, Na0.44MnO2, Na0.44MnO2/C, Na4Mn9O18, NaFe2Mn(PO4)3, Na2Ti3O7, Ni1/3Mn1/3Co1/3O2, Cu0.56Ni0.44HCF, NiHCF, NaxMnO2, NaCrO2, KCrO2, Na3Ti2(PO4)3, NiCo2O4, Ni3S2/FeS2, Sb2O4, Na4Fe(CN)6/C, NaV1-xCrxPO4F, SezSy, (y/z = 0.01 내지 100), Se, 나트륨 폴리설파이드, 황, 알루오석, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 나트륨 삽입 화합물 또는 칼륨 삽입 화합물을 함유한다(x는 0.1 내지 1.0).In certain embodiments, the second or first electrode active material is NaFePO 4 , Na (1-x) K x PO 4 , KFePO 4 , Na 0.7 FePO 4 , Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 , Na 2 FePO 4 F, NaFeF 3 , NaVPO 4 F, KVPO 4 F, Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 , Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , NaV 6 O 15 , Na x VO 2 , Na 0.33 V 2 O 5 , Na x CoO 2 , Na 2/3 [Ni 1/3 Mn 2/3 ] O 2 , Na x (Fe 1/2 Mn 1/2 )O 2 , Na x MnO 2 , λ-MnO 2 , Na x K (1-x) MnO 2 , Na 0.44 MnO 2 , Na 0 . 44 MnO 2 /C, Na 4 Mn 9 O 18 , NaFe 2 Mn(PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , Cu 0.56 Ni 0 . 44 HCF, NiHCF, Na x MnO 2 , NaCrO 2 , KCrO 2 , Na 3 Ti 2 (PO 4 ) 3 , NiCo 2 O 4 , Ni 3 S 2 /FeS 2 , Sb 2 O 4 , Na 4 Fe(CN) 6 /C, NaV 1-x Cr x PO 4 F, Se z S y , (y/z = 0.01 to 100), a sodium intercalating compound selected from Se, sodium polysulfide, sulfur, aluoselite, or combinations thereof or a potassium intercalating compound ( x is from 0.1 to 1.0).

제1 전해질 및/또는 제2 전해질은 액체 용매에 용해된 리튬염 또는 나트륨염을 함유할 수 있고, 액체 용매는 물, 유기 용매, 이온성 액체, 또는 유기 용매와 이온성 액체의 혼합물이다. 액체 용매는 중합체와 혼합되어 고분자 겔을 형성할 수 있다.The first electrolyte and/or the second electrolyte may contain a lithium salt or a sodium salt dissolved in a liquid solvent, and the liquid solvent is water, an organic solvent, an ionic liquid, or a mixture of an organic solvent and an ionic liquid. A liquid solvent can be mixed with a polymer to form a polymer gel.

바람직하게, 제1 전해질 및/또는 제2 전해질은 2.5 M 초과(바람직하게는 3.0 M 초과, 더 바람직하게는 3.5 M 초과, 훨씬 더 바람직하게는 5.0 M 초과, 더욱 더 바람직하게는 7.0 M 초과, 가장 바람직하게는 10 M 초과)의 염 농도를 갖는 액체 용매에 용해된 리튬염 또는 나트륨염을 함유한다.Preferably, the first electrolyte and/or the second electrolyte has a concentration greater than 2.5 M (preferably greater than 3.0 M, more preferably greater than 3.5 M, even more preferably greater than 5.0 M, even more preferably greater than 7.0 M, most preferably contains a lithium or sodium salt dissolved in a liquid solvent having a salt concentration of greater than 10 M).

본 발명의 알칼리 금속 전지에서, 제1 전극의 전기 전도성 다공질 로드 또는 제2 전극의 전기 전도성 다공질 층은 적어도 90 부피%의 세공을 갖고, 제1 또는 제2 전극은 200 μm 이상의 직경 또는 두께를 갖거나 전체 전지 셀의 적어도 30 중량% 또는 부피%를 차지하는 활성 질량 공급량을 갖거나, 제1 전극 활물질과 제2 전극 활물질의 합은 전체 전지 셀의 적어도 50 중량% 또는 부피%를 차지한다.In the alkali metal battery of the present invention, the electrically conductive porous rod of the first electrode or the electrically conductive porous layer of the second electrode has pores of at least 90% by volume, and the first or second electrode has a diameter or thickness of 200 μm or more. or has an active mass supply amount of at least 30% by weight or vol% of the total battery cell, or the sum of the first electrode active material and the second electrode active material accounts for at least 50% by weight or vol% of the total battery cell.

일부 바람직한 구현예에서, 제1 전극의 전기 전도성 다공질 로드 또는 제2 전극의 전기 전도성 다공질 층은 적어도 95 부피%의 세공을 갖고, 제1 또는 제2 전극은 300 μm 이상의 직경 또는 두께를 갖거나 전체 전지 셀의 적어도 35 중량% 또는 부피%를 차지하는 활성 질량 공급량을 갖거나, 제1 전극 활물질과 제2 전극 활물질의 합은 전체 전지 셀의 적어도 60 중량% 또는 부피%를 차지한다.In some preferred embodiments, the electrically conductive porous rod of the first electrode or the electrically conductive porous layer of the second electrode has at least 95% porosity by volume, and the first or second electrode has a diameter or thickness greater than or equal to 300 μm, or the entire The active mass supply accounts for at least 35% by weight or vol% of the battery cell, or the sum of the first electrode active material and the second electrode active material accounts for at least 60% by weight or vol% of the total battery cell.

일부 바람직한 구현예에서, 제1 또는 제2 전극 활물질은 무기 물질, 유기 또는 고분자 물질, 금속 산화물/인산염/황화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물을 포함한다.In some preferred embodiments, the first or second active electrode material comprises an alkali metal intercalating compound or an alkali metal absorbing compound selected from inorganic materials, organic or polymeric materials, metal oxides/phosphates/sulfides, or combinations thereof.

바람직하게, 금속 산화물/인산염/황화물은 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 리튬 혼합 금속 산화물, 리튬 철 인산염, 리튬 망간 인산염, 리튬 바나듐 인산염, 리튬 혼합 금속 인산염, 전이 금속 황화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.Preferably, the metal oxide/phosphate/sulfide is lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, lithium vanadium oxide, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium manganese phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium mixed metal phosphate, transition metal sulfides, or combinations thereof.

무기 물질은 황, 황 화합물, 리튬 폴리설파이드, 전이 금속 디칼코겐화물, 전이 금속 트리칼코겐화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게, 무기 물질은 TiS2, TaS2, MoS2, NbSe3, MnO2, CoO2, 산화철, 산화바나듐, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.The inorganic material may be selected from sulfur, sulfur compounds, lithium polysulfide, transition metal dichalcogenides, transition metal trichalcogenides, or combinations thereof. Preferably, the inorganic material is selected from TiS 2 , TaS 2 , MoS 2 , NbSe 3 , MnO 2 , CoO 2 , iron oxide, vanadium oxide, or combinations thereof.

바람직하게, 금속 산화물/인산염/황화물은 VO2, LixVO2, V2O5, LixV2O5, V3O8, LixV3O8, LixV3O7, V4O9, LixV4O9, V6O13, LixV6O13, 이들의 도핑된 형태, 이들의 유도체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 바나듐 산화물을 함유한다(0.1 < x < 5).Preferably, the metal oxide/phosphate/sulfide is VO 2 , Li x VO 2 , V 2 O 5 , Li x V 2 O 5 , V 3 O 8 , Li x V 3 O 8 , Li x V 3 O 7 , V 4 O 9 , Li x V 4 O 9 , V 6 O 13 , Li x V 6 O 13 , doped forms thereof, derivatives thereof, and combinations thereof (0.1 < x < 5).

바람직하게, 금속 산화물/인산염/황화물은 층상 화합물 LiMO2, 스피넬 화합물 LiM2O4, 올리빈 화합물 LiMPO4, 규산염 화합물 Li2MSiO4, 타보라이트 화합물 LiMPO4F, 붕산염 화합물 LiMBO3, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다(M은 전이 금속이거나 여러 전이 금속의 혼합물임).Preferably, the metal oxide/phosphate/sulfide is a layered compound LiMO 2 , a spinel compound LiM 2 O 4 , an olivine compound LiMPO 4 , a silicate compound Li 2 MSiO 4 , a taborite compound LiMPO 4 F, a borate compound LiMBO 3 , or any of these are selected from combinations (M is a transition metal or a mixture of several transition metals).

일부 바람직한 구현예에서, 무기 물질은 (a) 비스무트 셀렌화물 또는 비스무트 텔루르화물, (b) 전이금속 디칼코겐화물 또는 트리칼코겐화물, (c) 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈, 또는 전이금속의 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물, (d) 질화붕소, 또는 (e) 이들의 조합으로부터 선택된다.In some preferred embodiments, the inorganic material is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium , cobalt, manganese, iron, nickel, or a sulfide, selenide, or telluride of a transition metal, (d) boron nitride, or (e) combinations thereof.

특정 구현예에서, 제1 또는 제2 전극은 폴리(안트라퀴노닐 설파이드) (PAQS), 리튬 옥소카본, 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실산 이무수물(PTCDA), 폴리(안트라퀴노닐 설파이드), 피렌-4,5,9,10-테트라온(PYT), 고분자-결합 PYT, 퀴노(트리아젠), 산화환원 활성 유기 물질, 테트라시아노퀴노-디메탄(TCNQ), 테트라시아노에틸렌(TCNE), 2,3,6,7,10,11-헥사메톡시트리페닐렌(HMTP), 폴리(5-아미노-1,4-디하이드록시 안트라퀴논) (PADAQ), 포스파젠 디설파이드 중합체([(NPS2)3]n), 리튬화 1,4,5,8-나프탈렌테트라올 포름알데히드 중합체, 헥사아자트리나프틸렌(HATN), 헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴(HAT(CN)6), 5-벤질리덴 히단토인, 이사틴 리튬염, 피로멜리트산 디이미드 리튬염, 테트라하이드록시-p-벤조퀴논 유도체(THQLi4), N,N'-디페닐-2,3,5,6-테트라케토피페라진(PHP), N,N'-디알릴-2,3,5,6-테트라케토피페라진(AP), N,N'-디프로필-2,3,5,6-테트라케토피페라진(PRP), 티오에테르 중합체, 퀴논 화합물, 1,4-벤조퀴논, 5,7,12,14-펜타세네테트론(PT), 5-아미노-2,3-디하이드로-1,4-디하이드록시 안트라퀴논(ADDAQ), 5-아미노-1,4-디하이드록시 안트라퀴논(ADAQ), 칼릭스퀴논, Li4C6O6, Li2C6O6, Li6C6O6, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 유기 물질 또는 고분자 물질을 함유하는 캐소드이다.In certain embodiments, the first or second electrode is poly(anthraquinonyl sulfide) (PAQS), lithium oxocarbon, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), poly(anthraquinonyl sulfide), pyrene-4,5,9,10-tetraone (PYT), polymer-bound PYT, quino (triazene), redox active organic substance, tetracyanoquino-dimethane (TCNQ), tetracyano Ethylene (TCNE), 2,3,6,7,10,11-hexamethoxytriphenylene (HMTP), poly(5-amino-1,4-dihydroxy anthraquinone) (PADAQ), phosphazene disulfide polymer ([(NPS 2 ) 3 ] n ), lithiated 1,4,5,8-naphthalenetetraol formaldehyde polymer, hexaazatrinaphthylene (HATN), hexaazatriphenylene hexacarbonitrile (HAT(CN ) 6 ), 5-benzylidene hydantoin, isatin lithium salt, pyromellitic acid diimide lithium salt, tetrahydroxy- p- benzoquinone derivative (THQLi 4 ), N,N'-diphenyl-2,3, 5,6-tetraketopiperazine (PHP), N,N'-diallyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (AP), N,N'-dipropyl-2,3, 5,6-tetraketopiperazine (PRP), thioether polymer, quinone compound, 1,4-benzoquinone, 5,7,12,14-pentacenetetron (PT), 5-amino-2,3 -Dihydro-1,4-dihydroxy anthraquinone (ADDAQ), 5-amino-1,4-dihydroxy anthraquinone (ADAQ), calixquinone, Li 4 C 6 O 6 , Li 2 C 6 O 6 , Li 6 C 6 O 6 , or a cathode containing an organic or polymeric material selected from combinations thereof.

티오에테르 중합체는 폴리[메탄테트릴-테트라(티오메틸렌)] (PMTTM), 폴리(2,4-디티오펜타닐렌) (PDTP), 폴리(에텐-1,1,2,2-테트라티올) (PETT)을 주쇄 티오에테르 중합체로서 함유하는 중합체, 공액 방향족 모이어티로 이루어진 주쇄를 갖고 티오에테르 측쇄를 펜던트로서 갖는 측쇄 티오에테르 중합체, 폴리(2-페닐-1,3-디티올란) (PPDT), 폴리(1,4-디(1,3-디티올란-2-일)벤젠) (PDDTB), 폴리(테트라하이드로벤조디티오펜) (PTHBDT), 폴리[1,2,4,5-테트라키스(프로필티오)벤젠] (PTKPTB, 또는 폴리[3,4(에티렌디티오)티오펜] (PEDTT)으로부터 선택된다.Thioether polymers are poly[methanetetril-tetra(thiomethylene)] (PMTTM), poly(2,4-dithiopentanylene) (PDTP), poly(ethene-1,1,2,2-tetrathiol) Polymers containing (PETT) as main chain thioether polymers, side chain thioether polymers having main chains composed of conjugated aromatic moieties and having thioether side chains as pendants, poly(2-phenyl-1,3-dithiolane) (PPDT) , poly(1,4-di(1,3-dithiolan-2-yl)benzene) (PDDTB), poly(tetrahydrobenzodithiophene) (PTHBDT), poly[1,2,4,5-tetrakis (propylthio)benzene] (PTKPTB, or poly[3,4(ethyrendithio)thiophene] (PEDTT).

일부 대안적 구현예에서, 유기 물질은 구리 프탈로시아닌, 아연 프탈로시아닌, 주석 프탈로시아닌, 철 프탈로시아닌, 납 프탈로시아닌, 니켈 프탈로시아닌, 바나딜 프탈로시아닌, 플루오로크롬 프탈로시아닌, 마그네슘 프탈로시아닌, 망간 프탈로시아닌, 디리튬 프탈로시아닌, 알루미늄 프탈로시아닌 클로라이드, 카드뮴 프탈로시아닌, 클로로갈륨 프탈로시아닌, 코발트 프탈로시아닌, 은 프탈로시아닌, 금속 비함유 프탈로시아닌, 이들의 화학적 유도체, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 프탈로시아닌 화합물을 함유한다.In some alternative embodiments, the organic material is copper phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tin phthalocyanine, iron phthalocyanine, lead phthalocyanine, nickel phthalocyanine, vanadyl phthalocyanine, fluorochrome phthalocyanine, magnesium phthalocyanine, manganese phthalocyanine, dilithium phthalocyanine, aluminum phthalocyanine chloride. , cadmium phthalocyanine, chlorogallium phthalocyanine, cobalt phthalocyanine, silver phthalocyanine, metal-free phthalocyanine, chemical derivatives thereof, or combinations thereof.

바람직하게, 캐소드는 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 붕화물, 금속 디칼코겐화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물을 함유한다. 더 바람직하게, 캐소드는 나노와이어, 나노디스크, 나노리본, 또는 나노판상체 형태의, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 코발트, 망간, 철, 또는 니켈의 산화물, 디칼코겐화물, 트리칼코겐화물, 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물로부터 선택되는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물을 함유한다.Preferably, the cathode contains an alkali metal intercalating compound or an alkali metal absorbing compound selected from metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, or combinations thereof. More preferably, the cathode is an oxide of niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, cobalt, manganese, iron, or nickel, in the form of nanowires, nanodisks, nanoribbons, or nanoplatelets. , alkali metal intercalating compounds or alkali metal absorbing compounds selected from dichalcogenides, trichalcogenides, sulfides, selenides, and tellurides.

일부 구현예에서, 캐소드 활물질은 (a) 비스무트 셀렌화물 또는 비스무트 텔루르화물, (b) 전이금속 디칼코겐화물 또는 트리칼코겐화물, (c) 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈, 또는 전이금속의 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물, (d) 질화붕소, 또는 (e) 이들의 조합으로부터 선택되는 무기 물질의 나노디스크, 나노판상체, 나노코팅, 또는 나노시트를 함유하고, 상기 디스크, 판상체, 또는 시트는 100 nm 미만의 두께를 갖는다.In some embodiments, the cathode active material is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, nanodiscs, nanoplatelets, nanocoatings of an inorganic material selected from sulfides, selenides, or tellurides of cobalt, manganese, iron, nickel, or transition metals, (d) boron nitride, or (e) combinations thereof; or nanosheets, wherein the disks, platelets, or sheets have a thickness of less than 100 nm.

도 1a는 애노드 집전체, 애노드 전극(예를 들어, Si 코팅 박층), 다공질 세퍼레이터, 캐소드 전극(예를 들어, 황층), 및 캐소드 집전체로 구성된 (알칼리 금속 전지의 일례로서) 선행 기술의 리튬-이온 전지 셀의 개략도이다.
도 1b는 전극층이 활물질의 이산 입자(예를 들어, 애노드층의 흑연 또는 주석 산화물 입자 또는 캐소드층의 LiCoO2)로 이루어진 선행 기술의 리튬-이온 전지의 개략도이다.
도 1c는 형상 적응성 케이블 형상의 플렉서블 알칼리 금속 전지를 제조하는 공정의 개략도이다.
도 1d는 연속적인 자동화 방식으로 전극(애노드 또는 캐소드)을 제조하는 방법의 4가지 예이다.
도 1e는 알칼리 금속-이온 전지 전극을 연속적으로 제조하는 본 발명의 공정의 개략도이다.
도 2는 단리된 그래핀 시트의 전자 현미경 이미지이다.
도 3a는 전도성 다공질 층(금속 그리드/메쉬 및 탄소 나노섬유 매트)의 예이다.
도 3b는 전도성 다공질 층(그래핀 발포체 및 탄소 발포체)의 예이다.
도 3c는 전도성 다공질 층(흑연 발포체 및 Ni 발포체)의 예이다.
도 3d는 전도성 다공질 층(Cu 발포체 및 스테인리스강 발포체)의 예이다.
도 4a는 박리 흑연, 팽창 흑연 플레이크(두께 100 nm 초과) 및 그래핀 시트(두께 100 nm 미만, 더 통상적으로는 10 nm 미만이며, 0.34 nm만큼 얇을 수 있음)의 제조에 일반적으로 사용되는 공정의 개략도이다.
도 4b는 박리 흑연, 팽창 흑연 플레이크, 및 단리된 그래핀 시트의 제조 공정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 애노드 활물질로서의 흑연 입자 및 캐소드 활물질로서의 탄소-코팅 LFP 입자를 함유하는 리튬-이온 전지 셀의 라곤 도표(Ragone plot) (중량 및 체적 전력 밀도 대 에너지 밀도)이다. 4개 데이터 곡선 중의 두 개는 본 발명의 구현예에 따라 제조된 케이블 형상의 셀에 대한 것이고 나머지 두 개는 종래의 전극 슬러리 코팅(롤-코팅)에 의해 제조된 셀에 대한 것이다.
도 6은 애노드 활물질로서의 그래핀-함유 Si 나노입자 및 캐소드 활물질로서의 LiCoO2 나노입자를 함유하는 두 가지 셀의 라곤 도표(둘 다 중량 및 체적 전력 밀도 대 중량 및 체적 에너지 밀도)이다. 실험 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 케이블 형상의 Li-이온 전지 셀 및 종래의 전극 슬러리 코팅에 의해 제조된 Li-이온 전지 셀로부터 얻었다.
도 7은 애노드 활물질로서의 리튬 호일, 캐소드 활물질로서의 로디존산 디리튬(Li2C6O6), 및 유기 액체 전해질로서의 리튬염 (LiPF6)-PC/DEC를 함유하는 리튬 금속 전지의 라곤 도표이다. 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 케이블 형상의 리튬 금속 셀 및 종래의 전극 슬러리 코팅에 의해 제조된 리튬 금속 셀 모두에 대한 것이다.
도 8은 박리 및 균열 없이 종래의 방법을 통해 제조된 리튬 금속 셀 및 본 발명의 방법에 의해 제조된 케이블 형상의 리튬 금속 셀의 셀-수준 중량 에너지 밀도(Wh/kg) 및 체적 에너지 밀도(Wh/L)를 MnO2/RGO 캐소드의 달성 가능한 캐소드 두께 범위에 걸쳐 플로팅한 도표이다.
도 9는 본 발명의 방법에 의해 제조된 케이블 형상의 흑연/NMC 셀 및 종래의 롤-코팅 방법에 의해 제조된 흑연/NMC 셀의 셀-수준 중량 및 체적 에너지 밀도이다.
도 10은 애노드 활물질로서의 경질 탄소 입자 및 캐소드 활물질로서의 탄소-코팅 Na3V2(PO4)2F3 입자를 함유하는 Na-이온 전지 셀의 라곤 도표(중량 및 체적 전력 밀도 대 에너지 밀도)이다. 4개 데이터 곡선 중의 두 개는 본 발명의 구현예에 따라 제조된 케이블 셀에 대한 것이고 나머지 두 개는 종래의 전극 슬러리 코팅(롤-코팅)에 의해 제조된 셀에 대한 것이다.
도 11은 애노드 활물질로서의 그래핀-함유 Sn 나노입자 및 캐소드 활물질로서의 NaFePO4 나노입자를 함유하는 두 가지 셀의 라곤 도표(둘 다 중량 및 체적 전력 밀도 대 중량 및 체적 에너지 밀도)이다. 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 케이블형 나트륨-이온 셀 및 종래의 전극 슬러리 코팅에 의해 제조된 나트륨 이온 셀 모두에 대한 것이다.
도 12는 애노드 활물질로서의 그래핀-지지 나트륨 호일, 캐소드 활물질로서의 로디존산 이나트륨(Na2C6O6), 및 유기 액체 전해질로서의 나트륨염 (NaPF6)-PC/DEC를 함유하는 나트륨 금속 전지의 라곤 도표이다. 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 케이블 형상의 나트륨 금속 셀 및 종래의 전극 슬러리 코팅에 의해 제조된 나트륨 금속 셀 모두에 대한 것이다.
도 13은 종래의 슬러리 코팅 공정에 의해 제조된 일련의 K-이온 셀의 라곤 도표 및 본 발명의 공정에 의해 제조된 상응하는 K-이온 셀의 라곤 도표이다.
1A is a prior art lithium (as an example of an alkali metal battery) composed of an anode current collector, an anode electrode (eg, a thin Si coating layer), a porous separator, a cathode electrode (eg, a sulfur layer), and a cathode current collector. -Schematic diagram of an ion battery cell.
1B is a schematic diagram of a prior art lithium-ion cell in which the electrode layer consists of discrete particles of an active material (eg, graphite or tin oxide particles in an anode layer or LiCoO 2 in a cathode layer).
Figure 1c is a schematic diagram of a process for manufacturing a flexible alkali metal battery in the shape of a shape adaptable cable.
Figure 1d shows four examples of methods for manufacturing electrodes (anode or cathode) in a continuous automated manner.
1E is a schematic diagram of the process of the present invention for continuously producing alkali metal-ion battery electrodes.
2 is an electron microscope image of an isolated graphene sheet.
3A is an example of a conductive porous layer (metal grid/mesh and carbon nanofiber mat).
3B is an example of a conductive porous layer (graphene foam and carbon foam).
3C is an example of a conductive porous layer (graphite foam and Ni foam).
3D is an example of a conductive porous layer (Cu foam and stainless steel foam).
Figure 4a shows a process commonly used for the manufacture of exfoliated graphite, expanded graphite flakes (thickness greater than 100 nm) and graphene sheets (thickness less than 100 nm, more typically less than 10 nm, and may be as thin as 0.34 nm). it is a schematic
4B is a schematic diagram for explaining a manufacturing process of exfoliated graphite, expanded graphite flakes, and isolated graphene sheets.
5 is a Ragone plot (weight and volumetric power density versus energy density) of a lithium-ion battery cell containing graphite particles as anode active material and carbon-coated LFP particles as cathode active material. Two of the four data curves are for cable-shaped cells made according to an embodiment of the present invention and the other two are for cells made by conventional electrode slurry coating (roll-coating).
6 is a Ragone plot (both gravimetric and volumetric power densities versus gravimetric and volumetric energy densities) of two cells containing graphene-containing Si nanoparticles as anode active material and LiCoO 2 nanoparticles as cathode active material. Experimental data were obtained from a cable-shaped Li-ion battery cell prepared by the method of the present invention and a Li-ion battery cell prepared by conventional electrode slurry coating.
7 is a Ragon diagram of a lithium metal battery containing lithium foil as an anode active material, dilithium rhodizonate (Li 2 C 6 O 6 ) as a cathode active material, and lithium salt (LiPF 6 )-PC/DEC as an organic liquid electrolyte. . Data are for both cable-shaped lithium metal cells prepared by the method of the present invention and lithium metal cells prepared by conventional electrode slurry coating.
8 is a cell-level gravimetric energy density (Wh/kg) and volume energy density (Wh /L) is plotted over the achievable cathode thickness range of the MnO 2 /RGO cathode.
9 is the cell-level weight and volumetric energy density of a cable-shaped graphite/NMC cell prepared by the method of the present invention and a graphite/NMC cell prepared by a conventional roll-coating method.
10 is a Ragone plot (weight and volumetric power density versus energy density) of a Na-ion battery cell containing hard carbon particles as anode active material and carbon-coated Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 particles as cathode active material. . Two of the four data curves are for cable cells made according to an embodiment of the present invention and the other two are for cells made by conventional electrode slurry coating (roll-coating).
11 is a Ragone plot (both gravimetric and volumetric power densities versus gravimetric and volumetric energy densities) of two cells containing graphene-containing Sn nanoparticles as anode active material and NaFePO 4 nanoparticles as cathode active material. Data are for both cabled sodium-ion cells made by the method of the present invention and sodium-ion cells made by conventional electrode slurry coating.
12 is a sodium metal battery containing graphene-supported sodium foil as an anode active material, disodium rhodizonate (Na 2 C 6 O 6 ) as a cathode active material, and sodium salt (NaPF 6 )-PC/DEC as an organic liquid electrolyte. is the Ragone diagram of Data are for both cable shaped sodium metal cells made by the method of the present invention and sodium metal cells made by conventional electrode slurry coating.
Figure 13 is a Ragone plot of a series of K-ion cells prepared by a conventional slurry coating process and a corresponding K-ion cell manufactured by the process of the present invention.

본 발명은 본 개시의 일부를 형성하는 첨부 도면과 관련된 하기 본 발명의 상세한 설명을 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있다. 본 발명이 본원에 설명 및/또는 도시된 특정 장치, 방법, 조건 또는 파라미터로 한정되는 것은 아니며, 본원에 사용된 용어는 단지 예로서 특정 구현예들을 설명하기 위한 목적이고 청구된 발명을 한정하려는 것은 아님을 이해해야 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention may be more readily understood by reference to the following detailed description of the invention in conjunction with the accompanying drawings, which form a part of this disclosure. The present invention is not limited to the specific devices, methods, conditions or parameters described and/or shown herein, and the terminology used herein is for the purpose of describing specific implementations by way of example only and is not intended to limit the claimed invention. You have to understand that no

본 발명은 매우 높은 체적 에너지 밀도 및 중량 에너지 밀도를 나타내는 형상 적응성 케이블형 플렉서블 알칼리 금속 전지에 관한 것이다. 이러한 알칼리 금속 전지는 일차 전지일 수 있지만, 바람직하게는 리튬-이온 전지 또는 (예를 들어, 리튬 금속을 애노드 활물질로 사용하는) 리튬 금속 이차 전지, 나트륨-이온 전지, 나트륨 금속 전지, 칼륨-이온 전지, 또는 칼륨 금속 전지로부터 선택되는 이차 전지이다. 전지는 수성 전해질, 비수 또는 유기 전해질, 겔 전해질, 이온성 액체 전해질, 또는 유기 액체와 이온성 액체의 혼합물을 기반으로 한다.The present invention relates to a shape-adaptable cable-type flexible alkali metal battery exhibiting very high volumetric energy density and gravimetric energy density. Such an alkali metal battery may be a primary battery, but is preferably a lithium-ion battery or a lithium metal secondary battery (eg, using lithium metal as an anode active material), a sodium-ion battery, a sodium metal battery, a potassium-ion battery batteries, or secondary batteries selected from potassium metal batteries. Cells are based on aqueous electrolytes, non-aqueous or organic electrolytes, gel electrolytes, ionic liquid electrolytes, or mixtures of organic and ionic liquids.

편의상, 본 발명에서는 캐소드 활물질의 예시적인 예로서 리튬 철 인산염(LFP), 바나듐 산화물(VxOy), 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 로디존산 디리튬(Li2C6O6), 및 구리 프탈로시아닌(CuPc), 그리고 애노드 활물질의 예로서 흑연, SnO, Co3O4, 및 Si 입자와 같은 선택된 물질이 사용된다. 나트륨 전지의 경우, Na-이온 셀의 애노드 활물질의 예로서 경질 탄소 및 NaTi2(PO4)3 입자, 그리고 캐소드 활물질의 예시적인 예로서 NaFePO4 및 λ-MnO2 입자와 같은 선택된 물질이 사용된다. 유사한 접근법이 K-이온 전지에 적용될 수 있다. 목적하는 집전체로서의 전도성 다공질 층의 예로서 니켈 발포체, 흑연 발포체, 그래핀 발포체, 및 스테인리스 섬유 웹이 사용된다. 이들이 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.For convenience, in the present invention, lithium iron phosphate (LFP), vanadium oxide (V x O y ), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), dilithium rhodizonate (Li 2 C 6 O 6 ), and copper phthalocyanine (CuPc), and selected materials such as graphite, SnO, Co 3 O 4 , and Si particles as examples of the anode active material are used. In the case of a sodium battery, selected materials such as hard carbon and NaTi 2 (PO 4 ) 3 particles as examples of anode active materials in Na-ion cells, and NaFePO 4 and λ-MnO 2 particles as illustrative examples of cathode active materials are used. . A similar approach can be applied to K-ion cells. Nickel foam, graphite foam, graphene foam, and stainless fiber web are used as examples of the conductive porous layer as a target current collector. They should not be construed as limiting the scope of the present invention.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 리튬-이온 전지 셀은 통상적으로 애노드 집전체(예를 들어, Cu 호일), 애노드 전극(애노드 활물질층), 다공질 세퍼레이터 및/또는 전해질 성분, 캐소드 전극(캐소드 활물질층), 및 캐소드 집전체(예를 들어, Al 호일)로 구성된다. 보다 일반적으로 사용되는 셀 구성에서(도 1b), 애노드층은 애노드 활물질 입자(예를 들어, 흑연 또는 Si), 전도성 첨가제(예를 들어, 카본 블랙 입자), 및 수지 바인더(예를 들어, SBR 또는 PVDF)로 이루어진다. 캐소드층은 캐소드 활물질 입자(예를 들어, LFP 입자), 전도성 첨가제(예를 들어, 카본 블랙 입자), 및 수지 바인더(예를 들어, PVDF)로 이루어진다. 단위 전극 면적당 아마도 충분한 양의 전류를 발생시키기 위해 애노드층과 캐소드층은 모두 통상적으로 최대 100~200 μm의 두께를 갖는다. 이러한 두께 범위는 전지 설계자가 일반적으로 작업하는 업계-허용 제한조건으로 간주된다. 이러한 두께 제한조건은 여러 이유에 기인한다: (a) 기존의 전지 전극 코팅기는 매우 얇거나 매우 두꺼운 전극층을 코팅하도록 구비되어 있지 않고; (b) 감소된 리튬 이온 확산 경로 길이를 고려하면 보다 얇은 층이 바람직하지만, 너무 얇은 층(예를 들어, 100 μm 미만)은 충분한 양의 활성 리튬 저장 물질을 함유하지 않고(따라서, 전류 출력이 불충분하고); (c) 더 두꺼운 전극은 롤-코팅 후 건조 또는 취급시 박리 또는 균열이 생기기 쉽고, 두꺼운 전극의 제조는 100 미터보다 긴 코팅 라인을 필요로 하고(비싸고 비실용적임); (d) 최소의 오버헤드 중량과 최대의 리튬 저장 용량 및 이에 따른 최대 에너지 밀도를 얻기 위해(셀의 Wk/kg 또는 Wh/L), 전지 셀의 모든 비활성 물질층(예를 들어, 집전체 및 세퍼레이터)이 최소로 유지되어야 한다.As shown in FIGS. 1A and 1B, a lithium-ion battery cell typically includes an anode current collector (eg, Cu foil), an anode electrode (anode active material layer), a porous separator and/or electrolyte component, a cathode electrode ( cathode active material layer), and a cathode current collector (eg, Al foil). In a more commonly used cell configuration (FIG. 1B), the anode layer consists of anode active material particles (e.g. graphite or Si), a conductive additive (e.g. carbon black particles), and a resin binder (e.g. SBR or PVDF). The cathode layer is composed of cathode active material particles (eg, LFP particles), conductive additives (eg, carbon black particles), and a resin binder (eg, PVDF). Both the anode and cathode layers typically have a thickness of at most 100-200 μm in order to generate a presumably sufficient amount of current per unit electrode area. These thickness ranges are considered industry-accepted constraints within which cell designers typically work. This thickness limitation is due to several reasons: (a) existing battery electrode coaters are not equipped to coat very thin or very thick electrode layers; (b) a thinner layer is preferred given the reduced lithium ion diffusion path length, but a layer that is too thin (e.g., less than 100 μm) does not contain a sufficient amount of active lithium storage material (and thus reduces the current output); insufficient); (c) thicker electrodes are prone to peeling or cracking upon drying or handling after roll-coating, and manufacturing of thicker electrodes requires a coating line longer than 100 meters (expensive and impractical); (d) all inert material layers of the battery cell (e.g., current collector and separator) should be kept to a minimum.

또한 중요하게, 종래의 리튬-이온 전지의 형상 및 치수는 전지가 강성(비가요성)이고 구부러지거나 비틀릴 수 없도록 되어 있다. 이러한 종래의 전지를 전기 차량(예를 들어, 전기 자전거 및 배터리 구동 자동차)의 본체에 구현하는 것도 어렵다. 예를 들어, 자동차 도어 구조 내부의 일부 제한된 공간은 강성의 직사각형 또는 원통형 전지를 수용할 수 없다.Also importantly, the shape and dimensions of conventional lithium-ion cells are such that the cells are rigid (inflexible) and cannot be bent or twisted. It is also difficult to implement such a conventional battery into a body of an electric vehicle (eg, an electric bicycle and a battery-powered car). For example, some limited space inside car door structures cannot accommodate rigid rectangular or cylindrical cells.

도 1a에 도시된 바와 같은 덜 일반적으로 사용되는 셀 구성에서, 애노드 활물질(예를 들어 Si) 또는 캐소드 활물질(예를 들어, 리튬 전이 금속 산화물)은 구리 호일 또는 Al 호일의 시트와 같은 집전체 위에 직접 박막 형태로 증착된다. 그러나, 극히 작은 두께-방향 치수(통상적으로 500 nm보다 훨씬 작고, 종종 불가피하게 100 nm보다 얇음)를 갖는 이러한 박막 구조는, (동일한 전극 또는 집전체 표면적일 경우) 소량의 활물질만이 전극에 혼입될 수 있어 낮은 총 리튬 저장 용량 및 단위 전극 표면적당 낮은 리튬 저장 용량을 제공함을 의미한다. (애노드의 경우) 사이클링에 의한 균열에 더 강해지기 위해 또는 캐소드 활물질의 완전한 이용을 용이하게 하기 위해 이러한 박막은 100 nm 미만의 두께를 가져야 한다. 이러한 제한조건은 총 리튬 저장 용량 및 단위 전극 표면적당 리튬 저장 용량을 추가로 감소시킨다. 이러한 박막 전지는 응용 범위가 매우 제한적이다.In a less commonly used cell configuration as shown in FIG. 1A, an active anode material (eg Si) or cathode active material (eg lithium transition metal oxide) is placed on a current collector such as a sheet of copper foil or Al foil. It is directly deposited in the form of a thin film. However, such thin-film structures with extremely small thickness-direction dimensions (typically much smaller than 500 nm, and often inevitably thinner than 100 nm) allow only a small amount of active material to be incorporated into the electrode (for the same electrode or current collector surface area). This means that it can provide a low total lithium storage capacity and a low lithium storage capacity per unit electrode surface area. In order to be more resistant to cracking by cycling (in the case of the anode) or to facilitate full utilization of the cathode active material, such a thin film should have a thickness of less than 100 nm. These constraints further reduce the total lithium storage capacity and the lithium storage capacity per unit electrode surface area. These thin-film batteries have a very limited application range.

애노드 측에서, 100 nm보다 두꺼운 Si층은 전지 충방전 사이클 동안 낮은 내균열성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 몇 사이클만에 파편화된다. 캐소드 측에서, 리튬 금속 산화물의 스퍼터링된 층이 100 nm보다 두꺼우면, 리튬 이온이 캐소드층 전체에 완전히 침투 도달할 수 없으므로 캐소드 활물질 이용률이 나빠진다. 바람직한 전극 두께는 적어도 100 μm이고, 개별 활물질 코팅 또는 입자는 바람직하게 100 nm 미만의 치수를 갖는다. 따라서, 집전체 상에 직접 증착된 이들 박막 전극(100 nm 미만의 두께)은 요구되는 두께보다 1000배 얇다. 추가의 문제로서, 모든 캐소드 활물질은 전자 및 리튬 이온 모두에 대해 전도성이 없다. 층 두께가 두꺼우면 내부 저항이 과도하게 높아지고 활물질 이용률이 나빠진다.On the anode side, Si layers thicker than 100 nm were found to exhibit low crack resistance during cell charge/discharge cycles. It fragments in a few cycles. On the cathode side, if the sputtered layer of lithium metal oxide is thicker than 100 nm, lithium ions cannot completely permeate and reach the entire cathode layer, resulting in poor cathode active material utilization. A preferred electrode thickness is at least 100 μm, and the individual active material coatings or particles preferably have dimensions less than 100 nm. Thus, these thin film electrodes (less than 100 nm thick) deposited directly on the current collector are 1000 times thinner than the required thickness. As a further matter, all active cathode materials are non-conductive to both electrons and lithium ions. When the layer thickness is thick, the internal resistance becomes excessively high and the utilization rate of the active material deteriorates.

다시 말해, 물질 유형, 크기, 전극층 두께 및 활물질 질량 공급량 측면에서 그리고 전극 또는 셀 형상 및 치수의 측면에서 캐소드 또는 애노드 활물질의 설계 및 선택과 관련하여 동시에 고려해야 하는 몇 가지 상충되는 요인이 있다. 지금까지, 이러한 종종 상충되는 문제에 대한 효과적인 해결책은 어떤 선행 기술 교시에서도 제공되지 않았다. 본 발명자들은 본원에 기재된 바와 같은 리튬 전지의 신규 제조 공정을 개발함으로써, 30년 넘는 기간 동안 전지 설계자와 전기화학자 모두에게 문제시 되었던 이러한 어려운 문제를 해결하였다.In other words, there are several conflicting factors that must be considered simultaneously in terms of material type, size, electrode layer thickness and active material mass supply, and in terms of electrode or cell shape and dimensions, in terms of design and selection of cathode or anode active materials. Hitherto, no effective solution to these often conflicting problems has been provided in any prior art teaching. The present inventors have solved this difficult problem that has plagued both battery designers and electrochemists for over 30 years by developing a novel manufacturing process for lithium batteries as described herein.

선행 기술의 리튬 전지 셀은 통상적으로 하기 단계를 포함하는 공정에 의해 제조된다: (a) 제1 단계는 애노드 활물질 입자(예를 들어, Si 나노입자 또는 메소탄소 마이크로비드, MCMB), 전도성 충전제(예를 들어, 흑연 플레이크), 수지 바인더(예를 들어, PVDF)를 용매(예를 들어, NMP) 중에서 혼합하여 애노드 슬러리를 형성하는 단계를 포함한다. 별도의 기반 하에, 캐소드 활물질 입자(예를 들어, LFP 입자), 전도성 충전제(예를 들어, 아세틸렌 블랙), 수지 바인더(예를 들어, PVDF)를 혼합하고 용매(예를 들어, NMP)에 분산시켜 캐소드 슬러리를 형성한다. (b) 제2 단계는 애노드 집전체(예를 들어, Cu 호일)의 1차 표면 중의 하나 또는 둘 다에 애노드 슬러리를 코팅하고, 용매(예를 들어, NMP)를 기화시킴으로써 이 코팅된 층을 건조시켜 Cu 호일에 코팅된 건조 애노드 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 마찬가지로, 캐소드 슬러리를 코팅하고 건조시켜, Al 호일에 코팅된 건조 캐소드 전극을 형성한다. 슬러리 코팅은 실제 제조 상황에서 일반적으로 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식으로 수행된다. (c) 제3 단계는 애노드/Cu 호일 시트, 다공질 세퍼레이터층, 및 캐소드/Al 호일 시트를 함께 라미네이팅하여 3층 또는 5층 조립체를 형성하고, 이를 원하는 크기로 절단하거나 자르고 적층하여 (형상의 하나의 예로서) 장방형 구조체를 형성하거나 원통형 셀 구조체로 권취하는 단계를 포함한다. (d) 이어서, 장방형 또는 원통형 라미네이트 구조체를 알루미늄-플라스틱 라미네이트 외장 또는 스틸 케이싱에 넣는다. (e) 이어서, 라미네이트 구조체에 액체 전해질을 주입하여 리튬 전지 셀을 제조한다.Prior art lithium battery cells are typically prepared by a process comprising the following steps: (a) a first step is anode active material particles (e.g., Si nanoparticles or mesocarbon microbeads, MCMB), a conductive filler ( eg, graphite flakes) and a resin binder (eg, PVDF) in a solvent (eg, NMP) to form an anode slurry. On a separate basis, cathode active material particles (e.g. LFP particles), conductive filler (e.g. acetylene black), resin binder (e.g. PVDF) are mixed and dispersed in a solvent (e.g. NMP) to form a cathode slurry. (b) The second step is to coat the anode slurry on one or both of the primary surfaces of the anode current collector (eg, Cu foil) and vaporize the solvent (eg, NMP) to remove the coated layer. and drying to form a dry anode electrode coated on Cu foil. Similarly, the cathode slurry is coated and dried to form a dry cathode electrode coated on Al foil. Slurry coating is generally carried out in a roll-to-roll manner in practical manufacturing situations. (c) The third step is to laminate the anode/Cu foil sheet, the porous separator layer, and the cathode/Al foil sheet together to form a three-layer or five-layer assembly, and cut or cut and laminate them to the desired size (one of the shapes As an example of) forming a rectangular structure or winding into a cylindrical cell structure. (d) The rectangular or cylindrical laminate structure is then placed in an aluminum-plastic laminate enclosure or steel casing. (e) Subsequently, a lithium battery cell is manufactured by injecting a liquid electrolyte into the laminate structure.

종래의 공정 및 생성된 리튬-이온 전지 셀 또는 나트륨-이온 셀과 관련된 여러 심각한 문제들이 있다:There are several serious problems associated with conventional processes and resulting lithium-ion battery cells or sodium-ion cells:

1) 200 μm (Al 호일과 같은 고체 집전체의 양면에 각각 100 μm)보다 두꺼운 전극층(애노드층 또는 캐소드층)을 제조하는 것은 매우 어렵다. 그 이유로는 여러 가지가 있다. 100~200 μm 두께의 전극은 통상적으로 슬러리 코팅 설비에서 30~50미터 길이의 가열 구역을 필요로 하며, 이는 너무 많은 시간을 소비하고 지나치게 에너지 집약적이며 비용 효율적이지 못하다 금속 산화물 입자와 같은 일부 전극 활물질의 경우, 실제 제조 환경에서 100 μm보다 두꺼운 구조적 완전성이 우수한 전극을 연속적으로 제조하는 것은 가능하지 않았다. 생성된 전극은 매우 취약하고 취성이다. 더 두꺼운 전극은 박리 및 균열 경향성이 크다.1) It is very difficult to manufacture an electrode layer (anode layer or cathode layer) thicker than 200 μm (100 μm on each side of a solid current collector such as Al foil). There are several reasons for this. 100-200 μm thick electrodes typically require a 30-50 meter long heating zone in a slurry coating plant, which is too time consuming, too energy intensive and not cost effective Some active electrode materials such as metal oxide particles In the case of , it was not possible to continuously fabricate electrodes with excellent structural integrity thicker than 100 μm in a real manufacturing environment. The resulting electrode is very brittle and brittle. Thicker electrodes are more prone to delamination and cracking.

2) 도 1a에 도시된 바와 같은 종래의 공정으로 200 Wh/kg 초과의 에너지 밀도를 달성하기에는 전극의 실제 질량 공급량 및 활물질에 대한 겉보기 밀도가 너무 낮다. 대부분의 경우, 전극의 애노드 활물질 질량 공급량(면적 밀도)은 25 mg/cm2보다 훨씬 더 낮으며 활물질의 겉보기 체적 밀도 또는 탭 밀도는 비교적 큰 흑연 입자의 경우에도 통상적으로 1.2 g/cm3 미만이다. 전극의 캐소드 활물질 질량 공급량(면적 밀도)은 리튬 금속 산화물형 무기 물질의 경우 45 mg/cm2보다 훨씬 더 낮고, 유기 또는 고분자 물질의 경우 15 mg/cm2보다 낮다. 또한, 셀 용량에 기여하지 않고 전극에 추가적 중량 및 체적을 가하는 다른 비활성 물질(예를 들어, 전도성 첨가제 및 수지 바인더)이 많이 존재한다. 이러한 낮은 면적 밀도 및 낮은 체적 밀도는 상대적으로 낮은 중량 에너지 밀도 및 낮은 체적 에너지 밀도를 초래한다.2) The actual mass supply of the electrode and the apparent density for the active material are too low to achieve energy densities greater than 200 Wh/kg with conventional processes as shown in FIG. 1A. In most cases, the mass supply (area density) of the anode active material of the electrode is well below 25 mg/cm 2 and the apparent volume density or tap density of the active material is typically less than 1.2 g/cm 3 even for relatively large graphite particles. . The cathode active material mass supply (area density) of the electrode is much lower than 45 mg/cm 2 for lithium metal oxide type inorganic materials and lower than 15 mg/cm 2 for organic or polymeric materials. In addition, there are many other inactive materials (e.g., conductive additives and resin binders) that add additional weight and volume to the electrodes without contributing to cell capacity. These low areal densities and low volume densities result in relatively low gravimetric energy densities and low volumetric energy densities.

3) 종래의 공정은 액체 용매(예를 들어, NMP)에 전극 활물질(애노드 활물질 또는 캐소드 활물질)을 분산시켜 슬러리를 제조하는 단계를 필요로 하며, 집전체 표면에 코팅시 액체 용매는 전극층을 건조시키기 위해 제거되어야 한다. 애노드층과 캐소드층을 세퍼레이터층과 함께 라미네이팅하고 하우징 내에 패키징하여 전지 셀을 제조하면, 셀 내에 액체 전해질을 주입한다. 실제로, 두 개의 전극을 습윤시키고, 이어서 전극을 건조시키고, 마지막으로 다시 습윤시킨다. 이러한 습윤-건조-습윤 공정이 전혀 좋은 공정인 것 같지는 않다.3) The conventional process requires a step of preparing a slurry by dispersing an electrode active material (anode active material or cathode active material) in a liquid solvent (eg, NMP), and when coated on the surface of the current collector, the liquid solvent dries the electrode layer must be removed in order to When a battery cell is manufactured by laminating an anode layer and a cathode layer together with a separator layer and packaging in a housing, a liquid electrolyte is injected into the cell. In practice, the two electrodes are wetted, then the electrodes are dried, and finally wetted again. This wet-dry-wet process does not seem to be a good process at all.

4) 현재의 리튬-이온 전지는 여전히 상대적으로 낮은 중량 에너지 밀도 및 낮은 체적 에너지 밀도 문제를 겪고 있다. 상업적으로 이용 가능한 리튬-이온 전지는 약 150~220 Wh/kg의 중량 에너지 밀도 및 450~600 Wh/L의 체적 에너지 밀도를 나타낸다.4) Current lithium-ion batteries still suffer from relatively low gravimetric energy density and low volumetric energy density. Commercially available lithium-ion batteries exhibit gravimetric energy densities of about 150-220 Wh/kg and volumetric energy densities of 450-600 Wh/L.

문헌에서, 활물질 중량 단독 또는 전극 중량을 기준으로 보고된 에너지 밀도 데이터는 실제 전지 셀 또는 장치의 에너지 밀도로 직접 변환될 수 없다. "오버헤드 중량" 또는 다른 장치 구성요소(바인더, 전도성 첨가제, 집전체, 세퍼레이터, 전해질, 및 패키징)의 중량도 고려되어야 한다. 종래의 제조 공정에 의하면, 리튬-이온 전지 내의 애노드 활물질(예를 들어, 흑연 또는 탄소)의 중량 비율은 통상적으로 12% 내지 17%이고 캐소드 활물질(예를 들어, LiMn2O4)의 중량 비율은 20% 내지 35%이다.In the literature, energy density data reported based on active material weight alone or electrode weight cannot be directly converted to energy density of actual battery cells or devices. The "overhead weight" or weight of other device components (binders, conductive additives, current collectors, separators, electrolytes, and packaging) should also be considered. According to the conventional manufacturing process, the weight ratio of the anode active material (eg graphite or carbon) in a lithium-ion battery is typically 12% to 17% and the weight ratio of the cathode active material (eg LiMn 2 O 4 ) is 20% to 35%.

본 발명은 높은 활물질 질량 공급량, 낮은 오버헤드 중량 및 체적, 높은 중량 에너지 밀도, 및 높은 체적 에너지 밀도를 갖는 케이블 형상의 형상 적응성 불연성 플렉서블 알칼리 금속 전지 셀을 제조하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 방법에 의해 제조된 알칼리 금속 전지의 제조 비용은 종래의 공정에 의한 것보다 훨씬 더 낮다.The present invention provides a method for manufacturing a cable-shaped, shape-adaptable, incombustible flexible alkali metal battery cell having a high active material mass supply, low overhead weight and volume, high gravimetric energy density, and high volumetric energy density. In addition, the manufacturing cost of alkali metal cells produced by the method of the present invention is much lower than that by conventional processes.

본 발명의 일 구현예에서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 케이블 형상의 알칼리 금속 전지는 제1 전극 활물질과 제1 전해질의 혼합물로 부분적으로 또는 완전히 채워진 세공을 갖는 전기 전도성 다공질 로드로 이루어진 제1 전극(11)을 공급하는 제1 단계를 포함하는 공정에 의해 제조될 수 있다. 전도성 첨가제 또는 수지 바인더가 혼합물에 선택적으로 첨가될 수 있지만, 이는 필요하지 않거나 심지어 바람직하지 않다. 이 제1 전극(11)은 외부 부하에 연결하기 위한 단자 탭 역할을 할 수 있는 활물질 부재 전해질 부재의 단부(13)를 선택적으로 포함할 수 있다. 이 제1 전극은 임의의 형상, 예를 들어 원형(11a), 직사각형(11b), 타원형, 정사각형, 육각형, 중공형, 또는 불규칙한 형상의 단면을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1C, the cable-shaped alkali metal battery of the present invention is an electrically conductive porous rod having pores partially or completely filled with a mixture of a first electrode active material and a first electrolyte. It can be manufactured by a process including the first step of supplying the first electrode 11 made of. A conductive additive or resin binder may optionally be added to the mixture, but this is not necessary or even desirable. This first electrode 11 can optionally include an end 13 of an active material member electrolyte member that can serve as a terminal tab for connection to an external load. This first electrode can have a cross section of any shape, for example circular ( 11a ), rectangular ( 11b ), oval, square, hexagonal, hollow, or irregularly shaped.

대안적으로, 제1 단계에서, 제1 전극은 (다공질 발포체가 아닌) 전도성 로드를 포함하고, 제1 혼합물은 이 전도성 로드의 표면에 코팅되거나 증착된다. 이 로드는 금속 와이어, 전도성 고분자 섬유 또는 얀, 탄소 또는 흑연 섬유 또는 얀, 또는 다수의 얇은 와이어, 섬유, 또는 얀처럼 단순할 수 있다. 그러나, 이러한 상태에서, 제2 전극은 다공질 발포체 구조를 포함해야 한다.Alternatively, in a first step, the first electrode comprises a conductive rod (not a porous foam) and the first mixture is coated or deposited on the surface of the conductive rod. This rod can be as simple as a metal wire, a conductive polymer fiber or yarn, a carbon or graphite fiber or yarn, or a number of thin wires, fibers, or yarns. However, in this state, the second electrode must include a porous foam structure.

제2 단계는 Li+, Na+, 또는 K+ 이온에 투과성이 있는 박층의 다공질 세퍼레이터(15) (예를 들어, 다공질 플라스틱 필름, 종이, 섬유 매트, 부직포, 유리 섬유포 등)로 제1 전극(11)을 둘러싸거나 감싸는 단계를 포함한다. 이 구조의 단면 영역은 이제 15a, 15b 등에 개략적으로 도시된 것과 같다. 이 단계는 얇은 다공질 플라스틱 테이프로 제1 전극을 완전히 한 바퀴 또는 한 바퀴보다 약간 더 많이, 또는 나선형으로 감싸는 것처럼 단순할 수 있다. 주 목적은 내부 단락을 방지하기 위해 애노드와 캐소드를 전기적으로 분리하는 것이다. 다공질 층은 분무, 인쇄, 코팅, 딥 캐스팅 등에 의해 제1 전극 전체 둘레에 간단히 증착될 수 있다.In the second step, a thin porous separator ( 15 ) permeable to Li + , Na + , or K + ions (eg, porous plastic film, paper, fiber mat, non-woven fabric, glass fiber fabric, etc.) is used as the first electrode ( 11 ) enclosing or enclosing. The cross-sectional area of this structure is now schematically shown at 15a , 15b, etc. This step can be as simple as wrapping the first electrode completely or slightly more than one turn, or spirally, with a thin porous plastic tape. The main purpose is to electrically separate the anode and cathode to prevent internal short circuits. A porous layer may simply be deposited around the entire first electrode by spraying, printing, coating, dip casting, or the like.

이 세퍼레이터 피복 또는 랩핑 단계 다음에 세퍼레이터-보호 구조를 제2 전극(17)의 층으로 둘러싸거나 감싸는 단계를 포함하는 제3 단계가 이어진다. 제2 전극(17)은 제2 활물질과 제2 전해질의 혼합물 및, (필요하지 않고 바람직하지는 않지만) 선택적으로 전도성 첨가제 또는 수지 바인더를 포함한다. 이 제2 전극(17)은 외부 부하에 연결하기 위한 단자 탭 역할을 할 수 있는 활물질 부재 전해질 부재의 단부(21)를 선택적으로 포함할 수 있다. 이 구조의 단면 영역은 이제 17a, 17b 등에 개략적으로 도시된 것과 같다.This separator covering or lapping step is followed by a third step comprising the step of enclosing or wrapping the separator-protecting structure with a layer of second electrode 17 . The second electrode 17 includes a mixture of a second active material and a second electrolyte and, optionally (although not necessary or preferred) a conductive additive or resin binder. This second electrode 17 can optionally include an end 21 of an active material member electrolyte member that can serve as a terminal tab for connection to an external load. The cross-sectional area of this structure is now schematically shown at 17a , 17b, etc.

제4 단계로서, 이 구조는 이어서, 전기 절연성인 케이블 외피(19) (예를 들어, 플라스틱 외피 또는 고무 쉘)에 의해 감싸이거나 보호된다. 생성된 케이블 전지 구조의 단면 영역은 이제 외부 부하(예를 들어, 전구, LED 조명, 전자 장치)에 연결되기 전, 19a, 19b 등에 개략적으로 도시된 것과 같다.As a fourth step, this structure is then wrapped or protected by an electrically insulative cable sheath 19 (eg a plastic sheath or rubber shell). The cross-sectional area of the resulting cable cell structure is now as shown schematically at 19a , 19b , etc. before being connected to an external load (eg light bulb, LED light, electronic device).

대안적으로, 제2 전극은 세퍼레이터층과 케이블 외피 사이에 배치된 Li, Na, 및/또는 K 금속의 층, 또는 Li, Na, 및/또는 K 금속으로 증착된 집전체(예를 들어, Cu 호일, Ni 호일, 스테인리스강 호일과 같은 금속 호일, 또는 탄소 천)의 층을 포함한다. 그러나, 이 경우, 제1 전극은 전도성 다공질 발포체 구조를 포함해야 한다.Alternatively, the second electrode may be a layer of Li, Na, and/or K metal disposed between the separator layer and the cable sheath, or a current collector deposited with Li, Na, and/or K metal (eg, Cu foil, Ni foil, metal foil such as stainless steel foil, or carbon cloth). However, in this case, the first electrode must include a conductive porous foam structure.

제1 전극 또는 제2 전극을 제조하는 몇 가지 수단이 있다. 정사각형 또는 직사각형 발포층 단면을 예로 들면, 도 1d에 개략적으로 도시된 바와 같이, 한 가지 바람직한 방법은 공급 롤러(미도시)로부터 하나 또는 복수의 전기 전도성 다공질 발포층(예를 들어, 304, 310, 322, 또는 330; 하나의 발포층만 도시되었지만, 각각의 경우에 다수의 층이 있을 수 있음)을 활물질/전해질 함침 구역에 연속적으로 공급하는 단계를 포함하며, 함침 구역에서 전극 활물질, 전해질 및 선택적 전도성 첨가제의 습윤 활물질 혼합물(예를 들어, 306a, 306b, 312a, 312b와 같은 슬러리, 현탁액, 또는 겔형 물질)이 다공질 층(예를 들어, 도 1d의 개략도 A 및 개략도 B에서 각각 304 또는 310)의 적어도 다공질 표면으로 전달된다. 개략도 A를 예로 들면, 습윤 활물질/전해질 혼합물(306a, 306b)은 한 쌍 또는 두 쌍의 롤러(302a, 302b, 302c, 및 302d)를 사용해 양면으로부터 다공질 층에 강제로 함침되어, 함침된 활성 전극(308) (애노드 또는 캐소드)을 형성한다. 전도성 다공질 발포층은 전자 전도 경로의 상호 연결된 네트워크 및 적어도 70 부피%(바람직하게는 80% 초과, 더 바람직하게는 90% 초과, 더욱 더 바람직하게는 95% 초과)의 세공을 포함한다.There are several means of manufacturing either the first electrode or the second electrode. Taking a square or rectangular foam layer cross-section as an example, as schematically shown in FIG . 322, or 330 (only one foam layer is shown, but there may be multiple layers in each case) to the active material/electrolyte impregnation zone, wherein the electrode active material, electrolyte and optional A wet active material mixture (eg, a slurry, suspension, or gel-like material such as 306a, 306b, 312a, 312b ) of a conductive additive is added to a porous layer (eg, 304 or 310 in Schematic A and Schematic B in FIG. 1D, respectively). of is transferred to at least the porous surface. Taking Schematic A as an example, the wet active material/electrolyte mixture 306a, 306b is forcibly impregnated into the porous layer from both sides using one or two pairs of rollers 302a, 302b, 302c, and 302d using a pair of rollers 302a, 302b, 302c, and 302d to form an impregnated active electrode ( 308 ) (anode or cathode). The conductive porous foam layer comprises an interconnected network of electron conduction pathways and at least 70% by volume (preferably greater than 80%, more preferably greater than 90%, even more preferably greater than 95%) pores.

개략도 B에서, 습윤 활물질/전해질 혼합물 층(312a, 312b)을 지지하는 두 개의 보호 필름(314a, 314b)을 연속적으로 풀어내기 위해 두 개의 공급 롤러(316a, 316b)가 사용된다. 이들 습윤 활물질/전해질 혼합물 층(312a, 312b)은 다양한 방법(예를 들어, 당업계에 잘 알려진 인쇄, 분무, 캐스팅, 코팅 등)을 이용해 보호(지지) 필름(314a, 314b)에 전달될 수 있다. 전도성 다공질 발포층(110)이 두 세트의 롤러(318a, 318b, 318c, 318d) 사이의 간극을 통해 이동함에 따라, 습윤 활성 혼합물 물질/전해질은 다공질 층(310)의 세공에 함침되어, 두 개의 보호 필름(314a, 314b)으로 덮인 활물질 전극(320) (애노드 또는 캐소드 전극층)을 형성한다. 이들 보호 필름은 나중에 제거될 수 있다.In Schematic B, two supply rollers 316a and 316b are used to continuously unroll the two protective films 314a and 314b supporting the wet active material/electrolyte mixture layers 312a and 312b . These wet active material/electrolyte mixture layers 312a , 312b can be transferred to the protective (support) films 314a , 314b using a variety of methods (eg, printing, spraying, casting, coating, etc. well known in the art). there is. As the conductive porous foam layer 110 moves through the gaps between the two sets of rollers 318a, 318b, 318c, and 318d , the wet active mixture material/electrolyte impregnates the pores of the porous layer 310 , forming two An active material electrode 320 (anode or cathode electrode layer) covered with protective films 314a and 314b is formed. These protective films can be removed later.

개략도 C를 다른 예로 들면, 두 개의 분무 장치(324a, 324b)를 사용해 습윤 활물질/전해질 혼합물(325a, 325b)을 전도성 다공질 층(322)의 두 개의 대향 다공질 표면에 분배시켰다. 습윤 활물질/전해질 혼합물은 한 쌍 또는 두 쌍의 롤러를 사용해 양면으로부터 다공질 층에 강제로 함침되어, 함침된 활성 전극(326) (애노드 또는 캐소드)을 형성한다. 마찬가지로, 개략도 D에서, 두 개의 분무 장치(332a, 332b)를 사용해 습윤 활물질 혼합물(333a, 333b)을 전도성 다공질 층(330)의 두 개의 대향 다공질 발포층 표면에 분배시켰다. 습윤 활물질-전해질 혼합물은 한 쌍 또는 두 쌍의 롤러를 사용해 양면으로부터 다공질 층에 강제로 함침되어, 함침된 활성 전극(338) (애노드 또는 캐소드)을 형성한다.Taking Schematic C as another example, two spray devices 324a and 324b were used to dispense wet active material/electrolyte mixtures 325a and 325b onto two opposing porous surfaces of conductive porous layer 322 . The wet active material/electrolyte mixture is forcibly impregnated into the porous layer from both sides using one or two pairs of rollers to form an impregnated active electrode 326 (anode or cathode). Similarly, in Schematic D, two spray devices 332a, 332b were used to dispense the wet active material mixture 333a, 333b onto the surfaces of the two opposing porous foam layers of the conductive porous layer 330 . The wet active material-electrolyte mixture is forcibly impregnated into the porous layer from both sides using one or two pairs of rollers to form an impregnated active electrode 338 (anode or cathode).

다른 예로서, 도 1e의 개략도 E에 도시된 바와 같이, 전극 제조 공정은 공급 롤러(340)로부터 임의의 단면 형상의 전도성 다공질 발포층(356)을 연속적으로 공급함으로써 시작된다. 다공질 층(356)은 롤러(342)에 의해 유도되어 용기(344) 내의 습윤 활물질 혼합물 물질(346) (슬러리, 현탁액, 겔 등)에 침지된다. 활물질 혼합물이 롤러(342b)를 향해 이동함에 따라 다공질 층(356)의 세공에 함침되기 시작하고, 용기로부터 나와 두 개의 롤러(348a, 348b) 사이의 간극에 공급된다. 두 개의 보호 필름(350a, 350b)은 두 개의 각각의 롤러(352a, 352b)로부터 동시에 공급되어, 함침된 다공질 층(354)을 덮고, 이는 회전 드럼(권취 롤러(355)) 상에 연속으로 회수될 수 있다. 이 공정은 애노드 및 캐소드 전극 모두에 적용될 수 있다.As another example, as shown in schematic E of FIG. 1E , the electrode manufacturing process starts by continuously supplying a conductive porous foam layer 356 of an arbitrary cross-sectional shape from a supply roller 340 . Porous layer 356 is guided by roller 342 to be dipped into wet active material mixture material 346 (slurry, suspension, gel, etc.) in vessel 344 . As the active material mixture moves toward the roller 342b , it begins to impregnate the pores of the porous layer 356 , and is supplied from the container to the gap between the two rollers 348a and 348b . The two protective films 350a, 350b are simultaneously supplied from the two respective rollers 352a, 352b to cover the impregnated porous layer 354 , which is continuously recovered on a rotary drum (winding roller 355 ). It can be. This process can be applied to both anode and cathode electrodes.

생성된 전극층(애노드 또는 캐소드 전극)은 압밀 후 100 nm 내지 수 센티미터(원하는 경우, 그 이상)의 두께 또는 직경을 가질 수 있다. (예를 들어, 마이크로 전자 장치용 플렉서블 전력원으로서의) 마이크로 케이블의 경우, 전극의 두께 또는 직경은 100 nm 내지 100 μm, 더 통상적으로는 1 μm 내지 50 μm, 가장 통상적으로는 10 μm 내지 30 μm이다. (예를 들어, 전기 차량(EV)의 제한된 공간에서 사용하기 위한) 거시적인 형상 적응성 플렉서블 케이블 전지의 경우, 전극은 통상적으로 그리고 바람직하게 100 μm 이상(바람직하게는 200 μm 초과, 더 바람직하게는 300 μm 초과, 더욱 바람직하게는 400 μm 초과, 훨씬 더 바람직하게는 500 μm, 600 μm 초과, 또는 심지어 1,000 μm 초과)의 두께를 가지며, 전극 두께에 대한 이론적 한계는 없다.The resulting electrode layer (anode or cathode electrode) may have a thickness or diameter after compaction from 100 nm to several centimeters (or more if desired). For a microcable (e.g., as a flexible power source for a microelectronic device), the thickness or diameter of the electrode is between 100 nm and 100 μm, more typically between 1 μm and 50 μm, most typically between 10 μm and 30 μm. am. In the case of a macroscopic shape-adaptive flexible cable battery (for example, for use in the limited space of an electric vehicle (EV)), the electrode is typically and preferably 100 μm or more (preferably greater than 200 μm, more preferably greater than 300 μm, more preferably greater than 400 μm, even more preferably greater than 500 μm, greater than 600 μm, or even greater than 1,000 μm), and there is no theoretical limit to the thickness of the electrode.

상기 내용은 본 발명의 형상 적응성 케이블형 플렉서블 알칼리 금속 전지가 어떻게 제조될 수 있는지를 예시하기 위한 단지 몇 가지 예이다. 이 예들이 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용되어서는 안 된다.The above are just a few examples to illustrate how the shape adaptable cable type flexible alkali metal battery of the present invention can be manufactured. These examples should not be used to limit the scope of the invention.

전기 전도성 다공질 층은 금속 발포체, 금속 웹 또는 스크린, 천공된 금속 시트-기반 구조체, 금속 섬유 매트, 금속 나노와이어 매트, 전도성 고분자 나노섬유 매트, 전도성 고분자 발포체, 전도성 고분자-코팅 섬유 발포체, 탄소 발포체, 흑연 발포체, 탄소 에어로겔, 탄소 제로겔, 그래핀 에어로겔, 그래핀 발포체, 그래핀 산화물 발포체, 환원된 그래핀 산화물 발포체, 탄소 섬유 발포체, 흑연 섬유 발포체, 박리 흑연 발포체, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 다공질 층은 탄소, 흑연, 금속, 금속-코팅 섬유, 전도성 고분자, 또는 전도성 고분자-코팅 섬유와 같은 전기 전도성 물질(고다공질 매트, 스크린/그리드, 부직포, 발포체 등의 형태)로 제조되어야 한다. 전도성 다공질 층의 예는 도 3a, 도 3b, 도 3c, 및 도 3d에 제시되어 있다. 공극률 수준은 적어도 70 부피%, 바람직하게는 80 부피% 초과, 더 바람직하게는 90 부피% 초과, 가장 바람직하게는 95 부피% 초과이어야 한다. 백본 또는 발포체 벽은 전자 전도 경로의 네트워크를 형성한다.The electrically conductive porous layer may be a metal foam, a metal web or screen, a perforated metal sheet-based structure, a metal fiber mat, a metal nanowire mat, a conductive polymer nanofiber mat, a conductive polymer foam, a conductive polymer-coated fiber foam, a carbon foam, graphite foam, carbon airgel, carbon xerogel, graphene airgel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam, or combinations thereof. there is. The porous layer must be made of an electrically conductive material (in the form of a highly porous mat, screen/grid, non-woven fabric, foam, etc.) such as carbon, graphite, metal, metal-coated fibers, conductive polymers, or conductive polymer-coated fibers. Examples of conductive porous layers are shown in FIGS. 3A, 3B, 3C, and 3D. The porosity level should be at least 70% by volume, preferably greater than 80% by volume, more preferably greater than 90% by volume and most preferably greater than 95% by volume. The backbone or foam wall forms a network of electron conduction pathways.

이들 발포체 구조는 임의의 단면 형상으로 용이하게 제조될 수 있다. 이들은 또한 매우 플렉서블할 수 있고, 통상적으로 비금속 발포체가 금속 발포체보다 더 플렉서블하다. 전해질은 액체 또는 겔 상태이므로, 생성된 케이블 전지는 매우 플렉서블할 수 있고, 본질적으로 임의의 특이한 형상에 부합되도록 만들어질 수 있다. 액체 용매 중의 염 농도가 높은(예를 들어 2.5 M 내지 12 M) 경우에도, 세공 내부에 전해질을 함유한 발포체는 여전히 변형될 수 있고, 구부릴 수 있고, 비틀릴 수 있고, 특이한 형상에도 부합될 수 있다.These foam structures can be easily manufactured into any cross-sectional shape. They can also be very flexible, and usually non-metallic foams are more flexible than metal foams. Since the electrolyte is in a liquid or gel state, the resulting cable cell can be highly flexible and can be made to conform to essentially any unusual shape. Even when the salt concentration in the liquid solvent is high (e.g., 2.5 M to 12 M), the foam containing the electrolyte inside the pores can still be deformed, bent, twisted, and conformed to unusual shapes. there is.

바람직하게, 원래의 전도성 다공질 층의 실질적으로 모든 세공은 전극 활물질(애노드 또는 캐소드), 전해질, 및 선택적 전도성 첨가제로 채워진다(바인더 수지는 불필요). 세공 벽 또는 전도성 경로(1~30%)에 비해 세공의 양(70~99%)이 많으므로, 매우 적은 공간만이 낭비되어("낭비"는 전극 활물질 및 전해질에 의해 점유되지 않음을 의미함), 높은 비율의 전극 활물질-전해질 혼합물(높은 활물질 공급량 질량)이 발생한다.Preferably, substantially all of the pores of the original conductive porous layer are filled with an active electrode material (anode or cathode), an electrolyte, and an optional conductive additive (no binder resin required). Since the amount of pores (70-99%) is high compared to the pore walls or conductive pathways (1-30%), very little space is wasted ("wasted" means not occupied by active electrode material and electrolyte). ), a high proportion of the electrode active material-electrolyte mixture (high active material supply mass) occurs.

이러한 전지 전극 구성(예를 들어, 도 1c)에서, 전체 전극 구조에 걸쳐 어디에나 세공 벽이 존재하므로, 전자는 세공 벽에 의해 집전되기 전에 짧은 거리(평균적으로 세공 크기의 절반, 예를 들어, 나노미터 또는 수 마이크로미터)를 이동하기만 하면 된다(전도성 발포체가 집전체 역할을 함). 이러한 세공 벽은 저항이 최소인 상호 연결된 전자 전달 경로의 3D 네트워크를 형성한다. 또한, 각각의 애노드 전극 또는 캐소드 전극에서, 모든 전극 활물질 입자는 액체 전해질에 미리 분산되어(습윤성 문제 없음), 습윤 코팅, 건조, 패킹, 및 전해질 주입의 종래의 공정에 의해 제조된 전극에 일반적으로 존재하는 드라이 포켓(dry pocket)의 존재를 제거한다. 따라서, 본 발명의 공정은 종래의 전지 셀 제조 공정에 비해 전혀 예상치 못한 이점을 가져온다.In such cell electrode configurations (e.g., FIG. 1C), since the pore walls are ubiquitous throughout the entire electrode structure, electrons can pass short distances (on average half the pore size, e.g., nanometers) before being collected by the pore walls. meters or a few micrometers) (conductive foam acts as a current collector). These pore walls form a 3D network of interconnected electron transport pathways with minimal resistance. In addition, in each anode electrode or cathode electrode, all electrode active material particles are pre-dispersed in a liquid electrolyte (no wettability problem), and generally in electrodes prepared by conventional processes of wet coating, drying, packing, and electrolyte injection Eliminate the presence of any existing dry pockets. Thus, the process of the present invention brings completely unexpected advantages over conventional battery cell manufacturing processes.

바람직한 구현예에서, 애노드 활물질은 순수 그래핀(예를 들어, 도 2), 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 그래핀 시트의 사전 리튬화되거나 사전 나트륨화된 형태이다. 상기 그래핀 물질 중 어느 하나를 제조하기 위한 출발 흑연 물질은 천연 흑연, 인조 흑연, 메소상 탄소, 메소상 피치, 메소탄소 마이크로비드, 연질 탄소, 경질 탄소, 코크스, 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 그래핀 물질은 또한 알칼리 금속 전지의 애노드 활물질 및 캐소드 활물질 모두에 대한 우수한 전도성 첨가제이다.In a preferred embodiment, the anode active material is pure graphene (eg, FIG. 2), graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene It is a pre-lithiated or pre-sodium form of a graphene sheet selected from pin, nitride graphene, chemically functionalized graphene, or combinations thereof. The starting graphite material for preparing any one of the graphene materials is natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, mesophase pitch, mesocarbon microbeads, soft carbon, hard carbon, coke, carbon fiber, carbon nanofiber, carbon nanotubes, or combinations thereof. Graphene materials are also excellent conductive additives for both anode and cathode active materials in alkali metal cells.

면간 반 데르 발스 힘이 극복될 수 있다면, 천연 또는 인조 흑연 입자 내 흑연 미세결정의 구성요소인 그래핀 면이 박리 및 추출 또는 단리되어 단원자 두께인, 육방정 탄소 원자의 개별 그래핀 시트를 얻을 수 있다. 단리된, 탄소 원자의 개별 그래핀 면을 일반적으로 단일층 그래핀이라고 한다. 약 0.3354 nm의 그래핀 면간 간격을 가지고 두께 방향으로 반 데르 발스 힘을 통해 결합된 여러 개의 그래핀 면으로 이루어진 스택을 일반적으로 다층 그래핀이라고 한다. 다층 그래핀 판은 300층 이하의 그래핀 면(100 nm 미만의 두께)을 갖지만, 통상적으로는 30개 이하의 그래핀 면(10 nm 미만의 두께), 훨씬 더 통상적으로는 20개 이하의 그래핀 면(7 nm 미만의 두께), 가장 통상적으로는 10개 이하의 그래핀 면(일반적으로 과학계에서 소수층(few-layer) 그래핀이라고 함)을 갖는다. 단일층 그래핀과 다층 그래핀 시트를 총칭하여 "나노그래핀 판"(NGP)이라고 한다. 그래핀 시트/판(총칭하여, NGP)은 0-D 풀러렌, 1-D CNT 또는 CNF, 및 3-D 흑연과는 구별되는 새로운 종류의 탄소 나노물질(2-D 나노 카본)이다. 청구범위를 정의하기 위해 그리고 당업계에서 일반적으로 이해되는 바와 같이, 그래핀 물질(단리된 그래핀 시트)은 탄소 나노튜브(CNT) 또는 탄소 나노섬유(CNF)가 아니다(또한 이를 포함하지 않음).If interplanar van der Waals forces can be overcome, graphene planes, which are constituents of graphite microcrystals within natural or artificial graphite grains, can be exfoliated and extracted or isolated to yield discrete graphene sheets of monoatomic thickness, hexagonal carbon atoms. can Isolated, individual graphene facets of carbon atoms are commonly referred to as monolayer graphene. A stack consisting of several graphene facets bonded through van der Waals forces in the thickness direction with an interplanar spacing of about 0.3354 nm is generally referred to as multilayer graphene. A multilayer graphene sheet has up to 300 graphene planes (less than 100 nm thick), but typically less than 30 graphene planes (less than 10 nm thick), and even more typically up to 20 graphene planes. It has fin facets (less than 7 nm thick), most commonly fewer than 10 graphene facets (commonly referred to in the scientific community as few-layer graphene). Single-layer graphene and multi-layer graphene sheets are collectively referred to as "nanographene sheets" (NGP). Graphene sheets/plates (collectively, NGPs) are a new class of carbon nanomaterials (2-D nanocarbons) distinct from 0-D fullerenes, 1-D CNTs or CNFs, and 3-D graphite. For purposes of defining the claims and as is generally understood in the art, the graphene material (isolated graphene sheet) is not (and does not include) carbon nanotubes (CNTs) or carbon nanofibers (CNFs). .

하나의 공정에서, 그래핀 물질은, 도 4a 및 도 4b(개략도)에 도시된 바와 같이, 강산 및/또는 산화제로 천연 흑연 입자를 삽입 처리하여 흑연 삽입 화합물(GIC) 또는 흑연 산화물(GO)을 얻음으로써 얻어진다. GIC 또는 GO에서 그래핀 면 사이의 틈새 공간에 화학종 또는 작용기가 존재하면 그래핀 간 간격(X-선 회절에 의해 측정되는 d 002)을 증가시키는 역할을 하여, 그렇지 않을 경우 c축 방향을 따라 그래핀 면을 서로 결합시키는 반 데르 발스 힘을 상당히 감소시킨다. GIC 또는 GO는 대부분의 경우 황산, 질산(산화제), 및 다른 산화제(예를 들어, 과망간산칼륨 또는 과염소산나트륨)의 혼합물에 천연 흑연 분말(도 4b의 100)을 침지시켜 생성된다. 삽입 과정 중에 산화제가 존재할 경우, 생성된 GIC(102)는 실제로 일부 유형의 흑연 산화물(GO) 입자이다. 이어서, 이 GIC 또는 GO를 물에서 반복 세척하고 세정하여 과량의 산을 제거함으로써, 물에 분산된 시각적으로 식별 가능한 이산 흑연 산화물 입자를 함유하는 흑연 산화물 현탁액 또는 분산액이 생성된다. 그래핀 물질을 제조하기 위해, 이러한 세정 단계 후, 이하 간략히 설명된 두 가지 프로세싱 경로 중 하나를 따를 수 있다.In one process, graphene materials are prepared by intercalating natural graphite particles with strong acids and/or oxidizing agents to obtain graphite intercalating compounds (GICs) or graphite oxides (GOs), as shown in FIGS. 4A and 4B (schematic). obtained by obtaining In GIC or GO, the presence of chemical species or functional groups in the interstitial space between the graphene planes serves to increase the intergraphe spacing ( d 002 measured by X-ray diffraction), otherwise along the c- axis direction It significantly reduces the van der Waals forces that bind the graphene facets together. GIC or GO is in most cases produced by immersing natural graphite powder ( 100 in Fig. 4b) in a mixture of sulfuric acid, nitric acid (oxidizing agent), and another oxidizing agent (e.g., potassium permanganate or sodium perchlorate). If an oxidizing agent is present during the intercalation process, the resulting GIC ( 102 ) is actually some type of graphite oxide (GO) particle. This GIC or GO is then repeatedly washed and rinsed in water to remove excess acid, resulting in a graphite oxide suspension or dispersion containing visually discernible discrete graphite oxide particles dispersed in water. To prepare the graphene material, after this cleaning step, one of two processing routes outlined below can be followed.

경로 1은 현탁액으로부터 물을 제거하여 본질적으로 다량의 건조된 GIC 또는 건조된 흑연 산화물 입자인 "팽창 가능한 흑연"을 얻는 단계를 포함한다. 팽창 가능한 흑연을 통상적으로 800~1,050℃ 범위의 온도에 약 30초 내지 2분 동안 노출시키면, GIC는 30~300배로 급속한 체적 팽창을 겪어, 박리되었지만 크게 분리되지 않은 상호 연결된 상태의 흑연 플레이크의 집합체인 "흑연 웜(graphite worm)"(104)을 형성한다.Route 1 involves removing water from the suspension to obtain "expandable graphite" which is essentially a large amount of dried GIC or dried graphite oxide particles. When expandable graphite is exposed to temperatures typically in the range of 800 to 1,050 °C for about 30 seconds to 2 minutes, the GIC undergoes a rapid volume expansion of 30 to 300 times, resulting in a collection of exfoliated but largely unseparated, interconnected graphite flakes. form a "graphite worm" ( 104 ).

경로 1A에서, 이들 흑연 웜(박리 흑연 또는 "상호 연결된/분리되지 않은 흑연 플레이크의 네트워크")은 재압축되어 통상적으로 0.1 mm(100 μm) 내지 0.5 mm(500 μm) 범위의 두께를 갖는 가요성 흑연 시트 또는 호일(106)을 얻을 수 있다. 대안적으로, 주로 100 nm보다 두꺼운 흑연 플레이크 또는 판을 함유하는 소위 "팽창 흑연 플레이크"(108)(따라서, 정의에 의하면 나노물질이 아님)를 제조할 목적으로 저강도 에어 밀 또는 전단기를 사용하여 흑연 웜을 단순히 파괴하는 것을 선택할 수 있다.In path 1A, these graphite worms (exfoliated graphite or "networks of interconnected/unseparated graphite flakes") are recompressed into a flexible material with a thickness typically ranging from 0.1 mm (100 μm) to 0.5 mm (500 μm). A graphite sheet or foil 106 can be obtained. Alternatively, using low-intensity air mills or shears for the purpose of producing so-called “expanded graphite flakes” ( 108 ) containing primarily graphite flakes or platelets thicker than 100 nm (and therefore not nanomaterials by definition) You can choose to simply destroy the graphite worm.

경로 1B에서, 본 출원인의 미국 출원 10/858,814호(2004년 6월 3일)에 개시된 바와 같이, 박리 흑연은 (예를 들어, 초음파기, 고전단 믹서, 고강도 에어 제트 밀, 또는 고에너지 볼밀을 이용해) 고강도 기계적 전단 처리되어, 분리된 단일층 및 다층 그래핀 시트(총칭하여 NGP라 함, 112)를 형성한다. 단일층 그래핀은 0.34 nm만큼 얇을 수 있는 반면, 다층 그래핀은 100 nm 이하, 하지만 더 통상적으로는 10 nm 미만의 두께를 가질 수 있다(일반적으로 소수층 그래핀이라 함). 제지 공정을 이용해 여러 개의 그래핀 시트 또는 판을 NGP 종이 시트로 제조할 수 있다. 이 NGP 종이 시트는 본 발명의 공정에서 사용되는 다공질 그래핀 구조 층의 일례이다.In Route 1B, as disclosed in Applicant's U.S. Application Serial No. 10/858,814 (June 3, 2004), exfoliated graphite is prepared (e.g., by a sonicator, high shear mixer, high intensity air jet mill, or high energy ball mill). are subjected to high-intensity mechanical shearing) to form isolated monolayer and multilayer graphene sheets (collectively referred to as NGPs, 112 ). Single-layer graphene can be as thin as 0.34 nm, while multi-layer graphene can have a thickness of less than 100 nm, but more typically less than 10 nm (commonly referred to as few-layer graphene). Several graphene sheets or plates can be made into NGP paper sheets using papermaking processes. This NGP paper sheet is an example of a porous graphene structure layer used in the process of the present invention.

경로 2는, 흑연 산화물 입자로부터 개별 그래핀 산화물 시트를 분리/단리할 목적으로 흑연 산화물 현탁액(예를 들어, 물에 분산된 흑연 산화물 입자)을 초음파 처리하는 단계를 수반한다. 이는, 그래핀간 면간 분리가 천연 흑연에서 0.3354 nm로부터 고도로 산화된 흑연 산화물에서 0.6~1.1 nm로 증가되어, 인접 면을 서로 결합시키는 반 데르 발스 힘을 상당히 약화시켰다는 개념을 기초로 한다. 초음파 파워는 그래핀 면 시트를 더 분리하여 완전히 분리, 단리, 또는 이산된 그래핀 산화물(GO) 시트를 형성하기에 충분할 수 있다. 이들 그래핀 산화물 시트는 이어서 화학적 또는 열적으로 환원되어, 통상적으로 0.001 중량% 내지 10 중량%, 더 통상적으로는 0.01 중량% 내지 5 중량%의 산소 함량, 가장 통상적으로 바람직하게는 2 중량% 미만의 산소를 갖는 "환원된 그래핀 산화물"(RGO)을 얻을 수 있다.Route 2 involves sonicating a graphite oxide suspension (eg graphite oxide particles dispersed in water) for the purpose of separating/isolating the individual graphene oxide sheets from the graphite oxide particles. This is based on the concept that interplanar separation between graphenes increased from 0.3354 nm in natural graphite to 0.6–1.1 nm in highly oxidized graphite oxide, significantly weakening the van der Waals forces binding adjacent planes together. The ultrasonic power may be sufficient to further separate the graphene face sheets to form fully separated, isolated, or discrete graphene oxide (GO) sheets. These graphene oxide sheets are then chemically or thermally reduced to an oxygen content of typically 0.001% to 10% by weight, more typically 0.01% to 5% by weight, most typically preferably less than 2% by weight. "Reduced graphene oxide" (RGO) with oxygen can be obtained.

본 출원의 청구범위를 정의하기 위해, NGP 또는 그래핀 물질은 단일층 및 다층 (통상적으로는 10개 미만의 층) 순수 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물(RGO), 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 도핑된(예를 들어, B 또는 N으로 도핑된) 그래핀의 이산 시트/판을 포함한다. 순수 그래핀은 본질적으로 0%의 산소를 갖는다. RGO는 통상적으로 0.001 중량% 내지 5 중량%의 산소 함량을 갖는다. 그래핀 산화물(RGO를 포함)은 0.001 중량% 내지 50 중량%의 산소를 가질 수 있다. 순수 그래핀 외에, 모든 그래핀 물질은 0.001 중량% 내지 50 중량%의 비탄소 원소(예를 들어, O, H, N, B, F, Cl, Br, I 등)를 갖는다. 이러한 물질은 본원에서 비순수 그래핀 물질로 지칭된다.For purposes of defining the claims of this application, NGPs or graphene materials are monolayer and multilayer (typically less than 10 layers) pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO), graphene fluoride. , graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrated graphene, chemically functionalized graphene, discrete sheets of doped (e.g., doped with B or N) graphene. /include plate Pure graphene has essentially 0% oxygen. RGO typically has an oxygen content of 0.001% to 5% by weight. Graphene oxide (including RGO) may have 0.001% to 50% oxygen by weight. Other than pure graphene, all graphene materials have from 0.001% to 50% by weight of non-carbon elements (eg, O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.). Such materials are referred to herein as impure graphene materials.

더 작은 이산 그래핀 시트(통상적으로 0.3 μm 내지 10 μm) 내의 순수 그래핀은 흑연 입자의 초임계 유체 박리 또는 (액상 박리 또는 제조로도 알려진) 직접 초음파 처리에 의해 생성될 수 있다. 이러한 공정은 당업계에 잘 알려져 있다.Pure graphene in smaller discrete graphene sheets (typically 0.3 μm to 10 μm) can be produced by supercritical fluid exfoliation or direct sonication (also known as liquid phase exfoliation or preparation) of graphite particles. Such processes are well known in the art.

그래핀 산화물(GO)은, 반응 용기 내에서 산화 액체 매질(예를 들어, 황산, 질산, 및 과망간산칼륨의 혼합물)에 출발 흑연 물질의 분말 또는 필라멘트(예를 들어, 천연 흑연 분말)를 원하는 온도에서 일정 시간(출발 물질의 성질 및 사용된 산화제의 유형에 따라 통상적으로 0.5 내지 96시간) 동안 침지시켜 얻을 수 있다. 전술한 바와 같이, 생성된 흑연 산화물 입자는 이어서 열 박리 또는 초음파-유도 박리 처리되어, 단리된 GO 시트를 생성할 수 있다. 이들 GO 시트는 이어서 -OH기를 다른 화학기(예를 들어, -Br, NH2 등)로 치환함으로써 다양한 그래핀 물질로 변환될 수 있다.Graphene oxide (GO) is prepared by dissolving a powder or filaments of a starting graphite material (eg, natural graphite powder) in an oxidizing liquid medium (eg, a mixture of sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate) in a reaction vessel at a desired temperature. for a period of time (typically 0.5 to 96 hours depending on the nature of the starting material and the type of oxidizing agent used). As described above, the resulting graphite oxide particles can then be subjected to thermal exfoliation or ultrasonically-induced exfoliation to produce isolated GO sheets. These GO sheets can then be converted into various graphene materials by replacing the -OH groups with other chemical groups (eg -Br, NH 2 , etc.).

불화 그래핀 또는 그래핀 불화물은 본원에서 할로겐화 그래핀 물질 군의 일례로 사용된다. 불화 그래핀을 제조하기 위한 두 가지 상이한 접근법이 존재한다. (1) 미리 합성된 그래핀의 불화: 이 접근법은 기계적 박리 또는 CVD 성장에 의해 제조된 그래핀을 XeF2와 같은 불화제, 또는 F계 플라즈마로 처리하는 단계를 수반한다; (2) 다층 흑연 불화물의 박리: 흑연 불화물의 기계적 박리 및 액상 박리 모두 용이하게 달성될 수 있다.Fluorinated graphene or graphene fluoride is used herein as an example of a group of halogenated graphene materials. There are two different approaches to making fluorinated graphene. (1) Fluorination of pre-synthesized graphene: This approach involves treating graphene prepared by mechanical exfoliation or CVD growth with a fluorinated agent such as XeF 2 , or an F-based plasma; (2) Exfoliation of multilayer graphite fluoride: Both mechanical exfoliation and liquid phase exfoliation of graphite fluoride can be easily achieved.

고온에서 F2가 흑연과 상호작용하면 공유 흑연 불화물 (CF) n 또는 (C2F) n 이 형성되는 반면, 저온에서는 흑연 삽입 화합물 (GIC) C x F(2 ≤ x ≤ 24)가 형성된다. (CF) n 에서 탄소 원자는 sp3-하이브리드화 되므로, 플루오로카본층은 트랜스-연결된 사이클로헥산 사슬로 이루어진 파형이다. (C2F) n 에서는 C 원자의 절반만이 불화되고, 인접한 탄소 시트의 모든 쌍은 C-C 공유 결합에 의해 서로 연결된다. 불소화 반응에 대한 체계적인 연구에 따르면, 생성된 F/C 비는 불소화 온도, 불소화 가스 내 불소의 분압, 및 흑연 전구체의 물리적 특성(흑연화 정도, 입자 크기 및 비표면적을 포함)에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 대부분의 이용 가능한 문헌은 (때로는 불화물의 존재 하에서) F2 가스로 불소화하는 것을 포함하지만, 불소(F2) 이외에도 다른 불화제가 사용될 수 있다.At high temperatures, interaction of F 2 with graphite results in the formation of covalent graphite fluorides (CF) n or (C 2 F) n , whereas at low temperatures, graphite intercalation compounds (GIC) C x F (2 ≤ x ≤ 24) are formed. . (CF) Since the carbon atom at n is sp3-hybridized, the fluorocarbon layer is a wavy structure composed of trans-linked cyclohexane chains. In (C 2 F) n , only half of the C atoms are fluorinated, and all pairs of adjacent carbon sheets are linked to each other by C-C covalent bonds. A systematic study of the fluorination reaction showed that the resulting F/C ratio was highly dependent on the fluorination temperature, the partial pressure of fluorine in the fluorination gas, and the physical properties of the graphite precursor (including the degree of graphitization, particle size and specific surface area). appear. Most of the available literature involves fluorination with F 2 gas (sometimes in the presence of fluoride), but other fluorination agents besides fluorine (F 2 ) may be used.

층상 전구체 물질을 개별층 또는 소수층의 상태로 박리하기 위해서는, 인접한 층들 사이의 인력을 극복하고 이들 층을 더욱 안정화시키는 것이 필요하다. 이는 작용기에 의한 그래핀 표면의 공유결합 변형에 의해 또는 특정 용매, 계면활성제, 중합체, 또는 공여체-수용체 방향족 분자를 이용한 비공유결합 변형에 의해 달성될 수 있다. 액상 박리 공정은 액체 매질에서의 흑연 불화물의 초음파 처리를 포함한다.In order to exfoliate the layered precursor material in the state of individual layers or few layers, it is necessary to overcome the attractive forces between adjacent layers and to further stabilize these layers. This can be achieved by covalent modification of the graphene surface by functional groups or by non-covalent modification using certain solvents, surfactants, polymers, or donor-acceptor aromatic molecules. The liquid phase exfoliation process involves the ultrasonication of graphitic fluoride in a liquid medium.

그래핀의 질화는 그래핀 산화물과 같은 그래핀 물질을 고온(200~400℃)에서 암모니아에 노출시켜 수행될 수 있다. 질화 그래핀은 저온에서 수열법에 의해, 예를 들어, GO와 암모니아를 오토클레이브에서 밀봉한 다음 온도를 150~250℃로 증가시켜 형성될 수도 있다. 질소 도핑된 그래핀의 합성을 위한 다른 방법은 그래핀에 대한 질소 플라즈마 처리, 암모니아의 존재 하에서의 흑연 전극 간의 아크-방전, CVD 조건 하에서의 그래핀 산화물의 암모니아 분해, 및 상이한 온도에서의 그래핀 산화물과 요소의 수열 처리를 포함한다.Nitriding of graphene may be performed by exposing a graphene material such as graphene oxide to ammonia at a high temperature (200 to 400° C.). Nitride graphene can also be formed by hydrothermal methods at low temperatures, for example, by sealing GO and ammonia in an autoclave and then increasing the temperature to 150-250 °C. Other methods for the synthesis of nitrogen-doped graphene include nitrogen plasma treatment of graphene, arc-discharge between graphite electrodes in the presence of ammonia, ammonia decomposition of graphene oxide under CVD conditions, and graphene oxide and Include sequence processing of elements.

전술한 특징들은 다음과 같이 상세하게 더 기술되고 설명된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 흑연 입자(예를 들어, 100)는 통상적으로는 많은 흑연 미세결정 또는 결정립으로 구성된다. 흑연 미세결정은 탄소 원자의 육방정 네트워크의 층상 평면으로 이루어져 있다. 육방정으로 배열된 탄소 원자들의 이러한 층상 평면은 실질적으로 편평하며, 특정 미세결정에서 서로 실질적으로 평행하고 등거리가 되도록 배향되거나 정렬된다. 일반적으로 그래핀층 또는 기저면으로 지칭되는 이러한 육방정 구조의 탄소 원자층은 약한 반 데르 발스 힘에 의해 두께 방향(결정학적 c축 방향)으로 서로 약하게 결합되어 있으며, 이들 그래핀층의 군은 미세결정으로 배열된다. 흑연 미세결정 구조는 일반적으로 2개의 축 또는 방향, 즉 c축 방향 및 a축(또는 b축) 방향의 관점에서 특징지어진다. c축은 기저면에 수직인 방향이다. a축 또는 b축은 기저면에 평행한(c축 방향에 수직인) 방향이다.The foregoing features are further described and explained in detail as follows. As shown in FIG. 4B, graphite particles (eg, 100 ) are typically composed of many graphite microcrystals or grains. Graphite crystallites consist of layered planes of a hexagonal network of carbon atoms. These layered planes of hexagonally arranged carbon atoms are substantially flat and, in certain crystallites, are oriented or aligned to be substantially parallel and equidistant from each other. These hexagonal carbon atom layers, which are generally referred to as graphene layers or basal planes, are weakly bonded to each other in the thickness direction (crystallographic c- axis direction) by weak van der Waals forces, and these groups of graphene layers form microcrystals. are arranged Graphite crystallite structure is generally characterized in terms of two axes or directions: the c-axis direction and the a- axis (or b- axis) direction. The c axis is the direction normal to the base plane. The a- axis or b- axis is the direction parallel to the base plane (perpendicular to the direction of the c-axis).

평행한 그래핀층들을 결합시키는 약한 반 데르 발스 힘으로 인해, 천연 흑연은 c축 방향으로 현저한 팽창을 제공하도록 그래핀 층간 간격이 상당히 넓어질 수 있게 처리되어, 탄소층의 층상 특성이 실질적으로 유지되는 팽창 흑연 구조를 형성할 수 있다. 가요성 흑연의 제조 공정은 당업계에 잘 알려져 있다. 일반적으로, 천연 흑연의 플레이크(예를 들어, 도 4b의 100)를 산성 용액에서 삽입 처리하여 흑연 삽입 화합물(GIC, 102)을 제조한다. GIC는 세척, 건조되고 나서 짧은 시간 동안 고온에 노출되어 박리된다. 이는 플레이크가 흑연의 c축 방향으로 원래 치수의 80~300배까지 팽창 또는 박리되도록 한다. 박리된 흑연 플레이크는 외관이 벌레 모양이므로, 일반적으로 흑연 웜(104)이라고 한다. 크게 팽창된 이러한 흑연 플레이크 웜은, 대부분의 용도에서 통상적으로 약 0.04~2.0 g/cm3의 밀도를 갖는, 팽창 흑연의 응집 또는 통합된 시트, 예를 들어, 웹, 종이, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등(통상적으로 "가요성 흑연"(106)이라고 함)으로 바인더를 사용하지 않고 형성될 수 있다.Due to the weak van der Waals force binding the parallel graphene layers, natural graphite can be treated to significantly widen the graphene interlayer spacing to provide significant expansion in the c- axis direction, substantially maintaining the layered nature of the carbon layers. An expanded graphite structure can be formed. Processes for making flexible graphite are well known in the art. In general, a graphite intercalation compound (GIC, 102 ) is prepared by intercalating flakes of natural graphite (eg, 100 in FIG. 4B ) in an acidic solution. GIC is washed, dried and then exfoliated by exposure to high temperatures for a short period of time. This causes the flakes to expand or exfoliate up to 80 to 300 times their original dimension in the c- axis direction of the graphite. Exfoliated graphite flakes are generally referred to as graphite worms 104 because they have a worm-like appearance. These highly expanded graphite flake worms form agglomerated or consolidated sheets of expanded graphite, such as webs, papers, strips, tapes, foils, typically having a density of about 0.04 to 2.0 g/cm 3 for most applications. , a mat or the like (commonly referred to as “flexible graphite” 106 ) without using a binder.

황산과 같은 산이 GIC를 얻기 위해 그래핀 면 사이의 공간으로 침투하는 삽입 제제(삽입제)의 유일한 유형은 아니다. 알칼리 금속(Li, K, Na, Cs, 및 이들의 합금 또는 공융물(eutectics))과 같은 많은 다른 유형의 삽입 제제가 스테이지 1, 스테이지 2, 스테이지 3 등으로 흑연을 삽입 처리하는 데 사용될 수 있다. 스테이지 nn개의 그래핀 면 마다 하나의 삽입제 층이 있음을 의미한다. 예를 들어, 스테이지-1 칼륨-삽입 GIC는 모든 그래핀 면 마다 하나의 K층이 있음을 의미하거나, G/K/G/K/G/KG ... 순서(G는 그래핀 면이고 K는 칼륨 원자 면임)로 두 개의 인접한 그래핀 면 사이에 삽입된 하나의 K 원자층을 발견할 수 있음을 의미한다. 스테이지-2 GIC는 GG/K/GG/K/GG/K/GG ...의 순서를 가질 것이고, 스테이지-3 GIC는 GGG/K/GGG/K/GGG ... 등의 순서를 가질 것이다. 이들 GIC는 이어서 물 또는 물-알코올 혼합물과 접촉되어 박리 흑연 및/또는 분리/단리된 그래핀 시트를 생성할 수 있다.Acids such as sulfuric acid are not the only type of intercalating agent (intercalating agent) that penetrates into the space between graphene planes to obtain GIC. Many different types of intercalation agents such as alkali metals (Li, K, Na, Cs, and their alloys or eutectics) can be used to intercalate graphite with Stage 1, Stage 2, Stage 3, etc. . Stage n means that there is one intercalator layer for every n graphene facets. For example, a stage-1 potassium-intercalated GIC means that there is one K layer for every graphene facet, or the order G/K/G/K/G/KG... where G is the graphene facet and K is the potassium atomic plane), which means that one can find one K atomic layer inserted between two adjacent graphene planes. Stage-2 GICs will have the order GG/K/GG/K/GG/K/GG..., Stage-3 GICs will have the order GGG/K/GGG/K/GGG... etc. . These GICs can then be contacted with water or a water-alcohol mixture to produce exfoliated graphite and/or separated/isolated graphene sheets.

박리 흑연 웜은 고강도 에어 제트 밀, 고강도 볼밀, 또는 초음파 장치를 이용해 고강도 기계적 전단/분리 처리되어, 모든 그래핀 판이 100 nm보다 얇으며, 대부분은 10 nm보다 얇고, 많은 경우 단일층 그래핀인 분리된 나노그래핀 판(NGP)을 생성할 수 있다(또한 도 4b에 112로 도시됨). NGP는 그래핀 시트 또는 복수의 그래핀 시트(각각의 시트는 탄소 원자의 2차원 육방정 구조임)로 구성된다. (단일층 및/또는 소수층 그래핀 또는 그래핀 산화물의 이산 시트/판을 포함하는 다량의 여러 NGP는 필름 제조 공정을 이용해 다공질 그래핀 필름(도 4b의 114)으로 제조될 수 있다. 대안적으로, 저강도 전단을 이용하면, 흑연 웜은 100 nm 초과의 두께를 갖는 소위 팽창 흑연 플레이크(도 4b의 108)로 분리되는 경향이 있다. 이들 플레이크는, 수지 바인더를 사용하거나 사용하지 않고, 매트 제조 공정을 이용해 흑연 매트 또는 부직포(106)로 형성되어 팽창 흑연 발포체를 형성할 수 있다. 흑연 발포체는 탄소 발포체의 흑연화에 의해서도 제조될 수 있다.Exfoliated graphite worms are subjected to high-intensity mechanical shearing/separation using high-intensity air jet mills, high-intensity ball mills, or ultrasonic devices, so that all graphene plates are thinner than 100 nm, most of which are thinner than 10 nm, and many are single-layer graphene. nanographene platelets (NGP) (also shown as 112 in FIG. 4B). NGPs are composed of a graphene sheet or a plurality of graphene sheets, each sheet having a two-dimensional hexagonal structure of carbon atoms. (Volumes of several NGPs comprising single- and/or few-layer graphene or discrete sheets/platelets of graphene oxide can be fabricated into porous graphene films ( 114 in FIG. 4B ) using film fabrication processes. Alternatively, , using low-intensity shear, the graphite worms tend to separate into so-called expanded graphite flakes ( 108 in Fig. 4b) having a thickness greater than 100 nm These flakes, with or without the use of a resin binder, can be used to produce mats. A process can be used to form expanded graphite foam that is formed into a graphite mat or nonwoven fabric 106. Graphite foam can also be made by graphitization of carbon foam.

본 발명의 실시에 사용될 수 있는 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질의 유형에 대한 제한은 없다. 바람직하게, 본 발명의 공정에서, 배터리가 충전될 때, 애노드 활물질은 Li/Li+ (즉, 표준 전위로서 Li → Li+ + e- 대비) Na/Na+ 기준보다 1.0 볼트 미만(바람직하게는 0.7 볼트 미만) 높은 전기화학 전위에서 알칼리 이온(예를 들어, 리튬 이온)을 흡수한다. 바람직한 일 구현예에서, 애노드 활물질은 (a) 천연 흑연, 인조 흑연, 메소탄소 마이크로비드(MCMB), 및 탄소(연질 탄소, 경질 탄소, 탄소 나노섬유, 및 탄소 나노튜브를 포함)의 입자; (b) 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 철(Fe), 및 카드뮴(Cd) (Si, Ge, Al, 및 Sn이 높은 비용량으로 인해 가장 바람직함); (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, 또는 Cd와 다른 원소와의 화학양론적 또는 비화학양론적 합금 또는 금속간 화합물(예를 들어, SiAl, SiSn); (d) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, 또는 Cd, 및 이들의 혼합물 또는 복합체의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물, 및 텔루르화물(예를 들어, SnO, TiO2, Co3O4 등); (e) 이들의 사전 리튬화된 형태(예를 들어, 리튬 티탄산염인, 사전 리튬화된 TiO2); (f) 사전 리튬화된 그래핀 시트; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.There are no limitations on the type of anode active material or cathode active material that can be used in the practice of the present invention. Preferably, in the process of the present invention, when the battery is being charged, the anode active material is less than 1.0 volts (preferably, Li/Li + (i.e., Li as standard potential → Li + + e - vs.) Na/Na + reference) absorbs alkali ions (eg, lithium ions) at high electrochemical potentials (less than 0.7 volts). In a preferred embodiment, the active anode material comprises (a) particles of natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), and carbon (including soft carbon, hard carbon, carbon nanofibers, and carbon nanotubes); (b) Silicon (Si), Germanium (Ge), Tin (Sn), Lead (Pb), Antimony (Sb), Bismuth (Bi), Zinc (Zn), Aluminum (Al), Nickel (Ni), Cobalt ( Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd) (Si, Ge, Al, and Sn are most preferred due to their high specific capacities); (c) stoichiometric or non-stoichiometric alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with other elements (eg, SiAl, SiSn); (d) oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenium of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd, and mixtures or complexes thereof. cargoes, and tellurides (eg, SnO, TiO 2 , Co 3 O 4 , etc.); (e) their pre-lithiated form (eg, pre-lithiated TiO 2 , which is lithium titanate); (f) a pre-lithiated graphene sheet; and combinations thereof.

일부 구현예에서, 제1 전극 또는 제2 전극은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합의 입자, 호일, 또는 코팅을 전극 활물질로서 포함한다.In some embodiments, the first electrode or the second electrode includes particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as the active electrode material.

다른 구현예에서, 애노드 활물질은 순수 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 그래핀 시트의 사전 나트륨화되거나 사전 칼륨화된 형태이다. 상기 그래핀 물질 중 어느 하나를 제조하기 위한 출발 흑연 물질은 천연 흑연, 인조 흑연, 메소상 탄소, 메소상 피치, 메소탄소 마이크로비드, 연질 탄소, 경질 탄소, 코크스, 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 그래핀 물질은 또한 알칼리 금속 전지의 애노드 활물질 및 캐소드 활물질 모두에 대한 우수한 전도성 첨가제이다.In another embodiment, the active anode material is chemically selected from pure graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrated graphene, It is a pre-sodium or pre-potassium form of a graphene sheet selected from functionalized graphene, or combinations thereof. The starting graphite material for preparing any one of the graphene materials is natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, mesophase pitch, mesocarbon microbeads, soft carbon, hard carbon, coke, carbon fiber, carbon nanofiber, carbon nanotubes, or combinations thereof. Graphene materials are also excellent conductive additives for both anode and cathode active materials in alkali metal cells.

충전식 알칼리 금속 전지에서, 애노드는 알칼리 금속, 알칼리 금속 합금, 알칼리 금속 또는 알칼리 금속 합금과 알칼리 삽입 화합물과의 혼합물, 알칼리 원소-함유 화합물, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 알칼리 이온 공급원을 함유할 수 있다. 석유 코크스, 카본 블랙, 비정질 탄소, 경질 탄소, 주형 탄소, 중공 탄소 나노와이어, 중공 탄소 구체, 티탄산염, NaTi2(PO4)3, Na2Ti3O7(나트륨 티탄산염), Na2C8H4O4(이나트륨 테레프탈레이트), Na2TP(나트륨 테레프탈레이트), TiO2, NaxTiO2 (x는 0.2 내지 1.0), 카복실레이트계 물질, C8H4Na2O4, C8H6O4, C8H5NaO4, C8Na2F4O4, C10H2Na4O8, C14H4O6, C14H4Na4O8, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 알칼리 삽입 화합물을 함유하는 애노드 활물질이 특히 바람직하다.In a rechargeable alkali metal cell, the anode may contain an alkali ion source selected from alkali metals, alkali metal alloys, mixtures of alkali metals or alkali metal alloys with alkali intercalating compounds, alkali element-containing compounds, or combinations thereof. . Petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, hard carbon, template carbon, hollow carbon nanowires, hollow carbon spheres, titanate, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 (sodium titanate), Na 2 C 8 H 4 O 4 (disodium terephthalate), Na 2 TP (sodium terephthalate), TiO 2 , Na x TiO 2 (x is 0.2 to 1.0), carboxylate-based material, C 8 H 4 Na 2 O 4 , C 8 H 6 O 4 , C 8 H 5 NaO 4 , C 8 Na 2 F 4 O 4 , C 10 H 2 Na 4 O 8 , C 14 H 4 O 6 , C 14 H 4 Na 4 O 8 , or these An anode active material containing an alkali intercalating compound selected from combinations of

일 구현예에서, 애노드는 2 또는 3가지 유형의 애노드 활물질의 혼합물(예를 들어, 활성탄 + NaTi2(PO4)3의 혼합 입자)을 함유할 수 있고, 캐소드는 나트륨 삽입 화합물 단독(예를 들어, NaxMnO2), 전기 이중층 커패시터형 캐소드 활물질 단독(예를 들어, 활성탄), 유사 용량(pseudo-capacitance)을 위한 λ-MnO2/활성탄의 산화환원 쌍일 수 있다.In one embodiment, the anode may contain a mixture of two or three types of anode active materials (eg activated carbon + mixed particles of NaTi 2 (PO 4 ) 3 ) and the cathode may contain a sodium intercalating compound alone (eg For example, Na x MnO 2 ), an electric double layer capacitor type cathode active material alone (eg, activated carbon), or a redox pair of λ-MnO 2 /activated carbon for pseudo-capacitance.

다양한 캐소드 활물질이 본 발명의 공정의 실시에 사용될 수 있다. 캐소드 활물질은 통상적으로, 전지가 방전될 때 알칼리 금속 이온을 저장하고 재충전될 때 알칼리 금속 이온을 전해질로 방출할 수 있는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물이다. 캐소드 활물질은 무기 물질, 유기 또는 고분자 물질, 금속 산화물/인산염/황화물(가장 바람직한 유형의 무기 캐소드 물질), 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.A variety of active cathode materials may be used in the practice of the process of this invention. The cathode active material is usually an alkali metal intercalating compound or an alkali metal absorbing compound capable of storing alkali metal ions when the battery is discharged and releasing the alkali metal ions into the electrolyte when it is recharged. Active cathode materials can be selected from inorganic materials, organic or polymeric materials, metal oxides/phosphates/sulfides (the most preferred types of inorganic cathode materials), or combinations thereof.

금속 산화물, 금속 인산염, 및 금속 황화물의 군은 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 리튬 전이 금속 산화물, 리튬 혼합 금속 산화물, 리튬 철 인산염, 리튬 망간 인산염, 리튬 바나듐 인산염, 리튬 혼합 금속 인산염, 전이 금속 황화물, 및 이들의 조합으로 이루어진다. 특히, 리튬 바나듐 산화물은 VO2, LixVO2, V2O5, LixV2O5, V3O8, LixV3O8, LixV3O7, V4O9, LixV4O9, V6O13, LixV6O13, 이들의 도핑된 형태, 이들의 유도체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다(0.1 < x < 5). 리튬 전이 금속 산화물은 층상 화합물 LiMO2, 스피넬 화합물 LiM2O4, 올리빈 화합물 LiMPO4, 규산염 화합물 Li2MSiO4, 타보라이트 화합물 LiMPO4F, 붕산염 화합물 LiMBO3, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다(M은 전이 금속이거나 여러 전이 금속의 혼합물임).The group of metal oxides, metal phosphates, and metal sulfides includes lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, lithium vanadium oxide, lithium transition metal oxides, lithium mixed metal oxides, lithium iron phosphate, lithium manganese phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium mixed metal phosphates, transition metal sulfides, and combinations thereof. In particular, lithium vanadium oxide is VO 2 , Li x VO 2 , V 2 O 5 , Li x V 2 O 5 , V 3 O 8 , Li x V 3 O 8 , Li x V 3 O 7 , V 4 O 9 , Li x V 4 O 9 , V 6 O 13 , Li x V 6 O 13 , doped forms thereof, derivatives thereof, and combinations thereof (0.1 < x < 5). The lithium transition metal oxide may be selected from layered compounds LiMO 2 , spinel compounds LiM 2 O 4 , olivine compounds LiMPO 4 , silicate compounds Li 2 MSiO 4 , taborite compounds LiMPO 4 F, borate compounds LiMBO 3 , or combinations thereof. (M is a transition metal or a mixture of several transition metals).

알칼리 금속 셀 또는 알칼리 금속-이온 셀에서, 캐소드 활물질은 NaFePO4 (나트륨 철 인산염), Na0.7FePO4, Na1.5 VOPO4F0.5, Na3V2(PO4)3, Na3V2(PO4)2F3, Na2FePO4F, NaFeF3, NaVPO4F, Na3V2(PO4)2F3, Na1.5VOPO4F0.5, Na3V2(PO4)3, NaV6O15, NaxVO2, Na0.33V2O5, NaxCoO2 (나트륨 코발트 산화물), Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2, Nax(Fe1/2Mn1/2)O2, NaxMnO2 (나트륨 망간 청동), λ-MnO2, Na0.44MnO2, Na0.44MnO2/C, Na4Mn9O18, NaFe2Mn(PO4)3, Na2Ti3O7, Ni1/3Mn1/3Co1/3O2, Cu0.56Ni0.44HCF (구리 및 니켈 헥사시아노철산염), NiHCF (니켈 헥사시아노철산염), NaxCoO2, NaCrO2, Na3Ti2(PO4)3, NiCo2O4, Ni3S2/FeS2, Sb2O4, Na4Fe(CN)6/C, NaV1-xCrxPO4F, SeySz (셀레늄 및 셀레늄/황, z/y는 0.01 내지 100), Se (S 미함유), 알루오석, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 나트륨 삽입 화합물(또는 그 칼륨 대응물)을 함유할 수 있다.In an alkali metal cell or alkali metal-ion cell, the cathode active material is NaFePO 4 (sodium iron phosphate), Na 0.7 FePO 4 , Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Na 3 V2 (PO 4 ) 2 F 3 , Na 2 FePO 4 F, NaFeF 3 , NaVPO 4 F, Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 , Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , NaV 6 O 15 , Na x VO 2 , Na 0.33 V 2 O 5 , Na x CoO 2 (sodium cobalt oxide), Na 2/3 [Ni 1/3 Mn 2/3 ] O 2 , Na x (Fe 1/2 Mn 1 /2 )O 2 , Na x MnO 2 (sodium manganese bronze), λ-MnO 2 , Na 0.44 MnO 2 , Na 0 . 44 MnO 2 /C, Na 4 Mn 9 O 18 , NaFe 2 Mn(PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , Cu 0.56 Ni 0 . 44 HCF (copper and nickel hexacyanoferrate), NiHCF (nickel hexacyanoferrate), Na x CoO 2 , NaCrO 2 , Na 3 Ti 2 (PO 4 ) 3 , NiCo 2 O 4 , Ni 3 S 2 /FeS 2 , Sb 2 O 4 , Na 4 Fe(CN) 6 /C, NaV 1-x Cr x PO 4 F, Se y S z (selenium and selenium/sulfur, z/y is from 0.01 to 100), Se (without S), aluoselite, or combinations thereof (or their potassium counterparts).

캐소드 활물질로 사용하기 위한 기타 무기 물질은 황, 황 화합물, 리튬 폴리설파이드, 전이 금속 디칼코겐화물, 전이 금속 트리칼코겐화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특히, 무기 물질은 TiS2, TaS2, MoS2, NbSe3, MnO2, CoO2, 산화철, 산화바나듐, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 이는 나중에 추가로 설명된다.Other inorganic materials for use as cathode active materials may be selected from sulfur, sulfur compounds, lithium polysulfides, transition metal dichalcogenides, transition metal trichalcogenides, or combinations thereof. In particular, the inorganic material is selected from TiS 2 , TaS 2 , MoS 2 , NbSe 3 , MnO 2 , CoO 2 , iron oxide, vanadium oxide, or combinations thereof. This is further explained later.

특히, 무기 물질은 (a) 비스무트 셀렌화물 또는 비스무트 텔루르화물, (b) 전이금속 디칼코겐화물 또는 트리칼코겐화물, (c) 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈, 또는 전이금속의 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물, (d) 질화붕소, 또는 (e) 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.In particular, the inorganic material is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, cobalt, manganese , iron, nickel, or a sulfide, selenide, or telluride of a transition metal, (d) boron nitride, or (e) a combination thereof.

대안적으로, 캐소드 활물질은 전해질과 직접 접촉하는 알칼리 금속 이온-저장 표면 또는 알칼리 금속 이온-포획 작용기를 갖는 기능성 물질 또는 나노구조 물질로부터 선택될 수 있다. 바람직하게, 작용기는 알칼리 금속 이온과 가역 반응하거나, 알칼리 금속 이온과 산화환원 쌍을 형성하거나, 알칼리 금속 이온과 화학적 착물을 형성한다. 기능성 물질 또는 나노구조 물질은 (a) 연질 탄소, 경질 탄소, 고분자 탄소 또는 탄화 수지, 메소상 탄소, 코크스, 탄화 피치, 카본 블랙, 활성탄, 나노셀룰러 탄소 발포체 또는 부분적으로 흑연화된 탄소로부터 선택되는 나노구조 또는 다공질의 불규칙 탄소 물질; (b) 단일층 그래핀 시트 또는 다층 그래핀 판으로부터 선택되는 나노 그래핀 판; (c) 단일벽 탄소 나노튜브 또는 다중벽 탄소 나노튜브로부터 선택되는 탄소 나노튜브; (d) 탄소 나노섬유, 나노와이어, 금속 산화물 나노와이어 또는 섬유, 전도성 고분자 나노섬유, 또는 이들의 조합; (e) 카보닐-함유 유기 또는 고분자 분자; (f) 카보닐, 카복실, 또는 아민기를 함유하는 기능성 물질; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.Alternatively, the cathode active material may be selected from functional materials or nanostructured materials having alkali metal ion-storing surfaces or alkali metal ion-trapping functional groups in direct contact with the electrolyte. Preferably, the functional groups react reversibly with alkali metal ions, form redox pairs with alkali metal ions, or form chemical complexes with alkali metal ions. The functional material or nanostructured material is (a) selected from soft carbon, hard carbon, polymeric carbon or carbonized resin, mesophase carbon, coke, carbonized pitch, carbon black, activated carbon, nanocellular carbon foam or partially graphitized carbon. nanostructured or porous irregular carbon materials; (b) a nano-graphene sheet selected from a single-layer graphene sheet or a multi-layer graphene sheet; (c) carbon nanotubes selected from single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes; (d) carbon nanofibers, nanowires, metal oxide nanowires or fibers, conductive polymer nanofibers, or combinations thereof; (e) carbonyl-containing organic or polymeric molecules; (f) functional materials containing carbonyl, carboxyl, or amine groups; And it may be selected from the group consisting of combinations thereof.

기능성 물질 또는 나노구조 물질은 폴리(2,5-디하이드록시-1,4-벤조퀴논-3,6-메틸렌), NaxC6O6 (x = 1~3), Na2(C6H2O4), Na2C8H4O4 (Na 테레프탈레이트), Na2C6H4O4 (Li 트랜스-트랜스 뮤콘산염), 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실산-이무수물(PTCDA) 황화물 중합체, PTCDA, 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카복실산-이무수물(NTCDA), 벤젠-1,2,4,5-테트라카복실산 이무수물, 1,4,5,8-테트라하이드록시 안트라퀴논, 테트라하이드록시-p-벤조퀴논, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게, 기능성 물질 또는 나노구조 물질은 -COOH, = O, -NH2, -OR, 또는 -COOR로부터 선택되는 작용기를 갖는다(R은 탄화수소 라디칼임).Functional materials or nanostructured materials include poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-methylene), Na x C 6 O 6 (x = 1-3), Na 2 (C 6 H 2 O 4 ), Na 2 C 8 H 4 O 4 (Na terephthalate), Na 2 C 6 H 4 O 4 (Li trans-trans muconate), 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid- dianhydride (PTCDA) sulfide polymer, PTCDA, 1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride (NTCDA), benzene-1,2,4,5-tetracarboxylic dianhydride, 1,4,5, 8-tetrahydroxy anthraquinone, tetrahydroxy- p- benzoquinone, and combinations thereof. Preferably, the functional material or nanostructured material has a functional group selected from -COOH, = O, -NH 2 , -OR, or -COOR (where R is a hydrocarbon radical).

유기 물질 또는 고분자 물질은 폴리(안트라퀴노닐 설파이드) (PAQS), 리튬 옥소카본, 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실산 이무수물(PTCDA), 폴리(안트라퀴노닐 설파이드), 피렌--4,5,9,10-테트라온(PYT), 고분자-결합 PYT, 퀴노(트리아젠), 산화환원 활성 유기 물질, 테트라시아노퀴노디메탄(TCNQ), 테트라시아노에틸렌(TCNE), 2,3,6,7,10,11-헥사메톡시트리페닐렌(HMTP), 폴리(5-아미노-1,4-디하이드록시 안트라퀴논) (PADAQ), 포스파젠 디설파이드 중합체([(NPS2)3]n), 리튬화 1,4,5,8-나프탈렌테트라올 포름알데히드 중합체, 헥사아자트리나프틸렌(HATN), 헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴(HAT(CN)6), 5-벤질리덴 히단토인, 이사틴 리튬염, 피로멜리트산 디이미드 리튬염, 테트라하이드록시-p-벤조퀴논 유도체(THQLi4), N,N'-디페닐-2,3,5,6-테트라케토피페라진(PHP), N,N'-디알릴-2,3,5,6-테트라케토피페라진(AP), N,N'-디프로필-2,3,5,6-테트라케토피페라진(PRP), 티오에테르 중합체, 퀴논 화합물, 1,4-벤조퀴논, 5,7,12,14-펜타세네테트론(PT), 5-아미노-2,3-디하이드로-1,4-디하이드록시 안트라퀴논(ADDAQ), 5-아미노-1,4-디하이드록시 안트라퀴논(ADAQ), 칼릭스퀴논, Li4C6O6, Li2C6O6, Li6C6O6, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.The organic or polymeric material is poly(anthraquinonyl sulfide) (PAQS), lithium oxocarbon, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), poly(anthraquinonyl sulfide), pyrene-- 4,5,9,10-tetraone (PYT), polymer-linked PYT, quino(triazene), redox active organic substance, tetracyanoquinodimethane (TCNQ), tetracyanoethylene (TCNE), 2 ,3,6,7,10,11-hexamethoxytriphenylene (HMTP), poly(5-amino-1,4-dihydroxy anthraquinone) (PADAQ), phosphazene disulfide polymer ([(NPS 2 ) 3 ] n ), lithiated 1,4,5,8-naphthalenetetraol formaldehyde polymer, hexaazatrinaphthylene (HATN), hexaazatriphenylene hexacarbonitrile (HAT(CN) 6 ), 5- Benzylidene hydantoin, isatin lithium salt, pyromellitic acid diimide lithium salt, tetrahydroxy- p- benzoquinone derivative (THQLi 4 ), N,N'-diphenyl-2,3,5,6-tetraquet Topiperazine (PHP), N,N'-diallyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (AP), N,N'-dipropyl-2,3,5,6-tetraquet Topiperazine (PRP), thioether polymer, quinone compound, 1,4-benzoquinone, 5,7,12,14-pentacenetetron (PT), 5-amino-2,3-dihydro-1, 4-dihydroxy anthraquinone (ADDAQ), 5-amino-1,4-dihydroxy anthraquinone (ADAQ), calixquinone, Li 4 C 6 O 6 , Li 2 C 6 O 6 , Li 6 C 6 O 6 , or combinations thereof.

티오에테르 중합체는 폴리[메탄테트릴-테트라(티오메틸렌)] (PMTTM), 폴리(2,4-디티오펜타닐렌) (PDTP), 폴리(에텐-1,1,2,2-테트라티올) (PETT)을 주쇄 티오에테르 중합체로서 함유하는 중합체, 공액 방향족 모이어티로 이루어진 주쇄를 갖고 티오에테르 측쇄를 펜던트로서 갖는 측쇄 티오에테르 중합체, 폴리(2-페닐-1,3-디티올란) (PPDT), 폴리(1,4-디(1,3-디티올란-2-일)벤젠) (PDDTB), 폴리(테트라하이드로벤조디티오펜) (PTHBDT), 폴리[1,2,4,5-테트라키스(프로필티오)벤젠] (PTKPTB, 또는 폴리[3,4(에티렌디티오)티오펜] (PEDTT)으로부터 선택된다.Thioether polymers are poly[methanetetril-tetra(thiomethylene)] (PMTTM), poly(2,4-dithiopentanylene) (PDTP), poly(ethene-1,1,2,2-tetrathiol) Polymers containing (PETT) as main chain thioether polymers, side chain thioether polymers having main chains composed of conjugated aromatic moieties and having thioether side chains as pendants, poly(2-phenyl-1,3-dithiolane) (PPDT) , poly(1,4-di(1,3-dithiolan-2-yl)benzene) (PDDTB), poly(tetrahydrobenzodithiophene) (PTHBDT), poly[1,2,4,5-tetrakis (propylthio)benzene] (PTKPTB, or poly[3,4(ethyrendithio)thiophene] (PEDTT).

유기 물질은 구리 프탈로시아닌, 아연 프탈로시아닌, 주석 프탈로시아닌, 철 프탈로시아닌, 납 프탈로시아닌, 니켈 프탈로시아닌, 바나딜 프탈로시아닌, 플루오로크롬 프탈로시아닌, 마그네슘 프탈로시아닌, 망간 프탈로시아닌, 디리튬 프탈로시아닌, 알루미늄 프탈로시아닌 클로라이드, 카드뮴 프탈로시아닌, 클로로갈륨 프탈로시아닌, 코발트 프탈로시아닌, 은 프탈로시아닌, 금속 비함유 프탈로시아닌, 이들의 화학적 유도체, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 프탈로시아닌 화합물로부터 선택될 수 있다.Organic substances are copper phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tin phthalocyanine, iron phthalocyanine, lead phthalocyanine, nickel phthalocyanine, vanadyl phthalocyanine, fluorochrome phthalocyanine, magnesium phthalocyanine, manganese phthalocyanine, dilithium phthalocyanine, aluminum phthalocyanine chloride, cadmium phthalocyanine, chlorogallium phthalocyanine , cobalt phthalocyanine, silver phthalocyanine, metal-free phthalocyanine, chemical derivatives thereof, or phthalocyanine compounds selected from combinations thereof.

리튬 삽입 화합물 또는 리튬 흡수 화합물은 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 붕화물, 금속 디칼코겐화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게, 리튬 삽입 화합물 또는 리튬 흡수 화합물은 나노와이어, 나노디스크, 나노리본, 또는 나노판상체 형태의, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 코발트, 망간, 철, 또는 니켈의 산화물, 디칼코겐화물, 트리칼코겐화물, 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물로부터 선택된다.The lithium intercalating compound or lithium absorbing compound may be selected from metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, or combinations thereof. Preferably, the lithium intercalating compound or lithium absorbing compound is niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, cobalt, manganese, iron in the form of nanowires, nanodiscs, nanoribbons, or nanoplatelets. , or an oxide, dichalcogenide, trichalcogenide, sulfide, selenide, or telluride of nickel.

본 발명자들은 본 발명의 직접 활물질-전해질 주입 공정에 의해 제조된 본 발명의 리튬 전지에서 매우 다양한 2차원(2D) 무기 물질이 캐소드 물질로 사용될 수 있음을 발견했다. 층상 물질은 예상치 못한 전기적 특성 및 우수한 리튬 이온 친화도를 나타낼 수 있는 2D 시스템의 다양한 공급원을 나타낸다. 흑연이 가장 잘 알려진 층상 물질이지만, 전이 금속 디칼코겐화물(TMD), 전이 금속 산화물(TMO), 및 다양한 다른 화합물, 예컨대 BN, Bi2Te3, 및 Bi2Se3도 2D 물질의 가능한 공급원이다.The present inventors have found that a wide variety of two-dimensional (2D) inorganic materials can be used as cathode materials in the lithium battery of the present invention manufactured by the direct active material-electrolyte injection process of the present invention. Layered materials represent a versatile source of 2D systems that can exhibit unexpected electrical properties and good lithium ion affinity. Graphite is the best known layered material, but transition metal dichalcogenides (TMDs), transition metal oxides (TMOs), and various other compounds such as BN, Bi 2 Te 3 , and Bi 2 Se 3 are also possible sources of 2D materials. .

바람직하게, 리튬 삽입 화합물 또는 리튬 흡수 화합물은 (a) 비스무트 셀렌화물 또는 비스무트 텔루르화물, (b) 전이금속 디칼코겐화물 또는 트리칼코겐화물, (c) 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈, 또는 전이금속의 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물, (d) 질화붕소, 또는 (e) 이들의 조합으로부터 선택되는 무기 물질의 나노디스크, 나노판상체, 나노코팅, 또는 나노시트로부터 선택되고, 디스크, 판상체, 또는 시트는 100 nm 미만의 두께를 갖는다. 리튬 삽입 화합물 또는 리튬 흡수 화합물은 (i) 비스무트 셀렌화물 또는 비스무트 텔루르화물, (ii) 전이금속 디칼코겐화물 또는 트리칼코겐화물, (iii) 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈, 또는 전이금속의 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물, (iv) 질화붕소, 또는 (v) 이들의 조합으로부터 선택되는 화합물의 나노디스크, 나노판상체, 나노코팅, 또는 나노시트를 함유할 수 있고, 디스크, 판상체, 코팅, 또는 시트는 100 nm 미만의 두께를 갖는다.Preferably, the lithium intercalating compound or lithium absorbing compound is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten , nanodiscs, nanoplatelets of an inorganic material selected from titanium, cobalt, manganese, iron, nickel, or a sulfide, selenide, or telluride of a transition metal, (d) boron nitride, or (e) combinations thereof; selected from nanocoatings, or nanosheets, wherein the disks, platelets, or sheets have a thickness of less than 100 nm. The lithium intercalating compound or lithium absorbing compound is (i) bismuth selenide or bismuth telluride, (ii) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (iii) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, nanodisks, nanoplatelets, nanocoatings, or of a compound selected from sulfides, selenides, or tellurides of cobalt, manganese, iron, nickel, or transition metals, (iv) boron nitride, or (v) combinations thereof; may contain nanosheets, and the disks, platelets, coatings, or sheets have a thickness of less than 100 nm.

비그래핀 2D 나노물질, 단일층 또는 소수층(20층 이하)은 여러 방법에 의해 제조될 수 있다: 기계적 절단, 레이저 삭마(예를 들어, 레이저 펄스를 이용해 TMD를 단일층으로까지 삭마), 액상 박리, 및 박막 기술, 예컨대 PVD(예를 들어 스퍼터링), 증발, 기상 에피택시, 액상 에피택시, 화학 기상 에피택시, 분자빔 에피택시(MBE), 원자층 에피택시(ALE), 및 이들의 플라즈마-보조 형태에 의한 합성.Non-graphenic 2D nanomaterials, monolayers or few layers (up to 20 layers) can be fabricated by several methods: mechanical cutting, laser ablation (e.g. using laser pulses to ablate a TMD down to a monolayer), liquid phase Exfoliation, and thin film techniques such as PVD (eg sputtering), evaporation, vapor phase epitaxy, liquid phase epitaxy, chemical vapor phase epitaxy, molecular beam epitaxy (MBE), atomic layer epitaxy (ALE), and plasmas thereof -Synthesis by auxiliary forms.

본 발명의 실시를 위해 다양한 전해질이 사용될 수 있다. 비수성 유기 및/또는 이온성 액체 전해질이 가장 바람직하다. 본원에 사용되는 비수 전해질은 전해질 염을 비수 용매에 용해시켜 제조될 수 있다. 리튬 이차 전지용 용매로 사용되었던 임의의 알려진 비수 용매가 사용될 수 있다. 에틸렌 카보네이트(EC) 및 상기 에틸렌 카보네이트보다 융점이 낮고 공여수가 18 이하인 적어도 하나의 비수 용매(이하, 제2 용매라 함)를 포함하는 혼합 용매로 주로 이루어진 비수 용매가 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 비수 용매는 (a) 흑연 구조가 잘 발달된 탄소질 물질을 함유한 음극에 대해 안정적이며; (b) 전해질의 환원 또는 산화 분해를 억제하는 데 효과적이며; (c) 전도도가 높다는 점에서 유리하다. 에틸렌 카보네이트(EC)만으로 이루어진 비수 전해질은 흑연화된 탄소질 물질에 의한 환원을 통한 분해에 대해 비교적 안정하다는 점에서 유리하다. 그러나, EC는 융점이 39 내지 40℃로 비교적 높고, 점도가 비교적 높아 전도도가 낮으므로, EC만으로는 실온 이하에서 작동하는 이차 전지 전해질로 사용하기에 적합하지 않다. EC와의 혼합물에 사용되는 제2 용매는 용매 혼합물의 점도를 EC만의 점도보다 낮게 함으로써 혼합 용매의 이온 전도도를 향상시키는 작용을 한다. 또한, 공여수가 18 이하인(에틸렌 카보네이트의 공여수는 16.4임) 제2 용매가 사용되는 경우, 상기 에틸렌 카보네이트는 용이하게 그리고 선택적으로 리튬 이온과 용매화될 수 있으므로, 흑연화가 잘 발단된 탄소질 물질과 제2 용매의 환원 반응이 억제될 것으로 추정된다. 또한, 제2 용매의 공여수가 18 이하로 제어되면, 리튬 전극에 대한 산화 분해 전위가 4 V 이상으로 쉽게 증가될 수 있어 고전압의 리튬 이차 전지를 제조할 수 있다.A variety of electrolytes may be used in the practice of the present invention. Non-aqueous organic and/or ionic liquid electrolytes are most preferred. The non-aqueous electrolyte used herein can be prepared by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent. Any known non-aqueous solvent that has been used as a solvent for lithium secondary batteries can be used. A non-aqueous solvent mainly composed of ethylene carbonate (EC) and a mixed solvent including at least one non-aqueous solvent (hereinafter referred to as a second solvent) having a melting point lower than that of ethylene carbonate and a donor number of 18 or less may be preferably used. These non-aqueous solvents are (a) stable to negative electrodes containing carbonaceous materials with well-developed graphitic structures; (b) is effective in inhibiting reduction or oxidative degradation of the electrolyte; (c) It is advantageous in that it has high conductivity. A non-aqueous electrolyte consisting only of ethylene carbonate (EC) is advantageous in that it is relatively stable against decomposition through reduction by a graphitized carbonaceous material. However, since EC has a relatively high melting point of 39 to 40° C. and relatively high viscosity and low conductivity, EC alone is not suitable for use as a secondary battery electrolyte operating at room temperature or lower. The second solvent used in the mixture with EC serves to improve the ionic conductivity of the mixed solvent by making the viscosity of the solvent mixture lower than that of EC alone. In addition, when a second solvent having a donor number of 18 or less (the donor number of ethylene carbonate is 16.4) is used, the ethylene carbonate can be easily and selectively solvated with lithium ions, so that the carbonaceous material with well-initiated graphitization It is estimated that the reduction reaction of the second solvent and the second solvent is suppressed. In addition, when the donor number of the second solvent is controlled to be 18 or less, the oxidation decomposition potential of the lithium electrode can be easily increased to 4 V or more, so that a high-voltage lithium secondary battery can be manufactured.

바람직한 제2 용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸 프로피오네이트, 메틸 프로피오네이트, 프로필렌 카보네이트(PC), 감마-부티로락톤(감마-BL), 아세토니트릴(AN), 에틸 아세테이트(EA), 프로필 포르메이트(PF), 메틸 포르메이트(MF), 톨루엔, 자일렌 및 메틸 아세테이트(MA)이다. 이들 제2 용매는 단독으로 또는 2종 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 보다 바람직하게, 이러한 제2 용매는 16.5 이하의 공여수를 갖는 용매들로부터 선택되어야 한다. 바람직하게, 이러한 제2 용매의 점도는 25℃에서 28 cps 이하이어야 한다.Preferred second solvents are dimethyl carbonate (DMC), methylethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), ethyl propionate, methyl propionate, propylene carbonate (PC), gamma-butyrolactone (gamma-BL ), acetonitrile (AN), ethyl acetate (EA), propyl formate (PF), methyl formate (MF), toluene, xylene and methyl acetate (MA). These second solvents may be used alone or in combination of two or more. More preferably, this second solvent should be selected from solvents having a donor number of 16.5 or less. Preferably, the viscosity of this second solvent should be less than or equal to 28 cps at 25°C.

혼합 용매 중의 상기 에틸렌 카보네이트의 혼합비는 바람직하게 10 내지 80 부피%이어야 한다. 에틸렌 카보네이트의 혼합비가 이 범위를 벗어나면, 용매의 전도도가 저하될 수 있거나 용매가 보다 쉽게 분해되는 경향이 있어, 충방전 효율이 저하된다. 보다 바람직한 에틸렌 카보네이트 혼합비는 20 내지 75 부피%이다. 비수 용매 중의 에틸렌 카보네이트의 혼합비가 20 부피% 이상으로 증가되면, 리튬 이온에 대한 에틸렌 카보네이트의 용매화 효과가 촉진될 것이며 용매 분해 억제 효과가 개선될 수 있다.The mixing ratio of the ethylene carbonate in the mixed solvent should preferably be 10 to 80% by volume. If the mixing ratio of ethylene carbonate is out of this range, the conductivity of the solvent may decrease or the solvent tends to decompose more easily, resulting in a decrease in charge/discharge efficiency. A more preferable mixing ratio of ethylene carbonate is 20 to 75% by volume. If the mixing ratio of ethylene carbonate in the non-aqueous solvent is increased to 20% by volume or more, the solvating effect of ethylene carbonate on lithium ions will be promoted and the effect of inhibiting solvent decomposition can be improved.

바람직한 혼합 용매의 예는 MEC의 부피비가 30 내지 80%의 범위 내에서 제어된, EC 및 MEC를 포함하는 조성물; EC, PC 및 MEC를 포함하는 조성물; EC, MEC 및 DEC를 포함하는 조성물; EC, MEC 및 DMC를 포함하는 조성물; 및 EC, MEC, PC 및 DEC를 포함하는 조성물이다. MEC의 부피비를 30 내지 80%, 더 바람직하게는 40 내지 70%의 범위에서 선택함으로써, 용매의 전도도가 향상될 수 있다. 용매의 분해 반응을 억제하기 위해, 이산화탄소가 용해된 전해질이 사용될 수 있고, 이에 따라 전지의 용량 및 사이클 수명을 모두 효과적으로 향상시킬 수 있다. 비수 전해질에 혼입되는 전해질 염은 과염소산리튬(LiClO4), 헥사플루오로인산리튬(LiPF6), 보로플루오르화리튬(LiBF4), 헥사플루오로비소화리튬(LiAsF6), 리튬 트리플루오로-메타설포네이트(LiCF3SO3) 및 비스-트리플루오로메틸 설포닐이미드 리튬[LiN(CF3SO2)2]과 같은 리튬염으로부터 선택될 수 있다. 이들 중에서, LiPF6, LiBF4 및 LiN(CF3SO2)2가 바람직하다.Examples of preferred mixed solvents include compositions containing EC and MEC, in which the volume ratio of MEC is controlled within the range of 30 to 80%; compositions comprising EC, PC and MEC; compositions comprising EC, MEC and DEC; compositions comprising EC, MEC and DMC; and compositions comprising EC, MEC, PC and DEC. By selecting the volume ratio of MEC in the range of 30 to 80%, more preferably 40 to 70%, the conductivity of the solvent can be improved. In order to suppress the decomposition reaction of the solvent, an electrolyte in which carbon dioxide is dissolved can be used, thereby effectively improving both the capacity and cycle life of the battery. The electrolyte salt incorporated into the nonaqueous electrolyte is lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsF 6 ), lithium trifluoro-meta lithium salts such as sulfonates (LiCF 3 SO 3 ) and bis-trifluoromethyl sulfonylimide lithium [LiN(CF 3 SO 2 ) 2 ]. Among these, LiPF 6 , LiBF 4 and LiN(CF 3 SO 2 ) 2 are preferred.

비수 용매 중의 상기 전해질 염의 함량은 바람직하게 2.5 M (mol/l) 초과, 더 바람직하게는 3.0 M 초과, 더욱 더 바람직하게는 5.0 M 초과, 훨씬 더 바람직하게는 7.0 M 초과, 가장 바람직하게는 10 M 초과이다. 더 높은 농도의 알칼리 금속염을 함유하는 전해질을 사용하면, 제조 중에 또는 케이블 전지를 구부리거나 비트는 중에 누설되는 경향이 없는 케이블 형상의 전지를 형성하기가 더 용이해진다. 또한 놀랍게도, 본 발명자들은 염 농도가 3.5 M을 초과하는 경우 대부분의 전해질이 불연성이 되는 것을 관찰하였다. 일부 전해질은 3.0 M 초과 또는 단지 2.5 M 초과의 염 농도에서 불연성이 된다. 전지 과학자와 기술자들은 더 높은 농도가 더 높은 점도 및 더 낮은 이온 이동도를 의미하고, 따라서 더 낮은 알칼리 이온 전도도를 의미한다고 예상할 것이다. 본 발명자들은 이러한 경향이 일반적으로 0.01 M 내지 2.0 M의 염 농도 범위에 해당함을 확인하였다. 그러나, 전혀 예상치 못하게, 알칼리 이온 전도도(Li+, Na+, 및 K+ 이온)는 농도가 증가하여 임계 수준(통상적으로 2.1 내지 3.0 M)보다 커진 후에 증가하기 시작한다.The content of the electrolyte salt in the non-aqueous solvent is preferably greater than 2.5 M (mol/l), more preferably greater than 3.0 M, even more preferably greater than 5.0 M, still more preferably greater than 7.0 M, and most preferably greater than 10 M. is greater than M. The use of an electrolyte containing a higher concentration of an alkali metal salt makes it easier to form a cable-shaped cell that does not tend to leak during manufacture or during bending or twisting of the cable cell. Also surprisingly, the inventors observed that most electrolytes become non-flammable when the salt concentration exceeds 3.5 M. Some electrolytes become non-flammable at salt concentrations greater than 3.0 M or only greater than 2.5 M. Cell scientists and engineers would expect higher concentrations to mean higher viscosities and lower ion mobilities, and therefore lower alkali ion conductivities. We found that this trend generally corresponds to a salt concentration range of 0.01 M to 2.0 M. Quite unexpectedly, however, alkali ion conductivities (Li + , Na + , and K + ions) start to increase after the concentration increases to greater than a critical level (typically 2.1 to 3.0 M).

이온성 액체는 이온만으로 구성된다. 이온성 액체는 소정 온도보다 높을 때 용융 또는 액체 상태인 저융점 염이다. 예를 들어, 융점이 100℃ 미만이면 염은 이온성 액체로 간주된다. 융점이 실온(25℃) 이하인 경우, 염은 실온 이온성 액체(RTIL)로 지칭된다. IL 염은 큰 양이온과 전하-비편재화 음이온의 조합으로 인한 약한 상호작용을 특징으로 한다. 그 결과 유연성(음이온) 및 비대칭성(양이온)으로 인해 결정화 경향이 낮아진다.Ionic liquids are composed of only ions. An ionic liquid is a low-melting salt that is in a molten or liquid state above a certain temperature. For example, a salt is considered an ionic liquid if its melting point is less than 100 °C. If the melting point is below room temperature (25° C.), the salt is referred to as a room temperature ionic liquid (RTIL). IL salts are characterized by weak interactions due to the combination of large cations and charge-delocalizing anions. The result is a lower crystallization tendency due to flexibility (anion) and asymmetry (cation).

잘 알려진 일반적인 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨(EMI) 양이온과 N,N-비스(트리플루오로메탄)설폰아미드(TFSI) 음이온의 조합에 의해 형성된다. 이러한 조합은 많은 유기 전해질 용액에 필적하는 이온 전도도 및 약 300~400℃까지 낮은 분해 경향 및 낮은 증기압을 갖는 유체를 제공한다. 이는 일반적으로 낮은 휘발성 및 불연성을 의미하고, 따라서 전지용으로 훨씬 더 안전한 전해질을 의미한다.A common well-known ionic liquid is formed by the combination of 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMI) cations and N , N -bis(trifluoromethane)sulfonamide (TFSI) anions. This combination provides a fluid with ionic conductivity comparable to many organic electrolyte solutions and low vapor pressure and low decomposition tendency up to about 300-400°C. This generally means low volatility and non-flammability, and therefore a much safer electrolyte for batteries.

기본적으로 이온성 액체는, 매우 다양한 성분의 제조 용이성으로 인해 본질적으로 제한 없는 개수의 구조적 변형이 가해지는 유기 이온들로 구성된다. 따라서, 다양한 종류의 염을 사용하여 주어진 용도에 대해 원하는 특성을 갖는 이온성 액체를 설계할 수 있다. 이들은 특히, 양이온으로서 이미다졸륨, 피롤리디늄 및 4급 암모늄 염, 및 음이온으로서 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 비스(플루오로설포닐)이미드, 및 헥사플루오로포스페이트를 포함한다. 이온성 액체는 조성에 기초하여 기본적으로 비양성자, 양성자 및 쌍성이온 유형을 포함하는 상이한 부류들로 나뉘며, 이들 각각은 특정 용도에 적합하다.Essentially, ionic liquids are composed of organic ions subjected to an essentially unlimited number of structural transformations due to the ease of manufacture of a wide variety of components. Thus, a wide variety of salts can be used to design ionic liquids with desired properties for a given application. These include, inter alia, imidazolium, pyrrolidinium and quaternary ammonium salts as cations, and bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, bis(fluorosulfonyl)imide, and hexafluorophosphate as anions. do. Based on composition, ionic liquids are basically divided into different classes including aprotic, protic and zwitterionic types, each of which is suitable for a particular application.

실온 이온성 액체(RTIL)의 공통 양이온은 테트라알킬암모늄, 디-, 트리-, 및 테트라-알킬이미다졸륨, 알킬피리디늄, 디알킬피롤리디늄, 디알킬피페리디늄, 테트라알킬포스포늄, 및 트리알킬설포늄을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. RTIL의 공통 음이온은 BF4 -, B(CN)4 -, CH3BF3 -, CH2CHBF3 -, CF3BF3 -, C2F5BF3 -, n-C3F7BF3 -, n-C4F9BF3 -, PF6 -, CF3CO2 -, CF3SO3 -, N(SO2CF3)2 -, N(COCF3)(SO2CF3)-, N(SO2F)2 -, N(CN)2 -, C(CN)3 -, SCN-, SeCN-, CuCl2 -, AlCl4 -, F(HF)2.3 - 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상대적으로 말하면, 이미다졸륨계 또는 설포늄계 양이온과 복합 할라이드 음이온, 예컨대 AlCl4 -, BF4 -, CF3CO2 -, CF3SO3 -, NTf2 -, N(SO2F)2 -, 또는 F(HF)2.3 -의 조합으로 인해 우수한 작용 전도도를 갖는 RTIL이 생성된다.Common cations of room temperature ionic liquids (RTIL) are tetraalkylammonium, di-, tri-, and tetra-alkylimidazoliums, alkylpyridiniums, dialkylpyrrolidiniums, dialkylpiperidiniums, tetraalkylphosphoniums, and trialkylsulfonium, but is not limited thereto. Common anions of RTIL are BF 4 - , B(CN) 4 - , CH 3 BF 3 - , CH 2 CHBF 3 - , CF 3 BF 3 - , C 2 F 5 BF 3 - , n -C 3 F 7 BF 3 - , n -C 4 F 9 BF 3 - , PF 6 - , CF 3 CO 2 - , CF 3 SO 3 - , N(SO 2 CF 3 ) 2 - , N(COCF 3 )(SO 2 CF 3 ) - , N(SO 2 F) 2 - , N(CN) 2 - , C(CN) 3 - , SCN - , SeCN - , CuCl 2 - , AlCl 4 - , F(HF) 2.3 - , etc., but It is not limited. Relatively speaking, imidazolium-based or sulfonium-based cations and complex halide anions such as AlCl 4 - , BF 4 - , CF 3 CO 2 - , CF 3 SO 3 - , NTf 2 - , N(SO 2 F) 2 - , or F(HF) 2.3 to produce RTILs with good working conductivity.

RTIL은 높은 고유 이온 전도도, 높은 열 안정성, 낮은 휘발성, 낮은(실질적으로는 0인) 증기압, 불연성, 실온 이상 및 이하의 넓은 온도 범위에서 액체를 유지하는 능력, 높은 극성, 높은 점성, 및 광범위한 전기화학적 윈도우와 같은 전형적 특성을 가질 수 있다. 높은 점도를 제외하고는, 이들 특성은 RTIL을 수퍼커패시터에서 전해질 성분(염 및/또는 용매)으로 사용할 때 바람직한 속성이다.RTILs have high intrinsic ionic conductivity, high thermal stability, low volatility, low (practically zero) vapor pressure, non-flammability, ability to remain liquid over a wide temperature range above and below room temperature, high polarity, high viscosity, and a wide range of electrical properties. It may have typical properties such as chemical windows. Aside from high viscosity, these properties are desirable when using RTIL as an electrolyte component (salt and/or solvent) in supercapacitors.

본 발명의 케이블 형상의 전지는 많은 고유의 특징을 가지며, 이러한 특징 및 이점 중 일부는 다음과 같이 요약된다.The cable-shaped cell of the present invention has many unique features, some of which are summarized as follows.

정의에 의해, 케이블 형상은 종횡비(길이 대 직경 또는 길이 대 두께의 비)가 10 이상, 바람직하게는 20 이상인 길이 및 직경 또는 두께를 갖는 형상을 의미한다. 케이블 형상의 알칼리 금속 전지는 1 m 초과, 또는 심지어 100 m 초과의 길이를 가질 수 있다. 길이는 1 μm 정도로 짧을 수 있지만, 통상적으로 10 μm 내지 10 m, 더 통상적으로는 마이크로미터 내지 수 미터일 수 있다. 실제로, 이러한 유형의 케이블 전지의 길이에는 이론적 제한이 없다.By definition, a cable shape means a shape having a length and diameter or thickness with an aspect ratio (ratio of length to diameter or length to thickness) greater than or equal to 10, preferably greater than or equal to 20. An alkali metal cell in the form of a cable may have a length greater than 1 m, or even greater than 100 m. The length can be as short as 1 μm, but is typically 10 μm to 10 m, more typically micrometers to several meters. In practice, there is no theoretical limit to the length of this type of cable battery.

본 발명의 케이블 형상의 알칼리 금속 전지는 매우 플렉서블해서 10 cm보다 큰 곡률 반경을 갖도록 용이하게 구부러질 수 있다. 전지는 차량의 빈 공간 또는 내부 구획의 형상에 실질적으로 부합되도록 구부릴 수 있다. 빈 공간 또는 내부 구획은 트렁크, 도어, 해치, 스페어 타이어 구획, 시트 아래 영역 또는 대시보드 아래 영역일 수 있다. 전지는 차량으로부터 분리 가능하고, 다른 빈 공간 또는 내부 구획의 형상에 부합되도록 구부릴 수 있다.The cable-shaped alkali metal battery of the present invention is very flexible and can be easily bent to have a radius of curvature greater than 10 cm. The battery may be bent to substantially conform to the shape of the vehicle's void or interior compartment. The void or interior compartment may be a trunk, a door, a hatch, a spare tire compartment, an area under a seat or an area under a dashboard. The battery is removable from the vehicle and can be bent to conform to the shape of other voids or interior compartments.

본 발명의 케이블 형상의 전지의 하나 이상의 유닛은 의류, 벨트, 수하물 스트랩, 무기 스트랩, 악기 스트랩, 헬멧, 모자, 부츠, 발 커버, 장갑, 손목 커버, 시계 밴드, 보석 물품, 동물 목줄 또는 동물 하네스에 통합될 수 있다.One or more units of the cable-shaped battery of the present invention may be used for clothing, belts, luggage straps, weapon straps, instrument straps, helmets, hats, boots, foot covers, gloves, wrist covers, watch bands, jewelry items, animal collars or animal harnesses. can be incorporated into

본 발명의 케이블 형상의 전지의 하나 이상의 유닛은 의류, 벨트, 수하물 스트랩, 무기 스트랩, 악기 스트랩, 헬멧, 모자, 부츠, 발 커버, 장갑, 손목 커버, 시계 밴드, 보석 물품, 동물 목줄 또는 동물 하네스에 착탈식으로 통합될 수 있다.One or more units of the cable-shaped battery of the present invention may be used for clothing, belts, luggage straps, weapon straps, instrument straps, helmets, hats, boots, foot covers, gloves, wrist covers, watch bands, jewelry items, animal collars or animal harnesses. It can be detachably integrated into

또한, 본 발명의 전지는 중공 자전거 프레임의 내부 반경에 부합된다.Additionally, the battery of the present invention conforms to the inner radius of a hollow bicycle frame.

이하, 본 발명의 최선의 실시 형태를 설명하기 위해 여러 상이한 유형의 애노드 활물질, 캐소드 활물질, 및 전도성 다공질 층(예를 들어, 흑연 발포체, 그래핀 발포체, 및 금속 발포체)에 대한 실시예를 제공한다. 이들 예시적인 실시예 및 본 명세서의 다른 부분 및 도면은, 개별적으로 또는 조합하여, 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 하는 데 충분히 적절하다. 그러나, 이 실시예들이 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.Hereinafter, examples of several different types of anode active materials, cathode active materials, and conductive porous layers (e.g., graphite foam, graphene foam, and metal foam) are provided to illustrate the best embodiment of the present invention. . These exemplary embodiments and other portions and drawings of this specification, individually or in combination, are sufficiently relevant to enable one skilled in the art to practice the present invention. However, these examples should not be construed as limiting the scope of the present invention.

실시예 1: 집전체로서의 전기 전도성 다공질 로드 또는 층의 예시적 실시예 Example 1 : Exemplary Example of an Electrically Conductive Porous Rod or Layer as a Current Collector

애노드 또는 캐소드에서 전도성 다공질 로드 또는 층으로 사용하기 위해, (집전체 역할을 하는) 다양한 유형의 금속 발포체, 탄소 발포체, 및 미세한 금속 웹/스크린, 예를 들어, Ni 발포체, Cu 발포체, Al 발포체, Ti 발포체, Ni 메쉬/웹, 스테인리스강 섬유 메쉬 등이 상업적으로 이용 가능하다. 금속-코팅 고분자 발포체 및 탄소 발포체도 집전체로 사용된다. 거시적인 형상 적응성 케이블 형상의 플렉서블 전지를 제조함에 있어서, 이러한 전도성 다공질 층의 가장 바람직한 두께 범위는 50~1000 μm, 바람직하게는 100~800 μm, 더 바람직하게는 200~600 μm이다. (예를 들어, 100 nm 내지 100 μm의 직경을 갖는) 미시적인 케이블 형상의 전지를 제조함에 있어서, 전극 활물질과 전해질의 혼합물을 수용하기 위해 그래핀 발포체, 그래핀 에어로겔 발포체, 다공질 탄소 섬유(예를 들어, 고분자 섬유의 전기방사, 고분자 섬유의 탄화, 및 생성된 탄소 섬유의 활성화에 의해 제조됨), 및 다공질 흑연 섬유가 사용될 수 있다.Various types of metal foams (acting as current collectors), carbon foams, and fine metal webs/screens, such as Ni foams, Cu foams, Al foams, for use as conductive porous rods or layers in anodes or cathodes; Ti foam, Ni mesh/web, stainless steel fiber mesh, and the like are commercially available. Metal-coated polymer foams and carbon foams are also used as current collectors. In producing a macroscopic shape adaptable cable-shaped flexible battery, the most preferred thickness range of such a conductive porous layer is 50 to 1000 μm, preferably 100 to 800 μm, more preferably 200 to 600 μm. In manufacturing a microscopic cable-shaped battery (eg, having a diameter of 100 nm to 100 μm), graphene foam, graphene airgel foam, porous carbon fiber (eg, For example, produced by electrospinning of polymer fibers, carbonization of polymer fibers, and activation of the resulting carbon fibers), and porous graphite fibers may be used.

실시예 2: Ni 발포체 주형 상에 지지된 Ni 발포체 및 CVD 그래핀 발포체-기반 다공질 층 Example 2 : Ni foam and CVD graphene foam-based porous layer supported on a Ni foam mold

CVD 그래핀 발포체의 제조 방법은 공개문헌[Chen, Z. et al. "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition", Nature Materials, 10, 424-428 (2011)]에 개시된 방법으로부터 조정되었다. 상호 연결된 3D 니켈 스캐폴드를 갖춘 다공질 구조인 니켈 발포체를 그래핀 발포체의 성장을 위한 주형으로서 선택하였다. 간략히 설명하면, 상압 하에 1,000℃에서 CH4를 분해함으로써 니켈 발포체에 탄소를 도입한 후, 니켈 발포체의 표면에 그래핀 필름을 증착시켰다. 니켈과 그래핀 간의 열 팽창 계수 차이로 인해, 그래핀 필름 상에 리플(ripples)과 주름(wrinkles)이 형성되었다. 본 실시예에서 제조된 네 가지 유형의 발포체, 즉 Ni 발포체, CVD 그래핀-코팅 Ni 발포체, CVD 그래핀 발포체(Ni은 에칭 제거됨), 및 전도성 고분자 결합된 CVD 그래핀 발포체를 본 발명의 리튬 전지에서 집전체로 사용하였다.Methods for preparing CVD graphene foams are described in publications [Chen, Z. et al. "Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapor deposition", Nature Materials, 10, 424-428 (2011)]. Nickel foam, a porous structure with interconnected 3D nickel scaffolds, was chosen as a template for the growth of graphene foams. Briefly, carbon was introduced into the nickel foam by decomposing CH 4 at 1,000° C. under atmospheric pressure, and then a graphene film was deposited on the surface of the nickel foam. Due to the difference in thermal expansion coefficient between nickel and graphene, ripples and wrinkles were formed on the graphene film. The four types of foams prepared in this example, namely Ni foams, CVD graphene-coated Ni foams, CVD graphene foams (Ni is etched away), and CVD graphene foams bonded with conductive polymers, were used as lithium batteries of the present invention. was used as a collector in

지지용 Ni 발포체로부터 그래핀 발포체를 회수(분리)하기 위해, Ni 프레임을 에칭 제거하였다. Chen 등이 제안한 방법에서, 고온의 HCl(또는 FeCl3) 용액으로 니켈 골격을 에칭 제거하기 전에, 니켈 에칭시 그래핀 네트워크가 붕괴되는 것을 방지하기 위해 지지체로서의 그래핀 필름의 표면에 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)의 박층을 증착시켰다. 고온의 아세톤으로 PMMA층을 조심스럽게 제거한 후, 취약한 그래핀 발포체 샘플을 얻었다. PMMA 지지층의 사용은 그래핀 발포체의 독립형 필름을 제조하는 데 중요한 것으로 고려되었다. 대신, Ni을 에칭 제거하면서 전도성 중합체를 바인더 수지로 사용하여 그래핀을 서로 결합시켰다. 그래핀 발포체 또는 Ni 발포체의 두께 범위는 35 μm 내지 600 μm였다.To recover (separate) the graphene foam from the supporting Ni foam, the Ni frame was etched away. In the method proposed by Chen et al., prior to etching away the nickel framework with a high-temperature HCl (or FeCl 3 ) solution, poly(methyl metamethoxide) was applied to the surface of a graphene film as a support to prevent the graphene network from collapsing during nickel etching. acrylate) (PMMA) was deposited. After carefully removing the PMMA layer with hot acetone, brittle graphene foam samples were obtained. The use of a PMMA support layer was considered important for fabricating free-standing films of graphene foams. Instead, graphene was bonded to each other using a conductive polymer as a binder resin while Ni was etched away. The thickness range of the graphene foam or Ni foam was 35 μm to 600 μm.

본원에서 사용된 Ni 발포체 또는 CVD 그래핀 발포체의 층은 애노드 또는 캐소드 또는 둘 다를 위한 성분(애노드 또는 캐소드 활물질 + 선택적 전도성 첨가제 + 액체 전해질)을 수용하기 위한 전도성 다공질 층(CPL)으로서 의도된다. 예를 들어, 유기 액체 전해질(예를 들어, PC-EC에 용해된 1~5.5 M의 LiPF6)에 분산된 Si 나노입자를 겔형 물질로 만들고, 이를 공급 롤러로부터 연속적으로 공급되는 Ni 발포체의 다공질 표면에 전달하여 애노드 전극 롤러를 제조하였다(도 1c의 개략도 A에 나타낸 바와 같음).The layer of Ni foam or CVD graphene foam as used herein is intended as a conductive porous layer (CPL) to contain the components for the anode or cathode or both (anode or cathode active material + optional conductive additives + liquid electrolyte). For example, Si nanoparticles dispersed in an organic liquid electrolyte (eg, 1 to 5.5 M LiPF 6 dissolved in PC-EC) are made into a gel-like material, and the porous material of Ni foam continuously supplied from a supply roller. The anode electrode roller was prepared by transferring to a surface (as shown in schematic A in FIG. 1C).

동일한 액체 전해질에 분산된 그래핀-지지 LFP 나노입자를 캐소드 슬러리로 만들고, 이를 연속 Ni 발포층의 2개의 다공질 표면 상에 분무하여 캐소드 전극을 형성하였다. 발포체 세공에 함침된 Si 나노입자-전해질 혼합물을 함유하는 다공질 발포체 로드(제1 전극)를 다공질 세퍼레이터층(다공질 PE-PP 공중합체)으로 둘러싸고, 이를 다시 LFP계 캐소드층으로 둘러쌌다. 이어서, 원통형 구조를 얇은 고분자 외피로 감싸 케이블 형상의 리튬-이온 전지를 얻었다.Graphene-supported LFP nanoparticles dispersed in the same liquid electrolyte were made into a cathode slurry, which was sprayed onto two porous surfaces of a continuous Ni foam layer to form a cathode electrode. A porous foam rod (first electrode) containing a Si nanoparticle-electrolyte mixture impregnated in foam pores was surrounded by a porous separator layer (porous PE-PP copolymer), which was in turn surrounded by an LFP-based cathode layer. Subsequently, a cable-shaped lithium-ion battery was obtained by wrapping the cylindrical structure with a thin polymer shell.

실시예 3: 피치계 탄소 발포체로부터의 흑연 발포체-기반 전도성 다공질 층 Example 3 : Graphite foam-based conductive porous layer from pitch-based carbon foam

원하는 발포체의 최종 형상을 가진 알루미늄 금형에 피치 분말, 과립, 또는 펠릿을 넣는다. Mitsubishi ARA-24 메소상 피치를 사용하였다. 샘플을 1 torr 미만으로 배기한 후, 약 300℃의 온도로 가열하였다. 이 시점에, 진공을 질소 블랭킷(blanket)으로 해제한 후, 최대 1,000 psi의 압력을 가하였다. 이어서, 시스템의 온도를 800℃로 올렸다. 2℃/분의 속도로 이를 수행하였다. 적어도 15분 동안 온도를 유지하여 침액(soak)를 달성한 후, 노 전원을 끄고, 약 2 psi/분의 속도로 압력을 해제하면서 약 1.5℃/분의 속도로 실온까지 냉각시켰다. 최종 발포체의 온도는 630℃ 및 800℃였다. 냉각 사이클 동안, 압력을 점차적으로 대기 상태로 해제한다. 이어서, 발포체를 질소 블랭킷 하에 1050℃로 열처리(탄화)한 후, 흑연 도가니에서 아르곤 하에 2500℃ 및 2800℃로 개별적으로 열처리(흑연화) 하였다. 흑연 발포층은 75~500 μm의 두께 범위에서 이용 가능하다.Pitch powder, granules, or pellets are placed in an aluminum mold having the final desired foam shape. Mitsubishi ARA-24 mesophase pitch was used. After evacuating the sample to less than 1 torr, it was heated to a temperature of about 300°C. At this point, the vacuum was broken with a nitrogen blanket and then a pressure of up to 1,000 psi was applied. Then, the temperature of the system was raised to 800 °C. This was done at a rate of 2°C/min. After holding the temperature for at least 15 minutes to achieve a soak, the furnace was turned off and cooled to room temperature at a rate of about 1.5° C./min while releasing the pressure at a rate of about 2 psi/min. The final foam temperatures were 630°C and 800°C. During the cooling cycle, the pressure is gradually released to standby. The foam was then heat treated (carbonized) at 1050° C. under a nitrogen blanket and then separately heat treated (graphitized) at 2500° C. and 2800° C. under argon in a graphite crucible. Graphite foam layers are available in a thickness range of 75 to 500 μm.

실시예 4: 천연 흑연 분말로부터 그래핀 산화물(GO) 및 환원된 그래핀 산화물(RGO) 나노시트의 제조 Example 4 : Preparation of graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (RGO) nanosheets from natural graphite powder

Huadong Graphite Co.(중국, 청도)의 천연 흑연을 출발 물질로 사용하였다. 두 개의 산화 단계를 포함하는 잘 알려진 변형된 허머스(Hummers) 방법에 따라 GO를 얻었다. 일반적인 절차에서, 제1 산화는 다음 조건에서 달성하였다: 1100 mg의 흑연을 1000 ml 비등 플라스크에 넣었다. 이어서, 20 g의 K2S2O8, 20 g의 P2O5, 및 400 mL의 H2SO4 농축 수용액(96%)을 플라스크에 첨가하였다. 혼합물을 환류 하에 6시간 동안 가열한 후, 실온에서 20시간 동안 방해 없이 방치하였다. 산화된 흑연을 여과하고, 중성 pH가 될 때까지 충분한 증류수로 세정하였다. 이 제1 산화의 종료시 습윤 케이크형 물질을 회수하였다.Natural graphite from Huadong Graphite Co. (Qingdao, China) was used as a starting material. GO was obtained according to the well-known modified Hummers method involving two oxidation steps. In the general procedure, the first oxidation was achieved under the following conditions: 1100 mg of graphite was placed in a 1000 ml boiling flask. Then, 20 g of K 2 S 2 O 8 , 20 g of P 2 O 5 , and 400 mL of a concentrated aqueous solution of H 2 SO 4 (96%) were added to the flask. The mixture was heated under reflux for 6 hours and then left undisturbed for 20 hours at room temperature. The oxidized graphite was filtered off and washed with plenty of distilled water until neutral pH. At the end of this first oxidation a wet cake-like material was recovered.

제2 산화 공정을 위해, 앞서 회수한 습윤 케이크를 69 mL의 H2SO4 농축 수용액(96%)이 들어있는 비등 플라스크에 넣었다. 9 g의 KMnO4를 서서히 첨가하면서 플라스크를 빙욕에 두었다. 과열을 방지하기 위해 주의를 기울였다. 생성된 혼합물을 35℃에서 2시간 동안 교반하고(샘플 색이 짙은 녹색으로 변함), 이어서 140 mL의 물을 첨가하였다. 15분 후, 물 420 mL와 30 wt% H2O2의 수용액 15 mL를 첨가하여 반응을 정지시켰다. 이 단계에서 샘플 색이 밝은 노란색으로 변했다. 금속 이온을 제거하기 위해, 혼합물을 여과하고 1:10 HCl 수용액으로 세정하였다. 회수된 물질을 2700 g로 약하게 원심분리하고 탈이온수로 세정하였다. 최종 생성물은, 건조 추출물로부터 추정할 때, 1.4 wt%의 GO를 함유하는 습윤 케이크였다. 이어서, 습윤 케이크 물질을 약하게 초음파 처리하여 GO 판의 액체 분산액을 얻고, 이를 탈이온수에서 희석하였다.For the second oxidation step, the previously recovered wet cake was placed in a boiling flask containing 69 mL of a concentrated aqueous solution of H 2 SO 4 (96%). The flask was placed in an ice bath while 9 g of KMnO 4 was slowly added. Care was taken to prevent overheating. The resulting mixture was stirred at 35° C. for 2 hours (sample color turned dark green), then 140 mL of water was added. After 15 minutes, the reaction was stopped by adding 420 mL of water and 15 mL of an aqueous solution of 30 wt % H 2 O 2 . At this stage, the color of the sample changed to bright yellow. To remove metal ions, the mixture was filtered and washed with 1:10 HCl aqueous solution. The recovered material was gently centrifuged at 2700 g and washed with deionized water. The final product was a wet cake containing 1.4 wt% of GO, as estimated from the dry extract. The wet cake material was then gently sonicated to obtain a liquid dispersion of the GO platelets, which was diluted in deionized water.

순수 대신 계면활성제의 수용액에서 습윤 케이크를 희석하여 계면활성제-안정화 RGO(RGO-BS)를 얻었다. Sigma Aldrich에서 제공한 콜레이트 나트륨(50 wt%)과 데옥시콜레이트 나트륨(50 wt%) 염의 상업적으로 이용 가능한 혼합물을 사용하였다. 계면활성제의 중량 분율은 0.5 wt%였다. 모든 샘플에서 이 분율을 일정하게 유지하였다. 13 mm 스텝 디스럽터 혼(step disruptor horn) 및 3 mm 테이퍼드 마이크로팁이 장착된 20 kHz 주파수에서 작동하는 Branson Sonifier S-250A를 이용해 초음파 처리를 수행하였다. 예를 들어, 0.1 wt%의 GO를 함유하는 수용액 10 mL를 10분 동안 초음파 처리한 후, 2700 g로 30분 동안 원심분리하여 용해되지 않은 큰 입자, 응집물, 및 불순물을 제거하였다. 얻어진 상태의 GO를, 50 mL의 비등 플라스크에 0.1 wt% GO 수용액 10 mL을 넣는 것을 포함하는 방법에 따라 화학적으로 환원시켜 RGO를 얻었다. 이어서, 35 wt%의 N2H4(히드라진) 수용액 10 μL 및 28 wt%의 NH4OH(암모니아) 수용액 70 mL를 혼합물에 첨가하고, 이를 계면활성제에 의해 안정화시켰다. 용액을 90℃로 가열하고 1시간 동안 환류시켰다. 반응 후 측정된 pH 값은 약 9였다. 환원 반응 동안 샘플의 색이 진한 검은색으로 변하였다.Surfactant-stabilized RGO (RGO-BS) was obtained by diluting the wet cake in an aqueous solution of surfactant instead of pure water. A commercially available mixture of sodium cholate (50 wt%) and sodium deoxycholate (50 wt%) salts provided by Sigma Aldrich was used. The weight fraction of surfactant was 0.5 wt%. This fraction was kept constant in all samples. Sonication was performed using a Branson Sonifier S-250A operating at a frequency of 20 kHz equipped with a 13 mm step disruptor horn and a 3 mm tapered microtip. For example, 10 mL of an aqueous solution containing 0.1 wt% of GO was sonicated for 10 min, followed by centrifugation at 2700 g for 30 min to remove undissolved large particles, aggregates, and impurities. The obtained GO was chemically reduced to obtain RGO by a method comprising adding 10 mL of 0.1 wt% GO aqueous solution to a 50 mL boiling flask. Then, 10 μL of a 35 wt % aqueous solution of N 2 H 4 (hydrazine) and 70 mL of a 28 wt % aqueous solution of NH 4 OH (ammonia) were added to the mixture, which was stabilized by a surfactant. The solution was heated to 90° C. and refluxed for 1 hour. The pH value measured after the reaction was about 9. During the reduction reaction, the color of the sample changed to dark black.

RGO를 본 발명의 특정 리튬 전지의 애노드 활물질 및/또는 캐소드 활물질 내 전도성 첨가제로 사용하였다. 사전 리튬화된 RGO(예를 들어, RGO + 리튬 입자, 또는 리튬 코팅으로 사전 증착된 RGO)를 또한 애노드 활물질로 사용하였고, 이를 액체 전해질과 혼합하여 선택된 리튬-이온 셀에 사용하기 위한 습윤 애노드 활물질 혼합물을 형성하였다. 선택된 캐소드 활물질(각각 TiS2 나노입자 및 LiCoO2 입자) 및 리튬화되지 않은 RGO 시트를 액체 전해질에 분산시켜 습윤 캐소드 활물질 혼합물을 제조하였다. 습윤 애노드 활성 혼합물 및 캐소드 활성 혼합물을 애노드층 및 캐소드층을 각각 형성하기 위한 흑연 발포체의 표면에 개별적으로 전달하였다. 이어서, 코어 구조(제1 전극)가 애노드 또는 캐소드이고 제2 전극이 상응하는 상대 전극(캐소드 또는 애노드)인 케이블 형상의 전지를 제작하였다.RGO was used as a conductive additive in the anode active material and/or cathode active material of certain lithium batteries of the present invention. Pre-lithiated RGO (e.g., RGO + lithium particles, or RGO pre-deposited with a lithium coating) was also used as an anode active material, which was mixed with a liquid electrolyte to form a wet anode active material for use in selected Li-ion cells. A mixture was formed. Wet cathode active material mixtures were prepared by dispersing selected cathode active materials (TiS 2 nanoparticles and LiCoO 2 particles, respectively) and unlithiated RGO sheets in a liquid electrolyte. The wet anode active mixture and cathode active mixture were separately delivered to the surface of the graphite foam for forming the anode layer and cathode layer, respectively. Subsequently, a cable-shaped battery was fabricated in which the core structure (first electrode) was an anode or cathode and the second electrode was a corresponding counter electrode (cathode or anode).

비교를 위해, 슬러리 코팅 및 건조 절차를 수행하여 종래의 전극을 제조하였다. 이어서, 전극 및 두 개의 건조된 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 조립하고, Al-플라스틱 라미네이트 패키징 외장에 넣은 후, 액체 전해질을 주입하여 종래의 리튬 전지 셀을 형성하였다.For comparison, a conventional electrode was prepared by performing a slurry coating and drying procedure. Then, the electrodes and the separator disposed between the two dried electrodes were assembled, placed in an Al-plastic laminate packaging enclosure, and then liquid electrolyte was injected to form a conventional lithium battery cell.

실시예 5: 순수 그래핀 시트(0% 산소)의 제조 Example 5 : Preparation of pure graphene sheet (0% oxygen)

개별 그래핀 면의 전도도를 감소시키는 작용을 하는 GO 시트 내 많은 결함 개수의 가능성을 인식하고, 순수(산화되지 않고 산소를 함유하지 않는, 할로겐화되지 않고 할로겐을 함유하지 않는, 등의) 그래핀 시트를 사용하면 전기 및 열 전도도가 높은 전도성 첨가제를 유도할 수 있는지 연구하기로 결정하였다. 사전 리튬화된 순수 그래핀 및 사전 나트륨화된 순수 그래핀을 또한 각각 리튬-이온 전지 및 나트륨-이온 전지용 애노드 활물질로 사용하였다. 직접 초음파 처리 또는 액상 제조 공정을 이용하여 순수 그래핀 시트를 제조하였다.Recognizing the possibility of a large number of defects in the GO sheet that act to reduce the conductivity of the individual graphene facets, and recognizing the possibility of a pure (non-oxidized, oxygen-free, non-halogenated, halogen-free, etc.) graphene sheet It was decided to investigate whether using can lead to conductive additives with high electrical and thermal conductivity. Pre-lithiated pristine graphene and pre-sodium pristine graphene were also used as anode active materials for lithium-ion batteries and sodium-ion batteries, respectively. Pure graphene sheets were prepared using direct sonication or liquid-phase preparation processes.

일반적인 절차에서, 약 20 μm 이하의 크기로 분쇄된 5 g의 흑연 플레이크를 (0.1중량%의 분산제(DuPont의 Zonyl® FSO)를 함유한) 탈이온수 1,000 mL에 분산시켜 현탁액을 얻었다. 85 W(Branson S450 초음파기)의 초음파 에너지 레벨을 사용해 15분 내지 2시간 동안 그래핀 시트를 박리, 분리, 및 분쇄(size reduction)시켰다. 생성된 그래핀 시트는 산화된 적이 없고 산소를 함유하지 않으며 비교적 결함이 없는 순수 그래핀이다. 순수 그래핀은 본질적으로 비탄소 원소를 함유하지 않는다.In a general procedure, 5 g of graphite flakes ground to a size of about 20 μm or less were dispersed in 1,000 mL of deionized water (containing 0.1% by weight dispersant (Zonyl® FSO from DuPont)) to obtain a suspension. The graphene sheets were exfoliated, separated, and size reduced using an ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 sonicator) for 15 minutes to 2 hours. The resulting graphene sheets are pristine graphene that has never been oxidized, does not contain oxygen, and is relatively defect-free. Pure graphene contains essentially no non-carbon elements.

이어서, 본 발명의 방법과 슬러리 코팅, 건조 및 층 라미네이팅의 종래의 방법을 모두 사용하여, 전도성 첨가제로서의 순수 그래핀 시트를 애노드 활물질(또는 캐소드의 경우 캐소드 활물질)과 함께 전지에 통합하였다. 리튬-이온 전지 및 리튬 금속 전지(캐소드에만 함침)를 모두 조사하였다. 나트륨-이온 셀도 제조하고 연구하였다.Then, using both the method of the present invention and the conventional methods of slurry coating, drying, and layer lamination, the pristine graphene sheet as a conductive additive was incorporated into the cell along with an anode active material (or cathode active material in the case of a cathode). Both lithium-ion cells and lithium metal cells (impregnated cathode only) were investigated. Sodium-ion cells were also fabricated and studied.

실시예 6: 리튬 금속 전지의 리튬 철 인산염(LFP) 캐소드 Example 6 : Lithium Iron Phosphate (LFP) Cathode of Lithium Metal Battery

코팅되지 않거나 탄소-코팅된 LFP 분말은 여러 공급원으로부터 상업적으로 이용 가능하다. LFP 분말을 서로 압축하고 소결하여 스퍼터링용 LFP 타겟을 제조하였다. 그래핀 필름 및 탄소 나노섬유(CNF) 매트 상에 개별적으로 LFP의 스퍼터링을 수행하였다. 이어서, LFP-코팅 그래핀 필름을 파괴하고 분쇄하여 LFP-코팅 그래핀 시트를 형성하였다.Uncoated or carbon-coated LFP powders are commercially available from several sources. The LFP powders were pressed together and sintered to prepare an LFP target for sputtering. Sputtering of LFP was performed separately on the graphene film and carbon nanofiber (CNF) mat. Then, the LFP-coated graphene film was broken and pulverized to form an LFP-coated graphene sheet.

이어서, 케이블 형상의 구조를 만드는 본 발명의 방법과 슬러리 코팅, 건조 및 층 라미네이팅의 종래의 방법을 모두 사용하여, 탄소-코팅 LFP 분말 및 그래핀-지지 LFP를 모두 개별적으로, 액체 전해질과 함께 전지에 통합하였다.Subsequently, both the carbon-coated LFP powder and the graphene-supported LFP were individually and together with a liquid electrolyte, using both the inventive method of making a cable-like structure and the conventional method of slurry coating, drying and layer lamination, integrated into.

실시예 7: 나트륨-이온 전지의 애노드 활물질로서 이나트륨 테레프탈레이트(Na2C8H4O4)의 제조 Example 7 : Preparation of disodium terephthalate (Na 2 C 8 H 4 O 4 ) as anode active material of sodium-ion battery

재결정 방법에 의해 순수한 이나트륨 테레프탈레이트를 얻었다. NaOH 수용액에 테레프탈산을 첨가하여 수용액을 제조한 후, 이 혼합물에 에탄올(EtOH)을 첨가하여 물/EtOH 혼합물에 이나트륨 테레프탈레이트를 침전시켰다. 공명 안정화 때문에, 테레프탈산은 비교적 낮은 pKa 값을 갖는데, 이는 NaOH에 의한 탈양성자화를 용이하게 함으로써 산-염기 화학을 통해 이나트륨 테레프탈레이트(Na2TP)를 제공한다. 일반적인 절차에서, 실온에서 EtOH(60 mL) 중의 수산화나트륨(1.517 g, 37.93 mmol)으로 테레프탈산(3.00 g, 18.06 mmol)을 처리하였다. 24시간 후, 현탁된 반응 혼합물을 원심분리하고 상층액을 따라 내었다. 침전물을 EtOH에 재분산시킨 후 다시 원심분리하였다. 이 과정을 2회 반복하여 백색 고체를 얻었다. 생성물을 진공 하에 150℃에서 1시간 동안 건조시켰다. 별도의 샘플로, NaOH 수용액에 GO를 첨가하여(5 중량%의 GO 시트) 유사한 반응 조건 하에서 그래핀-지지 이나트륨 테레프탈레이트 시트를 제조하였다.Pure disodium terephthalate was obtained by the recrystallization method. After preparing an aqueous solution by adding terephthalic acid to an aqueous NaOH solution, ethanol (EtOH) was added to the mixture to precipitate disodium terephthalate in the water/EtOH mixture. Because of resonance stabilization, terephthalic acid has a relatively low pKa value, which facilitates deprotonation by NaOH to give disodium terephthalate (Na 2 TP) via acid-base chemistry. In the general procedure, terephthalic acid (3.00 g, 18.06 mmol) was treated with sodium hydroxide (1.517 g, 37.93 mmol) in EtOH (60 mL) at room temperature. After 24 hours, the suspended reaction mixture was centrifuged and the supernatant was decanted. The precipitate was redispersed in EtOH and centrifuged again. This process was repeated twice to obtain a white solid. The product was dried under vacuum at 150° C. for 1 hour. As a separate sample, graphene-supported disodium terephthalate sheets were prepared by adding GO to aqueous NaOH solution (5 wt% GO sheets) under similar reaction conditions.

이어서, 본 발명의 방법과 슬러리 코팅, 건조 및 층 라미네이팅의 종래의 방법을 모두 사용하여, 탄소-이나트륨 테레프탈레이트 혼합물 분말 및 그래핀-지지 이나트륨 테레프탈레이트를 모두 개별적으로, 각각 액체 전해질과 함께 전지에 통합하였다.Subsequently, both the carbon-disodium terephthalate mixture powder and the graphene-supported disodium terephthalate were individually, each together with a liquid electrolyte, using both the method of the present invention and the conventional methods of slurry coating, drying, and layer lamination. integrated into the battery.

실시예 8: 리튬 전지의 전이 금속 산화물 캐소드 활물질의 예로서의 V2O5 Example 8 : V 2 O 5 as an Example of Transition Metal Oxide Cathode Active Material for Lithium Battery

V2O5 분말만이 상업적으로 이용 가능하다. 그래핀-지지 V2O5 분말 샘플의 제조를 위해, 일반적인 실험에서, LiCl 수용액에 V2O5를 혼합하여 오산화바나듐 겔을 얻었다. LiCl 용액과의 상호작용(Li:V 몰비는 1:1로 유지)에 의해 얻은 Li+-교환 겔을 GO 현탁액과 혼합한 후, 테프론-라이닝 스테인리스강 35 ml 오토클레이브에 넣고, 밀봉하고, 12시간 동안 180℃까지 가열하였다. 이러한 수열 처리 후, 미가공 고체를 회수하여, 완전히 세척하고, 2분 동안 초음파 처리하고, 70℃에서 12시간 동안 건조시킨 다음, 또 다른 수중 0.1% GO와 혼합하고, 초음파 처리하여 나노벨트 크기로 파괴하고, 이어서 200℃에서 분무 건조시켜 그래핀-함유 복합 미립자를 얻었다.Only V 2 O 5 powder is commercially available. For the preparation of graphene-supported V 2 O 5 powder samples, in a typical experiment, V 2 O 5 was mixed with an aqueous LiCl solution to obtain a vanadium pentoxide gel. The Li + -exchanged gel obtained by interaction with LiCl solution (li:V molar ratio maintained at 1:1) was mixed with the GO suspension, then placed in a Teflon-lined stainless steel 35 ml autoclave, sealed, and 12 It was heated to 180 °C for an hour. After this hydrothermal treatment, the raw solid was recovered, washed thoroughly, sonicated for 2 min, dried at 70 °C for 12 h, mixed with another 0.1% GO in water, and sonicated to break down to nanobelt size. and then spray-dried at 200° C. to obtain graphene-containing composite fine particles.

이어서, 본 발명의 방법과 슬러리 코팅, 건조 및 층 라미네이팅의 종래의 방법을 모두 사용하여, V2O5 분말(전도성 첨가제로서 카본 블랙 분말을 함유함) 및 그래핀-지지 V2O5 분말을 모두 개별적으로, 액체 전해질과 함께 전지에 통합하였다.Then, using both the method of the present invention and the conventional methods of slurry coating, drying and layer laminating, V 2 O 5 powder (containing carbon black powder as conductive additive) and graphene-supported V 2 O 5 powder were prepared. All individually and together with the liquid electrolyte were incorporated into the cell.

실시예 9: 리튬-이온 전지용 리튬 전이 금속 산화물 캐소드 활물질의 예로서의 LiCoO2 Example 9 : LiCoO 2 as an example of a lithium transition metal oxide cathode active material for a lithium-ion battery

상업적으로 이용 가능한 LiCoO2 분말 및 카본 블랙 분말을 액체 전해질에 분산시켜 캐소드 활물질 혼합물을 형성하고, 이를 Ni 발포체-기반 캐소드 집전체층에 함침시켜 캐소드 전극을 형성하였다. 흑연 입자-액체 전해질(즉, 애노드 활성 혼합물)을 Cu 발포층의 세공에 함침시켜 애노드 전극을 형성하였다. 또한, 그래핀 함유 Si 나노입자와 액체 전해질의 혼합물을 Cu 발포체의 세공에 함침시켜 애노드 전극을 얻었다. 애노드 전극, 다공질 세퍼레이터층, 및 캐소드 전극을 조립하고, 압축하고, 플라스틱-Al 외장에 넣어 전지 셀을 형성하였다. 이어서, 셀을 기밀 밀봉하였다.Commercially available LiCoO 2 powder and carbon black powder were dispersed in a liquid electrolyte to form a cathode active material mixture, which was impregnated into a Ni foam-based cathode current collector layer to form a cathode electrode. A graphite particle-liquid electrolyte (i.e., anode active mixture) was impregnated into the pores of the Cu foam layer to form an anode electrode. In addition, a mixture of graphene-containing Si nanoparticles and a liquid electrolyte was impregnated into the pores of the Cu foam to obtain an anode electrode. An anode electrode, a porous separator layer, and a cathode electrode were assembled, compressed, and placed in a plastic-Al enclosure to form a battery cell. The cell was then hermetically sealed.

별도로, LiCoO2 분말, 카본 블랙 분말, PVDF 수지 바인더를 NMP 용매에 분산시켜 슬러리를 형성하고, 이를 Al 호일 집전체의 양면에 코팅한 다음 진공 하에 건조시켜 캐소드층을 형성하였다. 흑연 입자 및 PVDF 수지 바인더를 NMP 용매에 분산시켜 슬러리를 형성하고, 이를 Cu 호일 집전체의 양면에 코팅한 다음 진공 하에 건조시켜 애노드층을 형성하였다. 이어서, 애노드층, 세퍼레이터, 캐소드층을 라미네이팅하여 Al-플라스틱 하우징에 넣고, 액체 전해질을 주입하여 종래의 리튬-이온 전지를 형성하였다.Separately, LiCoO 2 powder, carbon black powder, and a PVDF resin binder were dispersed in an NMP solvent to form a slurry, which was coated on both sides of an Al foil current collector and then dried under vacuum to form a cathode layer. Graphite particles and a PVDF resin binder were dispersed in an NMP solvent to form a slurry, which was coated on both sides of a Cu foil current collector and then dried under vacuum to form an anode layer. Subsequently, the anode layer, the separator, and the cathode layer were laminated and placed in an Al-plastic housing, and a liquid electrolyte was injected to form a conventional lithium-ion battery.

실시예 10: 혼합 전이 금속 산화물 기반의 캐소드 활물질 Example 10 : Cathode Active Material Based on Mixed Transition Metal Oxide

예로서, Na1.0Li0.2Ni0.25Mn0.75Oδ, Ni0.25Mn0.75CO3, 또는 Ni0.25Mn0.75(OH)2 캐소드 활물질의 합성을 위해, Na2CO3, 및 Li2CO3를 출발 화합물로 사용하였다. 적절한 몰비의 물질을 함께 분쇄하고, 우선 500℃에서 8시간 동안 공기 중에서 열처리한 다음, 최종적으로 800℃에서 8시간 동안 공기 중에서 열처리하고, 노냉시켰다.As examples, for the synthesis of Na 1.0 Li 0.2 Ni 0.25 Mn 0.75 O δ , Ni 0.25 Mn 0.75 CO 3 , or Ni 0.25 Mn 0.75 (OH) 2 cathode active materials, Na 2 CO 3 , and Li 2 CO 3 are used as starting compounds. was used as Materials in appropriate molar ratios were pulverized together, heat treated first at 500° C. for 8 hours in air and then finally at 800° C. for 8 hours in air and cooled in a furnace.

종래의 방법을 이용한 전극 제조의 경우, 알루미늄 호일 시트를 캐소드 혼합물의 N-메틸피롤리디논(NMP) 슬러리로 코팅하였다. 전극 혼합물은 82 wt%의 활성 산화물 물질, 8 wt%의 전도성 카본 블랙(Timcal Super-P), 및 10 wt%의 PVDF 바인더(Kynar)로 구성된다. 캐스팅 후, 전극을 처음에 70℃에서 2시간 동안 건조시킨 후, 80℃에서 적어도 6시간 동안 동적 진공 건조시켰다. 헥산을 사용해 오일을 모두 닦아낸 나트륨 덩어리(Aldrich, 99%)로부터 나트륨 금속 호일을 절단하고, 압연하고 펀칭하였다. 본 발명의 슬러리를 제조하기 위해, NMP를 액체 전해질(1 M의 NaClO4를 함유한 프로필렌 카보네이트)로 대체하였다. 이러한 슬러리를 캐소드 집전체의 세공에 직접 함침시켰다.For electrode fabrication using a conventional method, a sheet of aluminum foil was coated with an N-methylpyrrolidinone (NMP) slurry of the cathode mixture. The electrode mixture was composed of 82 wt% active oxide material, 8 wt% conductive carbon black (Timcal Super-P), and 10 wt% PVDF binder (Kynar). After casting, the electrodes were first dried at 70° C. for 2 hours and then dynamized vacuum dried at 80° C. for at least 6 hours. Sodium metal foil was cut, rolled and punched from a sodium block (Aldrich, 99%) that had been cleaned of all oil with hexane. To prepare the slurry of the present invention, NMP was replaced with a liquid electrolyte (propylene carbonate with 1 M NaClO 4 ). This slurry was directly impregnated into the pores of the cathode current collector.

이어서, 본 발명의 방법과 슬러리 코팅, 건조 및 층 라미네이팅의 종래의 방법을 모두 사용하여, Na1.0Li0.2Ni0.25Mn0.75Oδ 분말(전도성 첨가제로서 카본 블랙 분말을 함유함) 및 그래핀-지지 Na1.0Li0.2Ni0.25Mn0.75Oδ 분말을 모두 개별적으로, 액체 전해질과 함께 전지에 통합하였다.Then, Na 1.0 Li 0.2 Ni 0.25 Mn 0.75 O δ powder (containing carbon black powder as conductive additive) and graphene-supported The Na 1.0 Li 0.2 Ni 0.25 Mn 0.75 O δ powders were all individually and incorporated into the cell together with the liquid electrolyte.

전해질은 1 M의 NaClO4 전해질 염(Aldrich, 99%)을 함유한 프로필렌 카보네이트였다. 파우치 셀을 Na/Na+ 대비 4.2 V의 컷오프로 정전류 사이클링(15 mA/g)한 후, 다양한 전류율로 2.0 V의 컷오프 전압까지 방전시켰다.The electrolyte was propylene carbonate with 1 M NaClO 4 electrolyte salt (Aldrich, 99%). The pouch cell was constant current cycled (15 mA/g) with a cutoff of 4.2 V versus Na/Na + and then discharged at various current rates to a cutoff voltage of 2.0 V.

제조된 모든 전지 셀에서, 전하 저장 용량을 주기적으로 측정하고 사이클 수의 함수로서 기록하였다. 본원에서 언급되는 비방전 용량은 복합 캐소드의 단위 질량(캐소드 활물질, 전도성 첨가제 또는 지지체, 바인더, 및 임의의 선택적 첨가제의 합한 중량을 포함하지만 집전체는 제외)당 방전 중에 캐소드에 삽입되는 총 전하이다. 비충전 용량은 복합 캐소드의 단위 질량당 전하의 양을 의미한다. 이 절에서 나타낸 비에너지 및 비전력 값은 모든 파우치 셀에 대해 전체 셀 중량 기준이다. 원하는 횟수의 반복된 충전 및 재충전 사이클 후 선택된 샘플의 형태학적 변화 또는 미세구조의 변화는 투과전자현미경(TEM) 및 주사전자현미경(SEM)을 모두 이용해 관찰되었다.In all battery cells manufactured, the charge storage capacity was measured periodically and reported as a function of cycle number. Specific discharge capacity, as referred to herein, is the total charge inserted into the cathode during discharge per unit mass of the composite cathode (including the combined weight of the cathode active material, conductive additives or supports, binders, and any optional additives, but excluding the current collector). Specific charge capacity means the amount of charge per unit mass of the composite cathode. The specific energy and specific power values presented in this section are based on whole cell weight for all pouch cells. After a desired number of repeated charging and recharging cycles, morphological or microstructural changes of selected samples were observed using both transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM).

실시예 11: Na3V2(PO4)3/C 및 Na3V2(PO4)3/그래핀 캐소드 Example 11 : Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 /C and Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 /graphene cathode

다음 절차에 따라 고상 반응에 의해 Na3V2(PO4)3/C 샘플을 합성하였다: NaH2PO4ㆍ2H2O(99.9%, Alpha) 및 V2O3(99.9%, Alpha) 분말의 화학양론적 혼합물을 전구체로서 마노 병에 넣은 다음, 전구체를 스테인리스강 용기에서 400 rpm으로 8시간 동안 유성 볼밀에서 볼밀 처리하였다. 볼밀 중에, 탄소 코팅 샘플의 경우, 탄소 전구체 및 환원제로서 당(99.9%, Alpha)도 첨가하였다(이는 V3+의 산화를 방지함). 볼밀 후, 혼합물을 펠릿으로 압축한 후 Ar 분위기 하에 24시간 동안 900℃에서 가열하였다. 별도로, Na3V2(PO4)3/그래핀 캐소드를 유사한 방식으로(단, 당을 그래핀 산화물로 대체하여) 제조하였다.Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 /C samples were synthesized by solid phase reaction according to the following procedure: NaH 2 PO 4 2H 2 O (99.9%, Alpha) and V 2 O 3 (99.9%, Alpha) powders. A stoichiometric mixture of was put into an agate bottle as a precursor, then the precursor was ball milled in a planetary ball mill at 400 rpm for 8 hours in a stainless steel vessel. During the ball mill, for carbon coated samples, sugar (99.9%, Alpha) was also added as carbon precursor and reducing agent (this prevents oxidation of V 3+ ). After ball milling, the mixture was compressed into pellets and then heated at 900° C. for 24 hours under an Ar atmosphere. Separately, a Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 /graphene cathode was prepared in a similar manner (but replacing the sugar with graphene oxide).

전해질로서 PC+DOL 중 1~7.5 M의 NaPF6 염을 함유한 여러 Na 금속 셀에서 이 캐소드 활물질을 사용하였다. 종래의 NMP 슬러리 코팅 공정 및 본 발명 방법 모두에 따라 Na 금속 셀을 제조하였다.This cathode active material was used in several Na metal cells containing 1–7.5 M NaPF 6 salt in PC+DOL as electrolyte. Na metal cells were prepared according to both the conventional NMP slurry coating process and the method of the present invention.

실시예 12: 리튬 금속 전지의 캐소드 활물질로서의 유기 물질(Li2C6O6) Example 12 : Organic Material as Cathode Active Material of Lithium Metal Battery (Li 2 C 6 O 6 )

로디존산 디리튬(Li2C6O6)을 합성하기 위해, 전구체로서 로디존산 이수화물(하기 반응식에서 종 1)을 사용했다. 엔디오산의 두 기능을 모두 중화시키기 위해 수성 매질에서 염기성 리튬염인 Li2CO3가 사용될 수 있다. 두 반응물 로디존산과 탄산리튬 모두의 정확한 화학양론적 양을 10시간 동안 반응시켜 90%의 수율을 달성하였다. 로디존산 디리튬(종 2)은 소량의 물에서도 쉽게 용해되었는데, 이는 종 2에 물 분자가 존재함을 의미한다. 진공 하에 180℃에서 3시간 동안 물을 제거하여 무수물 형태(종 3)를 얻었다.To synthesize dilithium rhodizonate (Li 2 C 6 O 6 ), rhodizonate dihydrate (species 1 in the reaction scheme below) was used as a precursor. A basic lithium salt, Li 2 CO 3 , in an aqueous medium can be used to neutralize both functions of endoacid. Accurate stoichiometric amounts of both reactants rhodizoic acid and lithium carbonate were reacted for 10 hours to achieve a yield of 90%. Dilithium rhodizonate (species 2) was readily soluble even in small amounts of water, indicating the presence of water molecules in species 2. Water was removed under vacuum at 180° C. for 3 h to give the anhydrous form (species 3).

캐소드 활물질(Li2C6O6)과 전도성 첨가제(카본 블랙, 15%)의 혼합물을 10분 동안 볼밀 처리하고, 생성된 배합물을 분쇄하여 복합 입자를 생성하였다. 전해질은 PC-EC 중의 1 M의 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)였다.A mixture of the cathode active material (Li 2 C 6 O 6 ) and the conductive additive (carbon black, 15%) was ball-milled for 10 minutes, and the resulting blend was pulverized to produce composite particles. The electrolyte was 1 M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in PC-EC.

화학식 Li2C6O6에서 2개의 Li 원자는 고정된 구조의 일부이고 가역적인 리튬 이온 저장 및 방출에 참여하지 않음을 주목할 수 있다. 이는 리튬 이온이 애노드 측으로부터 제공되어야 함을 의미한다. 따라서, 애노드에 리튬 공급원(예를 들어, 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금)이 있어야 한다. 애노드 집전체(그래핀 에어로졸 형태 로드)는 (예를 들어, 스퍼터링 또는 전기화학 도금을 통해) 리튬의 층으로 증착된다. 이는 리튬 코팅층(또는 단순히 리튬 로드), 다공질 세퍼레이터, 및 함침된 캐소드층을 케이싱 외장으로 조립하기 전에 수행될 수 있다. 비교를 위해, 슬러리 코팅, 건조, 라미네이팅, 패키징, 및 전해질 주입의 종래의 방법에 의해 상응하는 종래의 Li 금속 셀을 또한 제작하였다.It can be noted that the two Li atoms in the formula Li 2 C 6 O 6 are part of a fixed structure and do not participate in reversible lithium ion storage and release. This means that lithium ions must be provided from the anode side. Therefore, there must be a lithium source (eg, lithium metal or lithium metal alloy) in the anode. An anode current collector (graphene aerosol form rod) is deposited with a layer of lithium (eg via sputtering or electrochemical plating). This may be done prior to assembling the lithium coating layer (or simply lithium rod), porous separator, and impregnated cathode layer into the casing enclosure. For comparison, a corresponding conventional Li metal cell was also fabricated by conventional methods of slurry coating, drying, laminating, packaging, and electrolyte injection.

실시예 13: 나트륨 금속 전지의 캐소드 활물질로서의 유기 물질(Na2C6O6) Example 13 : Organic Material (Na 2 C 6 O 6 ) as Cathode Active Material of Sodium Metal Battery

로디존산 이나트륨(Na2C6O6)을 합성하기 위해, 전구체로서 로디존산 이수화물(하기 반응식에서 종 1)을 사용했다. 엔디오산의 두 기능을 모두 중화시키기 위해 수성 매질에서 염기성 나트륨염인 Na2CO3가 사용될 수 있다. 두 반응물 로디존산과 탄산나트륨 모두의 정확한 화학양론적 양을 10시간 동안 반응시켜 80%의 수율을 달성하였다. 로디존산 이나트륨(종 2)은 소량의 물에서도 쉽게 용해되었는데, 이는 종 2에 물 분자가 존재함을 의미한다. 진공 하에 180℃에서 3시간 동안 물을 제거하여 무수물 형태(종 3)를 얻었다.To synthesize disodium rhodizonic acid (Na 2 C 6 O 6 ), rhodizonic acid dihydrate (species 1 in the reaction scheme below) was used as a precursor. A basic sodium salt, Na 2 CO 3 , in an aqueous medium can be used to neutralize both functions of endioic acid. Accurate stoichiometric amounts of both reactants rhodizoic acid and sodium carbonate were reacted for 10 hours to achieve a yield of 80%. Disodium rhodizonate (species 2) was readily soluble even in small amounts of water, indicating the presence of water molecules in species 2. Water was removed under vacuum at 180° C. for 3 h to give the anhydrous form (species 3).

캐소드 활물질(Na2C6O6)과 전도성 첨가제(카본 블랙, 15%)의 혼합물을 10분 동안 볼밀 처리하고, 생성된 배합물을 분쇄하여 복합 입자를 생성하였다. 전해질은 PC-EC 중의 1 M의 나트륨 헥사플루오로포스페이트(NaPF6)였다.A mixture of the cathode active material (Na 2 C 6 O 6 ) and the conductive additive (carbon black, 15%) was ball-milled for 10 minutes, and the resulting mixture was pulverized to produce composite particles. The electrolyte was 1 M sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ) in PC-EC.

화학식 Na2C6O6에서 2개의 Na 원자는 고정된 구조의 일부이고 가역적인 리튬 이온 저장 및 방출에 참여하지 않는다. 나트륨 이온은 애노드 측으로부터 제공되어야 한다. 따라서, 애노드에 나트륨 공급원(예를 들어, 나트륨 금속 또는 나트륨 금속 합금)이 있어야 한다. 애노드 집전체(탄소 발포체 로드 또는 얇은 Cu 와이어)는 (예를 들어, 전기화학 도금을 통해) 나트륨의 층으로 증착된다. 이는 나트륨 코팅층 또는 단순히 나트륨 로드, 다공질 세퍼레이터, 및 캐소드 활물질/전해질-함침 발포체를 케이블로 조립하기 전에 수행될 수 있다. 캐소드 집전체의 세공을 액체 전해질에 분산된 캐소드 활물질과 전도성 첨가제(Na2C6O6/C 복합 입자)의 현탁액으로 미리 침윤시켰다. 비교를 위해, 슬러리 코팅, 건조, 라미네이팅, 패키징, 및 전해질 주입의 종래의 방법에 의해 상응하는 종래의 Na 금속 셀을 또한 제작하였다.The two Na atoms in the formula Na 2 C 6 O 6 are part of the fixed structure and do not participate in the reversible lithium ion storage and release. Sodium ions must be provided from the anode side. Therefore, there must be a sodium source (eg sodium metal or sodium metal alloy) at the anode. The anode current collector (carbon foam rod or thin Cu wire) is deposited with a layer of sodium (eg via electrochemical plating). This can be done prior to assembling the sodium coating layer or simply the sodium rod, porous separator, and cathode active material/electrolyte-impregnated foam into the cable. The pores of the cathode current collector were previously impregnated with a suspension of the cathode active material and conductive additive (Na 2 C 6 O 6 /C composite particles) dispersed in a liquid electrolyte. For comparison, a corresponding conventional Na metal cell was also fabricated by conventional methods of slurry coating, drying, laminating, packaging, and electrolyte injection.

실시예 14: 리튬 금속 전지의 금속 나프탈로시아닌-RGO 하이브리드 캐소드 Example 14 : Metal Naphthalocyanine-RGO Hybrid Cathode of Lithium Metal Battery

RGO-물 현탁액의 스핀 코팅으로부터 제조된 그래핀 필름(5 nm)과 함께 챔버에서 CuPc를 기화시켜 CuPc-코팅 그래핀 시트를 얻었다. 생성된 코팅 필름을 절단하고 밀링하여 CuPc-코팅 그래핀 시트를 제조하고, 이를 리튬 금속 전지의 캐소드 활물질로 사용하였다. 이 전지는 애노드 활물질로서의 리튬 금속 로드 및 전해질로서의 프로필렌 카보네이트(PC) 중 1~3.7 M의 LiClO4를 갖는다.CuPc-coated graphene sheets were obtained by vaporizing CuPc in a chamber together with a graphene film (5 nm) prepared from spin-coating of an RGO-water suspension. The resulting coating film was cut and milled to prepare a CuPc-coated graphene sheet, which was used as a cathode active material for a lithium metal battery. This cell has a lithium metal rod as the anode active material and 1-3.7 M LiClO 4 in propylene carbonate (PC) as the electrolyte.

실시예 15: 리튬 금속 전지의 캐소드 활물질로서 MoS2/RGO 하이브리드 물질의 제조 Example 15 : Preparation of MoS 2 /RGO Hybrid Material as Cathode Active Material for Lithium Metal Battery

본 실시예에서는 다양한 무기 물질을 조사했다. 예를 들어, 산화된 그래핀 산화물(GO)의 N,N-디메틸포름아미드(DMF) 용액 내 (NH4)2MoS4와 히드라진의 200℃에서의 단일 단계 용매열합성 반응에 의해 초박형 MoS2/RGO 하이브리드를 합성하였다. 일반적인 절차에서, 10 ml의 DMF에 분산된 10 mg의 GO에 22 mg의 (NH4)2MoS4를 첨가하였다. 투명하고 균질한 용액이 얻어질 때까지 혼합물을 실온에서 약 10분 동안 초음파 처리하였다. 그 후, 0.1 ml의 N2H4ㆍH2O를 첨가하였다. 반응 용액을 40 mL의 테프론-라이닝 오토클레이브로 옮기기 전에 30분 동안 추가로 초음파 처리하였다. 이 시스템을 200℃의 오븐에서 10시간 동안 가열하였다. 생성물을 8000 rpm으로 5분 동안 원심분리하여 회수하고, 탈이온수로 세척하고 원심분리로 다시 회수하였다. 세척 단계는 대부분의 DMF가 확실히 제거되도록 적어도 5회 반복하였다. 마지막으로, 생성물을 건조시키고, 액체 전해질과 혼합하여 함침을 위한 활성 캐소드 혼합물 슬러리를 제조하였다.In this example, various inorganic materials were investigated. For example, ultra-thin MoS 2 was obtained by single-step solvothermal synthesis of (NH 4 ) 2 MoS 4 and hydrazine at 200 °C in a N , N -dimethylformamide (DMF) solution of oxidized graphene oxide (GO). /RGO hybrid was synthesized. In a general procedure, 22 mg of (NH 4 ) 2 MoS 4 was added to 10 mg of GO dispersed in 10 ml of DMF. The mixture was sonicated for about 10 minutes at room temperature until a clear and homogeneous solution was obtained. Then, 0.1 ml of N 2 H 4 .H 2 O was added. The reaction solution was further sonicated for 30 minutes before being transferred to a 40 mL Teflon-lined autoclave. The system was heated in an oven at 200° C. for 10 hours. The product was recovered by centrifugation at 8000 rpm for 5 minutes, washed with deionized water and recovered again by centrifugation. The washing step was repeated at least 5 times to ensure most of the DMF was removed. Finally, the product was dried and mixed with a liquid electrolyte to prepare an active cathode mixture slurry for impregnation.

실시예 16: 2차원(2D) 층상 Bi2Se3 칼코겐화물 나노리본의 제조 Example 16 : Preparation of two-dimensional (2D) layered Bi 2 Se 3 chalcogenide nanoribbons

(2D) 층상 Bi2Se3 칼코겐화물 나노리본의 제조는 당업계에 잘 알려져 있다. 예를 들어, 증기-액체-고체(VLS) 방법을 이용해 Bi2Se3 나노리본을 성장시켰다. 본원에서 제조된 나노리본은 평균적으로, 두께가 30~55 nm이고 폭과 길이가 수백 나노미터 내지 수 마이크로미터 범위이다. 더 큰 나노리본은 횡 방향 치수(길이 및 폭)를 200 nm 미만으로 감소시키기 위해 볼밀 처리를 하였다. (그래핀 시트 또는 박리 흑연 플레이크의 존재 하에 또는 부재 하에) 이러한 방법에 의해 제조된 나노리본을 리튬 금속 전지의 캐소드 활물질로 사용하였다.(2D) Preparation of layered Bi 2 Se 3 chalcogenide nanoribbons is well known in the art. For example, Bi 2 Se 3 nanoribbons were grown using a vapor-liquid-solid (VLS) method. On average, the nanoribbons prepared herein have a thickness of 30 to 55 nm and a width and length ranging from hundreds of nanometers to several micrometers. The larger nanoribbons were ball milled to reduce the transverse dimensions (length and width) to less than 200 nm. The nanoribbons prepared by this method (with or without graphene sheets or exfoliated graphite flakes) were used as cathode active materials in lithium metal batteries.

실시예 17: 그래핀-지지 MnO2 캐소드 활물질의 제조 Example 17 : Preparation of graphene-supported MnO 2 cathode active material

두 가지 방법으로 (각각 그래핀 시트의 존재 하에 또는 부재 하에) MnO2 분말을 합성하였다. 하나의 방법에서, 탈이온수에 과망간산칼륨을 용해시켜 0.1 mol/L의 KMnO4 수용액을 제조하였다. 한편, 고순도 나트륨 비스(2-에틸헥실) 설포숙시네이트 계면활성제 13.32 g을 300 mL의 이소옥탄(오일)에 첨가하고 잘 교반하여 광학적으로 투명한 용액을 얻었다. 이어서, 이 용액에 0.1 mol/L의 KMnO4 용액 32.4 mL와 선택된 양의 GO 용액을 첨가하고, 30분 동안 초음파 처리하여 진한 갈색 침전물을 제조하였다. 생성물을 분리하고, 증류수와 에탄올로 수회 세척하고, 80℃에서 12시간 동안 건조시켰다. 샘플은 분말 형태의 그래핀-지지 MnO2이고, 이를 액체 전해질에 혼합하여 캐소드 활물질 혼합물 슬러리를 형성하였다.MnO 2 powder was synthesized in two ways (with or without graphene sheets, respectively). In one method, a 0.1 mol/L KMnO 4 aqueous solution was prepared by dissolving potassium permanganate in deionized water. Meanwhile, 13.32 g of high-purity sodium bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate surfactant was added to 300 mL of isooctane (oil) and stirred well to obtain an optically clear solution. Then, 32.4 mL of a 0.1 mol/L KMnO 4 solution and a selected amount of GO solution were added to this solution and sonicated for 30 minutes to produce a dark brown precipitate. The product was isolated, washed several times with distilled water and ethanol, and dried at 80° C. for 12 hours. The sample was graphene-supported MnO 2 in powder form, which was mixed with a liquid electrolyte to form a cathode active material mixture slurry.

실시예 18: 리튬-이온 전지의 애노드 활물질로서의 TEOS로부터 제작된 그래핀-강화 나노 규소 Example 18 : Graphene-reinforced nano-silicon fabricated from TEOS as an anode active material for lithium-ion batteries

실험에서, 1 wt%의 N002-PS (GO-물 현탁액)를 탈이온수에 의해 0.2 wt%의 N002-PS로 희석하였다. 희석된 PS 용액을 초음파 세척기에 넣고 30분 동안 초음파 처리하였다. 이후, PS 용액을 교반하면서 용액에 TEOS (0.2 wt% N002-PS : TEOS =5:2)를 서서히 첨가하였다. 이어서, 교반을 24시간 동안 유지하여 TEOS의 완전한 가수분해를 얻었다. 이후, 겔 상태에 도달할 때까지(본원에서 TP겔이라 함) 10% NH3ㆍH2O를 용액에 적가하였다. TP겔을 작은 입자로 분쇄하고, 120℃에서 2시간, 150℃에서 4시간 동안 오븐 건조시켰다. 건조된 TP 입자를 Mg와 10:7의 비로 혼합하였다. 20배 정도 많은 양의 7 mm SS 볼을 밀링 챔버에 추가하고, 샘플을 아르곤 보호 하에 볼밀 처리하였다. 회전 속도를 250 rpm까지 점차적으로 증가시켰다. TPM 분말 샘플을 니켈 도가니에 넣고 680℃에서 열처리하였다. 약간의 양의 2 M HCl 용액도 준비하였다. 이어서, 열처리된 TPM 분말을 산성 용액에 서서히 첨가하였다. 반응을 2~24시간 동안 유지한 후, 탁한 액체를 초음파 세척기에 넣고 1시간 동안 초음파 처리하였다. 현탁액을 여과 시스템에 부어내고, 바닥의 큰 입자를 버렸다. 샘플을 탈이온수로 3회 세정하였다. 생성된 황색 페이스트를 건조시키고 블렌더를 이용해 분말로 분쇄하였다. 제조된 상태의 나노입자 샘플은 상이한 그래핀 함량으로 인해 30 m2/g 내지 200 m2/g 범위의 비표면적(SSA) 값을 나타낸다.In the experiment, 1 wt% of N002-PS (GO-water suspension) was diluted to 0.2 wt% of N002-PS by deionized water. The diluted PS solution was placed in an ultrasonic cleaner and sonicated for 30 minutes. Thereafter, TEOS (0.2 wt% N002-PS : TEOS = 5:2) was slowly added to the solution while stirring the PS solution. Stirring was then maintained for 24 hours to obtain complete hydrolysis of TEOS. Then, 10% NH 3 •H 2 O was added dropwise to the solution until it reached a gel state (herein referred to as TP gel). The TP gel was ground into small particles and oven dried at 120°C for 2 hours and 150°C for 4 hours. Dried TP particles were mixed with Mg in a ratio of 10:7. Twenty times as many 7 mm SS balls were added to the milling chamber and the samples were ball milled under argon protection. The rotational speed was gradually increased to 250 rpm. A TPM powder sample was placed in a nickel crucible and heat treated at 680 °C. A small amount of 2 M HCl solution was also prepared. Then, the heat-treated TPM powder was slowly added to the acidic solution. After maintaining the reaction for 2 to 24 hours, the turbid liquid was put into an ultrasonic cleaner and sonicated for 1 hour. The suspension was poured into a filtration system and large particles at the bottom were discarded. The sample was washed 3 times with deionized water. The resulting yellow paste was dried and ground into a powder using a blender. As-prepared nanoparticle samples exhibit specific surface area (SSA) values ranging from 30 m 2 /g to 200 m 2 /g due to different graphene contents.

이어서, 건조된 TPM 입자 샘플을 머플로에 넣고 400℃~600℃에서 2시간 동안 공기 퍼징 하에 하소시켜 나노복합체로부터 탄소 함량을 제거하여, 그래핀 비함유 황색 규소 나노분말을 제조하였다. Si 나노분말 및 그래핀으로 싸인 Si 나노 입자 모두를 고용량 애노드 활물질로 사용하였다.Subsequently, the dried TPM particle sample was placed in a muffle furnace and calcined at 400° C. to 600° C. for 2 hours under air purging to remove the carbon content from the nanocomposite, thereby preparing graphene-free yellow silicon nanopowder. Both Si nanopowder and graphene-encased Si nanoparticles were used as high-capacity anode active materials.

실시예 19: 애노드 활물질로서의 코발트 산화물(Co3O4) 미립자 Example 19 Cobalt Oxide (Co 3 O 4 ) Fine Particles as Anode Active Material

LiCoO2의 전기화학 전위는 Li/Li+에 대해 약 +4.0 볼트이고 Co3O4의 전기화학 전위는 Li/Li+에 대해 약 +0.8 볼트이므로, LiCoO2는 캐소드 활물질이지만, Co3O4는 리튬-이온 전지의 애노드 활물질이다.Since the electrochemical potential of LiCoO 2 is about +4.0 volts versus Li/Li + and that of Co 3 O 4 is about +0.8 volts versus Li/Li + , LiCoO 2 is a cathode active material, but Co 3 O 4 is an anode active material of a lithium-ion battery.

적절한 양의 무기염 Co(NO3)2·6H2O 및, 이어서 암모니아 용액(NH3 ·H2O, 25 wt%)을 GO 현탁액에 서서히 첨가하였다. 생성된 전구체 현탁액을 아르곤 흐름 하에 수 시간 동안 교반하여 완전한 반응을 보장하였다. 얻어진 Co(OH)2/그래핀 전구체 현탁액을 2개의 부분으로 나누었다. 하나의 부분을 여과하고 70℃에서 진공 하에 건조시켜 Co(OH)2/그래핀 복합 전구체를 얻었다. 이 전구체를 공기 중 450℃에서 2시간 동안 하소시켜, 서로 중첩하는 Co3O4-코팅 그래핀 시트를 갖는 것을 특징으로 하는 층상 Co3O4/그래핀 복합체를 형성하였다. 이들 Co3O4-코팅 그래핀 시트는 또 다른 고용량 애노드 활물질이다.An appropriate amount of the inorganic salt Co(NO 3 ) 2 6H 2 O and then an ammonia solution (NH 3 .H 2 O, 25 wt%) were slowly added to the GO suspension. The resulting precursor suspension was stirred under a flow of argon for several hours to ensure complete reaction. The obtained Co(OH) 2 /graphene precursor suspension was divided into two parts. One portion was filtered and dried under vacuum at 70° C. to obtain a Co(OH) 2 /graphene composite precursor. This precursor was calcined at 450° C. in air for 2 hours to form a layered Co 3 O 4 /graphene composite characterized by having Co 3 O 4 -coated graphene sheets overlapping each other. These Co 3 O 4 -coated graphene sheets are another high capacity anode active material.

실시예 20: 애노드 활물질로서의 그래핀-강화 주석 산화물 미립자 Example 20 : Graphene-reinforced tin oxide fine particles as anode active material

다음 절차를 이용해 NaOH에 의한 SnCl4·5H2O의 제어된 가수분해에 의해 애노드 활물질로서의 주석 산화물(SnO2) 나노입자를 얻었다: SnCl4·5H2O (0.95 g, 2.7 m-mol) 및 NaOH (0.212 g, 5.3 m-mol)를 50 mL의 증류수에 각각 용해시켰다. 격렬한 교반 하에 NaOH 용액을 염화주석 용액에 1 mL/분의 속도로 적가하였다. 이 용액을 5분 동안 초음파 처리하여 균질화시켰다. 이후, 생성된 하이드로졸을 GO 분산액과 3시간 동안 반응시켰다. 이 혼합 용액에 0.1 M H2SO4 몇 방울을 첨가하여 생성물을 응집시켰다. 침전된 고체를 원심분리하여 회수하고, 물과 에탄올로 세척하고, 진공에서 건조시켰다. 건조된 생성물을 Ar 분위기 하에 400℃에서 2시간 동안 열처리하였다.Tin oxide (SnO 2 ) nanoparticles as the anode active material were obtained by controlled hydrolysis of SnCl 4 5H 2 O with NaOH using the following procedure: SnCl 4 5H 2 O (0.95 g, 2.7 m-mol) and NaOH (0.212 g, 5.3 m-mol) was each dissolved in 50 mL of distilled water. The NaOH solution was added dropwise to the tin chloride solution at a rate of 1 mL/min under vigorous stirring. The solution was homogenized by sonicating for 5 minutes. Then, the resulting hydrosol was reacted with the GO dispersion for 3 hours. A few drops of 0.1 MH 2 SO 4 were added to the mixed solution to agglomerate the product. The precipitated solid was collected by centrifugation, washed with water and ethanol, and dried in vacuo. The dried product was heat treated at 400° C. for 2 hours under an Ar atmosphere.

실시예 21: 그래핀-지지 MnO2 및 NaMnO2 캐소드 활물질의 제조 Example 21 : Preparation of graphene-supported MnO 2 and NaMnO 2 cathode active materials

두 가지 방법으로 (각각 그래핀 시트의 존재 하에 또는 부재 하에) MnO2 분말을 합성하였다. 하나의 방법에서, 탈이온수에 과망간산칼륨을 용해시켜 0.1 mol/L의 KMnO4 수용액을 제조하였다. 한편, 고순도 나트륨 비스(2-에틸헥실) 설포숙시네이트 계면활성제 13.32 g을 300 mL의 이소옥탄(오일)에 첨가하고 잘 교반하여 광학적으로 투명한 용액을 얻었다. 이어서, 이 용액에 0.1 mol/L의 KMnO4 용액 32.4 mL와 선택된 양의 GO 용액을 첨가하고, 30분 동안 초음파 처리하여 진한 갈색 침전물을 제조하였다. 생성물을 분리하고, 증류수와 에탄올로 수회 세척하고, 80℃에서 12시간 동안 건조시켰다. 샘플은 분말 형태의 그래핀-지지 MnO2이고, 이를 액체 전해질에 분산시켜 슬러리를 형성하고 발포 집전체의 세공에 함침시켰다.MnO 2 powder was synthesized in two ways (with or without graphene sheets, respectively). In one method, a 0.1 mol/L KMnO 4 aqueous solution was prepared by dissolving potassium permanganate in deionized water. Meanwhile, 13.32 g of high-purity sodium bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate surfactant was added to 300 mL of isooctane (oil) and stirred well to obtain an optically clear solution. Then, 32.4 mL of a 0.1 mol/L KMnO 4 solution and a selected amount of GO solution were added to this solution and sonicated for 30 minutes to produce a dark brown precipitate. The product was isolated, washed several times with distilled water and ethanol, and dried at 80° C. for 12 hours. The sample was graphene-supported MnO 2 in powder form, which was dispersed in a liquid electrolyte to form a slurry and impregnated into pores of a foam current collector.

또한, 그래핀 시트와 함께 또는 그래핀 시트 없이, Na2CO3와 MnO2의 혼합물(1:2의 몰비)을 12시간 동안 볼밀 처리하여 NaMnO2 및 NaMnO2/그래핀 복합체를 합성한 후 870℃에서 10시간 동안 가열하였다.In addition, NaMnO 2 and NaMnO 2 /graphene composites were synthesized by ball milling a mixture of Na 2 CO 3 and MnO 2 (molar ratio of 1:2) with or without graphene sheets for 12 hours, and then at 870 It was heated at °C for 10 hours.

실시예 22: 칼륨 금속 셀용 전극의 제조 Example 22: Preparation of Electrode for Potassium Metal Cell

Angstron Materials, Inc.(오하이오주, 데이턴)에서 공급된 PVDF-결합 환원 그래핀 산화물(RGO) 시트의 층을 캐소드 활물질로 사용한 한편, 칼륨-코팅 그래핀 필름의 시트를 애노드 활물질로 사용했다. 사용된 전해질은 프로필렌 카보네이트와 DOL의 혼합물(1/1 비율)에 용해된 1 M의 KClO4 염이었다. 상이한 방전율에 해당하는 여러 전류 밀도(50 mA/g 내지 50 A/g)에서 충방전 곡선을 얻었고, 결과적인 에너지 밀도 및 전력 밀도 데이터를 측정하고 계산하였다.A layer of PVDF-bonded reduced graphene oxide (RGO) sheet supplied by Angstron Materials, Inc. (Dayton, Ohio) was used as the cathode active material, while a sheet of potassium-coated graphene film was used as the anode active material. The electrolyte used was 1 M KClO 4 salt dissolved in a mixture of propylene carbonate and DOL (1/1 ratio). Charge/discharge curves were obtained at different current densities (50 mA/g to 50 A/g) corresponding to different discharge rates, and the resulting energy density and power density data were measured and calculated.

실시예 23: 다양한 알칼리 금속 전지 셀의 제조 및 전기화학 시험 Example 23 : Preparation and electrochemical testing of various alkali metal battery cells

조사된 대부분의 애노드 및 캐소드 활물질에 대해, 본 발명의 방법과 종래의 방법을 모두 사용하여 알칼리 금속-이온 셀 또는 알칼리 금속 셀을 제조하였다.For most of the anode and cathode active materials investigated, alkali metal-ion cells or alkali metal cells were fabricated using both the present and conventional methods.

종래의 방법에 있어서, 통상의 애노드 조성물은 N-메틸-2-피롤리디논(NMP)에 용해된 85 wt% 활물질(예를 들어, Si- 또는 Co3O4-코팅 그래핀 시트), 7 wt% 아세틸렌 블랙(Super-P), 및 8 wt% 폴리비닐리덴 플루오라이드 바인더(PVDF, 5 wt% 고체 함량)를 포함한다. Cu 호일 상에 슬러리를 코팅한 후, 전극을 진공 하에 120℃에서 2시간 동안 건조시켜 용매를 제거하였다. 본 발명에서는, 일반적으로 바인더 수지가 필요 없거나 사용되지 않아, 8 중량%가 절감된다(비활성 물질의 양 감소). 종래의 슬러리 코팅 및 건조 방법을 이용해 (캐소드 집전체로서 Al 호일을 사용하여) 유사한 방식으로 캐소드층을 제조한다. 이어서, 애노드층, 세퍼레이터층(예를 들어, Celgard 2400 멤브레인), 및 캐소드층을 함께 라미네이팅하고 플라스틱-Al 외장 내에 수용한다. 이어서, 에틸렌 카보네이트(EC)와 디에틸 카보네이트(DEC)의 혼합물(EC-DEC, 1:1 v/v)에 용해된 1M LiPF6 전해질 용액을 셀에 주입한다. 일부 셀에서, 이온성 액체를 액체 전해질로 사용하였다. 셀 조립체는 아르곤 충전된 글러브 박스에서 제조하였다.In a conventional method, a typical anode composition contains 85 wt % active material (eg, Si- or Co 3 O 4 -coated graphene sheet) dissolved in N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), 7 wt% acetylene black (Super-P), and 8 wt% polyvinylidene fluoride binder (PVDF, 5 wt% solids content). After coating the slurry on the Cu foil, the electrode was dried at 120° C. for 2 hours under vacuum to remove the solvent. In the present invention, generally no binder resin is required or used, saving 8% by weight (reduced amount of inactive material). A cathode layer was prepared in a similar manner (using an Al foil as a cathode current collector) using a conventional slurry coating and drying method. The anode layer, separator layer (eg Celgard 2400 membrane), and cathode layer are then laminated together and housed within a plastic-Al enclosure. Then, a 1M LiPF 6 electrolyte solution dissolved in a mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (EC-DEC, 1:1 v/v) is injected into the cell. In some cells, ionic liquids have been used as liquid electrolytes. Cell assemblies were prepared in an argon-filled glove box.

아빈(Arbin) 전기화학 워크스테이션을 사용하여 1 mV/초의 통상적인 스캐닝 속도로 순환 전압전류(cyclic voltammetry)(CV) 측정을 수행하였다. 또한, 50 mA/g 내지 10 A/g의 전류 밀도로 정전류(galvanostatic) 충방전 사이클링에 의해 다양한 셀의 전기화학 성능도 평가하였다. 장기간 사이클링 시험의 경우, LAND에서 제조한 멀티-채널 전지 테스터를 사용하였다.Cyclic voltammetry (CV) measurements were performed using an Arbin electrochemical workstation at a typical scanning rate of 1 mV/sec. In addition, the electrochemical performance of the various cells was evaluated by galvanostatic charge/discharge cycling at current densities of 50 mA/g to 10 A/g. For long-term cycling tests, a multi-channel battery tester manufactured by LAND was used.

리튬-이온 전지 산업에서, 필요한 전기화학적 형성 후 측정할 때 초기 용량을 기준으로 전지에서 20%의 용량 감소가 나타나는 충방전 사이클의 횟수로 전지의 사이클 수명을 정의하는 것이 일반적이다.In the lithium-ion battery industry, it is common to define the cycle life of a battery as the number of charge/discharge cycles that result in a 20% reduction in capacity in the battery from its initial capacity when measured after the required electrochemical formation.

실시예 24: 리튬 셀에 대한 대표적 시험 결과 Example 24 : Representative test results for lithium cells

각각의 샘플에 대해, 여러 전류 밀도(충방전율을 나타냄)를 인가하여 전기화학적 응답을 측정함으로써, 라곤 도표(전력 밀도 대 에너지 밀도)를 구성하는 데 필요한 에너지 밀도 및 전력 밀도 값을 계산할 수 있었다. 도 5는 애노드 활물질로서의 흑연 입자 및 캐소드 활물질로서의 탄소-코팅 LFP 입자를 함유하는 리튬-이온 전지 셀의 라곤 도표(중량 및 체적 전력 밀도 대 에너지 밀도)를 나타낸다. 4개 데이터 곡선 중의 두 개는 본 발명의 구현예에 따라 제조된 케이블 형상의 셀에 대한 것이고 나머지 두 개는 종래의 전극 슬러리 코팅(롤-코팅)에 의해 제조된 종래의 셀에 대한 것이다. 이들 데이터로부터 몇 가지 중요한 관찰을 할 수 있다:For each sample, by applying different current densities (representing the charge/discharge rate) and measuring the electrochemical response, it was possible to calculate the energy density and power density values required to construct a Ragon diagram (power density versus energy density). 5 shows a Ragone plot (weight and volumetric power density versus energy density) of a lithium-ion battery cell containing graphite particles as anode active material and carbon-coated LFP particles as cathode active material. Two of the four data curves are for cable-shaped cells made according to embodiments of the present invention and the other two are for conventional cells made by conventional electrode slurry coating (roll-coating). Several important observations can be made from these data:

본 발명의 방법에 의해 제조된 리튬-이온 전지 셀의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도(도면의 범례에서 "본 발명"으로 나타냄)는 모두 종래의 롤-코팅법을 통해 제조된 이들의 대응물의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도("종래"로 표시됨)보다 훨씬 높다. (편평한 고체 Cu 호일 상에 코팅된) 160 μm의 애노드 두께가 160 μm의 직경을 갖는 발포체 로드로 변하고(85% 공극률을 갖는 Ni 발포체의 세공에 모두 수용됨), 평형 용량비를 유지하기 위해 캐소드에서 상응하는 변화가 생김으로 인해, 중량 에너지 밀도는 165 Wh/kg에서 282 Wh/kg으로 증가한다. 훨씬 더 놀랍게도, 체적 에너지 밀도는 412.5 Wh/L에서 733 Wh/L로 증가한다. 이 후자의 값 733 Wh/L은 흑연 애노드와 리튬 철 인산염 캐소드를 사용하는 리튬-이온 전지로는 이전에 달성된 적이 없다.Both the gravimetric and volumetric energy densities and power densities (indicated by "invention" in the figure legends) of the lithium-ion battery cells produced by the method of the present invention are comparable to those of their counterparts produced through the conventional roll-coating method. Much higher than gravimetric and volumetric energy densities and power densities (labeled "conventional"). An anode thickness of 160 μm (coated on a flat solid Cu foil) turns into a foam rod with a diameter of 160 μm (all accommodated in the pores of Ni foam with 85% porosity), at the cathode to maintain an equilibrium capacity ratio. Due to the corresponding change, the gravimetric energy density increases from 165 Wh/kg to 282 Wh/kg. Even more surprisingly, the volumetric energy density increases from 412.5 Wh/L to 733 Wh/L. This latter value of 733 Wh/L has never been previously achieved with a Li-ion cell using a graphite anode and a lithium iron phosphate cathode.

이러한 상당한 차이는 단순히 전극 두께 및 질량 공급량만의 증가에 기인할 수는 없다. 이러한 차이는, 본 발명의 케이블 셀과 관련된 훨씬 더 높은 활물질 질량 공급량(단지 질량 공급량이 아님), 활물질 중량/체적에 비해 감소된 오버헤드(비활성) 성분 비율, 바인더 수지의 결여, 전극 활물질의 놀랍도록 더 우수한 이용률(흑연 입자 및 LFP 입자의 전부는 아니더라도 대부분이 리튬 이온 저장 용량에 기여; 특히 높은 충방전율 조건에서, 전극 내 드라이 포켓 또는 비효율적인 지점이 없음), 및 다공질 전도층(발포 집전체)의 세공 내에 활물질 입자를 보다 효과적으로 패킹하는 본 발명 방법의 놀라운 능력으로 인한 것으로 보인다. 이러한 것들은 리튬-이온 전지 분야에서 교시되거나, 제안되거나, 심지어 조금도 암시되지 않았다. 또한, 최대 전력 밀도는 621 W/kg에서 1356 W/kg으로 증가한다. 이는 전자 전달 및 리튬 이온 전달에 대한 내부 저항이 상당히 감소되었기 때문일 수 있다.This significant difference cannot be attributed simply to an increase in electrode thickness and mass supply. This difference is due to the much higher active material mass feed (not just the mass feed) associated with the cable cell of the present invention, the reduced overhead (inactive) component ratio to active material weight/volume, the lack of binder resin, and the surprising properties of the electrode active material. better utilization rate (most if not all of the graphite particles and LFP particles contribute to the lithium ion storage capacity; no dry pockets or inefficiencies in the electrode, especially at high charge/discharge rate conditions); and porous conductive layers (foam current collectors). ) appear to be due to the surprising ability of the inventive method to more effectively pack the active material particles into the pores of the . These are not taught, suggested, or even implied in the slightest in the field of lithium-ion batteries. Also, the maximum power density increases from 621 W/kg to 1356 W/kg. This may be due to the significantly reduced internal resistance to electron transport and lithium ion transport.

도 6은 애노드 활물질로서의 그래핀-함유 Si 나노입자 및 캐소드 활물질로서의 LiCoO2 나노입자를 함유하는 두 가지 셀의 라곤 도표(둘 다 중량 및 체적 전력 밀도 대 중량 및 체적 에너지 밀도)를 나타낸다. 실험 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 Li-이온 전지 셀(케이블 형상) 및 종래의 전극 슬러리 코팅에 의해 제조된 Li-이온 전지 셀로부터 얻었다.6 shows the Ragone plots (both gravimetric and volumetric power densities versus gravimetric and volumetric energy densities) of two cells containing graphene-containing Si nanoparticles as anode active material and LiCoO 2 nanoparticles as cathode active material. Experimental data were obtained from Li-ion battery cells (cable shape) prepared by the method of the present invention and Li-ion battery cells prepared by conventional electrode slurry coating.

이들 데이터는, 본 발명의 방법에 의해 제조된 전지 셀의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도 모두, 종래의 방법을 통해 제조된 대응물의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도보다 훨씬 더 높다는 것을 나타낸다. 또한, 그 차이는 매우 크다. 종래에 제조된 셀은 265 Wh/kg의 중량 에너지 밀도 및 689 Wh/L의 체적 에너지 밀도를 나타내지만, 본 발명의 셀은 각각 423 Wh/kg 및 1,227 Wh/L을 전달한다. 1,227 Wh/L의 셀-수준 에너지 밀도는 이전에 어떤 충전식 리튬 전지로도 달성된 적이 없다. 2213 W/kg 및 6,417 W/L만큼 높은 전력 밀도 또한 리튬-이온 전지에 대해 전례가 없다. 본 발명의 공정을 통해 제조된 셀의 전력 밀도는 종래의 공정에 의해 제조된 상응하는 셀의 전력 밀도보다 항상 훨씬 더 높다.These data indicate that both the gravimetric and volumetric energy densities and power densities of battery cells produced by the methods of the present invention are significantly higher than those of their counterparts manufactured via conventional methods. Also, the difference is very large. Conventionally prepared cells exhibit gravimetric energy densities of 265 Wh/kg and volumetric energy densities of 689 Wh/L, whereas the cells of the present invention deliver 423 Wh/kg and 1,227 Wh/L, respectively. A cell-level energy density of 1,227 Wh/L has never before been achieved with any rechargeable lithium battery. Power densities as high as 2213 W/kg and 6,417 W/L are also unprecedented for Li-ion batteries. The power density of a cell made through the process of the present invention is always much higher than that of a corresponding cell made by a conventional process.

이들 에너지 밀도 및 전력 밀도 차이는 주로, 본 발명의 셀과 관련된 높은 활물질 질량 공급량(애노드에서 25 mg/cm2 초과 및 캐소드에서 45 mg/cm2 초과), 활물질 중량/체적에 비해 감소된 오버헤드(비활성) 성분 비율, 바인더 수지를 가질 필요가 없다는 점, 활물질 입자를 더 잘 이용할 수 있는 본 발명의 능력(모든 입자가 액체 전해질에 접근 가능하고 빠른 이온 및 전자 운동을 가짐), 및 발포 집전체의 세공 내에 활물질 입자를 보다 효과적으로 패킹하는 능력에 기인한다.These energy density and power density differences are primarily due to the high active material mass feed (>25 mg/cm 2 at the anode and >45 mg/cm 2 at the cathode) associated with the cell of the present invention, and the reduced overhead relative to active material weight/volume. (inactive) component proportions, not having a binder resin, the ability of the present invention to better utilize active material particles (all particles are accessible to liquid electrolytes and have fast ionic and electron movements), and a foam current collector This is due to the ability to pack the active material particles more effectively within the pores of the

도 7은 애노드 활물질로서의 리튬 호일, 캐소드 활물질로서의 로디존산 디리튬(Li2C6O6), 및 유기 액체 전해질로서의 리튬염 (LiPF6)-PC/DEC를 함유하는 리튬 금속 전지의 라곤 도표를 나타낸다. 데이터는 본 발명의 방법 및 종래의 전극 슬러리 코팅에 의해 제조된 리튬 금속 셀 모두에 대한 것이다. 이들 데이터는, 본 발명의 방법에 의해 제조된 리튬 금속 셀의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도 모두, 종래의 방법을 통해 제조된 대응물의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도보다 훨씬 더 높다는 것을 나타낸다. 또한, 이러한 차이는 매우 크고, 본 발명의 셀과 관련된 훨씬 더 높은 활물질 질량 공급량(단지 질량 공급량이 아님), 활물질 중량/체적에 비해 감소된 오버헤드(비활성) 성분 비율, 바인더 수지를 가질 필요가 없다는 점, 전극 활물질의 놀랍도록 더 우수한 이용률(활물질의 전부는 아니더라도 대부분이 리튬 이온 저장 용량에 기여; 특히 높은 충방전율 조건에서, 전극 내 드라이 포켓 또는 비효율적인 지점이 없음), 및 발포 집전체의 세공 내에 활물질 입자를 보다 효과적으로 패킹하는 본 발명 방법의 놀라운 능력으로 인한 것으로 보인다.7 is a Ragon diagram of a lithium metal battery containing lithium foil as an anode active material, dilithium rhodizonate (Li 2 C 6 O 6 ) as a cathode active material, and lithium salt (LiPF 6 )-PC/DEC as an organic liquid electrolyte. indicate Data are for both lithium metal cells prepared by the inventive method and conventional electrode slurry coating. These data indicate that both the gravimetric and volumetric energy densities and power densities of the lithium metal cells produced by the methods of the present invention are significantly higher than those of their counterparts manufactured via conventional methods. Also, this difference is very large, and the need to have a much higher active material mass feed (not just mass feed), reduced overhead (inactive) component ratio relative to active material weight/volume, and binder resins associated with the cell of the present invention. surprisingly better utilization of the electrode active material (most, if not all, of the active material contributes to the lithium ion storage capacity; there are no dry pockets or inefficiencies in the electrode, especially under high charge/discharge rate conditions); This appears to be due to the surprising ability of the present method to more effectively pack the active material particles within the pores.

본 발명의 리튬 금속-유기 캐소드 셀의 중량 에너지 밀도가 503 Wh/kg만큼 높으며 이는 지금까지 보고된 모든 충전식 리튬-금속 또는 리튬-이온 전지의 값보다 높다는 관찰은 꽤 주목할만하며 예상치 못한 것이다(현재의 Li-이온 전지는 전체 셀 중량을 기준으로 150~220 Wh/kg을 저장함). 또한, 이러한 유기 캐소드 기반 전지의 체적 에너지 밀도가 1006 Wh/L만큼 높으며 이는 지금까지 보고된 모든 리튬-이온 및 리튬 금속 전지의 값 중 최고치라는 관찰은 매우 놀랍다. 또한, 유기 캐소드 활물질 기반 리튬 전지의 경우, 1,753 W/kg의 중량 전력 밀도 및 5,080 W/L의 최대 체적 전력 밀도는 생각조차 할 수 없었을 것이다.The observation that the gravimetric energy density of the lithium metal-organic cathode cell of the present invention is as high as 503 Wh/kg, which is higher than that of all rechargeable lithium-metal or lithium-ion cells reported to date, is quite remarkable and unexpected (currently of Li-ion cells store 150-220 Wh/kg based on total cell weight). Furthermore, it is quite surprising to observe that the volumetric energy density of this organic cathode-based cell is as high as 1006 Wh/L, which is the highest value among all lithium-ion and lithium metal cells reported so far. In addition, in the case of a lithium battery based on an organic cathode active material, a gravimetric power density of 1,753 W/kg and a maximum volumetric power density of 5,080 W/L would have been unthinkable.

많은 연구자들이 보고한 바와 같이, 라곤 도표에서 활물질만의 중량당 에너지 및 전력 밀도를 보고하는 것은 조립된 수퍼커패시터 셀의 성능에 대한 현실적인 그림을 제공하지 못할 수 있음을 지적하는 것은 중요하다. 다른 장치 구성요소의 중량도 고려해야 한다. 집전체, 전해질, 세퍼레이터, 바인더, 커넥터 및 패키징을 포함한 이러한 오버헤드 구성요소는 비활성 물질이며 전하 저장량에 기여하지 않는다. 이들은 장치에 중량 및 체적만 추가한다. 따라서, 오버 헤드 구성요소 중량의 상대적 비율을 감소시키고 활물질 비율을 증가시키는 것이 바람직하다. 그러나, 종래의 전지 제조 공정을 이용해 이러한 목표를 달성하는 것은 불가능하였다. 본 발명은 리튬 전지 분야에서 이러한 오랫동안 지속된 가장 심각한 문제를 극복한다.It is important to point out that reporting energy and power densities per weight of active material alone in a Lagon diagram, as reported by many researchers, may not provide a realistic picture of the performance of an assembled supercapacitor cell. The weight of other device components must also be considered. These overhead components, including current collectors, electrolytes, separators, binders, connectors and packaging are inert materials and do not contribute to charge storage. They only add weight and volume to the device. Therefore, it is desirable to reduce the relative proportion of overhead component weight and increase the active material proportion. However, it has been impossible to achieve this goal using conventional cell manufacturing processes. The present invention overcomes this long-standing and most serious problem in the field of lithium batteries.

100~200 μm의 전극 두께를 갖는 상업적인 리튬-이온 전지에서, 리튬-이온 전지 내 애노드 활물질(예를 들어, 흑연 또는 탄소)의 중량 비율은 통상적으로 12% 내지 17%이고, 캐소드 활물질의 중량 비율은 (LiMn2O4와 같은 무기 물질의 경우) 22% 내지 41%이거나, 유기 또는 고분자 물질의 경우 10% 내지 15%이다. 따라서, 활물질 중량만을 기준으로 한 특성으로부터 장치(셀)의 에너지 또는 전력 밀도를 외삽하기 위해 3 내지 4의 계수가 종종 사용된다. 대부분의 과학 논문에서, 보고된 특성은 통상적으로 활물질 중량만을 기준으로 하며 전극은 통상적으로 매우 얇다(<< 100 μm, 대부분 << 50 μm). 활물질 중량은 통상적으로 총 장치 중량의 5% 내지 10%이며, 이는, 실제 셀(장치) 에너지 또는 전력 밀도가, 상응하는 활물질 중량을 기준으로 한 값을 10 내지 20의 계수로 나누어 얻어질 수 있음을 의미한다. 이러한 계수를 고려하면, 이들 논문에서 보고된 특성은 상업용 전지의 특성보다 실제로 전혀 우수해 보이지 않다. 따라서, 과학 논문과 특허 출원에 보고된 전지의 성능 데이터를 읽고 해석할 때는 매우 신중해야 한다.In a commercial lithium-ion battery with an electrode thickness of 100-200 μm, the weight proportion of the anode active material (eg graphite or carbon) in the lithium-ion battery is typically 12% to 17%, and the weight proportion of the cathode active material Silver is 22% to 41% (for inorganic materials such as LiMn 2 O 4 ) or 10% to 15% for organic or polymeric materials. Thus, a factor of 3 to 4 is often used to extrapolate the energy or power density of a device (cell) from characteristics based on active material weight alone. In most scientific papers, reported properties are usually based on active material weight only and electrodes are typically very thin (<< 100 μm, most << 50 μm). The active material weight is typically 5% to 10% of the total device weight, which can be obtained by dividing the actual cell (device) energy or power density by a factor of 10 to 20 based on the corresponding active material weight. means Considering these coefficients, the properties reported in these papers do not actually look any better than those of commercial cells. Therefore, extreme caution should be exercised when reading and interpreting cell performance data reported in scientific papers and patent applications.

실시예 25: 달성 가능한 전극 직경 또는 두께 및 리튬 전지 셀의 전기화학 성능에 미치는 전극 직경 또는 두께의 영향 Example 25 : Achievable Electrode Diameter or Thickness and Effect of Electrode Diameter or Thickness on Electrochemical Performance of Lithium Battery Cells

리튬 전지의 전극 두께는 장치 성능의 최적화를 위해 자유롭게 조절될 수 있는 설계 파라미터인 것으로 생각하기 쉽다. 이러한 인식과 달리, 실제로, 리튬 전지 전극 두께는 제조상 제한적이며, 실제 산업 제조 환경(예를 들어, 롤-투-롤 슬러리 코팅 설비)에서 특정 두께 수준을 초과하는 구조적 완전성이 우수한 전극을 제조할 수는 없다. 종래의 전지 전극 설계는 편평한 금속 집전체 상에 전극층을 코팅하는 것에 기반을 두고 있으며, 이는 다음과 같은 몇 가지 주요 문제점을 갖는다: (a) 고체 Cu 호일 또는 Al 호일 상의 두꺼운 코팅은 긴 건조 시간을 필요로 한다(30~100 미터 길이의 가열 구역을 필요로 함). (b) 두꺼운 전극은 건조 및 후속 취급시 박리되거나 균열이 발생하는 경향이 있으며, 전극 완전성을 향상시키고자 수지 바인더 비율이 15~20%만큼 높더라도 이러한 문제는 여전히 주요 제한 요소로 남아 있다. 따라서, 편평한 고체 집전체 상에 슬러리를 롤-코팅하는 이러한 산업 현장은 높은 활물질 질량 공급량을 허용하지 않는다. (c) 코팅, 건조 및 압축에 의해 제조된 두꺼운 전극은 (셀 제조 후 셀에 주입되는) 전해질이 전극을 통해 침투하는 것을 어렵게 하며, 따라서, 두꺼운 전극은, 전해질에 의해 습윤되지 않는 드라이 포켓 또는 지점이 많다는 것을 의미한다. 이는 활물질의 이용률이 나쁘다는 것을 의미한다. 본 발명은 리튬 전지와 관련된 이러한 오랫동안 지속된 매우 중요한 문제를 해결한다.It is easy to think of the electrode thickness of a lithium battery as a design parameter that can be freely adjusted to optimize device performance. Contrary to this perception, in practice, the thickness of lithium battery electrodes is limited in terms of manufacturing, and it is not possible to manufacture electrodes with excellent structural integrity beyond a certain thickness level in an actual industrial manufacturing environment (eg, roll-to-roll slurry coating facility). There is no Conventional cell electrode designs are based on coating electrode layers on flat metal current collectors, which have several major problems: (a) thick coatings on solid Cu foils or Al foils require long drying times; (requires a heated zone 30 to 100 meters long). (b) Thick electrodes tend to delaminate or crack upon drying and subsequent handling, and even with resin binder percentages as high as 15-20% to improve electrode integrity, this remains a major limiting factor. Therefore, these industrial sites of roll-coating slurries onto flat solid current collectors do not allow for high active material mass feeds. (c) Thick electrodes produced by coating, drying and pressing make it difficult for electrolyte (which is injected into the cell after cell fabrication) to penetrate through the electrode; therefore, thick electrodes form dry pockets or dry pockets that are not wetted by the electrolyte. This means that there are many branches. This means that the utilization rate of the active material is poor. The present invention solves this long-standing and very important problem associated with lithium batteries.

도 8은 박리 및 균열 없이 종래의 방법을 통해 제조된 리튬 금속 셀 및 본 발명의 방법에 의해 제조된 리튬 금속 셀의 셀-수준 중량 에너지 밀도(Wh/kg) 및 체적 에너지 밀도(Wh/L)를 MnO2/RGO 캐소드의 달성 가능한 캐소드 두께 범위에 걸쳐 플로팅한 도표를 나타낸다.Figure 8 shows the cell-level gravimetric energy density (Wh/kg) and volumetric energy density (Wh/L) of a lithium metal cell manufactured by a conventional method and a lithium metal cell manufactured by the method of the present invention without peeling and cracking. Plotted over a range of achievable cathode thicknesses for MnO 2 /RGO cathodes.

전극은 종래의 슬러리 코팅 공정을 사용하여 100~200 μm의 두께까지 제조될 수 있다. 그러나, 이에 반해, 본 발명의 방법으로 달성될 수 있는 전극 두께 또는 직경에 대한 이론적 한계는 없다. 통상적으로, 실제 전극 두께는 1 μm 내지 1000 μm, 더 통상적으로는 10 μm 내지 800 μm, 가장 통상적으로는 100 μm 내지 600 μm이다.Electrodes can be fabricated up to a thickness of 100-200 μm using a conventional slurry coating process. In contrast, however, there is no theoretical limit to the electrode thickness or diameter that can be achieved with the method of the present invention. Typically, the actual electrode thickness is between 1 μm and 1000 μm, more typically between 10 μm and 800 μm, and most typically between 100 μm and 600 μm.

이들 데이터는 이전에 달성할 수 없었던 매우 두꺼운 리튬 전지 전극을 제조함에 있어 본 발명 방법의 놀라운 효율성을 추가로 확인시켜 준다. 리튬 금속 전지에서 이러한 매우 두꺼운 전극은 무기 캐소드 활물질의 경우 통상적으로는 25 mg/cm2보다 훨씬 더 큰(더 통상적으로는 30 mg/cm2 초과, 더욱 통상적으로는 40 mg/cm2 초과, 흔히 50 mg/cm2 초과, 심지어 60 mg/cm2 초과의) 매우 높은 캐소드 활물질 질량 공급량을 가져온다. 이러한 높은 활물질 질량 공급량은 슬러리 코팅 공정에 의해 제조된 종래의 리튬 전지로는 얻을 수 없었다. 이러한 높은 활물질 질량 공급량은 동일한 전지 시스템을 고려할 때 이전에 달리 달성된 적이 없는 매우 높은 중량 에너지 밀도 및 체적 에너지 밀도(예를 들어, 본 발명의 리튬 금속 전지의 503 Wh/kg 및 956 Wh/L)를 가져왔다.These data further confirm the surprising efficiency of the present method in making previously unattainable very thick lithium battery electrodes. In lithium metal cells these very thick electrodes are typically much greater than 25 mg/cm 2 (more typically greater than 30 mg/cm 2 , more typically greater than 40 mg/cm 2 , often greater than 40 mg/cm 2 for inorganic cathode active materials). This leads to very high cathode active material mass feeds (>50 mg/cm 2 , even >60 mg/cm 2 ). Such a high active material mass feed rate could not be obtained with conventional lithium batteries manufactured by a slurry coating process. This high active material mass feed provides very high gravimetric and volumetric energy densities (e.g., 503 Wh/kg and 956 Wh/L for the lithium metal cell of the present invention) that have not been otherwise achieved before when considering the same battery system. brought

실시예 26: 셀에서 달성 가능한 활물질 중량 백분율 및 리튬 전지 셀의 전기화학 성능에 미치는 활물질 중량 백분율의 영향 Example 26 : Weight percentage of active material achievable in a cell and effect of weight percentage of active material on the electrochemical performance of a lithium battery cell

애노드 활물질과 캐소드 활물질을 합한 중량은 패키징된 상용 리튬 전지의 전체 질량의 최대 약 30% 내지 50%를 차지하기 때문에, 활물질 단독의 성능 데이터로부터 장치의 에너지 밀도 또는 전력 밀도를 외삽하기 위해서는 30% 내지 50%의 계수가 사용되어야 한다. 따라서, 흑연과 NMC(리튬 니켈 망간 코발트 산화물)를 합한 중량에 대한 500 Wh/kg의 에너지 밀도는 패키징된 셀에 대해 약 150~250 Wh/kg으로 변환될 것이다. 그러나, 이러한 외삽은 상용 전극과 유사한 두께 및 밀도(흑연 애노드의 150 μm 또는 약 15 mg/cm2 및 NMC 캐소드의 30 mg/cm2)를 갖는 전극의 경우에만 타당하다. 더 얇거나 더 가벼운 동일한 활물질의 전극은 셀 중량 기준으로 훨씬 더 낮은 에너지 밀도 또는 전력 밀도를 의미할 것이다. 따라서, 활물질 비율이 높은 리튬-이온 전지 셀을 제조하는 것이 바람직하다. 불행하게도, 대부분의 상용 리튬-이온 전지에서 45 중량%보다 큰 총 활물질 비율을 달성하는 것은 불가능하였다.Since the combined weight of the anode active material and the cathode active material accounts for up to about 30% to 50% of the total mass of a commercially packaged lithium battery, in order to extrapolate the energy density or power density of the device from the performance data of the active material alone, A factor of 50% should be used. Thus, an energy density of 500 Wh/kg for the combined weight of graphite and NMC (lithium nickel manganese cobalt oxide) would translate to about 150-250 Wh/kg for a packaged cell. However, this extrapolation is only valid for electrodes with similar thickness and density as commercial electrodes (150 μm or about 15 mg/cm 2 for graphite anode and 30 mg/cm 2 for NMC cathode). A thinner or lighter electrode of the same active material would mean a much lower energy density or power density by weight of the cell. Therefore, it is desirable to manufacture a lithium-ion battery cell with a high active material ratio. Unfortunately, it has not been possible to achieve a total active material ratio greater than 45% by weight in most commercial lithium-ion batteries.

본 발명의 방법은 조사된 모든 활물질에 대해 리튬 전지가 이러한 한계를 훨씬 넘을 수 있게 한다. 사실, 본 발명은 활물질 비율을 원하는 경우 85% 넘게, 그러나 통상적으로는 45% 내지 80%, 더 통상적으로는 40% 내지 70%, 가장 통상적으로는 40% 내지 65% 높일 수 있다.The method of the present invention allows lithium cells to far exceed these limits for all active materials investigated. In fact, the present invention can raise the active material ratio above 85% if desired, but typically from 45% to 80%, more typically from 40% to 70%, and most typically from 40% to 65%.

도 9는 본 발명의 방법에 의해 제조된 흑연/NMC 셀 및 종래의 롤-코팅 방법에 의해 제조된 흑연/NMC 셀의 셀-수준 중량 및 체적 에너지 밀도를 나타낸다. 이들 데이터는 또한, 동일한 리튬 전지 시스템을 고려할 때 이전에 가능하지 않았던 예상외로 높은 중량 및 체적 에너지 밀도의 달성(예를 들어, 189 Wh/kg에서 305 Wh/kg으로, 510 Wh/L에서 793 Wh/L로 상승)을 가능하게 하는, 50%가 넘는 총 활물질 질량을 가질 수 있는 본 발명의 능력의 결과를 보여준다.9 shows the cell-level weight and volumetric energy densities of a graphite/NMC cell prepared by the method of the present invention and a graphite/NMC cell prepared by a conventional roll-coating method. These data also support the achievement of unexpectedly high gravimetric and volumetric energy densities (e.g., from 189 Wh/kg to 305 Wh/kg, from 510 Wh/L to 793 Wh/kg), previously not possible when considering the same lithium battery system. Rise to L) shows the result of the ability of the present invention to have a total active material mass greater than 50%.

실시예 26: 나트륨 금속 및 칼륨 금속 셀의 대표적 시험 결과 Example 26 : Representative test results of sodium metal and potassium metal cells

도 10은 애노드 활물질로서의 경질 탄소 입자 및 캐소드 활물질로서의 탄소-코팅 Na3V2(PO4)2F3 입자를 함유하는 Na-이온 전지 셀의 라곤 도표(중량 및 체적 전력 밀도 대 에너지 밀도)를 나타낸다. 4개 데이터 곡선 중의 두 개는 본 발명의 구현예에 따라 제조된 셀에 대한 것이고 나머지 두 개는 종래의 전극 슬러리 코팅(롤-코팅)에 의해 제조된 셀에 대한 것이다. 이들 데이터로부터 몇 가지 중요한 관찰을 할 수 있다:10 is a Ragone plot (weight and volumetric power density versus energy density) of a Na-ion battery cell containing hard carbon particles as anode active material and carbon-coated Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 particles as cathode active material. indicate Two of the four data curves are for cells made according to an embodiment of the present invention and the other two are for cells made by conventional electrode slurry coating (roll-coating). Several important observations can be made from these data:

본 발명의 방법에 의해 제조된 나트륨-이온 전지 셀의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도(도면의 범례에서 "본 발명"으로 나타냄)는 모두 종래의 롤-코팅법을 통해 제조된 이들의 대응물의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도("종래"로 표시됨)보다 훨씬 더 높다. (편평한 고체 Cu 호일 상에 코팅된) 150 μm의 애노드 두께가 200 μm의 직경으로 변하고(85% 공극률을 갖는 탄소 발포체의 세공에 모두 수용됨), 평형 용량비를 유지하기 위해 캐소드에서 상응하는 변화가 생김으로 인해, 중량 에너지 밀도는 115 Wh/kg에서 157 Wh/kg으로 증가한다. 훨씬 더 놀랍게도, 체적 에너지 밀도는 241 Wh/L에서 502 Wh/L로 증가한다. 경질 탄소 애노드 및 나트륨 전이 금속 인산염계 캐소드를 이용한 나트륨-이온 전지의 경우 이 후자의 502 Wh/L 값은 이례적인 것이다.Both the gravimetric and volumetric energy densities and power densities (indicated by "invention" in the figure legends) of the sodium-ion battery cells produced by the method of the present invention are comparable to those of their counterparts produced through the conventional roll-coating method. Much higher than gravimetric and volumetric energy densities and power densities (labeled "conventional"). An anode thickness of 150 μm (coated on a flat solid Cu foil) changes to a diameter of 200 μm (all accommodated in the pores of a carbon foam with 85% porosity), and a corresponding change in the cathode to maintain the equilibrium capacity ratio As a result, the gravimetric energy density increases from 115 Wh/kg to 157 Wh/kg. Even more surprisingly, the volumetric energy density increases from 241 Wh/L to 502 Wh/L. For a sodium-ion battery using a hard carbon anode and a sodium transition metal phosphate-based cathode, this latter value of 502 Wh/L is unusual.

이러한 큰 차이는, 본 발명의 셀과 관련된 (다른 물질에 대한) 훨씬 더 높은 활물질 질량 공급량, 활물질 중량/체적에 비해 감소된 오버헤드(비활성) 성분 비율, 바인더 수지를 가질 필요가 없다는 점, 전극 활물질의 놀랍도록 더 우수한 이용률(경질 탄소 입자 및 Na3V2(PO4)2F3 입자의 전부는 아니더라도 대부분이 나트륨 이온 저장 용량에 기여; 특히 높은 충방전율 조건에서, 전극 내 드라이 포켓 또는 비효율적인 지점이 없음), 및 전도성 다공질 층(발포 집전체)의 세공 내에 활물질 입자를 보다 효과적으로 패킹하는 본 발명 방법의 놀라운 능력으로 인한 것으로 보인다.These significant differences include the much higher active material mass feed (relative to other materials) associated with the cell of the present invention, the reduced overhead (inactive) component ratio compared to active material weight/volume, the need not to have a binder resin, the electrode Surprisingly better utilization of active materials (most if not all of the hard carbon particles and Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 particles contribute to the sodium ion storage capacity; dry pockets or inefficiencies in the electrodes, especially at high charge/discharge rate conditions) no phosphorus point), and the surprising ability of the present method to more effectively pack the active material particles into the pores of the conductive porous layer (foam current collector).

본 발명의 나트륨-이온 셀은 또한 종래의 셀의 에너지 밀도보다 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 전달한다. 이 또한 예상치 못한 것이다.The sodium-ion cell of the present invention also delivers a much higher energy density than that of conventional cells. This is also unexpected.

도 11은 애노드 활물질로서의 그래핀-함유 Sn 나노입자 및 캐소드 활물질로서의 NaFePO4 나노입자를 함유하는 두 가지 셀의 라곤 도표(둘 다 중량 및 체적 전력 밀도 대 중량 및 체적 에너지 밀도)를 나타낸다. 실험 데이터는 본 발명의 방법에 의해 제조된 Na-이온 전지 셀 및 종래의 전극의 슬러리 코팅에 의해 제조된 Na-이온 전지 셀로부터 얻었다.11 shows the Ragone plots (both gravimetric and volumetric power densities versus gravimetric and volumetric energy densities) of two cells containing graphene-containing Sn nanoparticles as anode active material and NaFePO 4 nanoparticles as cathode active material. Experimental data were obtained from Na-ion battery cells prepared by the method of the present invention and Na-ion battery cells prepared by slurry coating of conventional electrodes.

이들 데이터는, 본 발명의 방법에 의해 제조된 나트륨 전지 셀의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도 모두, 종래의 방법을 통해 제조된 대응물의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도보다 훨씬 더 높다는 것을 나타낸다. 또한, 그 차이는 매우 크다. 종래에 제조된 셀은 185 Wh/kg의 중량 에너지 밀도 및 388 Wh/L의 체적 에너지 밀도를 나타내지만, 본 발명의 케이블 형상의 셀은 각각 311 Wh/kg 및 777 Wh/L을 전달한다. 777 Wh/L의 셀-수준 체적 에너지 밀도는 이전에 어떤 충전식 나트륨 전지로도 달성된 적이 없다. 사실, 최근의 리튬-이온 전지도 750 Wh/L보다 높은 체적 에너지 밀도를 거의 나타내지 않는다. 1236 W/kg 및 3,585 W/L만큼 높은 전력 밀도 또한 나트륨-이온 전지는 물론 통상적으로 더 높은 에너지의 리튬-이온 전지에 대해서도 전례가 없다.These data indicate that both the gravimetric and volumetric energy densities and power densities of the sodium battery cells produced by the methods of the present invention are significantly higher than those of their counterparts manufactured via conventional methods. Also, the difference is very large. Conventionally manufactured cells exhibit gravimetric energy densities of 185 Wh/kg and volumetric energy densities of 388 Wh/L, whereas the inventive cable shaped cells deliver 311 Wh/kg and 777 Wh/L, respectively. A cell-level volumetric energy density of 777 Wh/L has never before been achieved with any rechargeable sodium battery. In fact, even recent lithium-ion batteries rarely exhibit volumetric energy densities higher than 750 Wh/L. Power densities as high as 1236 W/kg and 3,585 W/L are also unprecedented for sodium-ion cells as well as typically higher energy lithium-ion cells.

이들 에너지 밀도 및 전력 밀도 차이는 주로, 높은 활물질 질량 공급량, 활물질 중량/체적에 비해 감소된 오버헤드(비활성) 성분 비율, 바인더 수지의 결여, 활물질 입자를 더 잘 이용할 수 있는 본 발명의 능력(모든 입자가 액체 전해질에 접근 가능하고 빠른 이온 및 전자 운동을 가짐), 및 발포 집전체의 세공 내에 활물질 입자를 보다 효과적으로 패킹하는 능력에 기인한다.These energy density and power density differences are primarily due to the high active material mass feed rate, reduced overhead (inactive) component ratio relative to active material weight/volume, lack of binder resins, and the present invention's ability to better utilize active material particles (all particles are accessible to liquid electrolytes and have fast ionic and electron motion), and the ability to more effectively pack the active material particles within the pores of the foam current collector.

도 12는 애노드 활물질로서의 나트륨 호일, 캐소드 활물질로서의 로디존산 이나트륨(Na2C6O6), 및 유기 액체 전해질로서의 리튬 염 (NaPF6)-PC/DEC를 함유하는 나트륨 금속 전지의 라곤 도표를 나타낸다. 데이터는 본 발명의 방법 및 종래의 전극 슬러리 코팅에 의해 제조된 나트륨 금속 셀들 모두에 대한 것이다. 이들 데이터는, 본 발명의 방법에 의해 제조된 나트륨 금속 셀의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도 모두, 종래의 방법을 통해 제조된 대응물의 중량 및 체적 에너지 밀도와 전력 밀도보다 훨씬 더 높다는 것을 나타낸다. 또한, 이러한 차이는 매우 크고, 본 발명의 셀과 관련된 훨씬 더 높은 활물질 질량 공급량, 활물질 중량/체적에 비해 감소된 오버헤드(비활성) 성분 비율, 바인더 수지를 가질 필요가 없다는 점, 전극 활물질의 놀랍도록 더 우수한 이용률(활물질의 전부는 아니더라도 대부분이 나트륨 이온 저장 용량에 기여; 특히 높은 충방전율 조건에서, 전극 내 드라이 포켓 또는 비효율적인 지점이 없음), 및 발포 집전체의 세공 내에 활물질 입자를 보다 효과적으로 패킹하는 본 발명 방법의 놀라운 능력으로 인한 것으로 보인다.12 is a Ragone diagram of a sodium metal cell containing sodium foil as an anode active material, disodium rhodizoate (Na 2 C 6 O 6 ) as a cathode active material, and lithium salt (NaPF 6 )-PC/DEC as an organic liquid electrolyte. indicate Data are for both sodium metal cells prepared by the method of the present invention and conventional electrode slurry coating. These data indicate that both the gravimetric and volumetric energy densities and power densities of the sodium metal cells produced by the method of the present invention are significantly higher than those of their counterparts manufactured via conventional methods. In addition, this difference is very large, and the much higher active material mass feed associated with the cell of the present invention, the reduced overhead (inactive) component ratio relative to the active material weight/volume, the need not to have a binder resin, the surprise of the electrode active material better utilization rate (most, if not all, of the active material contributes to the sodium ion storage capacity; there are no dry pockets or inefficiencies in the electrode, especially under high charge/discharge rate conditions), This appears to be due to the surprising ability of the inventive method to pack.

본 발명의 나트륨 금속-유기 캐소드 셀의 중량 에너지 밀도가 325 Wh/kg만큼 높으며 이는 지금까지 보고된 모든 충전식 나트륨 금속 또는 나트륨-이온 전지의 값보다 높다는 관찰은 꽤 주목할만하며 예상치 못한 것이다(현재의 Na-이온 전지는 전체 셀 중량을 기준으로 통상적으로 100~150 Wh/kg을 저장함). 또한, 유기 캐소드 활물질 기반의 나트륨 전지의 경우(심지어 상응하는 리튬 전지의 경우), 1,289 W/kg의 중량 전력 밀도 및 3,738 W/L의 체적 전력 밀도는 생각조차 할 수 없었을 것이다.The observation that the gravimetric energy density of the sodium metal-organic cathode cell of the present invention is as high as 325 Wh/kg, which is higher than that of all rechargeable sodium metal or sodium-ion batteries reported to date, is quite remarkable and unexpected (current Na-ion cells typically store 100 to 150 Wh/kg based on total cell weight). Also, for a sodium battery based on an organic cathode active material (even for a corresponding lithium battery), a gravimetric power density of 1,289 W/kg and a volumetric power density of 3,738 W/L would have been unthinkable.

많은 연구자들이 보고한 바와 같이, 라곤 도표에서 활물질만의 중량당 에너지 및 전력 밀도를 보고하는 것은 조립된 전지 셀의 성능에 대한 현실적인 그림을 제공하지 못할 수 있음을 지적하는 것은 중요하다. 다른 장치 구성요소의 중량도 고려해야 한다. 집전체, 전해질, 세퍼레이터, 바인더, 커넥터 및 패키징을 포함한 이러한 오버헤드 구성요소는 비활성 물질이며 전하 저장량에 기여하지 않는다. 이들은 장치에 중량 및 체적만 추가한다. 따라서, 오버 헤드 구성요소 중량의 상대적 비율을 감소시키고 활물질 비율을 증가시키는 것이 바람직하다. 그러나, 종래의 전지 제조 공정을 이용해 이러한 목표를 달성하는 것은 불가능하였다. 본 발명은 리튬 전지 분야에서 이러한 오랫동안 지속된 가장 심각한 문제를 극복한다.It is important to point out that reporting energy and power densities per weight of active material alone in the Lagon diagram, as reported by many researchers, may not provide a realistic picture of the performance of the assembled battery cell. The weight of other device components must also be considered. These overhead components, including current collectors, electrolytes, separators, binders, connectors and packaging are inert materials and do not contribute to charge storage. They only add weight and volume to the device. Therefore, it is desirable to reduce the relative proportion of overhead component weight and increase the active material proportion. However, it has not been possible to achieve this goal using conventional cell manufacturing processes. The present invention overcomes this long-standing and most serious problem in the field of lithium batteries.

150 μm의 전극 두께를 갖는 상업적인 리튬-이온 전지에서, 리튬-이온 전지 내 애노드 활물질(예를 들어, 흑연 또는 탄소)의 중량 비율은 통상적으로 12% 내지 17%이고, 캐소드 활물질의 중량 비율은 (LiMn2O4와 같은 무기 물질의 경우) 22% 내지 41%이거나, 유기 또는 고분자 물질의 경우 10% 내지 15%이다. 애노드 활물질과 캐소드 활물질은 모두 두 유형의 전지 사이에서 유사한 물리적 밀도를 갖고 애노드 비용량에 대한 캐소드 비용량의 비 또한 유사하므로, Na-이온 전지 내 상응하는 중량 분율은 매우 유사할 것으로 예상된다. 따라서, 활물질 중량만을 기준으로 한 특성으로부터 나트륨 셀의 에너지 또는 전력 밀도를 외삽하기 위해 3 내지 4의 계수가 사용될 수 있다. 대부분의 과학 논문에서, 보고된 특성은 통상적으로 활물질 중량만을 기준으로 하며 전극은 통상적으로 매우 얇다(<< 100 μm, 대부분 << 50 μm). 활물질 중량은 통상적으로 총 장치 중량의 5% 내지 10%이며, 이는, 실제 셀(장치) 에너지 또는 전력 밀도가, 상응하는 활물질 중량을 기준으로 한 값을 10 내지 20의 계수로 나누어 얻어질 수 있음을 의미한다. 이러한 계수를 고려하면, 이들 논문에서 보고된 특성은 상업용 전지의 특성보다 실제로 전혀 우수해 보이지 않다. 따라서, 과학 논문과 특허 출원에 보고된 전지의 성능 데이터를 읽고 해석할 때는 매우 신중해야 한다.In a commercial lithium-ion battery with an electrode thickness of 150 μm, the weight percentage of the anode active material (eg graphite or carbon) in the lithium-ion battery is typically 12% to 17%, and the weight percentage of the cathode active material is ( 22% to 41% for inorganic materials such as LiMn 2 O 4 , or 10% to 15% for organic or polymeric materials. Since both anode and cathode active materials have similar physical densities between the two types of cells and the ratio of specific cathode to anode capacities is also similar, the corresponding weight fractions in Na-ion cells are expected to be very similar. Thus, a factor of 3 to 4 can be used to extrapolate the energy or power density of a sodium cell from characteristics based on active material weight alone. In most scientific papers, reported properties are usually based on active material weight only and electrodes are typically very thin (<< 100 μm, most << 50 μm). The active material weight is typically 5% to 10% of the total device weight, which can be obtained by dividing the actual cell (device) energy or power density by a factor of 10 to 20 based on the corresponding active material weight. means Considering these coefficients, the properties reported in these papers do not actually look any better than those of commercial cells. Therefore, extreme caution should be exercised when reading and interpreting cell performance data reported in scientific papers and patent applications.

종래의 슬러리 코팅 공정에 의해 제조된 일련의 K-이온 셀의 라곤 도표 및 본 발명의 공정에 의해 제조된 상응하는 케이블 형상의 K-이온 셀의 라곤 도표가 도 13에서 요약되고 대조된다. 이들 데이터는 본 발명의 공정이 매우 높은 에너지 밀도 및 전력 밀도를 갖는 Na 금속 전지 및 K 금속 전지 모두를 제조하는 데 잘 기능함을 다시 확인시켜 준다.The Ragone plots of a series of K-ion cells made by a conventional slurry coating process and the corresponding cable-shaped K-ion cells made by the process of the present invention are summarized and contrasted in FIG. 13 . These data again confirm that the process of the present invention works well for fabricating both Na metal cells and K metal cells with very high energy and power densities.

Claims (83)

케이블 형상의 알칼리 금속 전지로서, 상기 알칼리 금속은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 상기 케이블 형상은 길이 대 직경 또는 길이 대 두께의 종횡비가 10 이상인 길이와 직경 또는 두께를 갖고, 상기 전지는
(a) 세공 및 제1 전극 활물질과 제1 전해질의 제1 혼합물을 갖는 전기 전도성 다공질 로드를 포함하고, 상기 제1 혼합물은 상기 다공질 로드의 상기 세공 내에 존재하는 제1 전극;
(b) 상기 제1 전극을 둘러싸는 다공질 세퍼레이터;
(c) 상기 다공질 세퍼레이터를 둘러싸거나 감싸는 전기 전도성 다공질 층을 포함하고, 상기 전도성 다공질 층은 세공 및 제2 전극 활물질과 제2 전해질의 제2 혼합물을 함유하고, 상기 제2 혼합물은 상기 다공질 층의 상기 세공 내에 존재하는 제2 전극; 및
(d) 상기 제2 전극을 둘러싸거나 감싸는 보호 케이싱 또는 외피;를 포함하며,
상기 다공질 세퍼레이터의 내측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도성 다공질 로드와 접하며, 상기 다공질 세퍼레이터의 외측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도성 다공질 층과 접하는,
알칼리 금속 전지.
An alkali metal battery in the shape of a cable, wherein the alkali metal is selected from Li, Na, K, or a combination thereof, and the shape of the cable has a length and diameter or thickness with an aspect ratio of length to diameter or length to thickness of 10 or more, The battery
(a) a first electrode comprising pores and an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte, the first mixture present in the pores of the porous rod;
(b) a porous separator surrounding the first electrode;
(c) an electrically conductive porous layer surrounding or enclosing the porous separator, the conductive porous layer containing pores and a second mixture of a second electrode active material and a second electrolyte, the second mixture of the porous layer a second electrode present in the pores; and
(d) a protective casing or sheath surrounding or surrounding the second electrode;
The inner surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive porous rod serving as a current collector, and the outer surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive porous layer serving as a current collector.
Alkali metal battery.
제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 음극 또는 애노드이고 상기 제2 전극은 양극 또는 캐소드인 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery according to claim 1, wherein the first electrode is a cathode or anode and the second electrode is an anode or cathode. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은 음극 또는 애노드이고 상기 제1 전극은 양극 또는 캐소드인 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery according to claim 1, wherein the second electrode is a cathode or anode and the first electrode is an anode or cathode. 케이블 형상의 알칼리 금속 전지로서, 상기 알칼리 금속은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 상기 전지는
(a) 전기 전도성 로드 및 상기 전도성 로드의 표면에 코팅된 선택적 제1 전해질과 제1 전극 활물질의 제1 혼합물을 포함하는 제1 전극;
(b) 상기 제1 전극을 둘러싸는 다공질 세퍼레이터;
(c) 상기 다공질 세퍼레이터를 둘러싸거나 감싸는 전기 전도성 다공질 층을 포함하고, 상기 전도성 다공질 층은 세공 및 제2 전극 활물질과 제2 전해질의 제2 혼합물을 함유하고, 상기 제2 혼합물은 상기 다공질 층의 상기 세공 내에 존재하는 제2 전극; 및
(d) 상기 제2 전극을 둘러싸거나 감싸는 보호 케이싱 또는 외피;를 포함하며,
상기 다공질 세퍼레이터의 내측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도성 다공질 로드와 접하며, 상기 다공질 세퍼레이터의 외측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도성 다공질 층과 접하는,
알칼리 금속 전지.
An alkali metal battery in the form of a cable, wherein the alkali metal is selected from Li, Na, K, or a combination thereof, the battery comprising:
(a) a first electrode comprising an electrically conductive rod and a first mixture of a first electrode active material and an optional first electrolyte coated on a surface of the conductive rod;
(b) a porous separator surrounding the first electrode;
(c) an electrically conductive porous layer surrounding or enclosing the porous separator, the conductive porous layer containing pores and a second mixture of a second electrode active material and a second electrolyte, the second mixture of the porous layer a second electrode present in the pores; and
(d) a protective casing or sheath surrounding or surrounding the second electrode;
The inner surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive porous rod serving as a current collector, and the outer surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive porous layer serving as a current collector.
Alkali metal battery.
케이블 형상의 알칼리 금속 전지로서, 상기 알칼리 금속은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 상기 전지는
(a) 세공 및 제1 전극 활물질과 제1 전해질의 제1 혼합물을 갖는 전기 전도성 다공질 로드를 포함하고, 상기 제1 혼합물은 상기 다공질 로드의 상기 세공 내에 존재하는 제1 전극;
(b) 상기 제1 전극을 둘러싸는 다공질 세퍼레이터;
(c) 상기 다공질 세퍼레이터를 둘러싸거나 감싸는 전기 전도층을 포함하고, 상기 전기 전도층은 제2 전극 활물질과 선택적 제2 전해질의 제2 혼합물을 함유하는 제2 전극; 및
(d) 상기 제2 전극을 둘러싸거나 감싸는 보호 케이싱 또는 외피;를 포함하며,
상기 다공질 세퍼레이터의 내측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도성 다공질 로드와 접하며, 상기 다공질 세퍼레이터의 외측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도층과 접하는,
알칼리 금속 전지.
An alkali metal battery in the form of a cable, wherein the alkali metal is selected from Li, Na, K, or a combination thereof, the battery comprising:
(a) a first electrode comprising pores and an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte, the first mixture present in the pores of the porous rod;
(b) a porous separator surrounding the first electrode;
(c) a second electrode comprising an electrically conductive layer surrounding or enclosing the porous separator, wherein the electrically conductive layer contains a second mixture of a second electrode active material and an optional second electrolyte; and
(d) a protective casing or sheath surrounding or surrounding the second electrode;
The inner surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive porous rod serving as a current collector, and the outer surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive layer serving as a current collector.
Alkali metal battery.
제1항에 있어서, 상기 케이블 형상의 전지는 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 상기 제1 전극은 상기 제1 전극에 내장되거나, 연결되거나, 일체화된 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 고분자 섬유를 포함하는 제1 단자 커넥터를 포함하는 알칼리 금속 전지.The method of claim 1, wherein the cable-shaped battery has a first end and a second end, and the first electrode is at least one metal wire embedded in, connected to, or integrated with the first electrode, conductive carbon/graphite. An alkali metal battery comprising a first terminal connector comprising a fiber or a conductive polymer fiber. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 고분자 섬유는 상기 제1 단부에서 상기 제2 단부까지 이어지는 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery of claim 6, wherein the at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymer fiber extends from the first end to the second end. 제1항에 있어서, 상기 케이블 형상의 전지는 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 상기 제2 전극은 상기 제2 전극에 내장되거나, 연결되거나, 일체화된 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 고분자 섬유를 포함하는 제2 단자 커넥터를 포함하는 알칼리 금속 전지.The method of claim 1, wherein the cable-shaped battery has a first end and a second end, and the second electrode is at least one metal wire embedded in, connected to, or integrated with the second electrode, conductive carbon/graphite. An alkali metal battery comprising a second terminal connector comprising a fiber or a conductive polymer fiber. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 고분자 섬유는 상기 제1 단부에서 상기 제2 단부까지 이어지는 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery according to claim 8, wherein the at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymer fiber extends from the first end to the second end. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극의 전기 전도성 다공질 로드 또는 제2 전극의 전기 전도성 다공질 층은 금속 발포체, 금속 웹, 금속 섬유 매트, 금속 나노와이어 매트, 전도성 고분자 섬유 매트, 전도성 고분자 발포체, 전도성 고분자-코팅 섬유 발포체, 탄소 발포체, 흑연 발포체, 탄소 에어로겔, 탄소 제로겔, 그래핀 에어로겔, 그래핀 발포체, 그래핀 산화물 발포체, 환원된 그래핀 산화물 발포체, 탄소 섬유 발포체, 흑연 섬유 발포체, 박리 흑연 발포체, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 다공질 발포체를 함유하는 알칼리 금속 전지.The method of claim 1, wherein the electrically conductive porous rod of the first electrode or the electrically conductive porous layer of the second electrode is a metal foam, a metal web, a metal fiber mat, a metal nanowire mat, a conductive polymer fiber mat, a conductive polymer foam, or a conductive material. Polymer-coated fiber foam, carbon foam, graphite foam, carbon airgel, carbon xerogel, graphene airgel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam , or combinations thereof. 제10항에 있어서, 상기 다공질 발포체는 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 육각형, 중공형, 또는 불규칙한 형상의 단면을 갖는 알칼리 금속 전지.11. The alkali metal battery according to claim 10, wherein the porous foam has a circular, elliptical, rectangular, square, hexagonal, hollow, or irregular cross section. 제1항에 있어서, 상기 전지는 길이와 직경 또는 두께 및 길이/두께 또는 길이/직경의 비인 종횡비가 10보다 큰 케이블 형상을 갖는 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery according to claim 1, wherein the battery has a cable shape with an aspect ratio, which is a ratio of length and diameter or thickness and length/thickness or length/diameter, greater than 10. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 또는 제2 전극은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합의 입자, 호일, 또는 코팅을 전극 활물질로서 포함하는 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery according to claim 1, wherein the first electrode or the second electrode includes particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or a combination thereof as an electrode active material. 제4항에 있어서, 상기 제1 전극 또는 제2 전극은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합의 입자, 호일, 또는 코팅을 전극 활물질로서 포함하는 알칼리 금속 전지.5. The alkali metal battery according to claim 4, wherein the first electrode or the second electrode includes particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or a combination thereof as an electrode active material. 제5항에 있어서, 상기 제1 전극 또는 제2 전극은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합의 입자, 호일, 또는 코팅을 전극 활물질로서 포함하는 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery according to claim 5, wherein the first electrode or the second electrode includes particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or a combination thereof as an electrode active material. 제1항에 있어서, 상기 알칼리 금속 전지는 리튬-이온 전지이고, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은
(a) 천연 흑연, 인조 흑연, 메소탄소 마이크로비드(MCMB), 및 탄소의 입자;
(b) 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 철(Fe), 및 카드뮴(Cd);
(c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, 또는 Cd와 다른 원소와의 화학양론적 또는 비화학양론적 합금 또는 금속간 화합물;
(d) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, 또는 Cd, 및 이들의 혼합물 또는 복합체의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물, 및 텔루르화물;
(e) 이들의 사전 리튬화된 형태;
(f) 사전 리튬화된 그래핀 시트;
및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 금속 전지.
The method of claim 1, wherein the alkali metal battery is a lithium-ion battery, and the first or second electrode active material is
(a) particles of natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), and carbon;
(b) Silicon (Si), Germanium (Ge), Tin (Sn), Lead (Pb), Antimony (Sb), Bismuth (Bi), Zinc (Zn), Aluminum (Al), Nickel (Ni), Cobalt ( Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd);
(c) stoichiometric or non-stoichiometric alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with other elements;
(d) oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenium of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd, and mixtures or complexes thereof. cargo, and tellurium cargo;
(e) their pre-lithiated form;
(f) a pre-lithiated graphene sheet;
and an alkali metal battery selected from the group consisting of combinations thereof.
제16항에 있어서, 상기 사전 리튬화된 그래핀 시트는 순수(pristine) 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화 그래핀, 질화 그래핀, 붕소-도핑된 그래핀, 질소-도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 이들의 물리적 또는 화학적으로 활성화되거나 에칭된 형태, 및 이들의 조합의 사전 리튬화된 형태로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 금속 전지.17. The method of claim 16, wherein the pre-lithiated graphene sheet is pristine graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, Pre-lithiation of hydrogenated graphene, nitride graphene, boron-doped graphene, nitrogen-doped graphene, chemically functionalized graphene, physically or chemically activated or etched forms thereof, and combinations thereof An alkali metal battery selected from the group consisting of 제1항에 있어서, 상기 알칼리 금속 전지는 나트륨-이온 전지이고, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은 석유 코크스, 카본 블랙, 비정질 탄소, 활성탄, 경질 탄소, 연질 탄소, 주형 탄소, 중공 탄소 나노와이어, 중공 탄소 구체, 티탄산염, NaTi2(PO4)3, Na2Ti3O7, Na2C8H4O4, Na2TP, NaxTiO2 (x = 0.2 내지 1.0), Na2C8H4O4, 카복실레이트계 물질, C8H4Na2O4, C8H6O4, C8H5NaO4, C8Na2F4O4, C10H2Na4O8, C14H4O6, C14H4Na4O8, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 삽입 화합물을 함유하는 알칼리 금속 전지.The method of claim 1, wherein the alkali metal battery is a sodium-ion battery, and the first or second electrode active material is petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, soft carbon, template carbon, or hollow carbon nanowires. , hollow carbon spheres, titanates, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 C 8 H 4 O 4 , Na 2 TP, Na x TiO 2 (x = 0.2 to 1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4 , carboxylate-based substances, C 8 H 4 Na 2 O 4 , C 8 H 6 O 4 , C 8 H 5 NaO 4 , C 8 Na 2 F 4 O 4 , C 10 H 2 Na 4 An alkali metal battery containing an alkali intercalating compound selected from the group consisting of O 8 , C 14 H 4 O 6 , C 14 H 4 Na 4 O 8 , and combinations thereof. 제1항에 있어서, 상기 알칼리 금속 전지는 나트륨-이온 전지이고, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은
(a) 나트륨- 또는 칼륨-도핑된 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 카드뮴(Cd), 및 이들의 혼합물;
(b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, 및 이들의 혼합물의 나트륨- 또는 칼륨-함유 합금 또는 금속간 화합물;
(c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, 및 이들의 혼합물 또는 복합체의 나트륨- 또는 칼륨-함유 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물, 텔루르화물, 또는 안티몬화물;
(d) 나트륨 또는 칼륨 염;
(e) 나트륨 또는 칼륨이 사전 공급된 그래핀 시트; 및
(f) 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 삽입 화합물을 함유하는 알칼리 금속 전지.
The method of claim 1, wherein the alkali metal battery is a sodium-ion battery, and the first or second electrode active material is
(a) sodium- or potassium-doped silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), cadmium (Cd), and mixtures thereof;
(b) sodium- or potassium-containing alloys or intermetallics of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof;
(c) sodium- or potassium-containing oxides, carbides, nitrides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or complexes thereof; sulfide, phosphide, selenide, telluride, or antimonide;
(d) sodium or potassium salts;
(e) a graphene sheet pre-applied with sodium or potassium; and
(f) An alkali metal battery containing an alkali intercalating compound selected from the group consisting of combinations thereof.
제1항에 있어서, 상기 제2 또는 제1 전극 활물질은 리튬 코발트 산화물, 도핑된 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 도핑된 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 도핑된 리튬 망간 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 도핑된 리튬 바나듐 산화물, 리튬 혼합 금속 산화물, 리튬 철 인산염, 리튬 바나듐 인산염, 리튬 망간 인산염, 리튬 혼합 금속 인산염, 비-리튬 금속 황화물, 리튬 셀렌화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 리튬 삽입 화합물 또는 리튬 흡수 화합물을 함유하는 알칼리 금속 전지.The method of claim 1, wherein the second or first electrode active material is lithium cobalt oxide, doped lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, doped lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, doped lithium manganese oxide, lithium vanadium oxide, or doped A lithium intercalating compound selected from the group consisting of lithium vanadium oxide, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium manganese phosphate, lithium mixed metal phosphate, non-lithium metal sulfide, lithium selenide, and combinations thereof or an alkali metal cell containing a lithium absorbing compound. 제1항에 있어서, 상기 제2 또는 제1 전극 활물질은 NaFePO4, Na(1-x)KxPO4, KFePO4, Na0.7FePO4, Na1.5VOPO4F0.5, Na3V2(PO4)3, Na3V2(PO4)2F3, Na2FePO4F, NaFeF3, NaVPO4F, KVPO4F, Na3V2(PO4)2F3, Na1.5VOPO4F0.5, Na3V2(PO4)3, NaV6O15, NaxVO2, Na0.33V2O5, NaxCoO2, Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2, Nax(Fe1/2Mn1/2)O2, NaxMnO2, λ-MnO2, NaxK(1-x)MnO2, Na0.44MnO2, Na0.44MnO2/C, Na4Mn9O18, NaFe2Mn(PO4)3, Na2Ti3O7, Ni1/3Mn1/3Co1/3O2, Cu0.56Ni0.44HCF, NiHCF, NaxMnO2, NaCrO2, KCrO2, Na3Ti2(PO4)3, NiCo2O4, Ni3S2/FeS2, Sb2O4, Na4Fe(CN)6/C, NaV1-xCrxPO4F, SezSy, (y/z = 0.01 내지 100), Se, 알루오석, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 나트륨 삽입 화합물 또는 칼륨 삽입 화합물을 함유하는 알칼리 금속 전지(x는 0.1 내지 1.0).The method of claim 1, wherein the second or first electrode active material is NaFePO 4 , Na (1-x) K x PO 4 , KFePO 4 , Na 0.7 FePO 4 , Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 , Na 2 FePO 4 F, NaFeF 3 , NaVPO 4 F, KVPO 4 F, Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 , Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , NaV 6 O 15 , Na x VO 2 , Na 0.33 V 2 O 5 , Na x CoO 2 , Na 2/3 [Ni 1/3 Mn 2/3 ] O 2 , Na x (Fe 1/2 Mn 1/2 )O 2 , Na x MnO 2 , λ-MnO 2 , Na x K (1-x) MnO 2 , Na 0.44 MnO 2 , Na 0 . 44 MnO 2 /C, Na 4 Mn 9 O 18 , NaFe 2 Mn(PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , Cu 0.56 Ni 0 . 44 HCF, NiHCF, Na x MnO 2 , NaCrO 2 , KCrO 2 , Na 3 Ti 2 (PO 4 ) 3 , NiCo 2 O 4 , Ni 3 S 2 /FeS 2 , Sb 2 O 4 , Na 4 Fe(CN) 6 /C, NaV 1-x Cr x PO 4 F, Se z S y , (y/z = 0.01 to 100), a sodium intercalating compound or potassium intercalating compound selected from the group consisting of Se, aluoselite, and combinations thereof Alkali metal cell containing compound ( x is 0.1 to 1.0). 제1항에 있어서, 상기 제1 전해질 및/또는 상기 제2 전해질은 액체 용매에 용해된 리튬염 또는 나트륨염을 함유하고, 상기 액체 용매는 물, 유기 용매, 이온성 액체, 유기 용매와 이온성 액체의 혼합물, 또는 액체 용매-고분자 겔인 알칼리 금속 전지.The method of claim 1, wherein the first electrolyte and/or the second electrolyte contains a lithium salt or a sodium salt dissolved in a liquid solvent, and the liquid solvent is water, an organic solvent, an ionic liquid, an organic solvent and an ionic Alkali metal batteries that are mixtures of liquids, or liquid solvent-polymer gels. 제1항에 있어서 상기 제1 전해질 및/또는 상기 제2 전해질은 2.5 M보다 큰 염 농도를 갖는 액체 용매에 용해된 리튬염 또는 나트륨염을 함유하는 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery according to claim 1, wherein the first electrolyte and/or the second electrolyte contains a lithium salt or a sodium salt dissolved in a liquid solvent having a salt concentration greater than 2.5 M. 제1항에 있어서 상기 제1 전해질 및/또는 상기 제2 전해질은 5.0 M보다 큰 염 농도를 갖는 액체 용매에 용해된 리튬염 또는 나트륨염을 함유하는 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery according to claim 1, wherein the first electrolyte and/or the second electrolyte contains a lithium salt or a sodium salt dissolved in a liquid solvent having a salt concentration greater than 5.0 M. 제1항에 있어서 상기 제1 전해질 및/또는 상기 제2 전해질은 7.0 M보다 큰 염 농도를 갖는 액체 용매에 용해된 리튬염 또는 나트륨염을 함유하는 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery according to claim 1, wherein the first electrolyte and/or the second electrolyte contains a lithium salt or a sodium salt dissolved in a liquid solvent having a salt concentration greater than 7.0 M. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극의 전기 전도성 다공질 로드 또는 제2 전극의 전기 전도성 다공질 층은 적어도 85 부피%의 세공을 갖고, 제1 또는 제2 전극은 100 μm 이상의 직경 또는 두께를 갖거나 전체 전지 셀의 적어도 25 중량% 또는 부피%를 차지하는 활성 질량 공급량을 갖거나, 제1 전극 활물질과 제2 전극 활물질의 합은 전체 전지 셀의 적어도 40 중량% 또는 부피%를 차지하는 알칼리 금속 전지.The method of claim 1, wherein the electrically conductive porous rod of the first electrode or the electrically conductive porous layer of the second electrode has pores of at least 85% by volume, and the first or second electrode has a diameter or thickness of 100 μm or more, or An alkali metal battery having an active mass supply that accounts for at least 25% by weight or volume% of the total battery cell, or wherein the sum of the first electrode active material and the second electrode active material accounts for at least 40% by weight or volume% of the total battery cell. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극의 전기 전도성 다공질 로드 또는 제2 전극의 전기 전도성 다공질 층은 적어도 90 부피%의 세공을 갖고, 제1 또는 제2 전극은 200 μm 이상의 직경 또는 두께를 갖거나 전체 전지 셀의 적어도 30 중량% 또는 부피%를 차지하는 활성 질량 공급량을 갖거나, 제1 전극 활물질과 제2 전극 활물질의 합은 전체 전지 셀의 적어도 50 중량% 또는 부피%를 차지하는 알칼리 금속 전지.The method of claim 1, wherein the electrically conductive porous rod of the first electrode or the electrically conductive porous layer of the second electrode has pores of at least 90% by volume, and the first or second electrode has a diameter or thickness of 200 μm or more, or An alkali metal battery having an active mass supply that accounts for at least 30% by weight or volume% of the total battery cell, or wherein the sum of the first electrode active material and the second electrode active material accounts for at least 50% by weight or volume% of the total battery cell. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극의 전기 전도성 다공질 로드 또는 제2 전극의 전기 전도성 다공질 층은 적어도 95 부피%의 세공을 갖고, 제1 또는 제2 전극은 300 μm 이상의 직경 또는 두께를 갖거나 전체 전지 셀의 적어도 35 중량% 또는 부피%를 차지하는 활성 질량 공급량을 갖거나, 제1 전극 활물질과 제2 전극 활물질의 합은 전체 전지 셀의 적어도 60 중량% 또는 부피%를 차지하는 알칼리 금속 전지.The method of claim 1, wherein the electrically conductive porous rod of the first electrode or the electrically conductive porous layer of the second electrode has pores of at least 95% by volume, and the first or second electrode has a diameter or thickness of 300 μm or more, or An alkali metal battery having an active mass supply that accounts for at least 35% by weight or volume% of the total battery cell, or wherein the sum of the first electrode active material and the second electrode active material accounts for at least 60% by weight or volume% of the total battery cell. 제1항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은 무기 물질, 유기 또는 고분자 물질, 금속 산화물/인산염/황화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물을 포함하는 알칼리 금속 전지.The method of claim 1, wherein the first or second electrode active material is an alkali containing an alkali metal intercalating compound or an alkali metal absorbing compound selected from an inorganic material, an organic or polymeric material, a metal oxide/phosphate/sulfide, or a combination thereof. metal cell. 제29항에 있어서, 상기 금속 산화물/인산염/황화물은 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 리튬 혼합 금속 산화물, 리튬 철 인산염, 리튬 망간 인산염, 리튬 바나듐 인산염, 리튬 혼합 금속 인산염, 전이 금속 황화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 금속 전지.30. The method of claim 29, wherein the metal oxide/phosphate/sulfide is lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, lithium vanadium oxide, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium manganese phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium mixed metal An alkali metal battery selected from the group consisting of phosphates, transition metal sulfides, and combinations thereof. 제29항에 있어서, 상기 무기 물질은 전이 금속 디칼코겐화물, 전이 금속 트리칼코겐화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 알칼리 금속 전지.30. The alkali metal battery of claim 29, wherein the inorganic material is selected from transition metal dichalcogenides, transition metal trichalcogenides, or combinations thereof. 제29항에 있어서, 상기 무기 물질은 TiS2, TaS2, MoS2, NbSe3, MnO2, CoO2, 산화철, 산화바나듐, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 알칼리 금속 전지.30. The alkali metal battery of claim 29, wherein the inorganic material is selected from TiS 2 , TaS 2 , MoS 2 , NbSe 3 , MnO 2 , CoO 2 , iron oxide, vanadium oxide, or combinations thereof. 제29항에 있어서, 상기 금속 산화물/인산염/황화물은 VO2, LixVO2, V2O5, LixV2O5, V3O8, LixV3O8, LixV3O7, V4O9, LixV4O9, V6O13, LixV6O13, 이들의 도핑된 형태, 이들의 유도체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 바나듐 산화물을 함유하는 알칼리 금속 전지(0.1 < x < 5).30. The method of claim 29, wherein the metal oxide/phosphate/sulfide is VO 2 , Li x VO 2 , V 2 O 5 , Li x V 2 O 5 , V 3 O 8 , Li x V 3 O 8 , Li x V 3 a vanadium oxide selected from the group consisting of O 7 , V 4 O 9 , Li x V 4 O 9 , V 6 O 13 , Li x V 6 O 13 , doped forms thereof, derivatives thereof, and combinations thereof; Alkali metal cells containing (0.1 < x < 5). 제29항에 있어서, 상기 금속 산화물/인산염/황화물은 층상 화합물 LiMO2, 스피넬 화합물 LiM2O4, 올리빈 화합물 LiMPO4, 규산염 화합물 Li2MSiO4, 타보라이트 화합물 LiMPO4F, 붕산염 화합물 LiMBO3, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 금속 전지(M은 전이 금속이거나 여러 전이 금속의 혼합물임).The method of claim 29, wherein the metal oxide/phosphate/sulfide is a layered compound LiMO 2 , a spinel compound LiM 2 O 4 , an olivine compound LiMPO 4 , a silicate compound Li 2 MSiO 4 , a taborite compound LiMPO 4 F, a borate compound LiMBO 3 , and combinations thereof, wherein M is a transition metal or a mixture of transition metals. 제29항에 있어서, 상기 무기 물질은 (a) 비스무트 셀렌화물 또는 비스무트 텔루르화물, (b) 전이금속 디칼코겐화물 또는 트리칼코겐화물, (c) 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈, 또는 전이금속의 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물, (d) 질화붕소, 및 (e) 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 금속 전지.30. The method of claim 29, wherein the inorganic material is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, An alkali metal battery selected from the group consisting of titanium, cobalt, manganese, iron, nickel, or a sulfide, selenide, or telluride of a transition metal, (d) boron nitride, and (e) combinations thereof. 제29항에 있어서, 상기 유기 물질 또는 고분자 물질은 폴리(안트라퀴노닐 설파이드) (PAQS), 리튬 옥소카본, 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실산 이무수물(PTCDA), 폴리(안트라퀴노닐 설파이드), 피렌-4,5,9,10-테트라온(PYT), 고분자-결합 PYT, 퀴노(트리아젠), 산화환원 활성 유기 물질, 테트라시아노퀴노-디메탄(TCNQ), 테트라시아노에틸렌(TCNE), 2,3,6,7,10,11-헥사메톡시트리페닐렌(HMTP), 폴리(5-아미노-1,4-디하이드록시 안트라퀴논) (PADAQ), 포스파젠 디설파이드 중합체([(NPS2)3]n), 리튬화 1,4,5,8-나프탈렌테트라올 포름알데히드 중합체, 헥사아자트리나프틸렌(HATN), 헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴(HAT(CN)6), 5-벤질리덴 히단토인, 이사틴 리튬염, 피로멜리트산 디이미드 리튬염, 테트라하이드록시-p-벤조퀴논 유도체(THQLi4), N,N'-디페닐-2,3,5,6-테트라케토피페라진(PHP), N,N'-디알릴-2,3,5,6-테트라케토피페라진(AP), N,N'-디프로필-2,3,5,6-테트라케토피페라진(PRP), 티오에테르 중합체, 퀴논 화합물, 1,4-벤조퀴논, 5,7,12,14-펜타세네테트론(PT), 5-아미노-2,3-디하이드로-1,4-디하이드록시 안트라퀴논(ADDAQ), 5-아미노-1,4-디하이드록시 안트라퀴논(ADAQ), 칼릭스퀴논, Li4C6O6, Li2C6O6, Li6C6O6, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 금속 전지.30. The method of claim 29, wherein the organic material or polymeric material is poly(anthraquinonyl sulfide) (PAQS), lithium oxocarbon, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid dianhydride (PTCDA), poly(anthraqui nonyl sulfide), pyrene-4,5,9,10-tetraone (PYT), polymer-linked PYT, quino (triazene), redox active organic substance, tetracyanoquino-dimethane (TCNQ), tetracy Anoethylene (TCNE), 2,3,6,7,10,11-hexamethoxytriphenylene (HMTP), poly(5-amino-1,4-dihydroxy anthraquinone) (PADAQ), phosphazene disulfide polymer ([(NPS 2 ) 3 ] n ), lithiated 1,4,5,8-naphthalenetetraol formaldehyde polymer, hexaazatrinaphthylene (HATN), hexaazatriphenylene hexacarbonitrile (HAT( CN) 6 ), 5-benzylidene hydantoin, isatin lithium salt, pyromellitic acid diimide lithium salt, tetrahydroxy- p- benzoquinone derivative (THQLi 4 ), N,N'-diphenyl-2,3 ,5,6-tetraketopiperazine (PHP), N,N'-diallyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (AP), N,N'-dipropyl-2,3 ,5,6-tetraketopiperazine (PRP), thioether polymer, quinone compound, 1,4-benzoquinone, 5,7,12,14-pentacenetetron (PT), 5-amino-2, 3-dihydro-1,4-dihydroxy anthraquinone (ADDAQ), 5-amino-1,4-dihydroxy anthraquinone (ADAQ), calixquinone, Li 4 C 6 O 6 , Li 2 C 6 An alkali metal battery selected from the group consisting of O 6 , Li 6 C 6 O 6 , and combinations thereof. 제36항에 있어서, 상기 티오에테르 중합체는 폴리[메탄테트릴-테트라(티오메틸렌)] (PMTTM), 폴리(2,4-디티오펜타닐렌) (PDTP), 폴리(에텐-1,1,2,2-테트라티올) (PETT)을 주쇄 티오에테르 중합체로서 함유하는 중합체, 공액 방향족 모이어티로 이루어진 주쇄를 갖고 티오에테르 측쇄를 펜던트로서 갖는 측쇄 티오에테르 중합체, 폴리(2-페닐-1,3-디티올란) (PPDT), 폴리(1,4-디(1,3-디티올란-2-일)벤젠) (PDDTB), 폴리(테트라하이드로벤조디티오펜) (PTHBDT), 폴리[1,2,4,5-테트라키스(프로필티오)벤젠] (PTKPTB, 폴리[3,4(에티렌디티오)티오펜] (PEDTT), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 금속 전지.37. The method of claim 36, wherein the thioether polymer is poly[methanetetril-tetra(thiomethylene)] (PMTTM), poly(2,4-dithiopentanylene) (PDTP), poly(ethene-1,1, Polymers containing 2,2-tetrathiol) (PETT) as main chain thioether polymers, side chain thioether polymers having a main chain consisting of conjugated aromatic moieties and having thioether side chains as pendants, poly(2-phenyl-1,3 -dithiolane) (PPDT), poly(1,4-di(1,3-dithiolan-2-yl)benzene) (PDDTB), poly(tetrahydrobenzodithiophene) (PTHBDT), poly[1,2 ,4,5-tetrakis(propylthio)benzene] (PTKPTB, poly[3,4(ethyrendithio)thiophene] (PEDTT), and combinations thereof. 제29항에 있어서, 상기 유기 물질은 구리 프탈로시아닌, 아연 프탈로시아닌, 주석 프탈로시아닌, 철 프탈로시아닌, 납 프탈로시아닌, 니켈 프탈로시아닌, 바나딜 프탈로시아닌, 플루오로크롬 프탈로시아닌, 마그네슘 프탈로시아닌, 망간 프탈로시아닌, 디리튬 프탈로시아닌, 알루미늄 프탈로시아닌 클로라이드, 카드뮴 프탈로시아닌, 클로로갈륨 프탈로시아닌, 코발트 프탈로시아닌, 은 프탈로시아닌, 금속 비함유 프탈로시아닌, 이들의 화학적 유도체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 프탈로시아닌 화합물을 함유하는 알칼리 금속 전지.30. The method of claim 29, wherein the organic material is copper phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tin phthalocyanine, iron phthalocyanine, lead phthalocyanine, nickel phthalocyanine, vanadyl phthalocyanine, fluorochrome phthalocyanine, magnesium phthalocyanine, manganese phthalocyanine, dilithium phthalocyanine, aluminum phthalocyanine chloride An alkali metal battery containing a phthalocyanine compound selected from the group consisting of cadmium phthalocyanine, chlorogallium phthalocyanine, cobalt phthalocyanine, silver phthalocyanine, metal-free phthalocyanine, chemical derivatives thereof, and combinations thereof. 제2항에 있어서, 상기 캐소드는 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 붕화물, 금속 디칼코겐화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물을 함유하는 알칼리 금속 전지.3. The alkali metal battery of claim 2, wherein the cathode contains an alkali metal intercalating compound or an alkali metal absorbing compound selected from the group consisting of metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, and combinations thereof. 제3항에 있어서, 상기 캐소드는 나노와이어, 나노디스크, 나노리본, 또는 나노판상체 형태의, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 코발트, 망간, 철, 및 니켈의 산화물, 디칼코겐화물, 트리칼코겐화물, 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물을 함유하는 알칼리 금속 전지.4. The method of claim 3, wherein the cathode is made of niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, cobalt, manganese, iron, and An alkali metal battery containing an alkali metal intercalating compound or an alkali metal absorbing compound selected from the group consisting of oxides, dichalcogenides, trichalcogenides, sulfides, selenides, and tellurides of nickel. 제2항에 있어서, 상기 캐소드 활물질은 (a) 비스무트 셀렌화물 또는 비스무트 텔루르화물, (b) 전이금속 디칼코겐화물 또는 트리칼코겐화물, (c) 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈, 또는 전이금속의 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물, (d) 질화붕소, 및 (e) 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질의 나노디스크, 나노판상체, 나노코팅, 또는 나노시트를 함유하고, 상기 디스크, 판상체, 또는 시트는 100 nm 미만의 두께를 갖는 알칼리 금속 전지.3. The method of claim 2, wherein the cathode active material is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, Nanodisks, nanoplatelets of an inorganic material selected from the group consisting of titanium, cobalt, manganese, iron, nickel, or sulfides, selenides, or tellurides of transition metals, (d) boron nitride, and (e) combinations thereof An alkali metal cell comprising a superstructure, nanocoating, or nanosheet, wherein the disk, platelet, or sheet has a thickness of less than 100 nm. 제1항에 있어서, 상기 전지의 길이는 1 m보다 큰 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery according to claim 1, wherein the length of the battery is greater than 1 m. 제1항에 있어서, 상기 전지는 10 cm보다 큰 곡률 반경을 가지고 구부러지는 알칼리 금속 전지.2. The alkali metal cell of claim 1, wherein the cell is bendable with a radius of curvature greater than 10 cm. 제1항에 있어서, 상기 전지는 차량의 빈 공간 또는 내부 구획(상기 빈 공간 또는 내부 구획은 트렁크, 도어, 해치, 스페어 타이어 구획, 시트 내부 영역, 시트백 내부 영역, 시트 아래 영역 또는 대시보드 아래 영역을 포함)의 형상에 실질적으로 부합되도록 구부릴 수 있는 알칼리 금속 전지.The method of claim 1, wherein the battery is an empty space or internal compartment of the vehicle (the empty space or interior compartment is a trunk, a door, a hatch, a spare tire compartment, an area inside a seat, an area inside a seatback, an area under a seat, or an area under a dashboard) Alkali metal battery that can be bent to substantially conform to the shape of (including). 제44항에 있어서, 상기 전지는 차량으로부터 분리 가능하고, 다른 빈 공간 또는 내부 구획의 형상에 부합되도록 구부릴 수 있는 알칼리 금속 전지.45. The alkali metal battery of claim 44, wherein the battery is removable from the vehicle and is bendable to conform to the shape of another void or interior compartment. 제1항에 있어서, 상기 전지의 하나 이상의 유닛이 의류, 벨트, 지지 스트랩, 운반 스트랩, 수하물 스트랩, 무기 스트랩, 악기 스트랩, 헬멧, 모자, 부츠, 발 커버, 장갑, 손목 커버, 시계 밴드, 보석 물품, 동물 목줄 또는 동물 하네스에 통합되는 알칼리 금속 전지.2. The method of claim 1 wherein one or more units of said cells are used in clothing, belts, support straps, carrying straps, luggage straps, weapon straps, musical instrument straps, helmets, hats, boots, foot covers, gloves, wrist covers, watch bands, jewelry. Alkali metal batteries incorporated into articles, animal collars or animal harnesses. 제1항에 있어서, 상기 전지의 하나 이상의 유닛이 의류, 벨트, 지지 스트랩, 운반 스트랩, 수하물 스트랩, 무기 스트랩, 악기 스트랩, 헬멧, 모자, 부츠, 발 커버, 장갑, 손목 커버, 시계 밴드, 보석 물품, 동물 목줄 또는 동물 하네스에 착탈식으로 통합되는 알칼리 금속 전지.2. The method of claim 1 wherein one or more units of said cells are used in clothing, belts, support straps, carrying straps, luggage straps, weapon straps, musical instrument straps, helmets, hats, boots, foot covers, gloves, wrist covers, watch bands, jewelry. An alkali metal battery that is removably integrated into an article, animal leash or animal harness. 제1항에 있어서, 상기 전지는 중공 자전거 프레임의 내부 캐비티에 부합되는 알칼리 금속 전지.The alkali metal battery of claim 1, wherein the battery fits into an inner cavity of a hollow bicycle frame. 케이블 형상의 알칼리 금속 전지를 제조하는 방법으로서, 상기 알칼리 금속은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 상기 케이블 형상은 길이 대 두께 또는 길이 대 직경의 비가 10 이상이고, 상기 방법은
(e) 세공 및 제1 전극 활물질과 제1 전해질의 제1 혼합물을 갖는 전기 전도성 다공질 로드를 포함하고, 상기 제1 혼합물은 상기 다공질 로드의 상기 세공 내에 존재하는 제1 전극을 제공하는 단계;
(f) 상기 제1 전극을 다공질 세퍼레이터로 둘러싸거나 감싸 다공질 세퍼레이터-보호 구조를 형성하는 단계;
(g) 상기 다공질 세퍼레이터-보호 구조를 전기 전도성 다공질 층을 포함하는 제2 전극으로 둘러싸거나 감싸는 단계(상기 전도성 다공질 층은 세공 및 제2 전극 활물질과 제2 전해질의 제2 혼합물을 함유하고, 상기 제2 혼합물은 상기 다공질 층의 상기 세공 내에 존재함); 및
(h) 상기 제2 전극을 보호 케이싱 또는 외피로 둘러싸거나 감싸 상기 전지를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 다공질 세퍼레이터의 내측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도성 다공질 로드와 접하며, 상기 다공질 세퍼레이터의 외측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도성 다공질 층과 접하는,
방법.
A method for producing a cable-shaped alkali metal battery, wherein the alkali metal is selected from Li, Na, K, or a combination thereof, the cable shape has a length-to-thickness or length-to-diameter ratio of 10 or more, the method comprising:
(e) providing a first electrode comprising pores and an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte, the first mixture being within the pores of the porous rod;
(f) forming a porous separator-protecting structure by surrounding or wrapping the first electrode with a porous separator;
(g) surrounding or wrapping the porous separator-protecting structure with a second electrode comprising an electrically conductive porous layer, wherein the conductive porous layer contains pores and a second mixture of a second electrode active material and a second electrolyte; the second mixture is present in the pores of the porous layer; and
(h) forming the battery by surrounding or wrapping the second electrode with a protective casing or sheath;
The inner surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive porous rod serving as a current collector, and the outer surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive porous layer serving as a current collector.
method.
케이블 형상의 알칼리 금속 전지를 제조하는 방법으로서, 상기 알칼리 금속은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 상기 방법은
(a) 전기 전도성 로드 및 상기 전도성 로드의 표면에 코팅된 선택적 제1 전해질과 제1 전극 활물질의 제1 혼합물을 포함하는 제1 전극을 제공하는 단계;
(b) 상기 제1 전극을 다공질 세퍼레이터로 둘러싸거나 감싸 다공질 세퍼레이터-보호 구조를 형성하는 단계;
(c) 상기 다공질 세퍼레이터-보호 구조를 전기 전도성 다공질 층을 포함하는 제2 전극으로 둘러싸거나 감싸는 단계(상기 전도성 다공질 층은 세공 및 제2 전극 활물질과 제2 전해질의 제2 혼합물을 함유하고, 상기 제2 혼합물은 상기 다공질 층의 상기 세공 내에 존재함); 및
(d) 상기 제2 전극을 보호 케이싱 또는 외피로 둘러싸거나 감싸 상기 전지를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 다공질 세퍼레이터의 내측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도성 다공질 로드와 접하며, 상기 다공질 세퍼레이터의 외측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도성 다공질 층과 접하는,
방법.
A method for producing a cable-shaped alkali metal battery, wherein the alkali metal is selected from Li, Na, K, or a combination thereof, the method comprising:
(a) providing a first electrode comprising an electrically conductive rod and a first mixture of a first electrode active material and an optional first electrolyte coated on a surface of the conductive rod;
(b) forming a porous separator-protecting structure by surrounding or wrapping the first electrode with a porous separator;
(c) surrounding or wrapping the porous separator-protecting structure with a second electrode comprising an electrically conductive porous layer, wherein the conductive porous layer contains pores and a second mixture of a second electrode active material and a second electrolyte; the second mixture is present in the pores of the porous layer; and
(d) forming the battery by surrounding or wrapping the second electrode with a protective casing or sheath;
The inner surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive porous rod serving as a current collector, and the outer surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive porous layer serving as a current collector.
method.
케이블 형상의 알칼리 금속 전지를 제조하는 방법으로서, 상기 알칼리 금속은 Li, Na, K, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 상기 방법은
(a) 세공 및 제1 전극 활물질과 제1 전해질의 제1 혼합물을 갖는 전기 전도성 다공질 로드를 포함하고, 상기 제1 혼합물은 상기 다공질 로드의 상기 세공 내에 존재하는 제1 전극을 제공하는 단계;
(b) 상기 제1 전극을 다공질 세퍼레이터로 둘러싸거나 감싸 다공질 세퍼레이터-보호 구조를 형성하는 단계;
(c) 상기 다공질 세퍼레이터-보호 구조를 전기 전도층을 포함하는 제2 전극으로 둘러싸거나 감싸는 단계(상기 전기 전도층은 제2 전극 활물질과 선택적 제2 전해질의 제2 혼합물을 함유함); 및
(d) 상기 제2 전극을 보호 케이싱 또는 외피로 둘러싸거나 감싸 상기 전지를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 다공질 세퍼레이터의 내측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도성 다공질 로드와 접하며, 상기 다공질 세퍼레이터의 외측면은 집전체 역할하는 상기 전기 전도층과 접하는,
방법.
A method for producing a cable-shaped alkali metal battery, wherein the alkali metal is selected from Li, Na, K, or a combination thereof, the method comprising:
(a) providing a first electrode comprising pores and an electrically conductive porous rod having pores and a first mixture of a first electrode active material and a first electrolyte, the first mixture being within the pores of the porous rod;
(b) forming a porous separator-protecting structure by surrounding or wrapping the first electrode with a porous separator;
(c) surrounding or surrounding the porous separator-protecting structure with a second electrode comprising an electrically conductive layer, wherein the electrically conductive layer contains a second mixture of a second electrode active material and an optional second electrolyte; and
(d) forming the battery by surrounding or wrapping the second electrode with a protective casing or sheath;
The inner surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive porous rod serving as a current collector, and the outer surface of the porous separator is in contact with the electrically conductive layer serving as a current collector.
method.
제49항에 있어서, 단계 (e)는 상기 전도성 다공질 로드에 적어도 하나의 금속 와이어, 전도성 탄소/흑연 섬유, 또는 전도성 고분자 섬유를 도입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.50. The method of claim 49, wherein step (e) further comprises introducing at least one metal wire, conductive carbon/graphite fiber, or conductive polymeric fiber into the conductive porous rod. 제49항에 있어서, 상기 제1 전극의 전기 전도성 다공질 로드 또는 제2 전극의 전기 전도성 다공질 층은 금속 발포체, 금속 웹, 금속 섬유 매트, 금속 나노와이어 매트, 전도성 고분자 섬유 매트, 전도성 고분자 발포체, 전도성 고분자-코팅 섬유 발포체, 탄소 발포체, 흑연 발포체, 탄소 에어로겔, 탄소 제로겔, 그래핀 에어로겔, 그래핀 발포체, 그래핀 산화물 발포체, 환원된 그래핀 산화물 발포체, 탄소 섬유 발포체, 흑연 섬유 발포체, 박리 흑연 발포체, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 다공질 발포체를 함유하는 방법.50. The method of claim 49, wherein the electrically conductive porous rod of the first electrode or the electrically conductive porous layer of the second electrode is a metal foam, metal web, metal fiber mat, metal nanowire mat, conductive polymer fiber mat, conductive polymer foam, conductive Polymer-coated fiber foam, carbon foam, graphite foam, carbon airgel, carbon xerogel, graphene airgel, graphene foam, graphene oxide foam, reduced graphene oxide foam, carbon fiber foam, graphite fiber foam, exfoliated graphite foam , or combinations thereof. 제53항에 있어서, 상기 다공질 발포체는 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 육각형, 중공형, 또는 불규칙한 형상의 단면을 갖는 방법.54. The method of claim 53, wherein the porous foam has a circular, elliptical, rectangular, square, hexagonal, hollow, or irregularly shaped cross-section. 제49항에 있어서, 상기 단계 (e) 또는 단계 (g)는 Li, Na, K, 또는 이들의 조합의 입자, 호일, 또는 코팅을 전극 활물질로서 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 도입하는 과정을 포함하는 방법.50. The method of claim 49, wherein step (e) or step (g) introduces particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as an active electrode material into the first electrode or the second electrode. How to include courses. 제50항에 있어서, 상기 단계 (a) 또는 단계 (c)는 Li, Na, K, 또는 이들의 조합의 입자, 호일, 또는 코팅을 전극 활물질로서 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 도입하는 과정을 포함하는 방법.51. The method of claim 50, wherein step (a) or step (c) introduces particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as an active electrode material into the first electrode or the second electrode. How to include courses. 제51항에 있어서, 상기 단계 (a) 또는 단계 (c)는 Li, Na, K, 또는 이들의 조합의 입자, 호일, 또는 코팅을 전극 활물질로서 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 도입하는 과정을 포함하는 방법.52. The method of claim 51, wherein step (a) or step (c) introduces particles, foils, or coatings of Li, Na, K, or combinations thereof as an active electrode material into the first electrode or the second electrode. How to include courses. 제49항에 있어서, 상기 단계 (e)는 (i) 상호 연결된 전자 전도 경로를 포함하고 적어도 하나의 다공질 표면을 갖는 상기 전기 전도성 다공질 로드를 제1 전극 활물질 함침 구역에 연속적으로 공급하는 단계; 및 (ii) 상기 적어도 하나의 다공질 표면으로부터 상기 전기 전도성 다공질 로드 내로 상기 제1 혼합물을 함침시켜 상기 제1 전극을 형성하는 단계를 포함하는 방법.50. The method of claim 49, wherein step (e) comprises: (i) continuously supplying the electrically conductive porous rod comprising interconnected electron conduction pathways and having at least one porous surface to a first electrode active material impregnation zone; and (ii) impregnating the first mixture from the at least one porous surface into the electrically conductive porous rod to form the first electrode. 제58항에 있어서, 상기 단계 (e)는 분무, 인쇄, 코팅, 캐스팅, 컨베이어 필름 전달, 및/또는 롤러 표면 전달을 통해 상기 적어도 하나의 다공질 표면에 상기 제1 혼합물을 연속적으로 또는 요구에 따라 간헐적으로 전달하는 단계를 포함하는 방법.59. The method of claim 58, wherein step (e) continuously or on demand applies the first mixture to the at least one porous surface via spraying, printing, coating, casting, conveyor film transfer, and/or roller surface transfer. A method comprising intermittently delivering. 제49항에 있어서, 상기 단계 (g)는 (i) 상호 연결된 전자 전도 경로를 포함하고 적어도 하나의 다공질 표면을 갖는 상기 전기 전도성 다공질 층을 상기 제2 전극 활물질의 함침 구역에 연속적으로 공급하는 단계; 및 (ii) 상기 적어도 하나의 다공질 표면으로부터 상기 전기 전도성 다공질 층 내로 상기 제2 혼합물을 함침시켜 상기 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 방법.50. The method of claim 49, wherein step (g) comprises: (i) continuously supplying the electrically conductive porous layer comprising interconnected electron conduction pathways and having at least one porous surface to the impregnation zone of the second electrode active material; ; and (ii) impregnating the second mixture from the at least one porous surface into the electrically conductive porous layer to form the second electrode. 제60항에 있어서, 상기 단계 (g)는 분무, 인쇄, 코팅, 캐스팅, 컨베이어 필름 전달, 및/또는 롤러 표면 전달을 통해 상기 적어도 하나의 다공질 표면에 상기 제2 혼합물을 연속적으로 또는 요구에 따라 간헐적으로 전달하는 단계를 포함하는 방법.61. The method of claim 60, wherein step (g) continuously or on demand applies the second mixture to the at least one porous surface via spraying, printing, coating, casting, conveyor film transfer, and/or roller surface transfer. A method comprising intermittently delivering. 제49항에 있어서, 상기 단계 (f)는 상기 제1 전극을 다공질 세퍼레이터 밴드로 코일 또는 나선형 방식으로 둘러싸 상기 다공질 세퍼레이터-보호 구조를 형성하는 단계를 포함하는 방법.50. The method of claim 49, wherein step (f) includes wrapping the first electrode with a porous separator band in a coiled or spiral fashion to form the porous separator-protecting structure. 제49항에 있어서, 상기 단계 (f)는 전기 절연 물질을 분무하여 상기 제1 전극을 감싸 상기 제1 전극을 덮는 다공질 쉘 구조를 형성하여 상기 다공질 세퍼레이터-보호 구조를 형성하는 단계를 포함하는 방법.50. The method according to claim 49, wherein step (f) comprises forming a porous shell structure covering the first electrode by spraying an electrical insulating material to wrap the first electrode to form the porous separator-protecting structure. . 제49항에 있어서, 상기 단계 (g)는 상기 다공질 세퍼레이터-보호 구조를 상기 제2 전극으로 직선 또는 나선형 방식으로 둘러싸거나 감싸는 단계를 포함하는 방법.50. The method of claim 49, wherein step (g) includes enclosing or wrapping the porous separator-protecting structure with the second electrode in a linear or spiral fashion. 제49항에 있어서, 상기 알칼리 금속 전지는 리튬-이온 전지이고, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은
(g) 천연 흑연, 인조 흑연, 메소탄소 마이크로비드(MCMB), 및 탄소의 입자;
(h) 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 철(Fe), 및 카드뮴(Cd);
(i) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, 또는 Cd와 다른 원소와의 화학양론적 또는 비화학양론적 합금 또는 금속간 화합물;
(j) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, 또는 Cd, 및 이들의 혼합물 또는 복합체의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물, 및 텔루르화물;
(k) 이들의 사전 리튬화된 형태;
(l) 사전 리튬화된 그래핀 시트;
및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
50. The method of claim 49, wherein the alkali metal battery is a lithium-ion battery, and the first or second electrode active material is
(g) particles of natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), and carbon;
(h) Silicon (Si), Germanium (Ge), Tin (Sn), Lead (Pb), Antimony (Sb), Bismuth (Bi), Zinc (Zn), Aluminum (Al), Nickel (Ni), Cobalt ( Co), manganese (Mn), titanium (Ti), iron (Fe), and cadmium (Cd);
(i) stoichiometric or non-stoichiometric alloys or intermetallic compounds of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, or Cd with other elements;
(j) oxides, carbides, nitrides, sulfides, phosphides, selenium of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ni, Co, Ti, Mn, or Cd, and mixtures or composites thereof. cargo, and tellurium cargo;
(k) their pre-lithiated forms;
(l) a pre-lithiated graphene sheet;
and combinations thereof.
제49항에 있어서, 상기 알칼리 금속 전지는 나트륨-이온 전지이고, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은 석유 코크스, 카본 블랙, 비정질 탄소, 활성탄, 경질 탄소, 연질 탄소, 주형 탄소, 중공 탄소 나노와이어, 중공 탄소 구체, 티탄산염, NaTi2(PO4)3, Na2Ti3O7, Na2C8H4O4, Na2TP, NaxTiO2 (x = 0.2 내지 1.0), Na2C8H4O4, 카복실레이트계 물질, C8H4Na2O4, C8H6O4, C8H5NaO4, C8Na2F4O4, C10H2Na4O8, C14H4O6, C14H4Na4O8, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 삽입 화합물을 함유하는 방법.50. The method of claim 49, wherein the alkali metal battery is a sodium-ion battery, and the first or second electrode active material is petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, activated carbon, hard carbon, soft carbon, template carbon, hollow carbon nanowires , hollow carbon spheres, titanates, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 C 8 H 4 O 4 , Na 2 TP, Na x TiO 2 (x = 0.2 to 1.0), Na 2 C 8 H 4 O 4 , carboxylate-based substances, C 8 H 4 Na 2 O 4 , C 8 H 6 O 4 , C 8 H 5 NaO 4 , C 8 Na 2 F 4 O 4 , C 10 H 2 Na 4 A method containing an alkali intercalating compound selected from the group consisting of O 8 , C 14 H 4 O 6 , C 14 H 4 Na 4 O 8 , and combinations thereof. 제49항에 있어서, 알칼리 금속 전지는 나트륨-이온 전지이고, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은
(g) 나트륨- 또는 칼륨-도핑된 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 카드뮴(Cd), 및 이들의 혼합물;
(h) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, 및 이들의 혼합물의 나트륨- 또는 칼륨-함유 합금 또는 금속간 화합물;
(i) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, 및 이들의 혼합물 또는 복합체의 나트륨- 또는 칼륨-함유 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물, 텔루르화물, 또는 안티몬화물;
(j) 나트륨 또는 칼륨 염;
(k) 나트륨 또는 칼륨이 사전 공급된 그래핀 시트; 및
(l) 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 삽입 화합물을 함유하는 방법.
50. The method of claim 49, wherein the alkali metal battery is a sodium-ion battery, and the first or second electrode active material is
(g) sodium- or potassium-doped silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), cadmium (Cd), and mixtures thereof;
(h) sodium- or potassium-containing alloys or intermetallics of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures thereof;
(i) sodium- or potassium-containing oxides, carbides, nitrides of Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Fe, Ti, Co, Ni, Mn, Cd, and mixtures or complexes thereof; sulfide, phosphide, selenide, telluride, or antimonide;
(j) sodium or potassium salts;
(k) a graphene sheet pre-applied with sodium or potassium; and
(1) A method containing an alkali intercalating compound selected from the group consisting of combinations thereof.
제49항에 있어서, 상기 제2 또는 제1 전극 활물질은 리튬 코발트 산화물, 도핑된 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 도핑된 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 도핑된 리튬 망간 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 도핑된 리튬 바나듐 산화물, 리튬 혼합 금속 산화물, 리튬 철 인산염, 리튬 바나듐 인산염, 리튬 망간 인산염, 리튬 혼합 금속 인산염, 금속 황화물, 리튬 셀렌화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 리튬 삽입 화합물 또는 리튬 흡수 화합물을 함유하는 방법.50. The method of claim 49, wherein the second or first electrode active material is lithium cobalt oxide, doped lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, doped lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, doped lithium manganese oxide, lithium vanadium oxide, doped a lithium intercalating compound selected from the group consisting of lithium vanadium oxide, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium manganese phosphate, lithium mixed metal phosphate, metal sulfide, lithium selenide, and combinations thereof; Methods of containing the compound. 제49항에 있어서, 상기 제2 또는 제1 전극 활물질은 NaFePO4, Na(1-x)KxPO4, KFePO4, Na0.7FePO4, Na1.5VOPO4F0.5, Na3V2(PO4)3, Na3V2(PO4)2F3, Na2FePO4F, NaFeF3, NaVPO4F, KVPO4F, Na3V2(PO4)2F3, Na1.5VOPO4F0.5, Na3V2(PO4)3, NaV6O15, NaxVO2, Na0.33V2O5, NaxCoO2, Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2, Nax(Fe1/2Mn1/2)O2, NaxMnO2, λ-MnO2, NaxK(1-x)MnO2, Na0.44MnO2, Na0.44MnO2/C, Na4Mn9O18, NaFe2Mn(PO4)3, Na2Ti3O7, Ni1/3Mn1/3Co1/3O2, Cu0.56Ni0.44HCF, NiHCF, NaxMnO2, NaCrO2, KCrO2, Na3Ti2(PO4)3, NiCo2O4, Ni3S2/FeS2, Sb2O4, Na4Fe(CN)6/C, NaV1-xCrxPO4F, SezSy, (y/z = 0.01 내지 100), Se, 알루오석, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 나트륨 삽입 화합물 또는 칼륨 삽입 화합물을 함유하는 방법(x는 0.1 내지 1.0).The method of claim 49, wherein the second or first electrode active material is NaFePO 4 , Na (1-x) K x PO 4 , KFePO 4 , Na 0.7 FePO 4 , Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 , Na 2 FePO 4 F, NaFeF 3 , NaVPO 4 F, KVPO 4 F, Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 , Na 1.5 VOPO 4 F 0.5 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , NaV 6 O 15 , Na x VO 2 , Na 0.33 V 2 O 5 , Na x CoO 2 , Na 2/3 [Ni 1/3 Mn 2/3 ] O 2 , Na x (Fe 1/2 Mn 1/2 )O 2 , Na x MnO 2 , λ-MnO 2 , Na x K (1-x) MnO 2 , Na 0.44 MnO 2 , Na 0 . 44 MnO 2 /C, Na 4 Mn 9 O 18 , NaFe 2 Mn(PO 4 ) 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , Cu 0.56 Ni 0 . 44 HCF, NiHCF, Na x MnO 2 , NaCrO 2 , KCrO 2 , Na 3 Ti 2 (PO 4 ) 3 , NiCo 2 O 4 , Ni 3 S 2 /FeS 2 , Sb 2 O 4 , Na 4 Fe(CN) 6 /C, NaV 1-x Cr x PO 4 F, Se z S y , (y/z = 0.01 to 100), a sodium intercalating compound or potassium intercalating compound selected from the group consisting of Se, aluoselite, and combinations thereof A method containing a compound ( x is from 0.1 to 1.0). 제49항에 있어서, 상기 제1 전해질 및/또는 상기 제2 전해질은 액체 용매에 용해된 리튬염 또는 나트륨염을 함유하고, 상기 액체 용매는 물, 유기 용매, 이온성 액체, 유기 용매와 이온성 액체의 혼합물, 또는 액체 용매-고분자 겔인 방법.50. The method of claim 49, wherein the first electrolyte and/or the second electrolyte contains a lithium salt or a sodium salt dissolved in a liquid solvent, wherein the liquid solvent is water, an organic solvent, an ionic liquid, an organic solvent and an ionic liquid A method that is a mixture of liquids, or liquid solvent-polymer gels. 제49항에 있어서 상기 제1 전해질 및/또는 상기 제2 전해질은 2.5 M 내지 14 M의 염 농도를 갖는 액체 용매에 용해된 리튬염 또는 나트륨염을 함유하는 방법.50. The method of claim 49, wherein the first electrolyte and/or the second electrolyte contains a lithium salt or a sodium salt dissolved in a liquid solvent having a salt concentration of 2.5 M to 14 M. 제49항에 있어서, 상기 제1 전극의 전기 전도성 다공질 로드 또는 제2 전극의 전기 전도성 다공질 층은 70 부피% 내지 99 부피%의 세공을 갖는 방법.50. The method of claim 49, wherein the electrically conductive porous rod of the first electrode or the electrically conductive porous layer of the second electrode has between 70% and 99% by volume of pores. 제49항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 전극 활물질은 무기 물질, 유기 또는 고분자 물질, 금속 산화물/인산염/황화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물을 포함하는 방법.50. The method of claim 49, wherein the first or second electrode active material comprises an alkali metal intercalating compound or an alkali metal absorbing compound selected from inorganic materials, organic or polymeric materials, metal oxides/phosphates/sulfides, or combinations thereof. . 제73항에 있어서, 상기 금속 산화물/인산염/황화물은 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 리튬 혼합 금속 산화물, 리튬 철 인산염, 리튬 망간 인산염, 리튬 바나듐 인산염, 리튬 혼합 금속 인산염, 전이 금속 황화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.74. The method of claim 73, wherein the metal oxide/phosphate/sulfide is lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, lithium vanadium oxide, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium manganese phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium mixed metal A method selected from the group consisting of phosphates, transition metal sulfides, and combinations thereof. 제73항에 있어서, 상기 무기 물질은 TiS2, TaS2, MoS2, NbSe3, MnO2, CoO2, 산화철, 산화바나듐, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.74. The method of claim 73, wherein the inorganic material is selected from the group consisting of TiS 2 , TaS 2 , MoS 2 , NbSe 3 , MnO 2 , CoO 2 , iron oxide, vanadium oxide, and combinations thereof. 제73항에 있어서, 상기 금속 산화물/인산염/황화물은 VO2, LixVO2, V2O5, LixV2O5, V3O8, LixV3O8, LixV3O7, V4O9, LixV4O9, V6O13, LixV6O13, 이들의 도핑된 형태, 이들의 유도체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 바나듐 산화물을 함유하는 방법(0.1 < x < 5).74. The method of claim 73, wherein the metal oxide/phosphate/sulfide is VO 2 , Li x VO 2 , V 2 O 5 , Li x V 2 O 5 , V 3 O 8 , Li x V 3 O 8 , Li x V 3 a vanadium oxide selected from the group consisting of O 7 , V 4 O 9 , Li x V 4 O 9 , V 6 O 13 , Li x V 6 O 13 , doped forms thereof, derivatives thereof, and combinations thereof; method containing (0.1 < x < 5). 제73항에 있어서, 상기 금속 산화물/인산염/황화물은 층상 화합물 LiMO2, 스피넬 화합물 LiM2O4, 올리빈 화합물 LiMPO4, 규산염 화합물 Li2MSiO4, 타보라이트 화합물 LiMPO4F, 붕산염 화합물 LiMBO3, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법(M은 전이 금속이거나 여러 전이 금속의 혼합물임).74. The method of claim 73, wherein the metal oxide/phosphate/sulfide is a layered compound LiMO 2 , a spinel compound LiM 2 O 4 , an olivine compound LiMPO 4 , a silicate compound Li 2 MSiO 4 , a taborite compound LiMPO 4 F, a borate compound LiMBO 3 , and combinations thereof, wherein M is a transition metal or a mixture of several transition metals. 제73항에 있어서, 상기 무기 물질은 (a) 비스무트 셀렌화물 또는 비스무트 텔루르화물, (b) 전이금속 디칼코겐화물 또는 트리칼코겐화물, (c) 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈, 또는 전이금속의 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물, (d) 질화붕소, 및 (e) 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.74. The method of claim 73, wherein the inorganic material is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, A method selected from the group consisting of titanium, cobalt, manganese, iron, nickel, or a sulfide, selenide, or telluride of a transition metal, (d) boron nitride, and (e) combinations thereof. 제73항에 있어서, 상기 유기 물질 또는 고분자 물질은 폴리(안트라퀴노닐 설파이드) (PAQS), 리튬 옥소카본, 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실산 이무수물(PTCDA), 폴리(안트라퀴노닐 설파이드), 피렌-4,5,9,10-테트라온(PYT), 고분자-결합 PYT, 퀴노(트리아젠), 산화환원 활성 유기 물질, 테트라시아노퀴노-디메탄(TCNQ), 테트라시아노에틸렌(TCNE), 2,3,6,7,10,11-헥사메톡시트리페닐렌(HMTP), 폴리(5-아미노-1,4-디하이드록시 안트라퀴논) (PADAQ), 포스파젠 디설파이드 중합체([(NPS2)3]n), 리튬화 1,4,5,8-나프탈렌테트라올 포름알데히드 중합체, 헥사아자트리나프틸렌(HATN), 헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴(HAT(CN)6), 5-벤질리덴 히단토인, 이사틴 리튬염, 피로멜리트산 디이미드 리튬염, 테트라하이드록시-p-벤조퀴논 유도체(THQLi4), N,N'-디페닐-2,3,5,6-테트라케토피페라진(PHP), N,N'-디알릴-2,3,5,6-테트라케토피페라진(AP), N,N'-디프로필-2,3,5,6-테트라케토피페라진(PRP), 티오에테르 중합체, 퀴논 화합물, 1,4-벤조퀴논, 5,7,12,14-펜타세네테트론(PT), 5-아미노-2,3-디하이드로-1,4-디하이드록시 안트라퀴논(ADDAQ), 5-아미노-1,4-디하이드록시 안트라퀴논(ADAQ), 칼릭스퀴논, Li4C6O6, Li2C6O6, Li6C6O6, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.74. The method of claim 73, wherein the organic or polymeric material is poly(anthraquinonyl sulfide) (PAQS), lithium oxocarbon, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), poly(anthraqui nonyl sulfide), pyrene-4,5,9,10-tetraone (PYT), polymer-linked PYT, quino (triazene), redox active organic substance, tetracyanoquino-dimethane (TCNQ), tetracy Anoethylene (TCNE), 2,3,6,7,10,11-hexamethoxytriphenylene (HMTP), poly(5-amino-1,4-dihydroxy anthraquinone) (PADAQ), phosphazene disulfide polymer ([(NPS 2 ) 3 ] n ), lithiated 1,4,5,8-naphthalenetetraol formaldehyde polymer, hexaazatrinaphthylene (HATN), hexaazatriphenylene hexacarbonitrile (HAT( CN) 6 ), 5-benzylidene hydantoin, isatin lithium salt, pyromellitic acid diimide lithium salt, tetrahydroxy- p- benzoquinone derivative (THQLi 4 ), N,N'-diphenyl-2,3 ,5,6-tetraketopiperazine (PHP), N,N'-diallyl-2,3,5,6-tetraketopiperazine (AP), N,N'-dipropyl-2,3 ,5,6-tetraketopiperazine (PRP), thioether polymer, quinone compound, 1,4-benzoquinone, 5,7,12,14-pentacenetetron (PT), 5-amino-2, 3-dihydro-1,4-dihydroxy anthraquinone (ADDAQ), 5-amino-1,4-dihydroxy anthraquinone (ADAQ), calixquinone, Li 4 C 6 O 6 , Li 2 C 6 A method selected from the group consisting of O 6 , Li 6 C 6 O 6 , and combinations thereof. 제73항에 있어서, 상기 유기 물질은 구리 프탈로시아닌, 아연 프탈로시아닌, 주석 프탈로시아닌, 철 프탈로시아닌, 납 프탈로시아닌, 니켈 프탈로시아닌, 바나딜 프탈로시아닌, 플루오로크롬 프탈로시아닌, 마그네슘 프탈로시아닌, 망간 프탈로시아닌, 디리튬 프탈로시아닌, 알루미늄 프탈로시아닌 클로라이드, 카드뮴 프탈로시아닌, 클로로갈륨 프탈로시아닌, 코발트 프탈로시아닌, 은 프탈로시아닌, 금속 비함유 프탈로시아닌, 이들의 화학적 유도체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 프탈로시아닌 화합물을 함유하는 방법.74. The method of claim 73, wherein the organic material is copper phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tin phthalocyanine, iron phthalocyanine, lead phthalocyanine, nickel phthalocyanine, vanadyl phthalocyanine, fluorochrome phthalocyanine, magnesium phthalocyanine, manganese phthalocyanine, dilithium phthalocyanine, aluminum phthalocyanine chloride A method containing a phthalocyanine compound selected from the group consisting of cadmium phthalocyanine, chlorogallium phthalocyanine, cobalt phthalocyanine, silver phthalocyanine, metal-free phthalocyanine, chemical derivatives thereof, and combinations thereof. 제50항에 있어서, 상기 캐소드는 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 붕화물, 금속 디칼코겐화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물을 함유하는 방법.51. The method of claim 50, wherein the cathode contains an alkali metal intercalating compound or an alkali metal absorbing compound selected from the group consisting of metal carbides, metal nitrides, metal borides, metal dichalcogenides, and combinations thereof. 제51항에 있어서, 상기 캐소드는 나노와이어, 나노디스크, 나노리본, 또는 나노판상체 형태의, 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 코발트, 망간, 철, 및 니켈의 산화물, 디칼코겐화물, 트리칼코겐화물, 황화물, 셀렌화물, 및 텔루르화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 알칼리 금속 삽입 화합물 또는 알칼리 금속 흡수 화합물을 함유하는 방법.52. The method of claim 51, wherein the cathode is made of niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, cobalt, manganese, iron, and A method containing an alkali metal intercalating compound or an alkali metal absorbing compound selected from the group consisting of oxides, dichalcogenides, trichalcogenides, sulfides, selenides, and tellurides of nickel. 제50항에 있어서, 상기 캐소드 활물질은 (a) 비스무트 셀렌화물 또는 비스무트 텔루르화물, (b) 전이금속 디칼코겐화물 또는 트리칼코겐화물, (c) 니오븀, 지르코늄, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 티타늄, 코발트, 망간, 철, 니켈, 또는 전이금속의 황화물, 셀렌화물, 또는 텔루르화물, (d) 질화붕소, 및 (e) 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질의 나노디스크, 나노판상체, 나노코팅, 또는 나노시트를 함유하고, 상기 디스크, 판상체, 또는 시트는 100 nm 미만의 두께를 갖는 방법.51. The method of claim 50, wherein the cathode active material is (a) bismuth selenide or bismuth telluride, (b) transition metal dichalcogenide or trichalcogenide, (c) niobium, zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, tungsten, Nanodisks, nanoplatelets of an inorganic material selected from the group consisting of titanium, cobalt, manganese, iron, nickel, or sulfides, selenides, or tellurides of transition metals, (d) boron nitride, and (e) combinations thereof A method comprising a superstrate, nanocoating, or nanosheet, wherein the disk, platelet, or sheet has a thickness of less than 100 nm.
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