KR100491961B1 - 전기화학 발전기용 티타늄 옥시설파이드계 양극 물질 및 그 제조방법 - Google Patents

전기화학 발전기용 티타늄 옥시설파이드계 양극 물질 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기화학 발전기용 티타늄 옥시설파이드계 양극 물질 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이 옥시설파이드 화합물은 TiOaS3+b에 해당하는데, 여기서 a와 b는 다음과 같은 관계를 만족한다 :
0 < a ≤ 0.5
0 < b ≤ 0.7
이 물질은 TiS3 타겟으로부터 무선주파수 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 얻을 수 있으며, 리튬 음극(9) 및 다음 조성의 유리 전해질(7)을 포함하는 전기화학 발전기의 양극으로서 이용될 수 있다 :
1B2O3-O, 8Li2O-O, 8Li2SO4

Description

전기화학 발전기용 티타늄 옥시설파이드계 양극 물질 및 그 제조방법 {Positive electrode material based on titanium oxysulphide for electrochemical generator and method for making same}
본 발명은 티타늄 옥시설파이드계 물질, 특히 전기화학 발전기 (electrochemical generator) 또는 일렉트로크로마틱 셀 (electrochromatic cell)에 있어서 양극으로서 사용될 수 있는 티타늄 옥시설파이드계 물질에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 그 동작원리가 알카리 금속 이온 또는 양성자의 양극으로의 삽입 및 양극으로부터의 탈삽입에 기초한 것으로서, 특히 박막으로 된 전기화학 발전기 또는 일렉트로크로마틱 셀의 제조와 관련이 있다.
이러한 유형의 전기화학 발전기는 다양한 분야에서 응용될 수 있는데, 예를 들면 총두께가 수㎛이며 정전시 마이크로시스템의 메모리를 보호하는 소형발전기 (microgenerator)의 형태로서 또는 뱅크 카드 형식 (bank card type)의 메모리 역할을 하는 집적 시스템으로서 응용될 수 있다.
삽입 도중에 양극이 변색하는 경우 이러한 발전기는 일렉트로크로마틱 시스템으로서 사용될 수 있는데, 이는 위 발전기를 정보의 표시장치(display)로서 흥미있게 한다. 음극이 투명하면 더욱 좋은데 이는 필요에 따라 위 변색에 유리판을 덧댈 수 있기 때문이다.
양극으로서 티타늄의 칼시드(chalcide) 또는 옥시칼시드(oxychalcide)를 이용하는 이러한 유형의 전기화학 발전기는 특히 문헌 WO-A-90/05387에 기술되어 있다. 위 문헌에 있어서 양극 물질은 다음과 같은 화학식에 해당하는 화합물의 막(layer)으로 이루어져 있다:
TiOaXb
여기서, X는 황, 셀레늄 또는 텔류륨(tellurium)을 나타내고, a와 b는 다음과 같은 관계를 만족한다. 즉, a는 2 이하, b는 3 이하 이고, (a + b)는 2와 3 사이의 수이다.
상기 막은 5 %의 산소 원자를 포함하는 티타늄 디설파이드(TiS2) 타겟으로부터 자전관(magnetron)형 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 형성된다.
이 전극 물질은 흥미있는 전기화학적 성질을 갖고 있지만, 캐쏘드 스퍼터링에 의한 박막 형태로의 침적(deposition)은 항상 수 %의 산소를 함유하는 시판 TiS2 분말로부터 TiS2 타겟의 제조를 필요로 하는 단점이 있다. 사실, TiS2의 라멜라 구조 때문에 이 분말은 용이하게 압축되는 편이지만, 어떠한 온도를 사용한다 하여도 황의 손실이 있으므로 소결하는데 있어서 신중을 요한다. 이 때문에, 캐쏘드 스퍼터링 동안에 티타늄 설파이드 타겟에 가해지는 전력은 2 Watts/cm2 미만으로 제한되어야 한다. 그렇지 않으면 두께에 따라서는 타겟에 금이 갈 수 있다.
또한, 박막 형태의 상기 전극 물질을 이용하는 전기화학 발전기의 성능은 만족스럽지만 이 성능을, 특히 단위 질량 당 발전기 용량을 더욱 향상시키는 것은 흥미있을 것이다. 따라서, 위와 같은 형태의 전극 물질을 더 좋은 상태로 얻고 또한 그러한 전극을 사용하는 전기화학 발전기의 성능을 더욱 향상시키기 위한 연구가 수행되어 왔다.
문헌 US-A-4 508,608은 고기공률 집전판 기판의 표면 및 내부에 전이 금속 칼시드 분자를 캐쏘드 스퍼터링하는 것에 의하여 고기공률 칼시드계의 캐쏘드를 제조하는 방법을 기술한다. 상기 칼시드는 특히 티타늄 디설파이드 또는 티타늄 트리설파이드와 같은 티타늄 설파이드 일 수 있다.
티타늄 트리설파이드 단위 질량 당 에너지(840 Wh/kg)는 티타늄 디설파이드의 그것(485 Wh/kg)과 비교하면 매우 크지만, TiS3의 경우 리튬의 삽입이 조그만 가역적이기 때문에 TiS3의 사용은 문제를 제기한다.
본 발명의 정확한 목적은 이러한 단점을 극복한 티타늄 옥시설파이드계 양극 물질로서, 공업적 규모로 박막 전극을 제조하는데 적합할 뿐만 아니라 소형 발전기의 성능에 있어서 주목할 만한 향상을 가져오는 티타늄 옥시설파이드계 양극물질을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 TiO0.2S3.3 화합물 막으로부터 α 입자의 역확산(retrodiffusion)에 의한 분석결과를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 TiO0.2S3.3 화합물에 있어서 온도(1000/T, T의 단위는 K)에 대한 전자전도도(log σ)의 변화를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 전기화학 발전기의 도식적인 단면도를 나타낸다.
도 4는 전류 밀도 10㎂/cm2 에 있어서 본 발명에 따른 발전기의 사이클 곡선이다.
도 5는 전류 밀도 50㎂/cm2 에 있어서 본 발명에 따른 발전기의 사이클 곡선이다.
도 6은 본 발명에 따른 발전기를 저항값이 1㏀ ~ 27㏀인 저항에 연결하였을 때의 충전 곡선을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 발전기를 저항값이 1㏀ ~ 47㏀인 저항에 연결하였을 때의 방전 곡선을 나타낸다.
본 발명에 있어서, 전기화학 발전기용 양극 물질은 다음 화학식의 비정질 화합물의 박막으로 이루어져 있다:
TiOaS3+b
여기서, a와 b는 다음과 같은 관계를 만족한다:
0 < a ≤ 0.5
0 < b ≤ 0.7
본 발명에 따르면, 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 침적될 수 있는 TiOaS3+b 형태의 전극 물질을 선택한 덕분에, 무거운 TiS3의 밀도 보다 매우 작은 밀도의 등방성 및 비정질 물질의 막(layer)을 얻는다. 이 때문에 이 막은 알카리 금속 이온 또는 양성자의 삽입 및 탈삽입에 매우 잘 저항한다. 실제로, 이 막의 낮은 밀도는 팽창된 비정질 구조에 해당하며, 이온의 삽입 동안 물질의 팽창이 없다. 따라서, 이온 전달이 모폴로지의 변화없이 일어나기 때문에 이 막은 열화하지 않는다. 또한, 이 등방성 막은 모든 방향으로 리튬이 잘 확산되게 하는 장점을 제공한다.
본 발명에 따르면, 위에서 언급된 화학식에 해당하는 티타늄 옥시설파이드 박막은 TiS3 타겟으로부터 무선주파수(radiofrequency) 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 제조될 수 있다. TiS3 화합물에 있어서 티타늄 원자는 TiS2에서와 같이 4가(tetravalent)이고 황은 설파이드 그룹 및 디설파이드 그룹의 형태로 존재한다:
Ti4+S2-S2- 2
상기 침적에 있어서, TiS3는 500℃ 진공하의 밀폐 튜브 내에서 분말상의 티타늄 및 황의 화학양론적 양으로의 화학반응에 의하여 용이하게 얻을 수 있기 때문에 TiS3 타겟의 사용은 특별히 흥미있다. 이러한 조건하에서 흑색 TiS3 분말이 얻어지는데, 이 분말의 스펙트럼 X는 TiS3의 그것에 해당한다. 이 분말은 예를 들면 294 MPa(3 tonnes/cm2)의 압력하에서 용이하게 압축되며, 예를 들면 500℃의 온도에서 진공하의 밀폐 튜브 내에서 용이하게 소결될 수 있다.
따라서, TiS2 타겟의 경우 보다 훨씬 큰 직경의 타겟, 예를 들면 50 ~ 75 mm직경의 타겟을 제조할 수 있다. 또한, 이 방법은 공업적 규모로 박막 전극을 제조하는데 적용될 수 있는데, TiS2 타겟을 사용하는 종래 기술의 방법의 경우에는 TiS2 타겟에 가해지는 전력을 제한할 필요가 있기 때문에 이것이 불가능했다.
본 발명의 목적은 또한 위에서 언급된 양극 물질을 사용한 전기화학 발전기를 제공하는데 있다. 이 발전기는 양극, 양성자 또는 알카리 금속 이온을 방출할 수 있는 음극, 및 상기 두 전극의 사이에 배열된 이온 전도성 전해질를 포함하는데, 상기 양극이 다음 화학식의 비정질 화합물의 박막으로 이루어져 있으며, 상기 박막은 기판 상에 배열된 것을 특징으로 한다:
TiOaS3+b
여기서, a와 b는 다음과 같은 관계를 만족한다:
0 < a ≤ 0.5
0 < b ≤ 0.7
상기 비정질 화합물의 박막을 지지하기 위하여 사용된 상기 기판은 매우 다양할 수 있는데, 도체 또는 절연체일 수 있고, 유연성 또는 강직성을 가질 수 있다. 통상적으로, 전기를 전도하는 기판을 사용하거나 또는 전기 전도성 물질의 막으로 덮인 절연성 기판을 사용하는데, 후자의 경우 TiOaS3+b 화합물의 박막이 위 전기 전도성 물질의 막 위에 배열된다.
상기 전기 전도성 물질은 특히 예를 들면 Cr, Pt, Ni, Al 등과 같은 금속, 단결정 실리콘 또는 인듐 주석 산화물(ITO : Induim Tin Oxide)과 같은 전기 전도성 산화물일 수 있다.
상기 절연성 기판은 세라믹 물질, 파이렉스, 예를 들면 폴리에틸렌테레프탈레이트와 같은 폴리에스테르 또는 폴리이미드와 같은 유연성 플라스틱 물질과 같은 캐쏘드 스퍼터링 조건에 저항성이 있는 플라스틱 물질일 수 있다.
이들 유연성 기판은, 특히, 캐쏘드 스퍼터링 침적 장치의 내부로 연속적으로 통과할 수 있으므로 대표면적 전극를 연속적으로 생산할 수 있게 한다.
위에서 설명한 발전기에 있어서, 상기 음극은, 특히, 리튬 또는 리튬 함유 물질로 생산될 수 있다. 상기 리튬 함유 물질은 리튬 합금 또는 리튬 화합물일 수 있다.
상기 음극은 바람직하게는 박막 형태인데, 예를 들면 진공하 증발 또는 캐쏘드 스퍼터링과 같은 전통적인 방법에 의하여 침적된다. 이온의 분리가 계면에서 공극을 형성시키지 않기 때문에 이러한 방법에 의하여 얻어진 박막은 대단히 유리하다.
상기 음극은 또한 예를 들면 나트륨, 칼륨, 세슘, 또는 루비듐과 같은 다른 알카리 금속을 함유하는 합금 또는 화합물, LaNi5H6과 같은 금속 하이드라이드 및 이리듐 하이드록사이드와 같은 금속 하이드록사이드와 같이 양성자을 방출할 수 있는 화합물로 형성될 수 있다.
음극이 리튬으로 이루어진 경우 유리가 리튬 이온을 전도하는 고체 전해질로서 사용될 수 있다. 이 유리는 발전기의 자체방전(autodischarge)을 방지하기 위해서 전자 절연체이어야 하지만 이온 전도도는 가능한 한 높아야 한다.
요컨대, 상기 전해질은 2개의 필수적인 역할을 하여야 한다 : 2개의 전극 사이에서 우수한 전자 절연체가 되어야 하고, 좋은 이온 전도체가 되어야 한다. 그 두께는 충분하여야 하고, 막은 음극의 침적 동안에 즉시 발전기를 단락시키는 결과를 가져올 구멍 또는 균열과 같은 결함이 절대적으로 없어야 한다.
예를 들면 다양한 비율로 B2O3, Li2O 및 LirX'를 함유하는 유리와 같이 보론 옥사이드, 리튬 옥사이드, 및 리튬염에 기초한 유리가 사용될 수 있다. 여기서, X'는 염의 형태로 리튬과 결합할 수 있는 음이온을 나타내고, r은 음이온 X'의 원자가를 나타낸다.
사용될 수 있는 X'음이온의 예로서는 할라이드 및 설페이트 음이온을 들 수 있다.
예를 들면 보론 설파이드, 리튬 설파이드 및 리튬염으로 이루어진 유리와 같이 설파이드 화합물계 유리 전도체를 사용할 수도 있다.
음극이 다른 알카리 금속 또는 양성자를 포함하는 경우 전해질은 동일한 알카리 금속 이온 또는 양성자를 함유하는 동일한 형태의 유리로 이루어질 수 있다.
전해질은 진공하 증발 또는 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 형성된 막의 형태일 수 있다. 바람직하게는, 결함이 없는 얇은 두께의 연속적인 막을 제공하기 위해서 캐쏘드 스퍼터링이 사용된다.
전해질로서 예를 들면 폴리옥시에틸렌 류의 폴리머와 같은 이온 전도성 폴리머로 이루어진 고체 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학 발전기는 전통적인 방법에 의하여, 즉 집전판(current collector)을 형성하는 전기 전도막으로 덮혀 있는 기판 상에 TiOaS3+b 비정질 화합물의 제 1막, 고체 전해질의 제 2막 및 음극을 형성하는 제 3막을 연속적으로 침적하는 것에 의하여 제조될 수 있다.
본 발명에 따르면, 양극을 구성하는 TiOaS3+b 비정질 화합물의 제 1막은 캐쏘드 스퍼터링에 의하여, 바람직하게는 무선주파수 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 침적된다 ; 이에 의하여 표면 다공성이 없는 매우 균일한 프로파일을 갖는 얇고, 치밀하고(compact), 연속적이며 균질한 막을 얻을 수 있다.
TiOaS3+b 막의 두께는 넓은 범위에서 변화할 수 있다. 일반적으로 200nm ~ 10㎛의 두께를 갖는 박막이 바람직하다.
후에 침적되는 전해질이 종래 기술의 "전고체상태(all solid-stste)" 전기화학 발전기의 경우 보다 더 작은 두께의 막 형태일 수 있으므로 이 구조는 특히 유리하다.
이 때문에, 낮은 이온전도도를 갖는 전해질을 사용하는 경우에도, 단락의 위험 없이 더 작은 두께의 전해질을 사용하는 것에 의해서 종래 기술의 전기화학 발전기에 있어서 보다 더 높은 전류밀도가 얻어질 수 있다.
더구나, 리튬과 같은 알카리 금속 이온에 의한 전도성을 갖는 유기 또는 무기 이온 전도성 유리를 선택하는 것에 의해서, 유일한 이동 원소는 리튬이 되고 음이온들은 전해질 구조 내에 갇히게 된다. 따라서, 이온전달은 하나의 원소를 통하여 일어나고, 박막들의 시스템이 이 전달을 용이하게 하며 성능을 향상시킨다.
TiOaS3+b 등방성 물질 내의 산소는 TiS3 타겟 내에 불순물로서 존재하는 산소로부터 유래한다.
전기화학 발전기의 제조를 위하여, 고체 전해질의 제 2막 및 음극을 형성하는 제 3막은 박막을 형성하는데 적합한 전통적인 방법에 의하여 침적될 수 있다. 특히, 고체 전해질은 캐쏘드 스퍼터링 또는 진공하 증발에 의하여 침적될 수 있고, 음극은 진공하 증발에 의하여 침적될 수 있다.
위에서 설명한 발전기의 동작원리는 알카리 금속 이온 또는 양성자의 양극으로의 삽입 및 양극으로부터의 탈삽입에 기초한다.
상기 발전기의 동작은 다음의 전체 반응에 해당한다:
Ti4+ + Li → Ti3+ + Li
이는 2.945 볼트(V)의 기전력에 해당한다.
이러한 개략(scheme)은 이론적인 것이다. 왜냐하면, 한편으로 리튬 이온의 활성도(activity)가 다를 수 있고, 다른 한편으로 예를 들면 황으로부터 유래한 것과 같은 다른 이온종(ionic species)이 위 전기 화학 반응에 참가할 수 있기 때문이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부도면을 참조하면서 다음의 설명을 읽으면 더욱 분명해 질 것이지만, 이는 예시를 위한 것으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.
실시예 1 : TiO0.2S3.3 박막의 제조
캐쏘드 스퍼터링에 의하여 침적되어 집전판을 형성하는 두께 0.2㎛의 크롬막으로 덮여 있는 3.7 × 2.5 × 0.1cm의 유리판으로 구성된 기판을 가지고 시작한다. 이 기판 상에 다음의 조건하에서 직경 50mm의 TiS3 타겟으로부터 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 TiO0.2S3.3 조성의 티타늄 옥시설파이드 막을 침적한다:
- 아르곤 압력 : 5 × 10-1 Pa
- 전력 : 50 W 또는 2.54 W/cm2
- 타겟 전압 : 400 V
- 타겟-기판 거리 : 5 cm
- 침적 시간 : 1 시간 20분, 및
- 침적속도 : 0.5 ㎛/h
이러한 방식으로 티타늄 옥시설파이드 TiO0.2S3.3 막을 얻었는데, 프로파일미터(profilemeter)의 도움으로 측정된 이 막의 두께는 0.7㎛ 였고, 질량은 0.7mg, 표면적은 4 cm2였다.
이 막의 비정질 구조는 X선 분광법에 의하여 확인되었는데, 이 스펙트럼은 어떠한 회절 광선도 나타내지 않았다.
이어서, 상기 막의 조성 및 밀도를 α 입자의 역확산(RBS)에 의하여 측정하였다.
얻어진 결과를 도 1에 나타냈다. 도 1에서, 최후의 3개의 피크는 각각 O, S 및 Ti에 해당하는데, O에 해당하는 피크는 매우 작다. 이 피크들을 적분하면 이 막의 조성을 추론할 수 있는데, TiO0.2S3.3에 해당했다. 따라서, 타겟이 TiS3으로만 이루어져 있음에도 불구하고 막으로부터 완전히 제거할 수 없는 저수준의 산소가 존재하는 점과 타겟과 비교할 때 막의 황함량이 증가된 점을 주목하여야 한다. 공기중에 이 시편을 수시간 방치하여도 RBS 스펙트럼의 변화가 나타나지 않는 점으로부터 이 물질은 흡습성이 미약한 것으로 결론질 수 있다.
RBS 분광법 및 칭량법에 의하여 측정된 이 박막의 밀도는 2.50 이다. 따라서,이 박막의 밀도는 밀도 3.20의 무거운 출발물질인 TiS3의 그것 보다 매우 작다. 이 작은 밀도는 리튬의 삽입에 유리하다.
마찬가지로, 두께 2.25㎛의 TiO0.2S3.3 막을 TiS3 타겟으로부터 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 형성하였다. 이 막의 전자전도도를 100 ~ 300K의 온도에서 측정하였다.
도 2는 얻어진 결과를 나타내는데, 온도 1000/T(T의 단위는 K)에 대한 전도도 σ(단위는 ohm-1cm-1)의 대수(log)의 변화를 나타낸다. 따라서, TiO0.2S 3.3 막이 주위온도에서 0.2 ohm-1cm-1의 전도도를 갖는 반도체 형태의 거동을 함을 알 수 있다.
실시예 2 : 전고체상태 소형발전기의 제조
본 소형발전기를 제조하기 위하여 실시예 1에서 얻어진 조립체(assembly) 상에 전해질 막 및 음극을 형성하기 위한 리튬 막을 차례로 침적한다.
a) 전해질 막의 침적
사용된 전해질은 1B2O3-O, 8Li2O-O, 8Li2SO4 조성의 유리였다.
상기 조성의 유리 막을 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 침적하였는데, 앞에서와 같은 장치 및 위와 동일한 조성의 유리 분말을 펠렛화한 후 600℃에서 6시간 동안 공기중에서 소결하여 얻은 유리 타겟을 사용하였다.
침적 조건은 다음과 같았다:
- 아르곤 압력 : 10-2 hPa
- 전력 : 100 W 또는 2.26 W/cm2
- 타겟 전압 : 250 V
- 시간 : 4 시간
이러한 방식으로 전해질 막을 얻었는데, 프로파일미터로 측정된 이 막의 두께는 1.5㎛ 였다.
이 막은 X선 분광법으로 분석한 결과 비정질이었다.
b) 음극의 침적
음극이 리튬으로 형성되어 전자 충격에 의한 진공하 2차 증발에 의하여 침적되었다. 침적 조건은 다음과 같았다:
- 잔류 진공 : 5 × 10-7 hPa
- 도가니-기판 거리 : 20 cm
- 증발 시간 : 5 분
이러한 방식으로 리튬 필름을 얻었는데, 수정 마이크로밸런스(quartz microbalance)에 의하여 조절된 이 필름의 두께는 약 5㎛ 이었다. 이어서, 리튬을 보호하기 위해서 1㎛ 두께의 알루미늄 막을 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 침적하였다.
이어서, 이 발전기를 수분으로부터 보호하기 위해서 이 발전기를 소수성 에폭시 수지와 이어서 유리 1장을 이용하여 밀봉하였다.
도 3은 이러한 방법으로 얻은 소형발전기의 단면도를 나타낸다. 이 도면을 참조하면, 상기 소형발전기는 집전판의 역할을 하는 크롬막(3)에 의하여 덮혀 있는 유리 기판(1), 티타늄 옥시설파이드 TiO0.2S3.3 막(5), 이온 전도성 유리로 이루어진 전해질막(7) 및 음극을 구성하는 리튬막(9)을 포함하는 것을 알 수 있다.
이 발전기의 전기화학적 성질은 일정 전류하의 사이클 시험 및 특정값을 갖는 저항에 연결하여 충방전을 실시함으로써 검사할 수 있다. 이 발전기의 경우 개방 회로 전압은 통상 2.5 V 였다. 수개월 동안의 저장 후에도 상기 전압은 일정하게 남아 있었으며 자동 방전은 없었다.
도 4는 2.5 V ~ 1.8 V 전압의 10 ㎂/cm2 의 전류 밀도에서 상기 발전기의 사이클링 동안에 얻어진 곡선을 나타낸다.
도 5는 상기 발전기의 사이클링이 50 ㎂/cm2 전류 밀도의 2.5 V ~ 1.8 V의 전압에서 실시되었을 때 얻어진 사이클링 곡선을 나타낸다.
두 경우 모두에 있어서 상기 발전기가 양호하게 거동한 것을 알 수 있다.
도 6은 동일한 발전기를 저항값이 1 ㏀, 2.2 ㏀, 4.7 ㏀, 10 ㏀ 및 27 ㏀인 저항에 연결하였을 때의 충전 곡선을 나타낸다.
도 7은 저항값이 1 ㏀, 2.2 ㏀, 4.7 ㏀, 10 ㏀, 27 ㏀, 47 ㏀인 저항에 연결하였을 때의 방전 곡선을 나타낸다.
이들 곡선에 있어서, 1 ㏀ 미만의 저항값의 경우 전류 밀도(이는 0.5 mA/cm2에 가깝다)를 결정하는 것은 발전기의 내부 저항이라는 것을 주목하여야 한다. 이러한 전류 밀도의 경우 전압은 빠르게 저하된다. 저항이 1 ㏀인 경우 발전기는 1 시간 이내에 재충전된다.
전류 밀도가 10 ㎂/cm2인 경우, 발전기의 단위 질량당 용량은 300 Ah/kg의 차수(order)이고 단위 질량당 에너지는 650 Wh/kg에 가깝다.
비교를 하자면, 종래 기술의 발전기(WO-A-90/05387)의 경우 2.5 V ~ 1 V의 전압, 10 ㎂/cm2의 전류 밀도에서의 사이클링에 있어서, 125 Ah/kg의 단위 질량당 용량 및 230 Wh/kg의 단위 질량당 에너지가 얻어진 사실을 분명히 하여야 한다.
따라서, 본 발명의 전기화학 발전기가 매우 우월한 성능을 가지고 있으며, 단위 질량당 용량이 50% 보다 크게 증가하였다는 것을 주목하여야 한다. 이 성능 향상은 종래 기술의 발전기와 비교해 보면 매우 큰 것이다.
게다가, 본 발명은 공업적 규모로 박막 전극을 제조하는데 이용되는 큰 크기의 TiS3 타겟의 제조를 가능하게 한다.

Claims (12)

  1. 아래 화학식의 비정질 화합물의 박막으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기용 양극 물질 :
    TiOaS3+b
    여기서, a와 b는 다음과 같은 관계를 만족한다:
    0 < a ≤ 0.5
    0 < b ≤ 0.7
  2. 제 1항에 있어서, 상기 비정질 화합물은 아래의 화학식에 해당하는 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기용 양극 물질:
    TiO0.2S3.3
  3. TiS3 타겟으로부터 무선주파수 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 기판 상에 아래 화학식의 비정질 화합물의 박막을 침적하는 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기용 양극 물질 제조방법:
    TiOaS3+b
    여기서, a와 b는 다음과 같은 관계를 만족한다:
    0 < a ≤ 0.5
    0 < b ≤ 0.7
  4. 제 3항에 있어서, 상기 기판은 전기 전도성 물질의 막으로 덮여 있는 절연 기판인 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기용 양극 물질 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 전기 전도성 물질은 크롬이고, 상기 크롬은 캐쏘드 스퍼터링에 의하여 상기 절연 기판상에 침적된 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기용 양극 물질 제조방법.
  6. 양극, 양성자 또는 알카리 금속 이온을 방출할 수 있는 음극, 및 상기 두 전극의 사이에 배열된 이온 전도성 전해질를 포함하는 전기화학 발전기에 있어서,
    상기 양극은 다음 화학식의 비정질 화합물의 박막으로 이루어져 있으며, 상기 박막은 기판 상에 배열된 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기:
    TiOaS3+b
    여기서, a와 b는 다음과 같은 관계를 만족한다:
    0 < a ≤ 0.5
    0 < b ≤ 0.7
  7. 제 6항에 있어서, 상기 비정질 화합물은 아래의 화학식에 해당하는 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기:
    TiO0.2S3.3
  8. 제 6항에 있어서, 상기 기판은 전기 전도성 물질의 막으로 덮여 있는 절연 기판으로서 상기 전기 전도성 물질의 막 위에 TiOaS3+b 화합물의 박막이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 전기 전도성 물질은 크롬인 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기.
  10. 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극은 리튬으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기.
  11. 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질은 리튬 이온을 전도하는 유리인 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 유리 전도체는 아래의 조성을 갖는 리튬-보론 화합물계 유리인 것을 특징으로 하는 전기화학 발전기 :
    1B2O3-O, 8Li2O-O, 8Li2SO4
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