KR101755811B1 - 활성 물질 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 활성 물질에 관한 것이다. 활성 물질은 리튬 활성 물질 및 리튬 활성 물질을 전부 커버하는 복합층을 포함한다. 복합층은 적어도 하나의 보호층 및 적어도 하나의 구조층을 포함한다. 보호층은 리튬 이온을 포함하는 합금과 같은 일종의 금속으로 구성된다. 구조층은 리튬 활성 물질과 합금화하지 않는 특성을 가진다. 복합층은 리튬 활성 물질을 습기와 산소로부터 효과적으로 차단함으로써, 리튬 활성 물질이 정상적인 환경 하에서 저장 및 작동될 수 있게 한다. 구조층을 통해 제공되는 구조에 의해, 반복 반응 후에도 활성 물질의 구성이 붕괴되지 않도록 유지할 수 있다.

Description

활성 물질{ACTIVE MATERIAL}
본 발명은 2014년 7월 16일 출원된 대만 특허 출원번호 103124345에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 내용은 본원에 참조로 인용된다.
본 발명은 활성 물질, 특히 리튬 금속을 포함하는 활성 물질에 관한 것이다.
전원 공급을 위해서는, 적절한 활성 물질을 전원 공급 시스템에 적용해야만 화학적 에너지를 전기 에너지로 전환시킬 수 있다. 예컨대, 리튬 전지에 적용되는 일반적인 활성 물질은 리튬, 탄소 등을 포함하는데, 리튬 금속의 경우 가장 높은 에너지 밀도를 보유하고 있다. 그러나 리튬 금속은 저장 및 작동 조건의 유지를 위해 높은 화학적 활성도를 보유해야 하는데, 리튬 금속은 주위 환경의 습기 및 산소와 접촉 즉시 반응하기 때문이다. 이러한 저장 및 작동에 대한 조건들은 낮은 습기, 희박한 산소 및 적절한 온습도에서 제어되어야 하므로, 공정 비용이 더 높아지게 된다. 리튬 금속은 매우 활성이기 때문에, 부적절한 조건에서는 격렬한 산화 환원 반응이 발생하는데, 이는 때때로 연소 반응으로 전환된다.
알려진 바와 같이, 리튬의 입자 크기는 마이크로 미터 또는 나노 미터의 단위로 구성되어야만, 전원 공급 시스템의 전극에 대한 반응 표면적을 증가시킬 수 있다. 리튬 탄산층(lithium carbonate shell)을 적용하여 리튬 금속을 마이크로 미터 또는 나노 미터의 단위로 커버링함으로써, 상기의 저장 및 작동에 대한 문제를 해결 가능하나, 입자가 더 작아짐에 따라 더욱 심각한 반응이 일어날 수 있다. 따라서 슬러리 혼합시, 리튬과 NMP/PVDF 용매 사이의 반응을 피하기 위해서는 톨루엔과 같은 저극성 용매(low-polarity solvent)가 필요하다. 그러나 이러한 저극성 용매는 인간 및 환경에 유해하다.
따라서 본 발명에서는 상기의 문제점들을 극복하기 위한 활성 물질이 제공된다.
본 발명의 목적은 복합층(composite layer)을 포함하는 활성 물질을 제공하는 것이다. 복합층은 적어도 하나의 보호층(protection layer) 및 적어도 하나의 구조층(structural layer)을 포함하며, 리튬 활성 물질을 완전하게 커버할 수 있다. 복합층에 의해 리튬 활성 물질을 주위 환경의 습기와 산소로부터 차단함으로써, 고반응성 리튬 활성 물질이 정상 상태에서 저장되고 및 작동되도록 할 수 있다. 이에 따라 리튬 금속을 포함하는 활성 물질의 저장 및/또는 작동 조건에 대한 의존성을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 목적은 리튬 활성 물질을 커버하는 복합층을 포함하는 활성 물질을 제공하는 것이다. 리튬 활성 물질을 커버하는 복합층에 의해, 더 높은 이온 전도도 및 구조 강도를 제공함으로써, 반응된 보호층이 리튬 활성 물질과 멀어지지 않고 소정 영역에 갇히도록 할 수 있다. 합금/탈합금 반응의 반복 후 보호층의 구조는 느슨해지는데, 이로 인해 활성 물질의 구조가 분해되지는 않는다.
본 발명의 목적은 보호층을 포함하는 활성 물질을 제공하는 것이다. 복합층의 보호층은 제 1 보호 물질 및 제 2 보호 물질을 포함한다. 제 1 보호 물질 및 제 2 물질 물질은 합금일 수도 있고 및/또는 비합금일 수도 있다. 리튬 금속 및/또는 리튬 이온을 포함하는 합금일 수 있는 금속의 함량은 0.1% 이하이다.
본 발명의 목적은 장벽층(barrier layer)을 포함하는 활성 물질을 제공하는 것이다. 리튬 활성 물질 및 보호층은 장벽층을 통해 분리되며, 상기 장벽층은 리튬 활성 물질과 복합층의 보호층과의 사이에 배치된다. 리튬 활성 물질과 보호층 사이의 접촉 계면에서는 합금 반응과 같은 예상치 못한 반응은 발생하지 않으며, 예측된 반응이 시작된다.
본 발명에서는 리튬 활성 물질 및 상기 리튬 활성 물질을 전부 커버하는 복합층을 포함하는 활성 물질을 개시한다. 복합층은 적어도 하나의 보호층 및 적어도 하나의 구조층을 포함한다. 보호층은 리튬을 포함하는 합금과 같은 적어도 하나의 금속을 포함하는 반면, 구조층은 리튬 금속 및/또는 리튬 이온과 합금화되지 않는다. 복합층에 의해 리튬 활성 물질을 주위 환경으로부터 차단함으로써, 습기 및 산소가 리튬 활성 물질과 접촉하는 것을 막을 수 있다. 본 발명에 개시된 복합층을 포함하는 활성 물질은 정상 조건하에서 저장되고 작동될 수 있다. 구조층의 구조 응력에 의해, 합금 반응 후 느슨해진 보호층의 구조를 유지할 수 있도록 버퍼를 제공함으로써, 구조 붕괴를 막을 수 있다.
본 발명의 적용 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 상세한 설명 및 특정 예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내는 반면, 단지 예시의 방식으로 주어진 것으로 이해되어야 하며, 당업자는 본원의 상세한 설명으로부터 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능하다는 것이 명백할 것이다
본 발명에 따라 상기 문제점들을 해결 가능한 활성 물질, 즉 습기와 산소를 차단 가능하고, 리튬 활성 물질 및 상기 리튬 활성 물질을 전부 커버하는 복합층을 포함하는 활성 물질의 제공이 가능하다.
본 발명은 이하의 상세한 설명과 함께 첨부된 도면들을 참조하여 보다 완벽하게 이해될 수 있으며, 이들은 단지 예시로 제공되며 이에 의해 본 발명이 제한되지 않는다:
도 1a는 본 발명에 따른 활성 물질을 도시한다.
도 1b는 본 발명에 따른 다른 활성 물질을 도시한다.
도 1c는 본 발명에 따른 또 다른 활성 물질을 도시한다.
도 2a는 본 발명에 따른 또 다른 활성 물질을 도시한다.
도 2b는 본 발명에 따른 또 다른 활성 물질을 도시한다.
도 3a는 본 발명에 따른 또 다른 활성 물질을 도시한다.
도 3b는 본 발명에 따른 또 다른 활성 물질을 도시한다.
도 3c는 본 발명에 따른 또 다른 활성 물질을 도시한다.
본 발명에서는 리튬 전지와 같이 해리 이온(dissociated ions)을 갖는 전원 공급 시스템에 적용되는 활성 물질을 개시한다. 활성 물질은 적어도 하나의 보호층 및 적어도 하나의 구조층을 포함하는 복합층에 의해 전부 커버되는 리튬 활성 물질을 포함한다. 복합층은 적절한 재료 및 보호층과 구조층의 상대적 위치에 의해 리튬 활성 물질을 습기와 산소로부터 효과적으로 차단한다. 본 발명의 활성 물질은 정상 조건 하에서 저장 및 작동될 수 있다. 또한, 반응을 반복한 후 느슨해진 보호층이 리튬 활성 물질로부터 멀어지지 않고 복합층에 갇힘으로써, 보호층의 가역 반응에 대한 효율을 제고하는 한편, 전극의 활성 물질에 대한 구조 붕괴가 대량으로 발생하는 것을 막을 수 있다.
이하에 보호층 및 구조층에 대한 내용이 설명된다.
보호층은 리튬 활성 물질 및/또는 해리 이온(예, 리튬 이온)을 포함하는 합금과 같은 적어도 하나의 금속을 포함해야만 한다. 보호층의 구조는 합금화 반응 후에 느슨해지는데, 이러한 느슨해진 구조에 의해 해리 이온 및 리튬 활성 물질에 대한 경로를 제공함으로써 전기-화학적 반응을 진행시킬 수 있다. 보호층은, 활성 물질이 전원 공급 시스템으로 공급되기 전에, 리튬 활성 물질을 주위 환경의 습기 및 산소로부터 차단시키는 역할을 한다. 따라서 주위 환경의 습기 및 산소와 리튬 활성 물질이 접촉되지 않게 함으로써, 보호층에 의한 심각한 산화 환원 반응이 발생하지 않게 할 수 있다.
구조층은 보다 높은 구조적 강도를 갖도록 구성되어야만, 보호층 및/또는 리튬 활성 물질에 대한 변경 구조(예: 합급화 반응에 의한 느슨한 격자 구조화)를 유지할 수 있다. 또한, 구조층은 활성 물질의 접착 체결점으로 기능함으로써, 활성 물질의 변형이 전극의 구조 붕괴로 이어지지 않도록 할 수 있다. 구조층은, 이온이 보호층 내로 이동하여 산화 환원 반응을 진행할 수 있도록 하기 위한 일부의 이온 전도 영역을 포함한다. 또한, 구조층은 전기적 전도성의 기능을 가짐으로써, 활성 물질의 내부 저항을 감소시킬 수 있다.
이하에 본 발명의 세부 내용이 개시된다.
도 1a에 본 발명에 따른 활성 물질의 실시예가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 활성 물질(10)은 리튬 활성 물질(12) 및 상기 리튬 활성 물질(12)을 전부 커버하는 복합층(14)을 포함한다. 복합층(14)은 보호층(142) 및 구조층(144)을 포함한다.
보호층(142)은 리튬 활성 물질(12)의 외표면 바로 다음에 배치되며 리튬 활성 물질(12)을 전부 커버한다. 따라서 리튬 활성 물질(12)은 주위 환경의 습기 및 산소로부터 완전하게 격리됨으로써, 심각한 산화-환원 반응이 발생하는 것을 피할 수 있다.
구조층(144)은 보호층(142)의 외표면을 적어도 부분적으로 커버한다. 합금 보호층(142) 및 리튬 활성 물질(12)은 구조층(144)에 의해 소정 영역에 갇히도록 구성된다. 또한, 구조층(144)은 리튬 활성 물질(12)의 외표면을 커버함으로써, 특히 합금 보호층(142)의 구조가 느슨해질 때, 구조층(144)에 의해 구조적 강도를 증가시키는 한편, 미반응 보호층(142)과 더 가까운 합금 물질을 가둘 수 있다. 일단 탈합금화 반응이 발생하면, 느슨해진 합금 물질은 보호층(142)으로부터 멀리 이탈되지 않으므로, 따라서 합금 물질은 리튬 활성 물질(12) 및 미반응 보호층(142)에 더 가까운 영역 내에서 합금화 반응을 진행할 수 있음에 따라, 합금 물질이 적절한 작동 전압 하에서 반응하도록 할 수 있다. 또한 구조층(144)을 통해 합금 물질을 가두는 기능에 의해, 심지어 수차례의 합금화/탈합금화 반응 이후에도 활성 물질(10)의 전기 전도도 및 이온 전도도가 모두 유지되게 할 수 있다.
리튬 활성 물질(12)은 리튬 금속, 리튬 화합물 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 제조된다. 리튬 활성 물질(12)은 과립, 시트(sheet) 및/또는 임의의 형상으로 구성될 수 있다. 보호층(142)은 적어도 하나의 금속을 포함하며, 또한 다수의 금속도 당연히 포함할 수 있다. 해리 이온은 리튬 전지의 경우 리튬 이온일 수 있다. 따라서, 보호층(142)의 금속은 알루미늄, 주석, 알루미늄 합금, 주석 합금 및/또는 리튬 형성 합금 금속/합금으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 해리 이온은 전원 공급 시스템에 가해지는 통상의 전해질과 같은 매체(medium)를 통해 제공될 수 있으며, 예컨대 매체는 액체 전해질, 고체 전해질, 겔 전해질, 액체 이온, 리튬 염을 포함하는 유기 용매, 리튬 염을 포함하는 무기 용매 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
리튬 전지는 이하에서 전원 공급 시스템에 대한 예로써 기술된다. 활성 물질(10)의 보호층(142)은 리튬 전지의 전해질(즉, 매체)를 통해 제공되는 리튬 이온(즉, 해리 이온)과 합금화되고 및/또는 리튬 이온 감소에 의해 보호층(142)의 표면 상에 형성되는 리튬 금속과 합금화된다. 합금 물질은 느슨하고 팽창된 격자 구조를 가짐으로써, 활성 물질(10)의 보호층(142)이 서서히 분해되도록 할 수 있다. 그러나 보호층(142)의 주요 기능에 의하면 보호층(142)은, 활성 물질(10)이 리튬 전지 내로 밀봉되기 전에 주위환경의 습기 및 산소로부터 리튬 활성 물질(12)을 보호하도록 구성된다는 점을 분명히 인식할 수 있다. 일단 활성 물질(10)이 리튬 전지 내로 밀봉되면, 리튬 활성 물질(12)은 습기 및 산소와 거의 접촉할 수 없으므로, 심지어 보호층(142)이 합금화/탈합금화 반응에 의해 팽창 및/또는 분해되더라도, 보호층(142)의 리튬 활성 물질(12)에 대한 보호 제공은 거의 영향을 받지 않는다.
그러나 종래의 활성 물질에서는, 보호층의 붕괴로 인해 활성 물질의 성능에 어느 정도 영향을 미친다. 종래의 활성 물질은 구조층을 거쳐 외표면상에 커버되어 있지 않으므로, 합금 물질을 소정 영역에 가둘 수 없고 전해질 전체로 분산되거나 및/또는 느슨해진 물질로 형성되게 할 수 있다. 일단 더욱 합금화된 물질이 형성되면, 전기 전도도와 이온 전도도가 대폭 떨어지고, 활성 물질의 활성이 저하되며 극성 문제가 더욱 심각해진다. 즉, 합금 보호층으로 인해 합금화 반응의 정도를 감소시키는 한편(즉, 산화-환원 반응의 속도를 감소시키고), 수차례의 합금화/탈합금화 반응 후 리튬 전지의 가역 용량을 감소시키게 된다. 본 발명과 비교하여 다른 점은 종래의 활성 물질은 보호층을 통해서만 커버된다는 것이다. 종래의 보호층은 활성 물질 및 전극의 체결점들로 작용하므로, 수차례의 합금화/탈합금화 반응 후 보호층은 그 외표면으로부터 팽창 및 분해가 시작된다. 따라서 보호층을 통한 부착 체결점들에 의해 분해가 발생하고, 결국 활성 물질은 전극으로부터 박리됨으로써 리튬 전지의 성능에 영향을 주게 된다. 본 발명에 개시된 활성 물질(10)은 구조층(144)을 통해 외표면 상에 커버되도록 함으로써, 합금 보호층(142)을 소정 영역에 가둘 수 있다. 따라서 보호층(142)에 의해 제공되는 체결점들이 분해되지 않음으로써, 심지어 수차례의 합금화/탈합금화 반응 후에도 활성 물질(10)이 전극에 타이트하게 부착될 수 있게 한다.
종래의 활성 물질과는 달리, 본 발명에서는 구조층(144)이 체결점으로 작용하는 한편, 구조층(144)에 의해 활성 물질(10)의 구조 강도(즉, 구조 응력)를 제공함으로써, 형상 및 구조를 유지할 수 있다. 합금 보호층(142)은 구조층(144) 내에 한정하여 가둘 수 있으며, 수차례의 합금화/탈합금화 반응 후, 구조층은 보호층(142)과 적어도 부분적으로 접촉한다. 본 실시예에서, 구조층(144)은 보호층(142)을 부분적으로 커버하며, 리튬 활성 물질(12)을 간접적으로 커버한다. 즉, 보호층(142)을 전부 커버하는 대신, 제공되는 구조 응력이 충분히 높아지는 만큼 구조층(144)이 보호층(142)을 부분적으로 커버할 수 있도록 구성된다.
본 실시예에서, 구조층(144)은 높은 구조 응력 및 높은 전기 전도도를 갖는 금속일 수 있으며, 예컨대 구조층(144)은 구리로 제조될 수 있다. 이온 전도도의 제공을 위해, 구리 구조층(144)은 보호층(142)을 전부 커버하지 않고, 산화 환원 반응용 이온/전자 경로로 기능하는, 즉 이온 전도성 영역으로 기능하기 위한 일부 구멍들(16) 및/또는 갭들을 포함한다. 보호층(14)이 구멍들(16) 및/또는 갭들로부터 노출되어, 해리 이온이 보호층(142) 및 보호층(142)을 포함하는 합금과 직접 접촉하도록 함으로써, 느슨해진 합금 물질을 생성하는 한편 리튬 활성 물질(12)을 노출시켜 산화 환원 반응을 진행할 수 있다.
도 1b에 본 발명에 따른 다른 활성 물질이 도시되어 있다. 복합층(14)은 보호층(142) 및 구조층(144)을 포함하며, 이들은 한 층에 교차 배치된다. 구조층(144)은 보호층과 인접하며, 보호층의 지지를 위한 측벽(20a 또는 20b)의 에지에 배치되고, 보호층의 제 1 보호 물질 다음에 배치되며, 리튬 금속/이온과 합금화한다. 구조층(144)은 구리와 같이 습기 및 산소가 없는 재료로 제조됨으로써, 리튬 활성 물질(12)이 전지 내로 밀봉되기 전에, 구조층(144)이 보호층(142)의 일부로 기능할 수 있도록 구성된다. 본 실시예에 따른 구조층(144)의 이온 전도도는 인접하여 있는 보호층(142)을 통해 제공될 수 있다.
도 1c에 본 발명에 따른 또 다른 활성 물질이 도시되어 있다. 도 1a의 활성 물질과 크게 다른 점은 구조층(144)이 다공성 물질로 제조된다는 것으로, 즉 구조층(144) 자체가 다공성 구조로 구성되며, 예컨대 다공성 물질을 위한 적절한 재료는 폴리머, 세라믹, 섬유 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택 될 수 있다. 구조층(144)은 이온 전도도 외에도 전기 전도도도 고유 특성으로 갖도록 구성된다. 전기 전도 특성을 갖도록 하기 위해, 구조층(144)은 전기 전도성 물질로 제조되거나 또는 탄소 입자, 금속 분말 등과 같은 일부 전기 전도성 물질을 포함하는 절연 물질로 제조될 수 있다. 또한 고체 전해질 및/또는 겔 전해질은 구조층(144)의 구멍들 내로 채워지거나 또는 폴리머 구조층(144)을 통해 침투에 의해 흡수될 수 있다.
본 발명에 따른 활성 물질(10)의 보호층(142)은 제 1 보호 물질 및 제 2 보호 물질을 포함하며, 보호층(142)의 제 1 보호 물질은 리튬 금속 및/또는 이튬 이온과 합금화될 수 있는 반면, 보호층(142)의 제 2 보호 물질은 리튬 금속 및/또는 이튬 이온과 합금화될 수 없도록 구성된다. 제 1 보호 물질 및 제 2 보호 물질은 금속, 준금속 및/또는 합금일 수 있다. 제 1 보호 물질의 함량은 0.1% 미만, 즉 리튬 금속 및/또는 이튬 이온과 합금화할 수 있는 물질의 함량은 0.1% 미만으로 구성된다.
제 1 보호 물질은 알루미늄, 주석, 실리콘, 알루미늄 합금, 주석 합금, 실리콘 합금 또는 다른 금속, 준금속 및/또는 합금 물질로부터 선택될 수 있다. 제 2 보호 물질은 구리, 니켈, 철 또는 이들의 조합과 같이 1종 이상의 금속/준금속/합금 물질을 포함한다. 보호층(142)은 이중 합금 물질, 삼중 합금 물질 또는 그 이상의 다중 합금 물질로 구성될 수 있다. 예컨대 주석은 리튬 금속 및/또는 이튬 이온과 합금화 가능한 물질에서 선택되고, 니켈 주석 합금의 경우 리튬 금속 및/또는 이튬 이온과 합금화 불가능한 물질에서 선택되는데, 주석의 함량은 0.1% 미만이다.
보호층(142)은 합금화 후 팽창한다. 팽창의 정도는 제 2 보호 물질의 추가에 의해 감소될 수 있는데, 제 2 보호 물질은 리튬 금속 및/또는 이튬 이온과 합금화될 수 없기 때문이며, 즉 팽창 체적은 주로 합금화된 제 1 보호 물질에 좌우된다. 리튬 금속 및/또는 이튬 이온과 합금화 불가능한 금속에 의해, 합금화 반응 후의 팽창 관련 문제를 효과적으로 해결하는 한편 가역 용량의 저하를 방지할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 활성 물질에 대한 또 다른 두 실시예가 도시되어 있다. 도 2a에서, 활성 물질(10)의 구조층(144)은 다수의 블라인드 홀들(blind holes)을 포함하며, 리튬 활성 물질(12)은 블라인드 홀들 내의 홀들 바닥에 배치되고 보호층(142)은 리튬 활성 물질(12) 위에 배치된다. 도 2b에서, 리튬 활성 물질(12)과 구조층(144)의 블라이드 홀들 내의 보호층(142)은 서로 접촉하지 않는다. 구조층(144)의 블라이드 홀들은 관통 구멍의 형태로 구성된다.
도 3a 내지 도 3c는 장벽층(18)을 포함하는 활성 물질(10)을 도시하고 있다. 장벽층(18)은 리튬 활성 물질(12)과 복합층을 분리하는 역할을 하는데, 장벽층(18)은 리튬과 반응할 수 없도록 구성되어 있는 한편, 전기 전도 및 이온 전도의 기능을 갖는다. 장벽층(18)의 전기 전도 및 이온 전도 기능에 의해, 전자들이 리튬 활성 물질(12)로 진입하도록 허용함으로써, 산화 환원 반응을 진행시킬 수 있다. 장벽층(18)의 전기 전도 및 이온 전도 기능은 가해지는 물질에 의해 제공될 수 있다. 또는, 이온이 보호층(142)의 합금 물질을 통해 리튬 활성 물질(12)에 도달하여 장벽층(18) 쪽의 매체로 이어지도록 함으로써, 최종적으로 활성 물질(10)의 전체 전위와 리튬 활성 물질(12)의 전위가 동일해지도록 할 수 있다.
장벽층(18)은 리튬 활성 물질(12) 바로 옆에 배치되거나 또는 리튬 활성 물질(12)의 외표면을 커버하도록 구성된다. 보호층(142)는 리튬 활성 물질(12) 바로 옆에 배치되거나 또는 리튬 활성 물질(12)의 외표면을 커버하도록 구성된다. 도 3a에서, 장벽층(18)은 리튬 활성 물질(12)의 외표면을 전부 직접 커버한다. 도 3b에서, 장벽층(18)은 리튬 활성 물질(12)의 외표면을 부분적으로 직접 커버한다. 도 3c에서, 장벽층(18)은 적어도 하나의 불활성 금속 영역(182) 및 공핍 영역(depletion region)을 더 포함한다. 불활성 금속 영역(182)은 리튬 활성 물질(12)의 외표면에 배치되고 리튬과 합금화되지 않는다. 공핍 영역(184)은 불활성 금속 영역(182)에 인접 배치되는 한편, 복합층과 리튬 활성 물질(12) 사이에 배치된다. 어떤 종류의 실시예와 상관 없이, 리튬 활성 물질(12)과 복합층의 보호층(142)을 장벽층(18)에 의해 분리시킴으로써, 보호층(142)을 미 반응 상태로 유지하기 위한 패러데이 반응이 일어나기 전에, 리튬 활성 물질(12)과 보호층(142)이 부적절한 상태에서(즉, 승온 상태) 반응하지 않도록 한다.
도 3c에서, 불활성 금속 영역(182)은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 아연, 은, 금, 구리 합금, 니켈 합금, 철 합금 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속으로 제조된다. 공핀 영역(184)은 빈 공간으로 구성된다. 보호층(142)이 매체로부터의 리튬 이온과 반응하여 합금 물질을 형성시, 공핍 영역(184)에 의해 팽창 공간을 위한 버퍼 및 이온 경로를 제공할 수 있다.
장벽층(18)의 전기 전도 기능은 활성 물질(10)의 전위를 애노드 시스템(즉, 애노드 전극, 도시되지 않음)의 전위와 거의 동일하게 유지하는 데에 유용하다. 따라서, 활성 물질(10)이 전력 공급 시스템 내에서 완전하게 밀봉되고 액체 전해질의 주입과 같이 매체가 제공되는 경우, 활성 물질(10)은 점차적으로 매체를 흡수한다. 이 때 리튬 활성 물질(12)이 이온 전도의 특성을 갖도록 함으로써, 활성 물질(10)의 전위와 리튬 활성 물질(12)의 전위를 거의 동일하게 할 수 있다. 액체 전해질로부터의 리튬 이온이 보호층(142) 표면 및 추가로 복합층의 보호층(142)을 포함하는 합금 표면 상에 균일하고 섬세하게 분포됨으로써, 소립자형 합금 물질을 생성할 수 있다. 합금 보호층(142)이 소립자로 분해 전환되면, 전기 전도 경로가 생성되는 한편 침투된 액체 전해질(즉, 이온 인입)에 의해 장벽층(18)이 이온 전도 경로로 작용한다.
재료의 특성에 관해서는, 장벽층(18)은 층 구조의 형태로 전기/이온 전도성 물질로 제조될 수 있다. 상기 물질은 PA와 같은 전기 전도성 폴리머 또는 임의의 전기/이온 전도성 폴리머일 수 있다. 장벽층(18)은 전기 전도성 입자를 포함하는 절연성 폴리머와 같은 다공성 전기 전도성 물질로 제조될 수 있는데, 상기 전기 전도성 입자는 금속 입자 또는 비금속 입자로부터 선택될 수 있다. 리튬 활성 물질(12)을 위한 이온은 보호층(142)을 거쳐 전기 전도성 물질을 통해 제공될 수 있다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 구멍들 또는 공핍 영역(184)은 이온 경로의 기능을 할 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 활성 물질의 반응 메커니즘에 대해 이하에 기술된다.
우선, 전원 공급 시스템의 활성 물질(10)에 매체(medium)을 공급하며, 예컨대 상기 매체는 액체 전해질 또는 액체 이온일 수 있다. 이 단계는 전원 공급 시스템에 전해질을 주입함으로써, 활성 물질(10)이 전해질 내로 침투되도록 하기 위한 것이다. 이 때, 전해질은 구조층(144)의 구멍들(16)을 관통하고 보호층(142)의 표면에 도달한다.
다음, 전원 공급 시스템(즉, 리튬 전지)을 충전하여 보호층(142)의 금속 물질을 포함하는 매체(즉, 전해질) 합금에 대한 해리 이온(즉, 리튬 이온)을 생성함으로써, 합금 보호층(142)이 이온을 모을 수 있게 한다.
예컨대, 리튬 활성 물질(12)은 리튬 금속이고 리튬 활성 물질(12)과 반응하는 보호층(142)의 재료는 알루미늄 금속으로 구성된다. 리튬 전지를 충전함에 따라, 보호층(142)의 표면은 전해질에 의해 습윤될 것이기 때문에. 전위가 리튬 침적 전위(lithium deposition potential)에 도달하면, 리튬 이온은 보호층(142)의 알루미늄 금속 및 알루미늄을 포함하는 합금의 표면 상에 침적됨으로써, 리튬-알루미늄(Li-Al) 합금을 형성한다. 리튬-알루미늄(Li-Al) 합금의 격자는 붕괴되고 느슨해진다. 보호층(142)을 커버하고 전극 물질에 부착되는 구조층(144)에 의해, 리튬-알루미늄(Li-Al) 합금을 전해질 내에서 임의로 분산하지 않고 특정 영역 내에 제한하여 가둘수 있다. 따라서, 합금 보호층(142)으로 인해 전극 내 리튬 활성 물질(12)의 분포가 붕괴되는 형상은 발생하지 않는다.
또한, 느슨해진 보호층(142)에 의해 전해질의 리튬 이온이 리튬 활성 물질로 침투하기 위한 경로를 제공함으로써, 활성 물질(10) 및 리튬 활성 물질(12)의 전위가 동일해지도록 할 수 있으며, 후속 산화 환원 반응에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 이후에, 리튬 활성 물질(12)은 종래의 리튬 전지 전극으로서 기능하여, 이에 따라 이온 및 전자를 인입하고 방출할 수 있게 함으로써, 다른 공정 절차들을 종래의 충전/방전 절차들과 유사하게 구성할 수 있다.
따라서 본 발명에 개시된 활성 물질은 정상 조건 하에서 저장되고 작동될 수 있는데, 이는 고 반응성 리튬 활성 물질이 보호층 및 구조층을 포함하는 복합층에 의해 커버되어 있기 때문이다. 이에 따라 저장 및 작동 비용이 크게 감소될 수 있으며, 또한 동작의 유연성과 편의성도 보다 높아진다.
또한, 본 발명에 개시된 구조층에 의해 보호층으로부터 형성된 합금 물질을 특정 영역에 가둠으로써, 합금 물질이 후속의 충전 및 방전 절차 중에 리튬 활성 물질 부근에 남아 있도록 할 수 있으며, 활성 물질의 구조 붕괴로 인해 활성 물질의 효율 저하가 나타나지 않는다. 한편, 구조층과 전극 간의 안정되고 큰 결합력에 의해, 보호층의 구조가 붕괴되는 경우에도 전극 내의 활성 물질 분포를 유지시킬 수 있다.
본원에 기술된 내용들은 다양한 방법으로 변경 및 수정이 가능하다는 것은 자명할 것이다. 이러한 변경 및 수정은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나는 것으로 간주되지 않을 것이며, 당업자에게 있어 자명한 이러한 변경 및 수정에 대한 모든 내용들은 다음에 기재되는 특허 청구 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
10 활성 물질 12 리튬 활성 물질
14 복합층 142 보호층
144 구조층 16 구멍
18 장벽층 182 불활성 금속 영역
184 공핍 영역(depletion region)

Claims (26)

  1. 전원 공급 시스템에 적용되는 활성 물질(active material)에 있어서,
    활성 물질은 리튬 활성 물질(lithium active material) 및 상기 리튬 활성 물질을 전부 커버하는 복합층(composite layer)을 포함하고,
    복합층은 보호층(protection layer) 및 구조층(structural layer)을 포함하며,
    보호층은 주위의 습기 및 산소를 차단하는 기능을 하고, 제 1 보호 물질 및 제 2 보호 물질을 포함하며, 제 1 보호 물질은 리튬 금속/이온을 포함하는 합금을 형성하고, 제 2 보호 물질은 리튬 금속/이온과 합금화되지 않으며,
    구조층은 보호층과 인접하고, 활성 물질과 보호층 사이에 개재되지 않으며, 리튬 금속/이온과 합금화되지 않고,
    구조층은 활성 물질과 전극의 최종 부착 체결점으로 기능하도록 구성되는
    활성 물질.
  2. 제 1항에 있어서,
    보호층은 리튬 활성 물질의 외표면을 커버하는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  3. 제 1항에 있어서,
    보호층은 구조층으로 커버되는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  4. 제 1항에 있어서,
    구조층은 리튬 활성 물질의 외표면을 부분적으로 커버하는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  5. 제 1항에 있어서,
    구조층은 다공성 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  6. 제 1항에 있어서,
    구조층은 다수의 관통 구멍들 또는 다수의 블라인드 홀들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  7. 제 1항에 있어서,
    구조층은 폴리머, 세라믹, 섬유, 금속, 고체 전해질, 겔 전해질 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  8. 제 1항에 있어서,
    구조층은 구리, 니켈, 철, 구리 합금, 니켈 합금, 철 합금 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  9. 제 1항에 있어서,
    보호층 및 구조층은 교차 배치되는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  10. 제 1항에 있어서,
    리튬 활성 물질은 리튬 금속, 리튬 화합물 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  11. 제 1항에 있어서,
    보호층의 제 1 보호 물질은 금속 또는 준금속을 포함하는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  12. 제 11항에 있어서,
    금속 또는 준금속은 알루미늄, 주석, 실리콘, 알루미늄 합금, 주석 합금, 실리콘 합금 또는 리튬과 합금화 가능한 물질로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  13. 제 1항에 있어서,
    제 1 보호 물질 및 제 2 보호 물질은 합금 또는 비합금이며, 제 2 보호 물질은 리튬과 합금화되지 않는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  14. 제 1항에 있어서,
    산화 환원 반응을 진행시키고, 보호층의 적어도 일부가 합금화되도록 리튬 이온을 제공하기 위한 매체(medium)를 더 포함하는
    활성 물질.
  15. 제 14항에 있어서,
    매체는 액상 전해질, 고상 전해질, 겔 전해질, 액체 이온, 리튬 염을 포함하는 유기 용매, 리튬 염을 포함하는 무기 용매 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  16. 제 1항에 있어서,
    구조층은 전기 전도성을 더 갖는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  17. 제 1항에 있어서,
    리튬 활성 물질과 복합층을 분리시키고, 리튬과 합금화하지 않는 특성을 갖는 장벽층(barrier layer)을 더 포함하는
    활성 물질.
  18. 제 17항에 있어서,
    장벽층은 전기 전도성을 더 갖는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  19. 제 17항에 있어서,
    장벽층은 이온 전도성을 더 갖는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  20. 제 17항에 있어서,
    장벽층은 리튬 활성 물질의 외표면 바로 다음에 배치되는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  21. 제 17항에 있어서,
    복합층은 장벽층의 외표면을 커버하는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  22. 제 17항에 있어서,
    장벽층은 전도성 폴리머, 다공성 전도층이거나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  23. 제 22항에 있어서,
    다공성 전도층은 전도성 입자, 금속 격자 또는 이들의 조합을 포함하는 폴리머인 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  24. 제 17항에 있어서,
    장벽층은 리튬 활성 물질의 외표면에 배치되고 리튬과 합금화하지 않는 특징을 갖는 적어도 하나의 불활성 금속 영역; 및 복합층과 리튬 활성 물질 사이에 배치되고 불활성 금속 영역과 인접하는 공핍 영역(depletion region);을 포함하는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  25. 제 24항에 있어서,
    불활성 금속 영역은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 아연, 은, 금, 구리 합금, 니켈 합금, 철 합금 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
  26. 제 24항에 있어서,
    공핍 영역은 빈 공간인 것을 특징으로 하는
    활성 물질.
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