KR101900243B1 - 리튬 이온 전지를 위한 나노 섬유를 포함하는 애노드 물질 - Google Patents

리튬 이온 전지를 위한 나노 섬유를 포함하는 애노드 물질 Download PDF

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Abstract

본 발명은 갈바니 소자, 특히 리튬 이온 전지용 애노드 물질에 관한 것이다. 갈바니 소자의 전류 밀도와 열 안정성을 개선하기 위해, 애노드 물질은 금속, 금속 합금, 탄소-금속 산화물 복합 물질, 탄소-금속 복합 물질, 탄소-금속 합금 복합 물질, 도전성 폴리머, 폴리머-금속 복합 물질, 폴리머-금속 합금 복합 물질 또는 이들의 조합으로 이루어진 나노 섬유를 포함한다. 나노 섬유(1)는 나노 섬유 브레이드, 부직포 및/또는 메쉬로서 형성될 수 있고, 전기 도체(3)에 접속될 수 있다.

Description

리튬 이온 전지를 위한 나노 섬유를 포함하는 애노드 물질{ANODE MATERIAL COMPRISING NANOFIBRES FOR A LITHIUM-ION CELL}
본 발명은 애노드 물질, 갈바니 소자 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 상용화된 리튬 이온 전지는 대개 흑연 애노드를 포함하고, 상기 흑연 애노드는 충전 및 방전 과정 동안 가역적으로 리튬을 저장 및 방출할 수 있다. 그러나 흑연의 최대 용량은 최대로 저장 가능한 리튬 량에 의해 제한되고, 대략 370 mAh/g이다. 이 포텐셜은 순수 흑연 애노드를 포함하는 최신 리튬 이온 전지에 의해 거의 소비된다. 따라서 새로운 종류의 애노드 물질이 필요하다.
새로운 종류의 애노드 물질의 경우 한편으로는 높은 출력 밀도가 중요하고 다른 한편으로는 물질의 높은 순환 안정성이 중요하다. 차량 분야에 적용하기 위해, 리튬 이온 전지는 높은 전류 밀도, 열 안정성 및 약 3000 사이클의 순환 안정성을 가져야 한다.
본 발명의 과제는 높은 전류 밀도, 열 안정성 및 순환 안정성을 갖는 리튬 이온 전지를 위한 애노드 물질, 갈바니 소자 및 이들의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항에 따른 애노드 물질, 청구항 제 10 항에 따른 갈바니 소자 및, 청구항 제 12 항에 따른 제조 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 대상은 애노드 물질, 또는 갈바니 소자, 특히 리튬 이온 전지의 네가티브 전극을 위한 물질이며, 상기 물질은 금속, 금속 합금, 탄소-금속 산화물 복합 물질, 탄소-금속 복합 물질, 탄소-금속 합금 복합 물질, 도전성 폴리머, 폴리머-금속 복합 물질, 폴리머-금속 합금 복합 물질 또는 이들의 복합 물질로 이루어진 나노 섬유를 포함한다.
나노 섬유란, 본 발명과 관련해서 ≤ 1000 nm의 평균 섬유 직경과 200:1 이상의 평균 종횡비를 갖는 섬유이다. 종횡비란 섬유 길이 대 섬유 직경의 비율이다.
탄소란 본 발명과 관련해서 (순수한) 탄소의 개질제, 특히 열분해에 의해 얻을 수 있는 탄소 개질제이다. 탄소가 다른 원소, 예컨대 수소와 결합하는 폴리머와 같은 탄소 화합물은 본 발명과 관련해서 탄소라고 할 수 없다.
이러한 나노 섬유는 바람직하게 높은 전기 전도성을 가질 수 있다. 고유의 높은 전기 전도성 외에, 나노 섬유들은 애노드 물질의 내부 전도성을 현저히 개선할 수 있는 데, 그 이유는 나노 섬유들은 종횡비가 크기 때문에 큰 표면적을 갖고, 따라서 나노 섬유들 사이에, 나노 섬유들 내에 또는 나노 섬유들 상에 배치된 활성 물질이 특히 양호하게 전기 접촉할 수 있고, 전류가 특히 양호하게 상기 물질에 공급될 수 있거나 또는 상기 물질로부터 방출될 수 있기 때문이다. 또한, 이러한 나노 섬유는 구리와 같은 애노드 전기 도체 물질에 양호하게 결합할 수 있다. 따라서 이러한 나노 섬유로 이루어진 브레이드(braid) 또는 부직포 또는 메쉬를 통해 전해질이 매우 양호하게 확산될 수 있다. 따라서 바람직하게 높은 전류 밀도가 달성될 수 있다. 또한, 나노 섬유는 리튬 삽입시 부피 팽창을 보상할 수 있고, 이는 바람직하게 순환 안정성 및 열 안정성에 작용한다.
나노 섬유는 예를 들어 5 nm ≤ (평균 직경) ≤ 1000 nm , 특히 50 nm ≤ (평균 직경) ≤ 1000 nm , 예를 들어 50 nm ≤ (평균 직경) ≤ 200 nm, 및/또는 1 cm 이상, 예를 들어 10 cm 이상의 평균 섬유 길이를 가질 수 있다. 경우에 따라서 나노 섬유는 수 미터 또는 수백 미터 또는 심지어 수 킬로미터의 평균 섬유 길이를 가질 수 있다. 나노 섬유의 평균 종횡비는 특히 500:1 이상, 예를 들어 1000:1 이상 또는 5000:1 이상 또는 10000:1 이상일 수 있다. 특히 나노 섬유는 전하 유도 방사법이라고도 하는 전기방사에 의해 제조될 수 있다.
실시예와 관련해서 애노드 물질은 나노 섬유 브레이드 및/또는 나노 섬유 부직포 및/또는 나노 섬유 메쉬로서 나노 섬유를 포함한다. 이로 인해 바람직하게, 큰 표면을 갖는 3차원 다공질의 나노 섬유 애노드 구조가 형성될 수 있다. 나노 섬유 브레이드 또는 나노 섬유 부직포 또는 나노 섬유 메쉬의 다공성은 바람직하게 95 체적% 까지 달할 수 있다. 바람직하게 개별 나노 섬유들 사이의 큰 다공은 예를 들어 용매 및 전해질의 양호한 액세스를 가능하게 할 수 있다. 또한, 상기 브레이드/부직포/메쉬는 다공질의 도전성 나노 메쉬이고, 상기 메쉬는 바람직하게 전기 도체의 3차원 확장부로서 작용할 수 있다.
다른 실시예와 관련해서, 나노 섬유는 리튬화가능(lithatable) 물질을 포함한다. 특히 나노 섬유 또는 나노 섬유 복합 물질의 금속 또는 금속 합금 또는 금속 산화물은 리튬화될 수 있다.
리튬화가능 물질, 특히 리튬화가능 금속 또는 리튬화가능 금속 합금 또는 리튬화가능 금속 산화물 또는 리튬화가능 나노 입자란, 본 발명과 관련해서 특히 리튬을 삽입할 수 있거나 또는 저장할 수 있는 물질, 특히 금속 또는 금속 합금 또는 금속 산화물을 리튬화할 수 있는 나노 입자일 수 있다.
리튬화가능 금속 또는 금속 합금의 예는 실리콘, 주석 및 니켈-주석 합금이다.
실리콘에서 리튬은 특히 하기 반응 방정식에 따라 저장되고 다시 방출될 수 있다:
Si + 4,4Li+ + 4,4e- -> L4 ,4 Si
L4 ,4 Si -> Si +4,4Li+ + 4,4e-
주석에서 리튬은 특히 하기 반응 방정식에 따라 저장되고 다시 방출될 수 있다:
Sn + 4,4Li+ + 4,4e- -> L4 ,4 Sn
L4 ,4 Sn -> Sn +4,4Li+ + 4,4e-
니켈-주석 합금에서 리튬은 특히 하기 반응 방정식에 따른 시스템의 제 1 충전 과정 동안 저장될 수 있다:
Ni3,Sn4 + 17,6Li+ + 17,6e- -> 4L4 ,4Sn + 3Ni
시스템의 제 1 충전 동안 특히 금속 상의 비가역적 재구성이 이루어지고, 이 경우 이전에 스페이서로서 작용하는 니켈 원자는 팽윤 감소하에 리튬 원자로 대체될 수 있다. 이러한 비가역적 변환으로 인해 특히 다공 구조가 얻어지고, 상기 구조는 리튬 수용시 또는 방출시 부피 변화를 완충할 수 있다. 후속하는 방전 또는 충전 과정은 주석과 관련하여 설명된 반응 방정식에 따라 이루어진다. 합금으로부터 분리된 니켈은 이 경우 접촉재로서 작용할 수 있다.
리튬화가능 금속 산화물의 예는 SnO2, Fe3O4, Fe2O3 및 TiO2이다. 리튬화가능 물질의 다른 예는 탄소이다.
리튬화가능 금속, 리튬화가능 금속 합금, 리튬화가능 금속 산화물을 포함하는 탄소-금속 산화물 복합 물질, 리튬화가능 금속을 포함하는 탄소-금속 복합 물질, 리튬화가능 금속 합금을 포함하는 탄소-금속 합금 복합 물질, 리튬화가능 금속을 포함하는 폴리머-금속 복합 물질, 리튬화가능 금속 합금을 포함하는 폴리머-금속 합금-복합 물질 또는 이들의 복합 물질로 이루어진 나노 섬유에 의해, 갈바니 소자의 전술한 전기 전도성 외에 리튬 삽입 용량 및 전체 용량, 순환 안정성 및 열 안정성이 개선될 수 있다. 나노 섬유의 큰 종횡비로 인해 리튬 삽입시 부피 팽창 효과는 무시할 정도로 작다.
다른 실시예와 관련해서 나노 섬유는 리튬화가능 금속 또는 리튬화가능 금속 합금으로 형성된다.
다른 실시예와 관련해서 나노 섬유는 실리콘, 주석 또는 니켈-주석 합금으로 형성된다. 이러한 애노드 물질에 의해 바람직하게 실리콘의 경우에 대략 4200 mAh/g 까지의 용량이 달성될 수 있고, 주석의 경우에 대략 990 mAh/g 까지의 용량이 달성될 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 나노 섬유는 폴리머-금속 복합 물질 또는 폴리머-금속 합금 복합 물질 또는 하이브리드 물질로 형성된다. 바람직하게 리튬화가능 금속, 특히 실리콘 또는 주석, 또는 리튬화가능 금속 합금, 특히 니켈-주석 합금도 사용된다. 폴리머로서 바람직하게 도전성 폴리머가 사용된다.
다른 실시예와 관련해서 나노 섬유는 탄소-금속 산화물 복합 물질로 형성된다. 바람직하게 이 경우에도 리튬화가능 금속 산화물 또는 금속 산화물로서 리튬화가능 다수의 금속 산화물로 이루어진 혼합물이 사용된다. 이는, 탄소 및 리튬화가능 금속 산화물이 리튬을 삽입할 수 있고 높은 리튬 삽입 용량이 달성될 수 있는 장점을 제공한다. 예를 들어 이 경우 금속 산화물로서 Fe3O4, Fe2O3, TiO2 및 SnO2 및 이들의 조합이 사용될 수 있다. 이러한 탄소-금속 산화물 복합 물질은 예를 들어 전기 방사에 의해 얻어지는 금속 함유 폴리머-나노 섬유, 예를 들어 폴리아크릴로니트릴-나노 섬유의 열분해에 의해 제조될 수 있다. 열분해에 의해 폴리머는 탄소로 그리고 경우에 따라서 금속염은 금속 산화물, 예컨대 Fe3O4로 변환될 수 있다. 복합 물질의 탄소에 의해 바람직하게 복합 물질로 형성된 나노 섬유의 결합이 증가할 수 있고, 상기 나노 섬유의 도전성이 개선될 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 나노 섬유는 탄소-금속 복합 물질 또는 탄소-금속 합금 복합 물질로 형성된다. 바람직하게 리튬화가능 금속 또는 리튬화가능 금속 합금이 사용될 수도 있다. 이는, 탄소 및 리튬화가능 금속 또는 리튬화가능 금속 합금이 리튬을 삽입할 수 있고 높은 리튬 삽입 용량이 달성될 수 있는 장점을 제공한다. 바람직하게 이 경우에도 금속으로서 실리콘 또는 주석이 사용되거나 또는 금속 합금으로서 니켈-주석 합금이 사용된다. 이러한 탄소-금속 복합 물질 나노 섬유 또는 탄소-금속 합금 복합 물질 나노 섬유는 예를 들어 전기방사에 의해 얻어진, 금속 함유 폴리머-나노 섬유, 예를 들어 폴리아크릴로니트릴-나노 섬유의 열 분해에 의해 제조될 수 있다. 열 분해에 의해 폴리머는 탄소로 변환되고, 경우에 따라서 금속염은 금속 또는 금속 합금으로 변환될 수 있다. 이 경우에도 복합 물질의 탄소에 의해 바람직하게 복합 물질로 형성된 나노 섬유의 결합이 증가할 수 있고, 나노 섬유의 도전성이 개선될 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 나노 섬유는 도전성 폴리머로 형성된다. 이 경우 폴리머란 특히, 하나 또는 2개 이상의 폴리머 종류 및 경우에 따라서 첨가제를 포함하는 폴리머일 수 있다. 이러한 나노 섬유는 바람직하게 리튬화가능 물질로 코팅된다.
다른 실시예와 관련해서 나노 섬유는 리튬화가능 물질로 이루어진 코팅을 포함한다. 따라서 바람직하게 리튬 삽입을 위해 이용되는 활성 표면 및 그에 따라 용량과 전류 밀도는 - 리튬화가능 물질로 이루어진 박막에 비해 - 수 배 증가할 수 있다. 바람직하게 나노 섬유는 실질적으로 완전히 코팅으로 커버되거나 또는 코팅되거나 또는 커버된다. 즉, 실질적으로 다른 나노 섬유 또는 상기 나노 섬유의 다른 부분 영역과 직접 접촉하는 나노 섬유의 표면 영역들은 코팅으로 커버되지 않거나 또는 코팅되지 않을 수 있다. 이는 예를 들어 나노 섬유들이 코팅 형성 전에 접촉하는 경우일 수 있다.
나노 섬유의 코팅은 예를 들어 전기화학적으로 또는 외부 전류 없이, 예컨대 전기영동 증착, 나노 입자 증착 및/또는 물리 또는 화학 기상 증착(PVD: physical vapour deposition, CVD: chemical vapour deposition)과 같은 진공 방법에 의해 제조될 수 있다.
예를 들어 나노 섬유는 리튬화 불가능(non-lithiatable) 물질, 예를 들어 구리 또는 도전성 폴리머로 형성될 수 있고, 리튬화가능 물질로 이루어진 코팅을 포함할 수 있다. 또는 나노 섬유는 리튬화가능 제 1 물질로 형성될 수 있고, 제 1 물질과 다른, 리튬화가능 제 2 물질로 이루어진 코팅을 포함할 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 나노 섬유는 실리콘, 주석 또는 니켈-주석 합금으로 이루어진 코팅을 포함한다.
다른 실시예와 관련해서 나노 섬유는 5 nm ≤ (평균 층 두께) ≤ 3 ㎛, 예를 들어 50 nm ≤ (평균 층 두께) ≤ 3 ㎛를 갖는 코팅을 포함한다. 최적의 층 두께는 선택된 시스템에 의존할 수 있다. 따라서 최적의 층 두께는 시스템에 맞게 조정될 수 있고, 순환 중에 팽윤에 의한 인장 균열을 방지하기 위해 너무 크게 선택되어서는 안된다.
다른 실시예와 관련해서 나노 섬유들 사이의 공간은 특히 도전성 에어로겔로 채워진다. 이로 인해 애노드 물질의 도전성이 더욱 높아질 수 있는데, 그 이유는 전극 이동이 특히 짧은 거리에 걸쳐서만 다음 나노 섬유로 그리고 거기에서부터 전기 도체에 대한 양호한 도전성을 가지고 이루어지기 때문이다.
다른 실시예와 관련해서 에어로겔은 리튬화가능 나노 입자를 포함한다. 따라서 바람직하게 전체 용량이 더욱 증가할 수 있다. 리튬화가능 나노 입자는 바람직하게 에어로겔의 다공에 고정된다. 리튬 삽입 중에 나노 입자는 바람직하게 다공 내에서 팽창될 수 있고, 이로 인해 바람직하게 전체 시스템의 부피 팽창이 보상될 수 있다. 이 실시예와 관련해서 나노 섬유는 리튬화가능 물질 및 리튬화될 수 없는 물질, 예컨대 구리 또는 도전성 폴리머로 형성될 수 있다. 바람직하게 나노 섬유는 리튬화가능 물질로 형성된다. 따라서 바람직하게 리튬 삽입 용량이 최적화될 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 에어로겔은 리튬화가능 금속 또는 리튬화가능 금속 합금으로 이루어진 나노 입자를 포함한다. 바람직하게 에어로겔은 리튬화가능 금속 또는 리튬화가능 금속 합금으로 이루어진 리튬화가능 나노 입자를 포함하고, 상기 금속 합금은 실리콘, 주석, 니켈-주석 합금 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된다.
에어로겔은 유기 및 무기 염기에 기초할 수 있다. 예를 들어 에어로겔은 탄소 기반 에어로겔일 수 있다. 그러나, 에어로겔은 무기 에어로겔일 수도 있다.
도전성 또는 내부 전도성을 개선하기 위해, 에어로겔은 또한 예를 들어 도핑된 도전성 나노 입자 및/또는 전도성 탄소를 포함할 수 있다. 특히 무기 에어로겔은 도전성, 예를 들어 도핑된 나노 입자 및/또는 전도성 탄소를 포함할 수 있다.
다른 특징 및 장점들과 관련해서 본 발명에 따른 갈바니 소자, 본 발명에 따른 방법 및 실시예 설명과 관련한 내용들이 명시적으로 참조된다.
본 발명의 다른 대상은 본 발명에 따른 애노드 물질을 포함하는 갈바니 소자, 특히 리튬 이온 전지이다.
애노드 물질의 나노 섬유는 이 경우 적어도 부분적으로 애노드 전기 도체에 전기 및 기계적으로 접속될 수 있다. 이는 예를 들어, 애노드 물질의 나노 섬유가 예를 들어 구리로 이루어진 애노드 전기 도체 상에서 직접, 특히 전기방사에 의해 제조됨으로써 보장될 수 있다. 따라서 바람직하게 전기 도체에 대한 나노 섬유의 결합 및 갈바니 소자의 도전성이 개선될 수 있다. 특히 갈바니 소자는 애노드(음극), 캐소드(양극) 및 세퍼레이터(separator)를 포함할 수 있고, 이 경우 애노드는 본 발명에 따른 애노드 물질을 포함한다.
다른 특징 및 장점들과 관련해서 본 발명에 따른 애노드 물질, 본 발명에 따른 방법 및 실시예 설명과 관련한 내용을 명시적으로 참조한다.
본 발명의 다른 대상은 본 발명에 따른 애노드 물질 또는 본 발명에 따른 갈바니 소자의 제조 방법이다.
특히 금속, 금속 합금, 도전성 폴리머, 폴리머-금속 복합 물질 또는 폴리머-금속 합금 복합 물질로 이루어진 나노 섬유의 제조를 위한 방법의 실시예와 관련해서, 방법은 다음 방법 단계를 포함한다:
- 금속 또는 금속 합금으로 변환될 수 있는 적어도 하나의 금속염 및/또는 적어도 하나의 도전성 폴리머 또는 도전성 폴리머로 변환될 수 있는 폴리머 전구체를 포함하는 물질로 이루어진 나노 섬유를 전기방사하는 단계.
금속 또는 금속 합금으로 금속염의 변환 또는 폴리머로 폴리머 전구체의 젼환은 특히 나노 섬유의 가열에 의해 이루어질 수 있다. 이 실시예와 관련해서 나노 섬유의 가열은 바람직하게, 금속염이 금속 또는 금속 합금으로 또는 폴리머 전구체가 폴리머로 변환되도록, 그러나 폴리머는 탄소로 변환되지 않도록 이루어진다.
특히 탄소-금속 산화물 복합 물질, 탄소-금속 복합 물질 또는 탄소-금속 합금 복합 물질로 이루어진 나노 섬유의 제조를 위한 방법의 다른 실시예와 관련해서, 방법은 다음 단계들을 포함한다:
- 금속 산화물 또는 금속 또는 금속 합금으로 변환될 수 있는 적어도 하나의 금속염 및 적어도 하나의 폴리머 또는 폴리머로 변환될 수 있는 폴리머 전구체를 포함하는 물질로 이루어진 나노 섬유를 전기방사하는 단계 및
- 폴리머가 탄소로 변환되도록 나노 섬유를 가열하는, 특히 열분해 하는 단계.
바람직하게 폴리머는 이 실시예와 관련해서 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리아크릴로니트릴 전구체를 포함한다.
전기방사시 동시에 다수의 나노 섬유들이 제조될 수 있다.
전기방사에 의해 직접 나노 섬유 브레이드 또는 나노 섬유 부직포 또는 나노 섬유 메쉬가 형성될 수 있다.
그러나, 방법은 다른 방법 단계를 더 포함할 수 있다:
- 나노 섬유를 나노 섬유 브레이드 또는 나노섬유 부직포 또는 나노 섬유 메쉬로 가공하는 단계.
다른 실시예와 관련해서 전기 도체는 전기방사시 전극으로서 사용된다. 따라서 나노 섬유는 전기 도체 상으로 직접 방사(spinning)될 수 있고, 이로 인해 바람직하게 전기 도체에 대한 나노 섬유의 결합 및 도전성이 개선될 수 있다. 이 경우에도 나노 섬유 브레이드 또는 나노 섬유 부직포 또는 나노 섬유 메쉬는 섬유로 형성될 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 방법은 다음 방법 단계를 포함한다:
- 리튬화가능 물질로 나노 섬유를 코팅하는 단계.
나노 섬유의 코팅은 예를 들어 전기 화학적으로 또는 외부 전류 없이, 예를 들어 전기영동 증착, 나노 입자 증착 및/또는 예를 들어 물리적 또는 화학적 기상 증착(PVD: physical vapour deposition, CVD: chemical vapour deposition)과 같은 진공 방법에 의해 이루어질 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 방법은 다음 방법 단계를 포함한다:
- 에어로겔로 변환될 수 있는, 리튬화가능 나노 입자를 포함하는 에어로겔 전구체로 나노 섬유들 사이의 갭을 채우는 단계.
에어로겔은 바람직하게 졸-겔 프로세스에 의해 제조된다. 기본적으로 에어로겔 전구체 또는 에어로겔은 유기 염기 (organic basis) 및 무기 염기(inorganic basis)에 기초할 수 있다. 예를 들어 유기 또는 탄소 기반 에어로겔은 예를 들어 레조르신-포름알데히드 혼합물이 먼저 겔 상태가 되고, 경우에 따라서 건조된 후에 템퍼링됨으로써 제조될 수 있다. 템퍼링 후에 에어로겔 전구체로부터 가교 결합된 다공질의 도전성 및 리튬화가능 탄소 기반 에어로겔이 얻어질 수 있고, 상기 에어로겔의 다공에 경우에 따라서 리튬화가능 나노 입자가 고정될 수 있고, 상기 나노 입자는 다공성 구조에 리튬 수용시 팽윤될 수 있고, 이 경우 매트릭스가 손상되거나 또는 디콘택팅(decontacting)되지 않는다.
바람직하게 에어로겔 전구체 또는 에어로겔은 리튬화가능 나노 입자를 포함한다. 특히 에어로겔 전구체 또는 에어로겔은 특히 실리콘, 주석, 니켈-주석 합금 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된, 리튬화가능 금속 또는 리튬화가능 금속 합금으로 이루어진 나노 입자를 포함할 수 있다.
또한, 에어로겔 전구체 또는 에어로겔은 예컨대 무기 에어로겔의 도전성을 개선하기 위해 예컨대 도핑된 도전성 나노 입자 및/또는 전도성 탄소를 포함할 수 있다.
또한, 리튬화가능 나노 입자, 예컨대 실리콘, 주석 및/또는 니켈-주석 합금으로 이루어진 나노 입자는 템퍼링 프로세스에 의해 추후에 에어로겔의 다공에 삽입되어 거기에 고정될 수 있다.
다른 특징 및 장점들과 관련해서 본 발명에 따른 애노드 물질, 본 발명에 따른 갈바니 소자 및 실시예 설명과 관련한 내용들이 명시적으로 참조된다.
본 발명에 따른 대상의 다른 장점들 및 바람직한 실시예들은 도면에 도시되고 하기에서 설명된다. 이 경우, 도면은 전술한 특징만을 포함하며, 어떠한 형태로든 본 발명을 제한하지 않는다.
도 1a는 리튬화가능 금속 나노 섬유의 개략적인 사시도.
도 1b는 탄소-금속 산화물 복합 물질로 이루어진 리튬화가능 나노 섬유의 개략적인 사시도.
도 2는 리튬화가능 물질로 이루어진 코팅을 포함하는 나노 섬유의 개략적인 사시도.
도 3은 애노드 전기 도체 상의 나노 섬유 브레이드 또는 나노 섬유 부직포 또는 나노 섬유 메쉬의 개략적인 사시도.
도 4a는 나노 섬유들 사이의 갭은 에어로겔로 채워지고, 에어로겔의 다공에 리튬화가능 나노 입자가 배치되는, 리튬화가능 나노 섬유로 이루어진 나노 섬유 브레이드 또는 나노 섬유 부직포 또는 나노 섬유 메쉬를 포함하는 애노드 물질의 개략적인 횡단면도.
도 4b는 도 4a에 도시된 애노드 물질의 확대 부분도.
도 1a 및 도 1b는 리튬화가능 나노 섬유(1)의 상이한 2개의 실시예들을 도시하고, 이 경우 도 1a는 예를 들어 실리콘, 주석 또는 니켈-주석 합금으로 이루어진 리튬화가능 금속 나노 섬유(1)를 도시하고, 도 1b는 예컨대 리튬화가능 금속 산화물로서 Fe3O4를 포함하는 탄소-금속 산화물 복합 물질로 이루어진 리튬화가능 나노 섬유(1)를 도시한다. 탄소-금속 산화물 복합 물질로 이루어진 나노 섬유는 예를 들어, 먼저 금속 산화물로 변환될 수 있는 적어도 하나의 금속염 및 적어도 하나의 폴리머 또는 폴리머로 변환될 수 있는 폴리머 전구체를 포함하는 물질로 이루어진 나노 섬유의 전기방사에 의해 제조됨으로써 그리고 후속해서 금속염이 리튬화가능 금속 산화물로 변환되고 폴리머는 탄소로 변환되도록 나노 섬유가 가열됨으로써, 특히 열분해됨으로써 제조될 수 있다. 이 경우 폴리머로서 예컨대 폴리아크릴로니트릴이 사용될 수 있다.
도 2는 예를 들어 실리콘, 주석 또는 니켈-주석 합금으로 이루어진 리튬화가능 물질로 이루어진 평균 층 두께(d)를 갖는 코팅(2)을 포함하는 나노 섬유(1)의 다른 실시예를 도시한다. 나노 섬유(1)는 이 실시예와 관련해서 리튬화될 수 없는 물질, 예를 들어 구리 또는 도전성 폴리머로 형성될 수 있다.
도 3은 리튬화가능 나노 섬유(1)가 나노 섬유 브레이드 또는 나노 섬유 부직포 또는 나노 섬유 메쉬로서 제공될 수 있는 것을 도시한다. 이는 예를 들어 나노 섬유가 전기방사에 의해 제조됨으로써 이루어질 수 있고, 이 경우 제조될 애노드 또는 제조될 갈바니 소자의 전기 도체(3)는 전극으로서 사용된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 애노드 물질의 다른 실시예를 도시하고, 이 실시예와 관련해서 애노드 물질은 예를 들어 실리콘, 주석 또는 니켈-주석 합금으로 이루어진 리튬화가능 나노 섬유(1)로 이루어진 나노 섬유 브레이드 또는 나노 섬유 부직포 또는 나노 섬유 메쉬를 포함하고, 이 경우 나노 섬유들(1) 사이의 갭은 에어로겔(4), 예를 들어 탄소 기반 에어로겔로 채워지고, 이 경우 에어로겔(4)의 다공에 예를 들어 실리콘, 주석 또는 니켈-주석 합금으로 이루어진 리튬화가능 나노 입자(5)가 배치된다.
1 나노 섬유
2 코팅
4 에어로겔
5 나노 입자

Claims (15)

  1. 갈바니 소자를 위한 애노드 물질로서,
    금속, 금속 합금, 탄소-금속 산화물 복합 물질, 탄소-금속 복합 물질, 탄소-금속 합금 복합 물질, 도전성 폴리머, 폴리머-금속 복합 물질, 폴리머-금속 합금 복합 물질 또는 이들의 복합 물질로 이루어진 나노 섬유(1)들을 포함하고,
    상기 나노 섬유(1)들 사이의 갭은 에어로겔(4)로 채워지는 것을 특징으로 하는 애노드 물질.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 물질은 나노 섬유 브레이드 및/또는 나노 섬유 부직포 및/또는 나노 섬유 넷팅으로서 나노 섬유(1)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 물질.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 나노 섬유(1)들은 리튬화가능 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 물질.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 나노 섬유(1)들은 실리콘, 주석 또는 니켈-주석 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 애노드 물질.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 나노 섬유(1)들은 리튬화가능 물질로 이루어진 코팅(2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 물질.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 나노 섬유(1)들은 실리콘, 주석 또는 니켈-주석 합금으로 이루어진 코팅(2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 물질.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 나노 섬유(1)들은 평균 층 두께(d)가 5 nm ≤ (d) ≤ 3 ㎛ 인 코팅(2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 물질.
  8. 삭제
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 에어로겔(4)은 리튬화가능 나노 입자(5)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 물질.
  10. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서, 상기 에어로겔(4)은 실리콘, 주석, 니켈-주석 합금 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된, 리튬화가능 금속 또는 리튬화가능 금속 합금으로 이루어진 리튬화가능 나노 입자(5)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 물질.
  11. 제 1 항에 따른 애노드 물질을 포함하는 갈바니 소자.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 애노드 물질 또는 제 11 항에 따른 갈바니 소자의 제조 방법으로서,
    - 금속 또는 금속 합금으로 변환될 수 있는 적어도 하나의 금속염 및/또는 적어도 하나의 도전성 폴리머 또는 도전성 폴리머로 변환될 수 있는 폴리머 전구체를 포함하는 물질로 이루어진 나노 섬유(1)들을 전기방사하는 단계 또는 금속 산화물 또는 금속 또는 금속 합금으로 변환될 수 있는 적어도 하나의 금속염 및 적어도 하나의 폴리머 또는 폴리머로 변환될 수 있는 폴리머 전구체를 포함하는 물질로 이루어진 나노 섬유(1)들을 전기방사하는 단계;
    - 상기 나노 섬유(1)들 사이의 갭을 에어로겔 전구체로 채우는 단계; 및
    - 폴리머가 탄소로 변환되도록 상기 나노 섬유(1)들을 가열하는 단계;를 포함하는 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리아크릴로니트릴 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 전기 도체(3)는 전기 방사시 전극으로서 이용되어 상기 나노 섬유들이 상기 전기 도체 상에 직접 스핀되는(spin) 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 제조 방법은
    - 상기 나노 섬유(1)들을 전기방사하는 단계 후에, 리튬화가능 물질을 상기 나노 섬유(1)들에 코팅하는 단계;를 포함하고,
    상기 에어로겔 전구체는 리튬화가능 나노 입자를 포함하고 에어로겔로 변환될 수 있는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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