KR102535218B1 - 탄소-계 물질을 포함하는 장치 및 그의 제조 - Google Patents
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Abstract
에너지 저장 장치가 개시된다. 몇몇 구체예에서, 에너지 저장 장치는 다공성 카본 시트(들)를 포함하는 탄소-계 물질을 포함하는 양극을 포함한다. 에너지 저장 장치를 제조하기 위한 제조 공정이 개시된다.
Description
상호 참조
[0001] 본 출원은, 2016년 8월 31일 출원된 미국 가출원 번호 62/381,859의 이익을 주장하고, 상기 출원은 본 명세서에서 참고로서 포함된다.
[0002] 현대 생활의 에너지 필요가 급속하게 성장하는 것의 결과로서, 고성능 에너지 저장 장치의 개발이 상당한 주목을 얻어왔다.
[0003] 리튬-이온 배터리 (LIB)는 그들의 높은 에너지 밀도 및 적은 기억 효과 때문에 휴대용 전자기기로 매우 인기 있다. 그들은 전기 자동차, 전동 공구, 및 군사 및 항공 우주 용도의 진보에서 중요한 역할을 한다. 몇몇 경우에서 LIB는 에너지 저장에 대한 시장을 장악한다. 하지만, 임의의 다른 임의의 저장 시스템처럼, LIB는 여전히 많은 결점으로부터 시달린다. 정상적인 전자 장치가 무어의 법칙에 따라 매우 급속한 진보를 보여주지만, 주로 높은 충전 저장 용량을 갖는 새로운 물질의 부족 때문에, 배터리는 약간만 발전했다.
[0004] 더욱 고성능 에너지 저장 장치 (또한 본 명세서에서 "장치")에 대한 필요가 본 명세서에서 인식된다. 개선된 성능을 갖는 탄소-계 물질, 조 공정, 및 장치가 본 명세서에서 제공된다.
[0005] 몇몇 구체예에서, 본 개시는 현재 배터리 기술의 결점을 피할 수 있는 배터리 (예를 들어, 재충전 가능한 배터리)를 제공한다. 그러한 배터리의 물질 및 제조 공정이 본 명세서에서 제공된다. 몇몇 구체예에서, 현재 LIB 기술의 결점을 피할 수 있는 탄소-계 리튬-이온 배터리 (LIB)가 개시된다. 본 명세서에서 개시되는 시제품 탄소-계 배터리는 상업용 LIB와 비교되는 개선된 성능을 제공할 수 있다. 특정 구체예에서, 본 명세서에서 기술된 배터리는 상업용 LIB와 비교되는 2배의 충전량을 보유할 수 있다. 본 명세서에서 기술된 배터리는 상업용 전지의 2배의 용량을 가질 수 있고, 상업용 전지의 2배 전력을 제공하고, 2배 긴 사이클 수명을 갖고 2배 길게 사용될 수 있거나 그의 임의의 조합을 가질 수 있다. 특정 구체예에서, 본 명세서에서 기술된 배터리는 상업용 전지의 2배의 용량을 가질 수 있을 뿐만 아니라 2배 전력을 제공하고 2배 길게 사용될 수 있다.
[0006] 본 명세서에서 기술된 배터리는 하나 또는 그 이상의 용도 또는 영역, 예를 들어, 휴대용 전자기기 (예를 들어, 핸드폰, 컴퓨터, 및 카메라), 의료 장치 (예를 들어, 심장 박동기, 제세동기, 보청기, 통증 관리 장치, 및 약물 펌프를 포함하는, 생명-유지 및 생활-향상 의료 장치), 전기 자동차 (예를 들어, 전기 자동차 산업을 개선시키기 위해 긴 수명시간을 갖는 배터리가 필요함), 우주 (예를 들어, 배터리는 로버, 랜더, 우주복, 및 전자 장비를 포함하는 우주 시스템에 전력을 공급하기 위해 우주 공간에서 사용될 수 있음), 군사 배터리 (예를 들어, 군은 많은 수의 전자 및 장비에 전력을 공급하기 위해 특수한 배터리를 사용하고; 본 명세서에서 기술된 배터리의 감소된 질량 및 부피가 매우 바람직함), 전기 항공기 (예를 들어, 태양광 전지 또는 배터리전기로부터 오는 전기를 이용하는, 내연 엔진보다는 전기 모터에 의해 작동하는 항공기), 그리드 규모 에너지 저장 (예를 들어, 배터리는, 발전소로부터 생산이 소비를 초과하는 시간 동안 전기 에너지를 저장하는데 사용될 수 있고, 소비가 생산을 초과할 때 에너지를 사용할 수 있음), 재생 가능한 에너지 (예를 들어, 태양이 밤에는 빛나지 않고 바람이 항상 불지 않기 때문에, 공공설비를 사용하지 않는 전력 시스템에서의 배터리는 일몰 이후의 시간 동안 및 바람이 불지 않을 때의 사용을 위해 재생 가능한 에너지원으로부터 과잉 전력을 저장할 수 있고; 높은 전력 배터리는 현재의 최신 기술 배터리보다 더욱 높은 효율성을 가진 태양광 전지로부터 에너지를 얻을 수 있음), 전동 공구 (예를 들어, 본 명세서에서 기술된 배터리는 무선 전동 공구 가령 드릴, 스크루 드라이버, 톱, 렌치, 및 그라인더의 고속-충전을 가능하게 할 수 있고; 현재 배터리는 긴 재충전 시간을 가짐), 또는 그의 임의의 조합에서 중요한 역할을 할 수 있다.
[0007] 다음의 서술 및 수반되는 도면과 함께 고려될 때 본 개시의 장치의 다른 목표 및 이점이 추가로 인식되고 이해될 것이다. 다음의 서술이 본 개시의 장치의 특정한 구체예를 기술하는 특정한 세부 사항을 함유할 수 있지만, 이는 본 개시의 장치의 범위에 대한 제한으로서 해석되면 안되고 바람직한 구체예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 개시의 장치의 각각의 양상에 대해, 본 업계의 숙련가에게 잘 알려진 본 명세서에서 제시된 것과 같은 많은 변형이 가능하다. 다양한 변형 및 개질이 그의 진정한 의미로부터 벗어나지 않고 본 개시의 범위 이내에서 이루어질 수 있다.
[0008] 본 개시의 장치의 특징은 첨부된 청구범위 내에서 상세히 설명된다. 본 개시의 장치의 특징 및 이점의 더 나은 이해는, 본 개시의 장치의 원리가 활용되는 예시적인 구체예, 및, 다음의 수반되는 도면 또는 도면(s) (또한 본 명세서에서 "도(FIG.)" 및 "도(FIGs.)")을 설명하는 다음의 상세한 서술에 대한 참조에 의해 얻어질 것이다:
[0009] 도 1은 다공성 카본 시트 제조의 예시를 도식적으로 보여준다.
[0010] 도 2는 본 개시에 따라서 탄소-계 물질을 포함하는 배터리를 제조하기 위한 제조 공정의 예시를 도식적으로 보여준다.
[0011] 도 3은 대규모 롤-대-롤 처리를 사용하는 슬러리의 코팅의 예시를 보여준다.
[0012] 도 4는 알루미늄 포일이 기판으로서 사용되는 공정의 예시를 보여주고 공정은 코팅 슬러리에 대한 알루미늄 포일을 권취하는 것을 이용하여 시작한다.
[0013] 도 5는 알루미늄 포일/집전 장치 상에 코팅될 때 슬러리의 확대 보기의 예시를 보여준다 (슬러리는 흑색임).
[0014] 도 6은 인-라인 가열 오븐을 사용하여 120°C에서 건조시킨 이후의 전극/코팅된 필름의 예시를 보여준다.
[0015] 도 7은 코팅된 이후에 알루미늄 포일을 재권취하는 예시를 보여준다.
[0016] 도 8은 다양한 탄소 형태의 예시를 도식적으로 보여준다.
[0017] 도 9는 배터리의 구조의 예시의 개략도이다.
[0018] 도 10은 전지의 제조 공정의 예시를 보여준다.
[0019] 도 11은 완성된 전지의 예시를 보여준다.
[0020] 도 12는 리튬 철 포스페이트 (LFP)-계 전지의 성능의 예시를 보여준다.
[0021] 도 13은 배터리의 구조의 예시의 개략도이다.
[0022] 도 14는 전지의 제조 공정의 예시를 보여준다.
[0023] 도 15는 완성된 전지의 예시를 보여준다.
[0024] 도 16은 리튬 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드 (NCA)-계 전지의 성능의 예시를 보여준다.
[0025] 도 17은 배터리의 구조의 예시의 개략도이다.
[0026] 도 18은 전지의 조립 공정의 예시의 조감도이다.
[0027] 도 19는 전지의 조립 공정의 예시의 단면도이다.
[0028] 도 20은 전지의 조립 공정의 예시를 보여준다.
[0029] 도 21은 완성된 전지의 예시를 보여준다.
[0030] 도 22는 리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드 (NMC)-계 전지의 성능의 예시를 보여준다.
[0031] 도 23은 흑연 옥사이드를 제조하는 허머(Hummers')-계 방법 (예를 들어, 개질된 허머 방법)의 예시를 보여주는 도해이다.
[0032] 도 24는 흑연 옥사이드를 제조하기 위한 방법의 예시를 보여주는 도해이다.
[0033] 도 25는 슬러리를 이용하여 필름을 코팅하기 위한 예시적인 방법을 보여준다.
[0034] 도 26은 예시적인 에너지 저장 장치의 용량 측정을 보여준다.
[0035] 도 27은 예시적인 에너지 저장 장치의 등가 직렬 저항 (ESR) 측정을 보여준다.
[0036] 도 28은 예시적인 에너지 저장 장치의 예시적인 동적 ESR 측정을 보여준다.
[0009] 도 1은 다공성 카본 시트 제조의 예시를 도식적으로 보여준다.
[0010] 도 2는 본 개시에 따라서 탄소-계 물질을 포함하는 배터리를 제조하기 위한 제조 공정의 예시를 도식적으로 보여준다.
[0011] 도 3은 대규모 롤-대-롤 처리를 사용하는 슬러리의 코팅의 예시를 보여준다.
[0012] 도 4는 알루미늄 포일이 기판으로서 사용되는 공정의 예시를 보여주고 공정은 코팅 슬러리에 대한 알루미늄 포일을 권취하는 것을 이용하여 시작한다.
[0013] 도 5는 알루미늄 포일/집전 장치 상에 코팅될 때 슬러리의 확대 보기의 예시를 보여준다 (슬러리는 흑색임).
[0014] 도 6은 인-라인 가열 오븐을 사용하여 120°C에서 건조시킨 이후의 전극/코팅된 필름의 예시를 보여준다.
[0015] 도 7은 코팅된 이후에 알루미늄 포일을 재권취하는 예시를 보여준다.
[0016] 도 8은 다양한 탄소 형태의 예시를 도식적으로 보여준다.
[0017] 도 9는 배터리의 구조의 예시의 개략도이다.
[0018] 도 10은 전지의 제조 공정의 예시를 보여준다.
[0019] 도 11은 완성된 전지의 예시를 보여준다.
[0020] 도 12는 리튬 철 포스페이트 (LFP)-계 전지의 성능의 예시를 보여준다.
[0021] 도 13은 배터리의 구조의 예시의 개략도이다.
[0022] 도 14는 전지의 제조 공정의 예시를 보여준다.
[0023] 도 15는 완성된 전지의 예시를 보여준다.
[0024] 도 16은 리튬 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드 (NCA)-계 전지의 성능의 예시를 보여준다.
[0025] 도 17은 배터리의 구조의 예시의 개략도이다.
[0026] 도 18은 전지의 조립 공정의 예시의 조감도이다.
[0027] 도 19는 전지의 조립 공정의 예시의 단면도이다.
[0028] 도 20은 전지의 조립 공정의 예시를 보여준다.
[0029] 도 21은 완성된 전지의 예시를 보여준다.
[0030] 도 22는 리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드 (NMC)-계 전지의 성능의 예시를 보여준다.
[0031] 도 23은 흑연 옥사이드를 제조하는 허머(Hummers')-계 방법 (예를 들어, 개질된 허머 방법)의 예시를 보여주는 도해이다.
[0032] 도 24는 흑연 옥사이드를 제조하기 위한 방법의 예시를 보여주는 도해이다.
[0033] 도 25는 슬러리를 이용하여 필름을 코팅하기 위한 예시적인 방법을 보여준다.
[0034] 도 26은 예시적인 에너지 저장 장치의 용량 측정을 보여준다.
[0035] 도 27은 예시적인 에너지 저장 장치의 등가 직렬 저항 (ESR) 측정을 보여준다.
[0036] 도 28은 예시적인 에너지 저장 장치의 예시적인 동적 ESR 측정을 보여준다.
[0037] 개선된 성능을 갖는 탄소-계 물질, 제조 공정, 및 장치가 본 명세서에서 제공된다. 몇몇 구체예에서, 본 개시는 탄소-계 물질을 포함하는 배터리 (예를 들어, 리튬-이온 배터리 (LIB)) 및 그들의 제조 공정을 제공한다. 그러한 배터리는 현재 배터리 (예를 들어, LIB) 기술의 결점을 피할 수 있다. 본 개시의 배터리는 하나 또는 그 이상의 배터리 전지를 포함할 수 있다. 배터리 전지는 전해질을 포함하는 분리기에 의해 분리된 양극 및 음극을 포함할 수 있다. 양극은 방전 동안 음극일 수 있다. 음극은 방전 동안 양극일 수 있다.
[0038] 몇몇 구체예에서, 복수의 배터리 전지는 배터리 팩 내에 배열될 수 있다 (예를 들어, 상호연결된다). 대형 배터리 팩 (예를 들어, 리튬-이온 배터리 팩)은 옥상 태양광 패널로부터 충전을 저장하여 가전 제품에 전력을 제공할 수 있다. 대형 배터리 팩은 전원 그리드를 안정시키는 것을 도울 수 있다. 대형 배터리 팩은 그리드로 완전히 작동할 수 있는 독립형 전력 시스템으로 이어질 수 있다.
탄소-계 물질
[0039] 도 8은 다양한 탄소 형태 (805), (810), (815), (820), 및 (825)의 예시를 도식적으로 보여준다. 그러한 탄소 형태는 다양한 탄소-계 물질을 형성할 수 있다. 탄소 형태는 작용기를 포함할 수 있다. 주어진 탄소 형태는, 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 히드록실 및/또는 에폭시 작용기 (830), 하나 또는 그 이상의 카르복실 작용기 (835), 하나 또는 그 이상의 다른 작용기 (예를 들어, 카르보닐 작용기), 또는 그의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 탄소 형태 (805)는, 예를 들어, 흑연일 일 수 있다. 흑연은 각각 1개의 원자 두께인 (예를 들어, 약 100, 1,000, 10,000, 100,000, 1 백만, 1 천만, 1 억 이상의 또는 그 이상의) 복수의 카본 시트 (840)를 포함할 수 있다. 복수의 카본 시트 (840)는 (예를 들어, 강한 반데르발스 힘의 결과로서) 서로의 상부 상에 적층될 수 있다. 카본 시트 (840)는 적층의 내부가 접근 가능하지 않도록 점착될 수 있다 (예를 들어, 내부 시트는 공극이 존재하지 않도록 반데르발스 상호작용으로 인해 점착되면서, 상부 및 하부 시트만이 접근 가능할 수 있다). 탄소 형태 (805)는 작용기를 실질적으로 포함하지 않을 수 있다. 탄소 형태 (810)는, 예를 들어, 그래핀일 수 있다. 그래핀은 1개의 원자 두께인 카본 시트 (845)를 포함할 수 있다. 탄소 형태 (810)는 작용기를 실질적으로 포함하지 않을 수 있다.
탄소 형태 (815)는, 예를 들어, 그래핀 옥사이드 (예를 들어, 용액 내 단수 흑연 옥사이드)일 수 있다. 그래핀 옥사이드는 1개의 원자 두께인 카본 시트 (850)를 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 하나 또는 그 이상의 탄소 형태 (815)는 응집될 수 있다.
그러한 사례에서, 개별 카본 시트 (815)는 분리될 수 있다. 카본 시트는 반데르발스 상호작용으로 인해 응집되지 않을 수 있다. 탄소 형태 (815)는 하나 또는 그 이상의 히드록실 및/또는 에폭시 작용기 (830), 및 하나 또는 그 이상의 카르복실 작용기 (835)를 포함할 수 있다. 히드록실 및/또는 에폭시 작용기 (830)는 카본 시트 (850)에 부착되거나 그렇지 않으면 연결/결합될 수 있다. 카르복실 작용기 (835)는 카본 시트 (850)의 가장자리에 부착되거나 그렇지 않으면 연결/결합될 수 있다. 탄소 형태 (825)는, 예를 들어, 소수 층 그래핀 옥사이드 (예를 들어, 용액 내 2중층 또는 3중층 흑연 옥사이드)일 수 있다. 소수 층의 그래핀 옥사이드는 각각 1개의 원자 두께인 2개 또는 그 이상의 카본 시트 또는 층 (860)을 포함할 수 있다. 2개 또는 그 이상의 카본 시트 또는 층 (860)은 반데르발스 상호작용에 의해 붙어있을 수 있다. 몇몇 구체예에서, 소수 층의 그래핀 옥사이드는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 이상의 카본 시트 또는 층 (860)을 포함할 수 있다. 구체예에서, 소수 층의 그래핀 옥사이드는 10 이하의 카본 시트 또는 층 (860) (예를 들어, 10까지의 카본 시트 또는 층)을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 소수 층의 그래핀 옥사이드는 2 및 3, 2 및 4, 2 및 5, 2 및 6, 2 및 7, 2 및 8, 2 및 9, 2 및 10, 3 및 4, 3 및 5, 3 및 6, 3 및 7, 3 및 8, 3 및 9, 3 및 10, 4 및 5, 4 및 6, 4 및 7, 4 및 8, 4 및 9, 4 및 10, 5 및 6, 5 및 7, 5 및 8, 5 및 9, 5 및 10, 6 및 7, 6 및 8, 6 및 9, 6 및 10, 7 및 8, 7 및 9, 7 및 10, 8 및 9, 8 및 10, 또는 9 및 10 사이의 카본 시트 또는 층 (860)을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 소수 층의 그래핀 옥사이드는 2 및 4, 또는 2 및 3 사이의 카본 시트 또는 층 (860)을 포함할 수 있다. 구체예에서, 소수 층의 그래핀 옥사이드는 4까지의 카본 시트 또는 층 (860)을 포함한다. 또 다른 구체예에서, 소수 층의 그래핀 옥사이드는 4까지의 카본 시트 또는 층 (860)을 포함한다. 탄소 형태 (825)는 하나 또는 그 이상의 카르복실 작용기 (835)를 포함할 수 있다. 카르복실 작용기 (835)는 카본 시트 (860)의 하나 또는 그 이상의 가장자리에 부착되거나 그렇지 않으면 연결/결합될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 카르복실 작용기 (835)는 카본 시트 또는 층 (860)의 적층으로 상부 및 하부 카본 시트 (860)의 가장자리에 주로 또는 오로지 부착되거나 그렇지 않으면 연결/결합될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 카르복실 작용기 (835)는 임의의 (예를 들어, 각각의, 또는 적어도 2, 3, 4 또는 그 이상의) 카본 시트 (860)의 가장자리에 부착되거나 그렇지 않으면 연결/결합될 수 있다. 탄소 형태 (820)는, 예를 들어, 환원된 그래핀 옥사이드 (예를 들어, 다공성 카본 시트(들) (PCS) 형성되는 용액 내) 일 수 있다. 환원된 그래핀 옥사이드는 1개의 원자 두께인 카본 시트 (855)를 포함할 수 있다. 탄소 형태 (820)는 하나 또는 그 이상의 카르복실 작용기 (835)를 포함할 수 있다. 카르복실 작용기 (835)는 카본 시트의 가장자리에 부착되거나 그렇지 않으면 카본 시트 (855)의 가장자리와 연결/결합될 수 있다.
[0040] 작용기의 존재 및 양은 도 8 내 탄소 형태의 종합적인 탄소-대-산소 (C:O) 원자비에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 탄소 형태 (825) 및 (815)는 산소 작용성의 양 및/또는 유형에서 상이할 수 있다. 그러한 차이는 그들의 각각의 C:O 원자비에 영향을 미칠 수 있다. 또 다른 실시예에서, 탄소 형태 (825)는 탄소 형태 (805)의 산화 시 제조될 수 있고, 탄소 형태 (825)는 차례차례 탄소 형태 (815)로 추가로 산화될 수 있다. 도 8 내 각각의 탄소 형태는 하나 또는 그 이상의 경로를 거쳐 제조될 수 있고, 및/또는 도 8 내 탄소 형태의 적어도 일부는 적어도 몇몇 실행에서 하나에서 또 다른 것까지 변형될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 탄소 형태 (815)는 대체 경로를 거쳐 형성될 수 있다.
[0041] 몇몇 구체예에서, 단일-층 흑연 옥사이드 및 그래핀 옥사이드 (GO)는 약 93% 및 96% (예를 들어, 중량 기준) 사이의 단일 그래핀 옥사이드 (예를 들어, 도 8 내 탄소 형태 (815))를 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 다중-층 GO는 다수의 층의 주어진 분포 (예를 들어, 중량 기준) (예를 들어, 상이한 수의 층을 갖는 탄소 형태 (825)의 분포)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다중-층 GO는, 주어진 수의 층 (예를 들어, 3 또는 4)을 갖는 약 5%, 10%, 15%, 25%, 50%, 75%, 85%, 90%, 또는 95% (예를 들어, 중량 기준) 이상의 탄소 형태 (825)를 포함할 수 있다. 다중-층 GO는, 상이한 수의 층을 갖는 약 95%, 90%, 75%, 50%, 25%, 15%, 10%, 또는 5% (예를 들어, 중량 기준) 이하의 또 다른 탄소 형태 (825)와 함께 그러한 백분율의 탄소 형태 (825)를 포함할 수 있다. 다중-층 GO는, 주어진 수의 층을 갖는 약 95%, 90%, 85%, 75%, 50%, 25%, 15%, 10%, 또는 5% (예를 들어, 중량 기준) 미만의 탄소 형태 (825)를 포함할 수 있다.
[0042] 몇몇 사례에서, 흑연이 많은 부분의 그래핀 (예를 들어, 도 8 내 탄소 형태 (825) 참조)의 전도성 특성을 유지하면서, 상기 흑연의 가장자리만이 산화될 수 있다. 제1 반응으로부터의 GO는, GO의 주어진 반응 시간까지, 환원된 GO의 특성과 실질적으로 동일하거나 유사한 하나 또는 그 이상의 특성 (예를 들어, 전도도)을 가질 수 있다. 예를 들어, GO 및 환원된 GO는 GO의 주어진 산화도 아래의 하나 또는 그 이상의 특성의 면에서 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다. 실시예에서, (예를 들어, 탄소 형태 (805)로부터) 탄소 형태 (825)로 산화될 때, GO는, 도 8 내 산화된 탄소 형태 중 하나 또는 그 이상으로부터 제조된 환원된 GO와 실질적으로 동일하거나 유사한 (예를 들어, 탄소 형태 (825)로부터 제조된 환원된 GO와 실질적으로 동일하거나 유사한) 하나 또는 그 이상의 특성을 가질 수 있다. GO는 추가의 산화 시 그러한 특성 중 하나 또는 그 이상을 유지하거나 유지하지 않을 수 있다. 예를 들어, 탄소 형태 (825)가 탄소 형태 (815)로 추가로 산화된다면, 그러한 특성 중 하나 또는 그 이상은 환원된 GO와 상이할 수 있다 (예를 들어, 달라질 수 있다).
[0043] 몇몇 구체예에서, 본 개시의 탄소-계 물질은 하나 또는 그 이상의 PCS를 포함한다. 탄소-계 물질은 용액 내에 분산될 수 있다. 예를 들어, PCS는 용액 내 화학적 환원을 통해 형성될 수 있다 (예를 들어, 본 명세서의 다른 곳에서 더욱 상세히 기술된 것과 같음). PCS는 약 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4.5%, 4%, 3.5%, 3%, 2.5%, 2%, 1.5%, 1%, 또는 0.5% 이하의 산소 함량을 가질 수 있다. PCS는 약 10 나노미터 (nm), 9 nm, 8 nm, 7 nm, 6 nm, 5 nm, 4 nm, 3 nm, 2 nm, 또는 1 nm 이하의 공극 크기를 가질 수 있다. PCS는 약 1 nm 이상의 공극 크기를 가질 수 있다. PCS는 약 1 nm 및 2 nm, 1 nm 및 3 nm, 1 nm 및 4 nm, 1 nm 및 5 nm, 1 nm 및 6 nm, 1 nm 및 7 nm, 1 nm 및 8 nm, 1 nm 및 9 nm, 1 nm 및 10 nm, 2 nm 및 3 nm, 2 nm 및 4 nm, 2 nm 및 5 nm, 2 nm 및 6 nm, 2 nm 및 7 nm, 2 nm 및 8 nm, 2 nm 및 9 nm, 2 nm 및 10 nm, 3 nm 및 4 nm, 3 nm 및 5 nm, 3 nm 및 6 nm, 3 nm 및 7 nm, 3 nm 및 8 nm, 3 nm 및 9 nm, 3 nm 및 10 nm, 4 nm 및 5 nm, 4 nm 및 6 nm, 4 nm 및 7 nm, 4 nm 및 8 nm, 4 nm 및 9 nm, 4 nm 및 10 nm, 5 nm 및 6 nm, 5 nm 및 7 nm, 5 nm 및 8 nm, 5 nm 및 9 nm, 5 nm 및 10 nm, 6 nm 및 7 nm, 6 nm 및 8 nm, 6 nm 및 9 nm, 6 nm 및 10 nm, 7 nm 및 8 nm, 7 nm 및 9 nm, 7 nm 및 10 nm, 8 nm 및 9 nm, 8 nm 및 10 nm, 또는 9 nm 및 10 nm 사이의 공극 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, PCS는 약 1 nm 및 4 nm, 또는 1 nm 및 10 nm 사이의 공극 크기를 가질 수 있다. PCS는 하나 또는 그 이상의 공극 크기를 가질 수 있다 (예를 들어, PCS는 그러한 공극 크기의 분포를 가질 수 있다).
탄소-계 물질을 형성하기 위한 방법
[0044] 도 1은 PCS 제조의 예시를 도식적으로 보여준다. 흑연 (101)은 흑연 옥사이드 또는 그래핀 옥사이드 (102)로 화학적으로 산화되거나 박리될 수 있다. 본 개시의 목적에 대해, 용어 흑연 옥사이드 및 그래핀 옥사이드가 동의어로 사용되었다. 몇몇 사례에서, 흑연 옥사이드 및 그래핀 옥사이드는 "GO."로서 본 명세서에서 집합적으로 나타내어진다.
[0045] 흑연 (101)은, 본 명세서에서 허머-계 방법으로서 집합적으로 나타내어진, 허머 방법 및 개질된 허머 방법을 사용하여 GO로 화학적으로 산화되거나 박리될 수 있다 (및 그의 다양한 개질, 예를 들어, 개질된 허머 방법으로부터 유도되는 개명된 방법을 포함하는, 개질된 허머 방법으로부터 유도되는 다양한 방법).
[0046] 특정 구체예에서, 허머-계 방법 (예를 들어, 개질된 허머 방법)은 몇 주의 정제, 비싼 염산 (HCl) 세척, 개별 과학자의 판단에 맡겨진 적절한 기술, 및/또는 때때로 수용 가능한 결과를 제공하고 때때로 수용 가능한 결과를 제공하지 않는 결과로 얻은 생성물을 요구할 수 있다.
[0047] 도 23은 흑연 옥사이드를 제조하기 위한 허머-계 방법의 예시를 보여준다 (예를 들어, 개질된 허머 방법). 제1 단계에서, 방법은, 얼음 수조를 사용하여 0°C에서 15 그램 (g) 흑연을 750 밀리리터 (mL) 농축된 황산 (H2SO4)에 부가하는 것을 포함한다. 제2 단계에서, 방법은, 90 g 포타슘 퍼망가네이트 (KMnO4) (발열)를 부가하는 것을 추가로 포함한다. 제3 단계는 얼음 수조로부터 반응 플라스크를 제거하는 것 및 2 시간 대기하는 것을 포함한다. 제4 단계는 반응 플라스크를 얼음 수조 내로 돌려놓는 것을 포함한다. 제5 단계에서, 약 1-1.5 시간의 과정 동안 45°C로 온도를 유지하면서 1.5 리터 (L) 물 (H2O)을 적상 부가한다 (물의 부가의 속도에 의해 및 얼음을 용융 얼음 수조에 부가하는 것에 의해 온도를 제어하는 것). 특정 구체예에서, 제1 및/또는 제2 단계로부터의 얼음 수조는 제4 및/또는 제5 단계에서의 사용을 위해 유지 및/또는 재충전될 수 있다. 제6 단계는 얼음 수조로부터 반응 플라스크를 제거하는 것 및 2 시간 대기하는 것을 포함한다. 제7 단계는 4.2 L H2O 및 이후 75 mL 30% 과산화수소 (H2O2)를 이용하여 상기 반응을 ??칭하는 것을 포함한다. 제8 단계는 정제를 포함한다. 정제는 5 번의 HCl 세척, 뒤이어 9 번의 H2O 세척, 뒤이어 용액을 약 2 주 동안 공기 건조시키는 것 및 이후 공지된 양의 물을 이용하여 건조된 흑연 옥사이드를 재수화시키는 것 및 그것을 약 2 주 동안 투석 내로 투입하는 것을 포함한다. 실시예에서, 총 처리 시간은 약 2 개월이고 총 비용은 $93/kg이다.
[0048] 그렇지 않으면, 흑연 (101)은 비-허머-계 방법 (예를 들어, 본 명세서의 다른 곳에서 더욱 상세히 기술된 제1 반응)을 사용하여 GO로 화학적으로 산화되거나 박리될 수 있다. GO는 상이한 형태일 수 있다 (예를 들어, 단일-층 GO 또는 다중-층 GO). GO (102)는 화학적으로 환원되고 활성화되어 PCS (103)를 제조할 수 있다. PCS (103)는 공극 (104)을 포함할 수 있다. PCS는 2 차원 물질일 수 있다.
[0049] 비-허머-계 방법에서, 흑연 (101)은 제1 반응에서 GO (102)로 화학적으로 산화되거나 박리될 수 있다. 제1 반응을 한 뒤 제1 정제를 할 수 있다. GO (102)는 제2 반응에서 PCS (103)로 화학적으로 환원될 수 있다. 제2 반응을 한 뒤 제2 정제를 할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 제1 반응 및/또는 제2 반응은 GO 및 PCS를, 각각, 대규모 (예를 들어, 톤 단위)로 제조되는 것을 가능하게 할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 제1 반응과 별도로 제2 반응을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제2 여과에 뒤이은 몇몇 경우에서, 임의의 흑연 옥사이드 공급 원료를 사용하여 적합한 사양을 이용하여 제2 반응을 수행할 수 있다.
[0050] 제1 반응은, 정제에 대한 시간을 포함하는 하루 당 적어도 약 1 파운드의 제조를 이용한 GO의 제조를 위한 저온 공정을 포함할 수 있다. 제1 반응을 거친 GO 합성은, 절차적이고 조작된(engineered) 온도 제어 때문에 다른 방법보다 더욱 안전한, 상기 합성의 최소 시약의 사용으로 효율적인, 완전히 확장 가능하도록 구성되는, 또는 그의 임의의 조합의 산화 특성의 제어 및 박리의 양의 면에서 조정될 수 있다. 본 명세서에서 기술된 비-허머-계 방법의 특정 구체예에서, 제1반응은 허머-계 방법보다 더욱 제어된 GO의 형태를 제조할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 본 저온 공정은 사용되는 화학 약품의 양을 감소시키고 따라서 더 낮은 비용을 약속한다. 게다가, 상기 방법의 더 낮은 반응 온도는 폭발의 위험을 감소시킬 수 있다.
[0051] 제1 반응에 의해 제조된 GO는 적합하게 박리될 수 있다 (예를 들어, 충분하게 하지만 너무 많은 양의 물을 흡수할 정도는 아니게 박리될 수 있다). GO는 주어진 양의 흡수될 물보다 더 적은 것을 가능하게 하는 산소 작용성의 양 및/또는 유형을 가질 수 있다. 산소 작용성의 양 및 유형은 산화도에 따라 변화할 수 있다. 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같이, 본 명세서에서 기술된 제1 반응을 사용하여 제조된 GO는 산소 작용성의 반복 가능한 (예를 들어, 일관된) 양 및/또는 유형을 포함할 수 있다. 적어도 일부의 산소 작용성은 물이 흡수되는 것을 가능하게 할 수 있다. GO는 실질적으로 (예를 들어, 완전히) 박리되지만 과-산화되지 않을 수 있다. GO는 적합하게 적은 양으로 물이 흡수되는 것을 가능하게 하는 정도보다 더 적게 산화될 수 있다 (예를 들어, 과-산화된 흑연 옥사이드는 과도한 양의 물이 흡수되는 것을 가능하게 하는 산소 작용성의 과도한 양 및/또는 부적합한 유형(들)을 포함할 수 있다).
[0052] 게다가, 제1 반응 내 흑연 옥사이드의 산화도가 조절되어 최종 생성물 내 전기적인 전도도 및 그래핀 옥사이드 시트의 층의 수에 대한 우수한 제어를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 반응 조건은 단일-층 흑연 옥사이드 또는 다중-층 흑연 옥사이드를 형성하기 위해 조절될 수 있다. 2개 유형의 흑연 옥사이드는 상이한 특성을 가질 수 있다. 상기 특성은, 예를 들어, 주어진 물리화학적 특성 및/또는 성능 특성 (예를 들어, 전도도 또는 순도)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단일-층 흑연 옥사이드 또는 다중-층 흑연 옥사이드는 상이한 전도성 특성을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 결과로 얻은 흑연 옥사이드 합성 생성물은 반응 조건에 의해 및/또는 흑연 공급 원료의 유형 또는 품질에 의해 영향을 받을 수 있다.
[0053] 흑연 공급 원료는 다양한 등급 또는 순도, 예를 들어, 예를 들어, 중량-% 흑연질 탄소 (Cg), 유형 (예를 들어, 무정형 흑연, 예를 들어, 60%-85% 탄소), 플레이크 흑연 (예를 들어, 85% 초과하는 탄소) 또는 인상 흑연 (예를 들어, 90% 초과하는 탄소), 크기 (예를 들어, 메쉬 크기), 형상 (예를 들어, 큰 플레이크, 중간 플레이크, 분말, 또는 구형 흑연), 및 기원 (예를 들어, 합성 또는 천연, 예를 들어, 천연 플레이크 흑연)으로서 측정되는 탄소 함량을 포함할 수 있다. 그러한 특성 (예를 들어, 물리적 및 화학적 특성)은 흑연 옥사이드의 유형 또는 품질에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 흑연의 메쉬 크기는 결과로 얻은 흑연 옥사이드에 영향을 미칠 수 있다. 흑연은 약 1%, 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99% (예를 들어, 중량 기준) 이상에서의 등급 또는 탄소 함량을 가질 수 있다. 흑연은 약 100%, 99%, 98%, 97%, 96%, 95%, 94%, 93%, 92%, 91%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 15%, 10%, 5%, 2%, 또는 1% (예를 들어, 중량 기준) 미만의 등급 또는 탄소 함량을 가질 수 있다. 흑연은 약 -200, -150, -100, -80, -50, -48, +48, +80, +100, +150, 또는 +200 메쉬 크기 이상의 메쉬 크기에서 그러한 등급 또는 탄소 함량을 가질 수 있다. 메쉬 크기는 다른 치수 (예를 들어, 미크론)로의 크기로 전환될 수 있다. 흑연 공급 원료의 다른 예시가 본 명세서의 다른 곳에서 제공된다.
[0054] 본 개시의 비-허머-계 GO 합성 방법은 주어진 순도 또는 등급 (예를 들어, 최소 순도 또는 등급)을 갖는 GO를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 구체예에서, GO의 순도 또는 등급은 정제가 끝날 때 측정되는 이온 전도도의 면에서 제공될 수 있다. 이온 전도도는 흑연 옥사이드가 얼마나 많은 불순물을 함유하고 있는지에 대한 메트릭을 제공할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 이온 전도도 (예를 들어, 도 24 내 방법에 대해)는 약 10 센티미터 당 마이크로지멘스 (μS/cm) 및 20 μS/cm, 10 μS/cm 및 30 μS/cm, 10 μS/cm 및 40 μS/cm, 10 μS/cm 및 50 μS/cm, 20 μS/cm 및 30 μS/cm, 20 μS/cm 및 40 μS/cm, 20 μS/cm 및 50 μS/cm, 30 μS/cm 및 40 μS/cm, 30 μS/cm 및 50 μS/cm, 또는 40 μS/cm 및 50 μS/cm 사이일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 이온 전도도 (예를 들어, 도 24 내 방법에 대해)는 약 50 μS/cm, 40 μS/cm, 30 μS/cm, 20 μS/cm 또는 10 μS/cm 이하일 수 있다. 본 명세서에서 기술된 비-허머-계 방법의 특정 구체예에서, 주어진 순도 또는 등급은 허머-계 방법보다 적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 배 더 빠르게 달성될 수 있다. 본 명세서에서 기술된 비-허머-계 방법의 특정 구체예에서, 주어진 순도 또는 등급은 허머-계 방법보다 약 2 및 5, 2 및 8, 또는 5 및 8 배 사이로 더 빠르게 달성될 수 있다. 본 명세서에서 기술된 비-허머-계 방법의 특정 구체예에서, 순도 또는 등급은, 허머-계 방법이 염산을 세척 제거하는 것을 요구하고 그러므로 주어진 순도 또는 등급에 도달하는데 더 느리기 때문에, 전술된 더 빠른 속도로 도달될 수 있다. 제2 반응은 주어진 순도 또는 등급 (예를 들어, 최소 순도 또는 등급)을 갖는 PCS를 형성하기 위해 사용될 수 있다 (예를 들어, 제1 반응을 거쳐 제조된 GO). 몇몇 구체예에서, PCS의 순도 또는 등급은 적어도 약 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 또는 99.9% 탄소 (예를 들어, 중량 기준)일 수 있다.
[0055] 본 명세서에서 기술된 비-허머-계 방법의 특정 구체예에서, 비-허머-계 방법 (예를 들어, 도 24 참조)은 더 빠르고, 더욱 안전하고, 더 저렴할 수 있고 허머-계 방법보다 더욱 반복 가능한 결과를 생성할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 개선된 반복성은 적어도 부분적으로 허머-계 방법보다 더 낮은 반응 온도로 인한 것일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 본 명세서에서 기술된 비-허머-계 방법은 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 또는 10% 이내로 반복 가능한 조성 (예를 들어, C:O 원자비 및 산소 작용성의 양) 및/또는 형태를 갖는 GO를 제조한다.
예를 들어, 상기 방법은 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 또는 10% 이내로 반복 가능한 C:O 원자비를 갖는 GO를 제조할 수 있다. 본 명세서에서 기술된 비-허머-계 방법의 특정 구체예에서, 비-허머-계 방법은, 예를 들어, 많은 비용이 드는 HCl의 사용 없는 신속한(expedited) 정제 및 폭발의 위험을 감소시키는 더 낮은 반응 온도를 포함할 수 있다.
[0056] 본 명세서에서 기술된 비-허머-계 방법의 특정 구체예에서, 비-허머-계 방법은 허머-계 방법에 비해 몇몇 이점 또는 이익을 제공할 수 있다. 예를 들어, 특정 구체예에서, 본 명세서에서 기술된 비-허머-계 방법은, 더 저렴하거나 (예를 들어, 허머-계 방법보다 적어도 약 4 배 더 적은 흑연 옥사이드의 질량 당 비용으로; 제조된 흑연 옥사이드 허머-계 방법보다 더 적은 질량 당 폐기물), 더 빠르거나 (예를 들어, 제거된 HCl 세척 및/또는 더 빠른 정제; (i) 허머-계 방법 또는 (ii) HCl을 갖는 및/또는 공기 건조 없는 것보다 적어도 약 2, 5, 또는 8 배 더 빠른; 약 1 주 이하에서), 더욱 신뢰할 수 있거나 (예를 들어, 사람의 실수/판단의 제거), 더욱 안전하거나 (예를 들어, 반응은 더 낮은 온도, 예를 들어, (i) 약 45°C 미만의 최대 온도로 또는 (ii) 허머-계 방법에서 사용되는 적어도 약 30°C 미만 최대 온도로 작동한다), 또는 그의 임의의 조합일 수 있다.
[0057] 도 24는 흑연 옥사이드를 제조하기 위한 방법의 예시를 보여주는 도해이다. 도 24 내 방법은 제1 반응 및 제1 정제의 예시를 제공한다. 상기 방법은, 제1 단계에서, 얼음 수조 또는 재순환 냉각기를 사용하여 약 0°C에서 약 15 g 흑연을 약 750 mL 농축된 H2SO4에 부가하는 것을 포함한다. 제2 단계에서, 방법은 얼음 수조 또는 재순환 냉각기를 사용하여 약 15°C 아래로 온도를 유지하면서 약 90 g KMnO4 (발열)를 부가하는 것을 포함한다. 제3 단계 (또한 본 명세서에서 "단계 3")는 약 45 분 동안 상기 반응을 교반하는 것(stirring)을 포함한다. 제4 단계 (또한 본 명세서에서 "단계 4")는 반응 혼합물을 약 2.6 kg 얼음에 부가하는 것 및 이후 약 75 mL 30% H2O2를 부가하는 것에 의해 상기 반응을 ??칭하는 것을 포함한다. 상기 방법은 정제를 포함하는 제5 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 정제는 5 번 H2O 세척, 뒤이어 약 1 주 이하의 지속적인-유동 투석 설정을 포함한다. 실시예에서, 총 처리 시간은 약 1 주이고, 총 비용은 $21/kg이다.
[0058] 단계 3 내 반응 조건 (시간/지속 기간 및 온도)은 달라질 수 있다. 이 실시예에서, 단계 3 내 반응은 얼음 수조에 의해 냉각되고, 약 45 분의 시간이 선택된다. 다른 실시예에서, 지속 기간은 본 명세서의 다른 곳에서 더욱 상세히 기술된 것과 같을 수 있고, 반응 온도는 특정한 냉각 조건 (예를 들어, 얼음 수조에 의한 냉각의 존재 또는 부재)에 따라 시간 (지속 기간)으로 달라질 수 있다.
[0059] 단계 5 내 정제는 적어도 1, 2, 3, 4, 또는 5 번 또는 그 이상의 H2O 세척을 포함할 수 있다. 단계 5 내 정제는 5 번 또는 더 적은 H2O 세척을 포함할 수 있다. 상기 정제는 다른 물 정제 단계, 예를 들어, 투석을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 투석은 다공성 튜브 내에 물질을 위치시키는 것 및 지속적으로 또는 배치식(batch-wise)으로 리프레시되는 물 수조 내로 튜브의 벽을 통해 물질로부터 이온을 제거하는 것 (예를 들어, 침출(leaching out))을 포함할 수 있다. 상기 방법은 투석 외에 하나 또는 그 이상의 여과 방법을 사용하는 것을 포함할 수 있다 (예를 들어, H2O 세척 이후, 또 다른 여과 방법은 투석의 장소에 적용될 수 있다). 여과는 1 주 미만 걸릴 수 있다. 여과의 지속 기간은 배치 크기에 의존할 수 있다. 예를 들어, 상기 15 g 흑연 배치에 대해, 여과는 약 1 또는 2 일 이하 걸릴 수 있다. 총 여과 (예를 들어, 투석) 시간은 약 7 일, 6 일, 5 일, 4 일, 3 일, 2 일, 1 일, 또는 ½ 일 이하일 수 있다. 더욱 짧은 여과 시간은 총 처리 시간을 약 7 일, 6 일, 5 일, 4 일, 3 일, 2 일, 1 일, 또는 ½ 일 이하까지 감소시킬 수 있다.
[0060] 단계 4에서, 반응 혼합물은 약 2.6 kg 얼음 이상까지 부가될 수 있다. 몇몇 사례에서, 본 명세서에서 기술된 얼음의 양은 최소량일 수 있다. 단계 4는 약 75 mL 30% H2O2 이상 부가하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 사례에서, 본 명세서에서 기술된 H2O2의 양은 최소량일 수 있다.
[0061] 본 명세서에서 기술된 방법의 주어진 확장성 (예를 들어, 도 24 내 방법), 산화제(oxidizing agent) (또한 본 명세서에서 "산화제(oxidizer)")의 양은 흑연에 대한 산화제 (KMnO4)의 비율 (또한 본 명세서에서 "Ox:Gr")의 면에서 제공될 수 있다. 예를 들어, 약 6x 질량 비율 Ox:Gr에 해당하는, 15 g 흑연 당 약 90 g KMnO4가 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, (i) 중량 기준으로 KMnO4의 단위 당 약 0.25 단위의 H2O2 또는 몰 기준에 대해 KMnO4 의 단위 당 약 1.16 단위의 H2O2에 해당하는, 90 g KMnO4 당, 또는 (ii) 약 10:1의 농축된 황산에 대한 30% H2O2의 부피 비율에 해당하는 (예를 들어, 10 L 의 농축된 H2SO4마다 약 30% H2O2를 갖는 약 1 L 의 수용액), 약 96% H2SO4 및 98% H2SO4 사이의 농도 (예를 들어, 수용액 내 중량 기준)를 갖는 농축된 H2SO4 750 mL 당 약 75 mL 30% H2O2 (예를 들어, 약 0.66 몰 H2O2에 해당하는, 수용액 내 약 30 중량%)가 사용될 수 있다. 여전히 또 다른 실시예에서, 1 kg 의 흑연마다 약 50 L 의 농축된 H2SO4가 소비될 수 있다. 양 및 비율의 추가적인 예시가 본 명세서의 다른 곳에서, 예를 들어, 단일-층 GO 및 다중-층 GO를 제조하기 위한 방법에 관하여(예를 들어, 흑연 옥사이드 기준 킬로그램 당에 대해) 제공된다.
[0062] 몇몇 구체예에서, H2SO4 (예를 들어, 약 96% H2SO4 및 98% H2SO4 사이의 농도를 갖는)는 약 1 g 흑연:10 mL H2SO4 및 약 1 g 흑연:50 mL H2SO4 사이의 양으로 제공될 수 있다. 상기 방법은 1 g 흑연 당 약 10 mL H2SO4 및 20 mL H2SO4, 10 mL H2SO4 및 30 mL H2SO4, 10 mL H2SO4 및 40 mL H2SO4, 10 mL H2SO4 및 50 mL H2SO4, 20 mL H2SO4 및 30 mL H2SO4, 20 mL H2SO4 및 40 mL H2SO4, 20 mL H2SO4 및 50 mL H2SO4, 30 mL H2SO4 및 40 mL H2SO4, 30 mL H2SO4 및 50 mL H2SO4, 또는 40 mL H2SO4 및 50 mL H2SO4 사이를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 g 흑연 당 약 10 mL H2SO4, 20 mL H2SO4, 30 mL H2SO4, 40 mL H2SO4, 또는 50 mL H2SO4 이상을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 g 흑연 당 약 75 mL H2SO4, 70 mL H2SO4, 60 mL H2SO4, 50 mL H2SO4, 40 mL H2SO4, 30 mL H2SO4, 20 mL H2SO4, 또는 15 mL H2SO4 미만을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
[0063] 몇몇 구체예에서, H2SO4 (예를 들어, 약 96% H2SO4 및 98% H2SO4 사이의 농도를 갖는)는 약 1 g 흑연:18.4 g H2SO4 및 약 1 g 흑연:92.0 g H2SO4 사이의 양으로 제공될 수 있다. 상기 방법은 1 g 흑연 당 약 18.4 g H2SO4 및 30 g H2SO4, 18.4 g H2SO4 및 40 g H2SO4, 18.4 g H2SO4 및 50 g H2SO4, 18.4 g H2SO4 및 60 g H2SO4, 18.4 g H2SO4 및 70 g H2SO4, 18.4 g H2SO4 및 80 g H2SO4, 18.4 g H2SO4 및 92.0 g H2SO4, 30 g H2SO4 및 40 g H2SO4, 30 g H2SO4 및 50 g H2SO4, 30 g H2SO4 및 60 g H2SO4, 30 g H2SO4 및 70 g H2SO4, 30 g H2SO4 및 80 g H2SO4, 30 g H2SO4 및 92.0 g H2SO4, 40 g H2SO4 및 50 g H2SO4, 40 g H2SO4 및 60 g H2SO4, 40 g H2SO4 및 70 g H2SO4, 40 g H2SO4 및 80 g H2SO4, 40 g H2SO4 및 92.0 g H2SO4, 50 g H2SO4 및 60 g H2SO4, 50 g H2SO4 및 70 g H2SO4, 50 g H2SO4 및 80 g H2SO4, 50 g H2SO4 및 92.0 g H2SO4, 60 g H2SO4 및 70 g H2SO4, 60 g H2SO4 및 80 g H2SO4, 60 g H2SO4 및 92.0 g H2SO4, 70 g H2SO4 및 80 g H2SO4, 70 g H2SO4 및 92.0 g H2SO4, 80 g H2SO4 및 92.0 g H2SO4 사이를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 g 흑연 당 약 18.4 g H2SO4, 20 g H2SO4, 25 g H2SO4, 30 g H2SO4, 35 g H2SO4, 40 g H2SO4, 45 g H2SO4, 50 g H2SO4, 55 g H2SO4, 60 g H2SO4, 65 g H2SO4, 70 g H2SO4, 75 g H2SO4, 80 g H2SO4, 85 g H2SO4, 90 g H2SO4, 또는 92.0 g H2SO4 이상을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 g 흑연 당 약 140 g H2SO4, 130 g H2SO4, 120 g H2SO4, 110 g H2SO4, 100 g H2SO4, 95 g H2SO4, 90 g H2SO4, 80 g H2SO4, 70 g H2SO4, 60 g H2SO4, 50 g H2SO4, 40 g H2SO4, 30 g H2SO4, 또는 20 g H2SO4 미만을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
[0064] 몇몇 구체예에서, KMnO4는 약 1 g 흑연:2 g KMnO4 및 약 1 g 흑연:6 g KMnO4 사이의 양으로 제공될 수 있다. 상기 방법은 1 g 흑연 당 약 1 g KMnO4 및 2 g KMnO4, 1 g KMnO4 및 3 g KMnO4, 1 g KMnO4 및 4 g KMnO4, 1 g KMnO4 및 5 g KMnO4, 1 g KMnO4 및 6 g KMnO4, 2 g KMnO4 및 3 g KMnO4, 2 g KMnO4 및 4 g KMnO4, 2 g KMnO4 및 5 g KMnO4, 2 g KMnO4 및 6 g KMnO4, 3 g KMnO4 및 4 g KMnO4, 3 g KMnO4 및 5 g KMnO4, 3 g KMnO4 및 6 g KMnO4, 4 g KMnO4 및 5 g KMnO4, 4 g KMnO4 및 6 g KMnO4, 또는 5 g KMnO4 및 6 g KMnO4 사이를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 g 흑연 당 약 1 g KMnO4, 2 g KMnO4, 3 g KMnO4, 4 g KMnO4, 5 g KMnO4, 또는 6 g KMnO4 이상을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 g 흑연 당 약 9 g KMnO4, 8 g KMnO4, 7 g KMnO4, 6 g KMnO4, 5 g KMnO4, 4 g KMnO4, 3 g KMnO4, 또는 2 g KMnO4 미만을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
[0065] 몇몇 구체예에서, H2O2는 1 mol KMnO4 당 적어도 약 1 mol H2O2의 양으로 제공될 수 있다. 상기 방법은 1 mol KMnO4 당 약 1 mol H2O2 및 1.1 mol H2O2, 1 mol H2O2 및 1.2 mol H2O2, 1 mol H2O2 및 1.3 mol H2O2, 1 mol H2O2 및 1.4 mol H2O2, 또는 1 mol H2O2 및 1.5 mol H2O2 사이를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 mol KMnO4 당 약 1 mol H2O2, 1.1 mol H2O2, 1.2 mol H2O2, 1.3 mol H2O2, 1.4 mol H2O2, 또는 1.5 mol H2O2 이상을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 mol KMnO4 당 약 1.5 mol H2O2, 1.4 mol H2O2, 1.3 mol H2O2, 1.2 mol H2O2, 또는 1.1 mol H2O2 미만을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
[0066] 몇몇 구체예에서, 얼음은 약 1 g H2SO4:0 g 얼음 및 약 1 g H2SO4:1.09 g 얼음 사이의, 약 1 g H2SO4:1.09 g 얼음 및 약 1 g H2SO4:1.63 g 얼음 사이의, 또는 약 1 g H2SO4:0 g 얼음 및 약 1 g H2SO4:1.63 g 얼음 사이의 양으로 제공될 수 있다. 상기 방법은 1 g H2SO4 당 약 0 g 얼음 및 0.4 g 얼음, 0 g 얼음 및 0.8 g 얼음, 0 g 얼음 및 1.2 g 얼음, 0 g 얼음 및 1.63 g 얼음, 0.4 g 얼음 및 0.8 g 얼음, 0.4 g 얼음 및 1.2 g 얼음, 0.4 g 얼음 및 1.63 g 얼음, 0.8 g 얼음 및 1.2 g 얼음, 0.8 g 얼음 및 1.63 g 얼음, 또는 1.2 g 얼음 및 1.63 g 얼음 사이를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 g H2SO4 당 약 0 g 얼음, 0.2 g 얼음, 0.4 g 얼음, 0.6 g 얼음, 0.8 g 얼음, 1.09 g 얼음, 1.2 g 얼음, 1.4 g 얼음, 또는 1.63 g 얼음 이상을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 g H2SO4 당 약 2.4 g 얼음, 2.2 g 얼음, 2.0 g 얼음, 1.8 g 얼음, 1.63 g 얼음, 1.4 g 얼음, 1.2 g 얼음, 1.09 g 얼음, 0.8 g 얼음, 0.6 g 얼음, 0.4 g 얼음, 0.2 g 얼음, 또는 0.1 g 얼음 미만을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
[0067] 몇몇 구체예에서, 얼음은 약 1 mL H2SO4:0 g 얼음 및 약 1 mL H2SO4:2 g 얼음 사이의, 약 1 mL H2SO4:2 g 얼음 및 약 1 mL H2SO4:3 g 얼음 사이의, 또는 약 1 mL H2SO4:0 g 얼음 및 약 1 mL H2SO4:3 g 얼음 사이의 양으로 제공될 수 있다. 상기 방법은 1 mL H2SO4 당 약 0 g 얼음 및 1 g 얼음, 0 g 얼음 및 2 g 얼음, 0 g 얼음 및 3 g 얼음, 1 g 얼음 및 2 g 얼음, 1 g 얼음 및 3 g 얼음, 또는 2 g 얼음 및 3 g 얼음 사이를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 mL H2SO4 당 약 0 g 얼음, 0.2 g 얼음, 0.4 g 얼음, 0.6 g 얼음, 0.8 g 얼음, 1 g 얼음, 1.2 g 얼음, 1.4 g 얼음, 1.6 g 얼음, 1.8 g 얼음, 2 g 얼음, 2.2 g 얼음, 2.4 g 얼음, 2.6 g 얼음, 2.8 g 얼음 또는 3 g 얼음 이상을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 1 mL H2SO4 당 약 4.5 g 얼음, 4 g 얼음, 3.5 g 얼음, 3 g 얼음, 2.5 g 얼음, 2 g 얼음, 1.5 g 얼음, 1 g 얼음, 0.5 g 얼음, 0.25 g 얼음, 또는 0.1 g 얼음 미만을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
[0068] 특정 구체예에서, 흑연은 분말 형태로 제공될 수 있다. 반응물 양은 대규모 제조를 위해 적합하게 변경될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 실질적으로 모든 흑연이 전환될 수 있다. 흑연의 단위 당 제조되는 GO의 양은 GO의 산소 함량에 의존할 수 있다. 몇몇 구체예에서, GO의 C:O 원자 비율은, 예를 들어, 약 4:1 및 5:1 사이일 수 있고, 제조되는 GO의 양은 중량 기준으로 흑연의 단위 당 약 1.27 및 1.33 GO의 단위 사이일 수 있다 (예를 들어, 15 g 흑연 당 약 19 g 및 20 g GO 사이). GO의 C:O 원자비는 단일-층 및 다중-층 GO (예를 들어, 도 8에 관하여 기술된 것과 같은)과 상이할 수 있다. 따라서, 흑연의 단위 당 제조되는 GO의 양은 단일-층 GO 및 다중-층 GO와 상이할 수 있다. 반응물 중 하나 또는 그 이상의 농도는 몇몇 경우에서 달라질 수 있다는 것이 또한 인식될 것이다. 실시예에서, 황산은 약 96% H2SO4 및 98% H2SO4 사이의 농도로 제공될 수 있다 (예를 들어, 수용액 내 중량 기준). 또 다른 실시예에서, 몇몇 사례에서 H2O2의 절대 농도는 반응 조건에 실질적으로 영향을 미치지 않을 수 있고; 대신에, 반응 조건은 KMnO4에 대한 H2O2의 비율 (예를 들어, 더 적은 망간 종에 영향을 미치는)에 의존할 수 있다. 그러한 사례에서, 반응물 혼합물의 부피 및/또는 질량은, 반응물의 주어진 (예를 들어, 선결정된) 총 질량 또는 몰 양이 제공되도록 적합하게 조절될 수 있다. 몇몇 사례에서 적합한 반응 조건을 보장하기 위해 최소 또는 최대 농도가 요구될 수 있다는 것이 추가로 인식될 것이다. 예를 들어, 약 96%-98% (예를 들어, 수용액 내 중량 기준)보다 실질적으로 더 낮은 황산 농도는 GO의 상이한 형태로 이어질 수 있다 (예를 들어, 더 낮은 농도는 산소-함유 그룹에 영향을 미칠 수 있다).
[0069] 흑연 옥사이드를 제조하기 위한 이 비-허머-계 방법은 다음의 단계를 포함할 수 있다: 제1 선결정된 온도까지 흑연 분말 및 H2SO4 혼합물을 냉각시키면서 흑연 분말 및 H2SO4 혼합물을 제공하는 것; 선결정된 양의 KMnO4를 흑연 분말 및 H2SO4 혼합물에 부가하여 흑연 산화 혼합물을 제조하는 것; 선결정된 양의 시간 동안 흑연 산화 혼합물을 교반하는 것 (예를 들어, 선결정된 양의 KMnO4의 부가가 완료된 이후); 흑연 산화 혼합물을 제2 선결정된 온도까지 냉각시키는 것; 및 선결정된 H2O2의 양 내지 흑연 산화 혼합물을 부가하여 흑연 옥사이드를 수득하는 것. 몇몇 실행에서, 흑연 분말 및 H2SO4 혼합물이 제공되고, 이후 제1 선결정된 온도까지 냉각될 수 있다.
[0070] 본 명세서에서 기술된 비-허머-계 방법은, 물 (예를 들어, 탈이온화된 물)을 이용하여 흑연 옥사이드를 헹구는 것에 의해 흑연 옥사이드를 정제하는 것, 화학 투석에 의해 흑연 옥사이드를 정제하는 것, 또는 그의 조합 (예를 들어, 헹굼 뒤이어 투석)을 추가로 포함할 수 있다.
[0071] 흑연 분말 및 H2SO4 혼합물을 냉각시키는 것으로부터 얻어진 제1 선결정된 온도는 약 0°C일 수 있다. 흑연 분말 및 H2SO4 혼합물을 냉각시키는 것으로부터 얻어진 제1 선결정된 온도는 약 -10°C 내지 약 15°C 범위일 수 있다. 제1 선결정된 온도는 약 -10°C, -9°C, -8°C, -7°C, -6°C, -5°C, -4°C, -3°C, -2°C, -1°C, 또는 0°C 이상이거나 약 1°C, 2°C, 3°C, 4°C, 5°C, 6°C, 7°C, 8°C, 9°C, 10°C, 11°C, 12°C, 13°C, 14°C, 또는 15°C 이하일 수 있다.
[0072] 흑연 산화 혼합물의 반응 온도는, 흑연 분말 및 H2SO4 혼합물에 선결정된 양의 KMnO4를 부가하면서 약 15°C 이상으로 상승하는 것을 방지할 수 있다. 흑연 분말 및 H2SO4 혼합물에 KMnO4의 부가는 발열 (예를 들어, 자가-가열되는) 반응을 개시할 수 있다. 흑연 산화 혼합물의 반응 온도는 흑연 분말 및 H2SO4 혼합물에 선결정된 양의 KMnO4를 부가하면서 약 15°C, 14°C, 13°C, 12°C, 11°C, 10°C, 9°C, 8°C, 7°C, 6°C, 5°C, 4°C, 3°C, 2°C, 또는 1°C 이하일 수 있다. 특정 구체예에서, 흑연 산화 혼합물의 반응 온도는 흑연 분말 및 H2SO4 혼합물에 선결정된 양의 KMnO4를 부가하면서 약 15°C 미만일 수 있다.
[0073] 교반하는 것(agitating)은 분 당 약 50 회전 (rpm) 내지 약 150 rpm 범위인 속도로 교반하는 것(stirring)을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 교반하는 것(agitating)은 적어도 약 50 rpm, 60 rpm, 70 rpm, 80 rpm, 90 rpm, 100 rpm, 110 rpm, 120 rpm, 130 rpm, 140 rpm, 또는 150 rpm의 속도로 교반하는 것(stirring)을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 교반하는 것(agitating)은 약 150 rpm 이하의 교반(stirring) 속도를 유지하면서 그러한 속도 (또한 본 명세서에서 "교반(stirring) 속도")로 교반하는 것(stirring)을 포함할 수 있다. 흑연 산화 혼합물을 교반하기 위한 선결정된 시간은 약 45 분 내지 약 300 분 범위일 수 있다. 흑연 산화 혼합물을 교반하기 위한 선결정된 시간은 적어도 약 45 분, 50 분, 60 분, 70 분, 80 분, 90 분, 100 분, 120 분, 140 분, 160 분, 180 분, 200 분, 220 분, 240 분, 260 분, 280 분, 또는 300 분일 수 있다. 선결정된 시간은 교반(stirring) 속도에 의존하거나 아닐 수 있다. 몇몇 실시예에서, 선결정된 시간은 주어진 역치 (예를 들어, 최소 교반(stirring) 속도)를 넘어서는 및/또는 교반(stirring) 속도의 주어진 범위 이내의 교반(stirring) 속도와는 관계없을 수 있다. 몇몇 구체예에서, 교반하는 동안 흑연 산화 혼합물의 반응 온도는 약 45°C 아래로 유지될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 교반하는 동안 흑연 산화 혼합물의 반응 온도는 약 15°C 이하로 유지될 수 있다.
[0074] 흑연 산화 혼합물의 제2 선결정된 온도까지 냉각시키는 것을 물 및/또는 얼음을 이용하여 흑연 산화 혼합물을 ??칭하는 것에 의해 달성할 수 있다. 제2 선결정된 온도는 약 0°C일 수 있다. 제2 선결정된 온도는 약 0°C 내지 약 10°C 범위일 수 있다. 제2 선결정된 온도는 약 0°C 이상 약 1°C, 2°C, 3°C, 4°C, 5°C, 6°C, 7°C, 8°C, 9°C, 또는 10°C 이하일 수 있다.
[0075] 몇몇 구체예에서, 단일-층 GO를 제조한다. 제1 반응은 흑연 킬로그램 당 약 32 L 98% H2SO4를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 약 4.8 kg KMnO4 분말이 흑연 킬로그램 당 사용될 수 있다.
상기 방법은 조리 시간을 포함하거나 아닐 수 있다. 상기 방법은 주어진 온도 및 공정을 포함할 수 있다. 상기 방법은, 반응의 시작, 약 1.5 시간의 KMnO4의 부가 (약 15°C 미만 반응 온도), 약 2 시간의 반응 시간 (약 20-30°C의 반응 온도 범위), 약 1 시간의 약 32 kg 얼음의 부가 (약 50°C의 반응 온도) 및 약 1 시간 반응 시간 (약 50°C의 반응 온도)을 포함할 수 있다. 흑연 킬로그램 당 약 72 kg 얼음이 상기 반응을 ??칭하기 위해 및/또는 반응 냉각을 위한 얼음에 사용될 수 있다. 흑연의 킬로그램 당 약 2 L 30% H2O2가 상기 반응을 ??칭하기 위해 및/또는 중화시키기 위해 사용될 수 있다. 흑연은 주어진 유형일 수 있다. 흑연은 325sh 천연 플레이크 흑연일 수 있다. 혼합 속도 (예를 들어, 하나 또는 그 이상의 반응 공정 동안)는 약 100 rpm 일 수 있다. 상기 방법은 성분을 혼합하는 주어진 시기를 포함할 수 있다. 황산 및 흑연은 흑연 먼지를 최소화하기 위해 선혼합되고 반응기에 급속하게 부가될 수 있다. 포타슘 퍼망가네이트 부가는 발열일 수 있다. KMnO4는 약 15°C 아래의 반응 온도를 유지할 만큼 충분히 느린 속도로 부가될 수 있다 (예를 들어, KMnO4는 대략 1.5 시간 이상 부가될 수 있다).
[0076] 단일-층 GO로의 산화 동안, 흑연 (약 1 kg)을 98% H2SO4 (약 32 L)와 혼합하고 약 -10°C까지 냉각시킬 수 있다. GO 반응기 냉각 코일을 -2°C까지 냉각시킬 수 있다. 이후 흑연/H2SO4 혼합물을 반응기 내로 조심스럽게 주입할 수 있다. 포타슘 퍼망가네이트 (약 4.8 kg) 분말을 약 1.5 시간의 과정 동안 천천히 반응기에 부가하고, 약 15°C 아래의 반응 온도를 조심스럽게 유지할 수 있다. KMnO4의 부가를 완료한 이후에, 반응기 냉각 코일 온도를 약 12°C까지 상승시킬 수 있고 상기 반응을 약 1.5 시간 동안 약 30°C까지 가열할 수 있다. 이후, 반응기 냉각 코일을 약 -2°C까지 냉각시킬 수 있고 반응 온도를 대략 부가적인 30 분 동안 약 30°C에서 유지할 수 있다. 분쇄된 얼음 (약 32 kg)을 약 1 시간의 과정 이상 부가할 수 있다. 이 때 반응 온도는 약 50°C 이상까지 상승할 수 있다. 얼음 부가 이후, 상기 반응은 약 1 시간 동안 교반하는 것을 가능하게 할 수 있다. 이후 상기 반응을 분쇄된 얼음 (약 72 kg)을 이용하여 ??칭할 수 있다. 얼음을 이 ??칭 동안 용융시킬 수 있고, 이후 30% 과산화수소 (약 2 L)를 부가하여 상기 반응을 정지시킬 수 있다.
[0077] 몇몇 구체예에서, 다중-층 GO를 제조한다. 제1 반응은 흑연 킬로그램 당 약 25 L 98% H2SO4를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 약 2 kg KMnO4 분말이 흑연 킬로그램 당 사용될 수 있다. 상기 방법은 조리 시간을 포함하거나 아닐 수 있다. 상기 방법은 주어진 온도 및 공정(es)을 포함할 수 있다. 상기 방법은 45-분 KMnO4의 부가 (약 15°C 미만 반응 온도) 및 30-분 반응 시간 (약 15°C의 반응 온도)을 포함할 수 있다. 흑연 킬로그램 당 약 125 kg 얼음이 상기 반응을 ??칭하기 위해 및/또는 반응 냉각을 위한 얼음에 사용될 수 있다. 흑연의 킬로그램 당 약 1 L 30% 과산화수소가 상기 반응을 ??칭하기 위해 및/또는 중화시키기 위해 사용될 수 있다. 상기 흑연은 주어진 유형일 수 있다. 상기 흑연은 고도로 박리되고 밀링된, 작은 플레이크, 큰 표면적 흑연, 9 미크론 플레이크, 또는 그의 임의의 조합일 수 있다. 혼합 속도 (예를 들어, 하나 또는 그 이상의 반응 공정 동안)는 약 100 rpm 일 수 있다. 상기 방법은 성분을 혼합하는 주어진 시기를 포함할 수 있다. 황산 및 흑연은 흑연 먼지를 최소화하기 위해 선혼합되고 반응기에 급속하게 부가될 수 있다. 포타슘 퍼망가네이트 부가는 발열일 수 있다. KMnO4는 약 15°C 아래의 반응 온도를 유지할 만큼 충분히 느린 속도로 부가될 수 있다 (예를 들어, KMnO4는 대략 1.5 시간 이상 부가될 수 있다).
[0078] 다중-층 GO로의 산화 동안, 흑연 (약 1 kg)을 98% H2SO4 (약 32 L)와 혼합하고 약 -10°C까지 냉각시킬 수 있다. 흑연 옥사이드/그래핀 옥사이드 반응기 냉각 코일을 약 -2°C까지 냉각시킬 수 있다. 이후 흑연/H2SO4 혼합물을 반응기 내로 조심스럽게 주입할 수 있다. 포타슘 퍼망가네이트 (약 2 kg) 분말을 약 45 분의 과정 동안 천천히 반응기에 부가하고, 약 15°C 아래의 반응 온도를 조심스럽게 유지할 수 있다. 상기 반응을 이후 약 30 분 동안 약 15°C의 반응 온도에서 교반하는 것을 가능하게 할 수 있다. 이후 상기 반응을 분쇄된 얼음 (약 125 kg)을 이용하여 ??칭할 수 있다. 얼음을 이 ??칭 동안 용융시킬 수 있고, 이후 30% H2O2 (약 1 L)를 부가하여 상기 반응을 정지시킬 수 있다.
[0079] 제1 정제는 여과를 포함할 수 있다 (또한 본 명세서에서 "제1 여과"). 제1 반응 이후에 제1 여과를 수행할 수 있다. 제1 여과는 후-산화 정제를 포함할 수 있다. 제1 여과는 조 생성물로부터 불순물을 제거하고 pH를 적어도 약 5까지 올릴 수 있다. 산화 이후, 조 생성물은 GO 뿐만 아니라 하나 또는 그 이상의 (예를 들어, 몇몇의) 불순물, 예를 들어, H2SO4, 망간 옥사이드, 및 망간 설페이트를 함유할 수 있다. 정제를 완료한 이후, GO는 이후, 예를 들어, 약 1 중량%의 용액에 농축될 수 있다. 물 및/또는 산은 제1 반응으로부터 여과 동안 제거될 수 있다. 제1 반응 이후, 산 농도는, 대략 0의 pH에 해당하는, 약 30% (단일-층) 또는 약 16% (다중-층) H2SO4일 수 있다. pH가 약 5에 도달하고, 약 0.00005%의 산 농도에 해당할 때 여과가 완료될 수 있다. 주어진 양 또는 농도가 필요할 수 있다 (예를 들어, 제2 반응을 위한 공급 원료로서 사용된다면). 몇몇 구체예에서, GO는 건조 분말 형태 및/또는 약 2% (중량 기준)의 수용액일 수 있다.
[0080] 접선 유동 여과 공정을 사용하여 정제를 수행할 수 있다. 필터 유형은 약 0.02 미크론 공극 크기를 갖는 개질된 폴리에테르 설폰 중공 필터 막일 수 있다. 생성물의 pH가 약 5에 도달할 때 정제가 완료될 수 있다. 이후 정제된 GO는 약 1 중량%의 용액에 농축될 수 있다. 제1 정제 이후, 생성물의 H2SO4 농도는 약 5의 pH와 함께 약 0.00005%일 수 있다.
[0081] 제2 반응은 환원된 GO (예를 들어, PCS)를 형성하기 위한 GO (용액 내)의 환원을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 제1 반응으로부터의 GO가 제2 반응에 대한 투입으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 반응으로부터의 단일-층 GO가 제2 반응에 대한 투입으로서 사용될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 허머-계 방법에 의해 제조된 GO가 제2 반응에 대한 투입으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 허머-계 방법으로부터의 단일-층 GO가 제2 반응에 대한 투입으로서 사용될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 다중-층 GO 대신에 단일-층 GO가 PCS를 제조하기 위해 제2 반응에 대한 투입으로서 사용될 수 있다. 몇몇 사례에서 단일-층의 사용은, 제2 반응에서 PCS를 제조할 때 (예를 들어, 시트를 제조하기 위해), 다중-층 GO에 관한 폐기물 물질을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, PCS를 제조하기 위해 단일-층 GO가 사용될 때보다 더욱 높은 양의 다중-층 GO 필요할 수 있다.
[0082] 제2 반응은 약 90°C까지 상기 반응을 가열하는 것 및 약 1 시간의 과정 동안 H2O2를 부가하는 것을 포함할 수 있다. 상기 반응을 약 3 시간 이상 동안 약 90°C에서 계속 가열할 수 있다. 소듐 아스코르베이트(예를 들어, C6H7NaO6)는 약 30 분의 과정 이상 부가될 수 있다. 상기 반응을 대략 부가적인 1.5 시간 동안 약 90°C에서 계속 가열할 수 있다. 총 시간은 약 90°C에서 약 6 시간일 수 있다. 혼합 속도 (또한 본 명세서에서 "교반(stirring) 속도")는 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같을 수 있다 (예를 들어, GO의 합성에 관하여). 몇몇 구체예에서, 혼합 속도 (예를 들어, 하나 또는 그 이상의 반응 공정 동안)는 적어도 약 100 rpm, 110 rpm, 120 rpm, 130 rpm, 140 rpm, 150 rpm, 160 rpm, 170 rpm, 180 rpm, 190 rpm, 또는 200 rpm일 수 있다.
[0083] 사전에 기술된 것과 같이, 반응 온도는 약 90°C일 수 있다. 그렇지 않으면, 전술된 단계 중 하나 또는 그 이상을 약 60°C 및 180°C 사이의 온도로 수행할 수 있다. 동일한 온도 또는 온도 범위에서, 또는 하나 또는 그 이상의 상이한 온도 또는 온도 범위에서 (예를 들어, 약 60°C 및 180°C 사이의 하나 또는 그 이상의 상이한 온도에서) 상기 단계를 수행할 수 있다. 예를 들어, 모든 단계를 동일한 온도 (또는 온도 범위)에서 수행할 수 있거나, 각각의 단계를 상이한 온도 (또는 온도 범위)에서 수행할 수 있거나, 서브세트(들)의 단계를 동일한 온도 (또는 온도 범위)에서 수행할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 온도는 약 60°C 및 80°C, 60°C 및 90°C, 60°C 및 100°C, 60°C 및 120°C, 60°C 및 140°C, 60°C 및 160°C, 60°C 및 180°C, 80°C 및 90°C, 80°C 및 100°C, 80°C 및 120°C, 80°C 및 140°C, 80°C 및 160°C, 80°C 및 180°C, 90°C 및 100°C, 90°C 및 120°C, 90°C 및 140°C, 90°C 및 160°C, 90°C 및 180°C, 100°C 및 120°C, 100°C 및 140°C, 100°C 및 160°C, 100°C 및 180°C, 120°C 및 140°C, 120°C 및 160°C, 120°C 및 180°C, 140°C 및 160°C, 140°C 및 180°C, 또는 160°C 및 180°C 사이일 수 있다. 온도가 주어진 범위 이내에서 변화하거나 변동을 계속하는 것을 가능하게 하거나 가능하게 하지 않을 수 있다 (예를 들어, 주어진 단계를 위한 온도는 주어진 범위 이내 주어진 온도로 일정하게 유지될 수 있다, 또는 주어진 범위 이내에서 변동을 계속하는 것을 가능하게 할 수 있다). 몇몇 사례에서 (예를 들어, 약 100°C 이상의 온도에서), 반응 챔버를 밀봉할 필요가 있을 수 있다.
[0084] 제2 반응 이전의 용액 내 GO의 농도는, 예를 들어, 약 0% 및 2 질량% 사이의 범위일 수 있다 (예를 들어, 0-2 kg/100 L 의 수용액). 예를 들어, 질량에 의한 GO의 농도는 약 0% 및 0.5%, 0% 및 1%, 0% 및 1.5%, 0% 및 2%, 0.5% 및 1%, 0.5% 및 1.5%, 0.5% 및 2%, 1% 및 1.5%, 1% 및 2%, 또는 1.5% 및 2% 사이일 수 있다. GO의 농도는 약 2%, 1.5%, 1%, 0.5%, 0.25%, 0.1 질량% (이하) 이하일 수 있다. 예를 들어, 용액 내 GO의 농도 (예를 들어, 제1 반응으로부터)는 약 1 질량% (100 L 의 수용액 내 1 kg GO)일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 농도는 유동성을 유지하면서 얼마나 많은 GO가 물 내 용해될 수 있는지에 의해 제한될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 용액은 점성일 수 있다 (예를 들어, 2% 또는 그 이상의 농도로, 즉, 100 L 의 물 내 2 kg 또는 그 이상의 GO). 몇몇 구체예에서, 용액 점도는 반응 조리가 어려울 수 있는 점도 미만일 수 있다. 더욱 높은 농도 (예를 들어, 1 질량%)는 반응에서 사용되는 물의 양을 감소시키는 것을 가능하게 할 수 있다 (예를 들어, 가능한 한 높은 농도로 반응에서 사용되는 물의 양을 최소화할 수 있다). 제2 반응이 끝날 때 물을 여과할 수 있다. 제2 반응에서 사용되는 물의 양의 감소는 여과 시간을 감소시킬 수 있다 (예를 들어, 용액의 부피가 클수록, 여과가 더 오래 걸릴 수 있다).
[0085] 몇몇 구체예에서, H2O2 (예를 들어, 약 30 중량%의 농도를 갖는)는 1 kg GO 당 약 10 L 및 100 L 사이의 양으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 약 10 L 및 20 L, 10 L 및 30 L, 10 L 및 40 L, 10 L 및 50 L, 10 L 및 60 L, 10 L 및 70 L, 10 L 및 80 L, 10 L 및 90 L, 10 L 및 100 L, 20 L 및 30 L, 20 L 및 40 L, 20 L 및 50 L, 20 L 및 60 L, 20 L 및 70 L, 20 L 및 80 L, 20 L 및 90 L, 20 L 및 100 L, 30 L 및 40 L, 30 L 및 50 L, 30 L 및 60 L, 30 L 및 70 L, 30 L 및 80 L, 30 L 및 90 L, 30 L 및 100 L, 40 L 및 50 L, 40 L 및 60 L, 40 L 및 70 L, 40 L 및 80 L, 40 L 및 90 L, 40 L 및 100 L, 50 L 및 60 L, 50 L 및 70 L, 50 L 및 80 L, 50 L 및 90 L, 50 L 및 100 L, 60 L 및 70 L, 60 L 및 80 L, 60 L 및 90 L, 60 L 및 100 L, 70 L 및 80 L, 70 L 및 90 L, 70 L 및 100 L, 80 L 및 90 L, 80 L 및 100 L, 또는 90 L 및 100 L 사이의 H2O2 (예를 들어, 약 30 중량%의 농도를 갖는)가 1 kg의 GO 당 제공될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 약 10 L, 20 L, 30 L, 40 L, 50 L, 60 L, 70 L, 80 L, 90 L, 또는 100 L 이상의 H2O2 (예를 들어, 약 30 중량%의 농도를 갖는)가 1 kg GO 당 제공될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 약 100 L, 90 L, 80 L, 70 L, 60 L, 50 L, 40 L, 30 L, 20 L, 또는 15 L 미만의 H2O2 (예를 들어, 약 30 중량%의 농도를 갖는)가 1 kg GO 당 제공될 수 있다. 임의의 30% 용액의 전술된 양과 동등한 H2O2의 양은 상이한 농도를 갖는 용액으로서 또는 농축되거나 순 형태 (예를 들어, 90%-100 중량%)로 부가될 수 있다. 임의의 30% 용액의 전술된 양과 동등한 H2O2의 양은 100% (또는 순) 용액에 기초한 부피의 면에서 표현될 수 있다. 임의의 30% 용액의 전술된 양과 동등한 H2O2의 양은 몰의 면에서 또는 H2O2의 중량의 면에서 표현될 수 있다. 예를 들어, 약 3 kg (또는 88 몰) 및 30 kg (또는 882 몰) 사이의 (순) H2O2가 1 kg GO 당 제공될 수 있다. 중량 기준으로 표현된, 약 3 kg 및 6 kg, 3 kg 및 9 kg, 3 kg 및 12 kg, 3 kg 및 15 kg, 3 kg 및 18 kg, 3 kg 및 21 kg, 3 kg 및 24 kg, 3 kg 및 27 kg, 3 kg 및 30 kg, 6 kg 및 9 kg, 6 kg 및 12 kg, 6 kg 및 15 kg, 6 kg 및 18 kg, 6 kg 및 21 kg, 6 kg 및 24 kg, 6 kg 및 27 kg, 6 kg 및 30 kg, 9 kg 및 12 kg, 9 kg 및 15 kg, 9 kg 및 18 kg, 9 kg 및 21 kg, 9 kg 및 24 kg, 9 kg 및 30 kg, 12 kg 및 15 kg, 12 kg 및 18 kg, 12 kg 및 21 kg, 12 kg 및 24 kg, 12 kg 및 27 kg, 12 kg 및 30 kg, 15 kg 및 18 kg, 15 kg 및 21 kg, 15 kg 및 24 kg, 15 kg 및 30 kg, 18 kg 및 21 kg, 18 kg 및 24 kg, 18 kg 및 27 kg, 18 kg 및 30 kg, 21 kg 및 24 kg, 21 kg 및 27 kg, 21 kg 및 30 kg, 24 kg 및 27 kg, 24 kg 및 30 kg, 또는 27 kg 및 30 kg 사이의 순 H2O2가 1 kg GO 당 부가될 수 있다. 중량 기준으로 표현된, 약 3 kg, 6 kg, 9 kg, 12 kg, 15 kg, 18 kg, 21 kg, 24 kg, 또는 30 kg 이상의 순 H2O2가 1 kg GO 당 제공될 수 있다. 중량 기준으로 표현된, 약 30 kg, 24 kg, 21 kg, 18 kg, 15 kg, 12 kg, 9 kg, 6 kg, 또는 4.5 kg 미만의 순 H2O2가 1 kg GO 당 제공될 수 있다.
[0086] 몇몇 구체예에서, 소듐 아스코르베이트가 1 kg GO 당 약 1 kg 및 10 kg 사이의 양으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 약 1 kg 및 2 kg, 1 kg 및 3 kg, 1 kg 및 4 kg, 1 kg 및 5 kg, 1 kg 및 6 kg, 1 kg 및 7 kg, 1 kg 및 8 kg, 1 kg 및 9 kg, 1 kg 및 10 kg, 2 kg 및 3 kg, 2 kg 및 4 kg, 2 kg 및 5 kg, 2 kg 및 6 kg, 2 kg 및 7 kg, 2 kg 및 8 kg, 2 kg 및 9 kg, 2 kg 및 10 kg, 3 kg 및 4 kg, 3 kg 및 5 kg, 3 kg 및 6 kg, 3 kg 및 7 kg, 3 kg 및 8 kg, 3 kg 및 9 kg, 3 kg 및 10 kg, 4 kg 및 5 kg, 4 kg 및 6 kg, 4 kg 및 7 kg, 4 kg 및 8 kg, 4 kg 및 9 kg, 4 kg 및 10 kg, 5 kg 및 6 kg, 5 kg 및 7 kg, 5 kg 및 8 kg, 5 kg 및 9 kg, 5 kg 및 10 kg, 6 kg 및 7 kg, 6 kg 및 8 kg, 6 kg 및 9 kg, 6 kg 및 10 kg, 7 kg 및 8 kg, 7 kg 및 9 kg, 7 kg 및 10 kg, 8 kg 및 9 kg, 8 kg 및 10 kg, 또는 9 kg 및 10 kg 사이의 소듐 아스코르베이트가 1 kg의 GO 당 제공될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 약 1 kg, 2 kg, 3 kg, 4 kg, 5 kg, 6 kg, 7 kg, 8 kg, 9 kg 또는 10 kg 이상의 소듐 아스코르베이트가 1 kg GO 당 제공될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 약 15 kg, 14 kg, 13 kg, 12 kg, 11 kg, 10 kg, 9 kg, 8 kg, 7 kg, 6 kg, 5 kg, 4 kg, 3 kg, 2 kg 또는 1.5 kg 미만의 소듐 아스코르베이트가 1 kg GO 당 제공될 수 있다.
[0087] 몇몇 구체예에서, 1 kg의 GO에 대해, 약 10 L 및 100 L 사이의 30% H2O2 및 약 1 kg 및 10 kg 사이의 소듐 아스코르베이트가 사용될 수 있다.
[0088] 몇몇 구체예에서, 적어도 약 y = 90%, 95%, 98%, 99%, 또는 99.5%의, 또는 실질적으로 모든 GO가 전환될 수 있다. GO의 단위 당 제조된 PCS의 양은 GO의 산소 함량 및 PCS의 산소 함량에 의존할 수 있다. 몇몇 구체예에서, GO의 C:O 원자비는, 예를 들어, 약 4:1 및 5:1 사이일 수 있고, PCS의 산소 함량은, 예를 들어, 약 5 원자 퍼센트 이하일 수 있다. 그러한 경우에서, 제조된 PCS의 양은 중량 기준으로 GO의 단위 당 약 0.75y 및 0.84 단위의 PCS 사이일 수 있다. 몇몇 구체예에서, GO의 C:O 원자비는, 예를 들어, 약 7:3 및 5:1 사이일 수 있고, PCS의 산소 함량은, 예를 들어, 약 5 원자 퍼센트 이하일 수 있다. 그러한 경우에서, 제조된 PCS의 양은 중량 기준으로 GO의 단위 당 약 0.64y 및 0.84 단위의 PCS 사이일 수 있다. 몇몇 구체예에서, GO의 C:O 원자비는, 예를 들어, 적어도 약 7:3일 수 있고, PCS의 산소 함량은, 예를 들어, 약 5 원자 퍼센트 이하일 수 있다. 그러한 경우에서, 제조된 PCS의 양은 중량 기준으로 GO의 단위 당 적어도 약 0.64y 단위의 PCS일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 제조된 PCS의 양은 중량 기준으로 GO의 단위 당 적어도 약 0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 0.7, 0.75, 또는 0.8 단위의 PCS일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 제조된 PCS의 양은 중량 기준으로 GO의 단위 당 약 0.5 및 0.85, 0.6 및 0.8, 또는 0.7 및 0.8 단위의 PCS 사이일 수 있다.
[0089] 제2 정제는, 예를 들어, 2 미크론 316 스테인리스 강 메쉬 필터를 통해 진공 여과를 거쳐 PCS를 정제하는 것을 포함할 수 있다. 여과 (또한 본 명세서에서 "제2 여과") 를 제2 반응 이후에 수행할 수 있다. 제2 반응 이후에, 몇몇 불순물 가령, 예를 들어, 소듐 아스코르베이트와 작은 양의 H2SO4, 망간 옥사이드, 및 망간 염이 있을 수 있다. 여과는 용액으로부터 불순물의 적어도 부분을 제거할 수 있다. 물, 산, 및/또는 염은 제2 반응으로부터 남을 수 있다. 예를 들어, 제2 반응으로부터 용액 내 GO의 킬로그램 당 약 4.95 kg 의 소듐 아스코르베이트가 남을 수 있다. GO로부터의 불순물이 또한 있을 수 있다. 예를 들어, 초기의 산화 (예를 들어, 제1 반응)로부터 작은 양의 H2SO4, 망간 옥사이드, 및 망간 염이 남아있을 수 있다.
[0090] 물은 PCS를 통해 플러싱되어 염을 제거할 수 있다. 환원 이후의 용액의 전도도는 약 200 센티미터 당 밀리지멘스 (mS/cm)를 초과할 수 있다. PCS 용액의 전도도가 약 50 센티미터 당 마이크로지멘스 (μS/cm) 이하에 도달할 때까지 탈이온화된 물을 이용하여(예를 들어, 방대한 양의 탈이온화된 물을 이용하여) PCS 용액을 세척할 수 있다. PCS 용액이 약 50 μS/cm 이하의 전도도를 가질 때 정제가 완료될 수 있다. 주어진 양 또는 농도가 직선 PCS 사용을 위해 필요할 수 있다. 예를 들어, 약 2 중량% 또는 그 이상의 농도가 필요할 수 있다.
에너지 저장 장치
[0091] 본 개시의 에너지 저장 장치는 적어도 하나의 전극 (예를 들어, 양극 및 음극)을 포함할 수 있다. 본 개시의 탄소-계 물질은 양극 (방전 동안 음극), 음극 (방전 동안 양극), 또는 모두로 제공될 수 있다. 특정 구체예에서, 에너지 저장 장치는 리튬-이온 배터리일 수 있다. 특정 구체예에서, 에너지 저장 장치는 리튬 금속 배터리일 수 있다. 특정 구체예에서, 에너지 저장 장치는 슈퍼커패시터일 수 있다.
[0092] 배터리는 흑연을 포함하는 음극 (방전 동안 양극), 및 PCS/리튬 철 포스페이트 (LFP)를 포함하는 양극 (방전 동안 음극)을 포함하는 적어도 하나의 전지를 포함할 수 있다. 배터리의 배치/형태 요소는 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같을 수 있다 (예를 들어, 다양한 크기의 원통형, 파우치, 프리즘, 또는 버튼 전지). 특정 구체예에서, 배터리는 원통형 배치/형태 요소를 가질 수 있다 (예를 들어, 18650 포장). 본 실시예 내 양극 및 배터리가 PCS를 포함하는 것으로서 주로 기술되지만, 그러한 양극 및 배터리는 본 개시에 따른 임의의 탄소-계 물질을 포함할 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0093] 도 9는 (배터리) 전지 (예를 들어, LFP-계 전지)의 구조의 예시의 개략도이다. 배터리는 양극 단자 (901), 양극 단자 (901)에 인접한 기체 방출 통풍구 (902), 및 배터리의 내부를 밀봉하는 가스켓 (903)을 포함한다. 양극 탭 (904)은 양극 단자 (901)를 양극 (907)에 연결한다. 분리기 (906)은 음극 (905)으로부터 양극을 분리한다. 몇몇 구체예에서, 배터리는, 순차적으로, 원형 단면을 갖는 실린더 내로 롤링된 분리기 (906), 양극 (907), 분리기 (906), 및 음극 (905)의 층상 시트를 포함한다. 본 배치에서, 전지의 외부 표면의 적어도 부분 (예를 들어, 전지 캔의 하부 표면)은 음성 단자의 역할을 할 수 있다. 도 11은 완성된 LFP-계 배터리의 예시를 보여준다. 본 사례에서, 배터리는 원통형 배치/형태 요소로 구성된다.
[0094] 배터리는 흑연을 포함하는 음극 (방전 동안 양극), 및 PCS/리튬 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드 (NCA)를 포함하는 양극 (방전 동안 음극)을 포함하는 적어도 하나의 전지를 포함할 수 있다. 배터리의 배치/형태 요소는 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같을 수 있다 (예를 들어, 다양한 크기의 원통형, 파우치, 프리즘, 또는 버튼 전지). 특정 구체예에서, 배터리는 원통형 배치/형태 요소를 가질 수 있다 (예를 들어, 18650 포장). 도 16은 NCA-계 배터리의 예시 성능을 보여준다. 본 실시예 내 양극 및 배터리가 PCS를 포함하는 것으로서 주로 기술되지만, 그러한 양극 및 배터리는 본 개시에 따른 임의의 탄소-계 물질을 포함할 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0095] 도 13은 (배터리) 전지 (예를 들어, NCA-계 전지)의 구조의 예시의 개략도이다. 배터리의 측면도 (1301) 및 평면도 (1302)가 보여진다. 몇몇 구체예에서, 배터리는 약 65 mm의 높이, 및 약 18 mm의 지름을 갖는다. 분리기 (1312)은 양극 (음극) (1311)으로부터 음극 (양극) (1313)을 분리한다. 몇몇 구체예에서, 배터리는 원형 단면을 갖는 실린더 내로 롤링된 양극 (1311), 분리기 (1312), 및 음극 (1313)의 층상 시트를 포함한다. 도 15는 완성된 NCA-계 배터리의 예시를 보여준다. 본 사례에서, 배터리는 원통형 배치/형태 요소로 구성된다.
[0096] 배터리는 흑연을 포함하는 음극 (방전 동안 양극), 및 PCS/리튬 니켈 코발트 망간 옥사이드 (NMC)를 포함하는 양극 (방전 동안 음극)을 포함하는 적어도 하나의 전지를 포함할 수 있다. 배터리의 배치/형태 요소는 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같을 수 있다 (예를 들어, 다양한 크기의 원통형, 파우치, 프리즘, 또는 버튼 전지). 특정 구체예에서, 배터리는 파우치 배치/형태 요소를 가질 수 있다 (예를 들어, LiPoly 포장). 본 실시예 내 양극 및 배터리가 PCS를 포함하는 것으로서 주로 기술되지만, 그러한 양극 및 배터리는 본 개시에 따른 임의의 탄소-계 물질을 포함할 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0097] 도 17은 (배터리) 전지 (예를 들어, NMC-계 전지)의 구조의 예시의 개략도이다. 분리기 (1702)은 음극 (1703)으로부터 양극 (1701)을 분리한다. 몇몇 구체예에서, 배터리는 직사각형 단면을 갖는 실린더 내로 롤링된 음극 (1703), 분리기 (1702), 및 양극 (1701)의 층상 시트를 포함한다. 양극 및 음극은, 각각 양극 탭 (1704) 및 음극 탭 (1705)과 연결된다. 배터리는 예비형성된 알루미늄 적층(laminate) (1706) 내에 캡슐화될 수 있다. 도 21은 완성된 NMC-계 배터리의 예시를 보여준다. 본 사례에서, 배터리는 파우치 배치/형태 요소로 구성된다.
[0098] 본 개시의 에너지 저장 장치는 상이한 배치 및/또는 형태 요소를 가질 수 있다 (예를 들어, 참조 도 9, 도 11, 도 13, 도 15, 도 17, 및 도 20-21). 물질의 주어진 물질 또는 세트를 포함하는 에너지 저장 장치에 관하여 기술된 주어진 배치 및/또는 형태 요소에 관하여 기술된 본 개시의 임의의 양상은, 적어도 몇몇 배치 내 본 명세서에서 기술된 물질의 상이한 물질 또는 세트를 포함하는 에너지 저장 장치에 동등하게 적용될 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치는 임의의 형태로 포장될 수 있다. 포장은 최종 적용에 의해 만들어질 수 있다.
[0099] 주어진 배치 및/또는 형태 요소는 주어진 포장을 포함할 수 있다.
배치 및/또는 형태 요소는 용도에 기초하여 선택될 수 있다 (예를 들어, 파우치 전지는 핸드폰에서의 용도를 위해 선택될 수 있는 반면, 원통형 전지는 특정
다른 소비자 장치를 위해 선택될 수 있다). 예를 들어, 본 명세서에서 기술된 에너지 저장 장치의 전지는 원통형 전지, 파우치 전지, 직사각형 전지, 프리즘 전지, 버튼 전지, 또는 또 다른 배치로서 구성될 수 있다. 각각의 그러한 배치는 주어진 크기 및 최종 형태 요소를 가질 수 있다. 형태 요소는 주어진 포장에 해당할 수 있다. 포장은 경질(rigid) 또는 비-경질(rigid)일 수 있다. 포장은 전지를 밀폐하여 밀봉할 수 있거나 아닐 수 있다.
[0100] 원통형, 프리즘, 및 버튼 전지는 금속 인클로져를 사용할 수 있다. 원통형 전지는 원통형 전지의 포장으로서 외부 스테인리스 강 캔을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 전지는 18 mm * 65 mm 원통형 전지 포장 (또한 본 명세서에서 "18650 포장"), 26 mm * 65 mm 원통형 전지 포장 (또한 본 명세서에서 "26650 포장"), 또는 32 mm * 65 mm 원통형 전지 포장 (또한 본 명세서에서 "32650 포장")을 포함할 수 있다. 그러한 포장은, 예를 들어, 외부 금속 포장 및 음성 단자 (예를 들어, 전지 캔) 중 하나 또는 그 이상, 가스켓(들), 절연체(들), 분리기(들) (예를 들어, 양극 분리기(들)), 금속 메쉬, 및/또는 다른 요소 (예를 들어, 도 9 및 도 13 참조)를 포함할 수 있다. 밀봉된 캔 외부는 높은 내부 압력을 견딜 수 있다. 몇몇 구체예에서, 원통형 전지 포장은 압력 릴리프 메커니즘, 예를 들어, 과잉 내부 압력 시 파열되는 막 밀봉, 및/또는 내부 압력을 방출하기 위한 재-밀봉 가능한 통풍구를 포함할 수 있다.
[0101] 버튼 전지는 안전 통풍구를 갖지 않을 수 있다. 버튼 전지는 가스켓을 갖는 캡 (예를 들어, 음극과 전기적으로 통신하는)에 밀봉된 전지 캔 (예를 들어, 양극과 전기적으로 통신하는)을 포함할 수 있다.
[0102] 프리즘 전지는 직사각형 캔 내에 함유될 수 있다. 프리즘 전지는, 예를 들어, 용접된 알루미늄 하우징 내에 포장될 수 있다. 더 무거운 게이지 금속은 프리즘 전지 용기에 사용될 수 있다 (예를 들어, 원통형 배치로부터 감소된 기계적인 안정성을 보상하기 위해 약간 더 두꺼운 벽 크기가 프리즘 전지에 사용될 수 있다). 몇몇 구체예에서, 프리즘 전지의 전극은 적층될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 프리즘 전지의 전극은 편평한 나선의 형태일 수 있다. 프리즘 전지는 다양한 형식 및/또는 크기로 구성될 수 있다. 그러한 형식 및/또는 크기는, 예를 들어, 충전 저장 용량에 기초하여 구성될 수 있다 (예를 들어, 핸드폰, 태블릿, 저-프로파일 랩탑, 및 다른 휴대용 가전을 위한 800 밀리암페어 시간 (mAh) 내지 4,000 mAh 형식, 또는 하이브리드 및 전기 자동차에서의 전기 구동을 위한 20-50 Ah).
[0103] 연질 케이스/팩 또는 파우치 전지는, 견고성을 위해 상이한 유형의 중합체로 접착된, 얇은 알루미늄 처리된 플라스틱의 백 내에 적층된(laminated) 구조(architecture)를 포함할 수 있다. 파우치 전지는 열-밀봉 가능한 다중-층 포일 포장 (예를 들어, 도 17 참조)을 포함할 수 있다. 그러한 포장은 연질 팩 역할을 할 수 있다. 파우치 전지 내 전기적 콘택트는 전극에 용접되고 파우치 물질로 밀봉된 전도성 포일 탭을 포함할 수 있다 (예를 들어, 완전히 밀봉된 방식으로 외부로 가지고 옴). 파우치 전지는, 예를 들어, 리튬 중합체 배터리 포장을 사용하여 포장될 수 있다 (예를 들어, 고체 전해질을 갖는 리튬 중합체 전지에 사용되는 포장, 본 명세서에서 또한"LiPoly 포장"). 그러한 포장은, 예를 들어, 외부 플라스틱 적층(laminate)을 갖는 포일 파우치를 포함할 수 있다. 파우치 전지는 상이한 크기를 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 파우치 전지는 특정한 용도를 위해 구성되거나 크기를 바꿀 수 있다 (예를 들어, 파우치 전지는 가전 포장 사이의 작은 영역 내로 위치될 수 있다). 몇몇 구체예에서, 파우치 전지의 크기는 주어진 충전 저장 용량에 해당할 수 있다 (예를 들어, 핸드폰 및 휴대용 가전 용도 가령 드론 및 취미 도구에 적합한 에너지 저장 시스템 또는 충전 저장 용량에서의 사용을 위한 40 Ah 범위 내 충전 저장 용량).
에너지 저장 장치의 조성
[0104] 리튬-이온 배터리 (LIB)는 음극을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, LIB는 탄소-계 음극 (예를 들어, 흑연 또는 소 나노튜브를 포함함)을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, LIB는 실리콘 (Si) 음극을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, LIB는 합금-계 음극 (예를 들어, 주석 합금을 포함함)을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, LIB는 옥사이드 또는 설파이드-계 음극 (예를 들어, 망간(II) 옥사이드 (MnO) 또는 마그네슘 설파이드 (MgS)를 포함함)을 포함할 수 있다. LIB는 옥사이드, 예를 들어, 층상 옥사이드 (예를 들어, LiCoO2), 스피넬 (예를 들어, LiMn2O4), 또는 감람석 (예를 들어, LiFePO4)을 포함하는 양극을 포함할 수 있다. LIB는 전도성 첨가제(들)을 포함할 수 있다. 전도성 첨가제(들)은 양극 내, 음극 내, 또는 모두에 제공될 수 있다. 전도성 첨가제(들)은, 예를 들어, 카본 블랙 또는 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다. LIB는 결합제를 포함할 수 있고, 여기서 결합제는 제1 결합제 및 제2 결합제 중 적어도 하나를 포함한다. 몇몇 구체예에서, 제1 결합제는 제2 결합제와 동일하다. 몇몇 구체예에서, 제1 결합제는 제2 결합제와 동일하지 않다. LIB는 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은, 예를 들어, 유기 용액 (예를 들어, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 또는 디에틸 카보네이트) 내 리튬 염 (예를 들어, 리튬 헥사플루오로포스페이트 (LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트 (LiBF4), 또는 리튬 퍼클로레이트 (LiClO4))을 포함할 수 있다.
[0105] 몇몇 구체예에서, 본 개시의 탄소-계 물질은 리튬-이온 배터리의 양극 내에 제공될 수 있다. 탄소-계 물질은 전도성 첨가제로서 (예를 들어, 카본 블랙을 대체하기 위해) 사용될 수 있다. 탄소-계 물질은 양극 내 활성 물질로서 사용될 수 있다.
[0106] 몇몇 구체예에서, 본 개시의 탄소-계 물질은 리튬-이온 배터리의 음극 내에 제공될 수 있다. 탄소-계 물질은 음극 내 활성 물질로서 사용될 수 있다. 탄소-계 물질은 다른 활성 물질 (예를 들어, Si)에 대한 코팅으로서 사용될 수 있고 및/또는 음극을 위해 다른 활성 물질 (예를 들어, Si)과 합성물을 형성할 수 있다.
[0107] 몇몇 구체예에서, 본 개시의 탄소-계 물질은 리튬 금속 배터리의 음극 내에 제공될 수 있다. 탄소-계 물질은 코팅으로서 사용될 수 있다 (예를 들어, 덴드라이트 성장을 억제하기 위해).
[0108] 몇몇 구체예에서, 본 개시의 탄소-계 물질은 리튬-이온 배터리의 양극 내 및 음극 내에 제공될 수 있다. 탄소-계 물질은 양극 내 전도성 첨가제로서 및 동시에 음극 내 활성 물질로서 사용될 수 있다. 탄소-계 물질은 양극 내 활성 물질로서 사용될 수 있다 (예를 들어, GO가 음극에서 사용될 때).
[0109] 몇몇 구체예에서, 본 개시의 탄소-계 물질은 대칭 슈퍼커패시터 내 활성 물질로서 제공될 수 있다. 탄소-계 물질은 모든 전극에서 사용될 수 있다 (예를 들어, 탄소-계 에어로겔로서).
[0110] 몇몇 구체예에서, 본 개시의 탄소-계 물질은 비대칭 슈퍼커패시터 내 활성 물질로서 제공될 수 있다. 탄소-계 물질은 하나의 전극으로서 사용될 수 있고 다른 물질 (예를 들어, MnO2)로 제조된 또 다른 전극과 커플링될 수 있다. 탄소-계 물질은 상기 물질이 2개 전극에서 상이한 물질과 합성물을 형성할 때 모든 전극에서 또한 사용될 수 있다.
[0111] 본 명세서에서 기술된 에너지 저장 장치는 전해질을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 기술된 전해질은, 예를 들어, 수성, 유기, 및/또는 이온 액체-계 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 액체, 고체, 또는 겔일 수 있다. 이온 액체는 또 다른 고체 요소, 예를 들어, 중합체 또는 실리카 (예를 들어, 흄드 실리카)와 혼성화되어, 겔-유사 전해질 (또한 본 명세서에서 "이오노겔")을 형성할 수 있다. 수성 전해질은, 예를 들어, 중합체와 혼성화되어, 겔-유사 전해질 (또한 본 명세서에서 "하이드로겔" 및 "하이드로겔-중합체")을 형성할 수 있다. 유기 전해질은, 예를 들어, 중합체와 혼성화되어, 겔-유사 전해질을 형성할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 전해질은 리튬 염 (예를 들어, LiPF6, LiBF4, 또는 LiClO4)이거나 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질은 유기 용액 (예를 들어, 에틸렌 카보네이트 (EC), 디메틸 카보네이트 (DMC), 또는 디에틸 카보네이트 (DEC)) 내 리튬 염 (예를 들어, LiPF6, LiBF4, 또는 LiClO4)을 포함할 수 있다. 전해질은 하나 또는 그 이상의 부가적인 요소 (예를 들어, 하나 또는 그 이상의 첨가제)를 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 전해질 조성물 (예를 들어, 연질 팩 중합체 LIB 전해질)은 EC, 에틸 메틸 카보네이트 (EMC), DEC, LiPF6, 및 첨가제 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 전해질 조성물 (예를 들어, 높은 용량 LIB 전해질)은 EC, DEC, 프로필렌 카보네이트 (PC), LiPF6, 및 첨가제 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
[0112] 에너지 저장 장치는 중합체를 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 에너지 저장 장치는 분리기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 장치는 폴리에틸렌 분리기 (예를 들어, 초-고분자량 폴리에틸렌 분리기)을 포함할 수 있다. 분리기는 약 16 μm, 15 μm, 14 μm, 13 μm, 12 μm, 11 μm, 10 μm, 9 μm, 또는 8 μm (예를 들어, 약 12 ± 2.0 μm) 이하의 두께를 가질 수 있다. 분리기는 주어진 투과성을 가질 수 있다. 분리기는 약 150 sec/100 mL, 160 sec/100 mL, 170 sec/100 mL, 180 sec/100 mL, 190 sec/100 mL, 200 sec/100 mL, (210) sec/100 mL, 220 sec/100 mL, 230 sec/100 mL, 240 sec/100 mL, 250 sec/100 mL, 260 sec/100 mL, 270 sec/100 mL, 280 sec/100 mL, 290 sec/100 mL, 또는 300 sec/100 mL (예를 들어, 180 ± 50 sec/100 mL) 이상의 투과성을 가질 수 있다 (예를 들어, 걸리(Gurley) 유형). 그렇지 않으면, 분리기는 약 150 sec/100 mL, 160 sec/100 mL, 170 sec/100 mL, 180 sec/100 mL, 190 sec/100 mL, 200 sec/100 mL, (210) sec/100 mL, 220 sec/100 mL, 230 sec/100 mL, 240 sec/100 mL, 250 sec/100 mL, 260 sec/100 mL, 270 sec/100 mL, 280 sec/100 mL, 290 sec/100 mL, 또는 300 sec/100 mL 미만의 투과성을 가질 수 있다 (예를 들어, 걸리 유형).
분리기는 주어진 다공성을 가질 수 있다. 분리기는 약 35%, 40%, 45%, 또는 50% (예를 들어, 40% ± 5%) 이상의 다공성을 가질 수 있다. 그렇지 않으면, 분리기는 약 35%, 40%, 45%, 또는 50% 미만의 다공성을 가질 수 있다. 분리기는 주어진 셧다운 온도를 가질 수 있다 (예를 들어, 상기 셧다운 온도에서, 분리기가 정상적으로 기능하지 않는다). 몇몇 구체예에서, 분리기는 약 150°C, 140°C, 130°C, 120°C, 110°C, 또는 100°C 이하의 셧다운 온도 (실제)를 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 분리기는 약 130°C 및 150°C, 130°C 및 140°C, 또는 136°C 및 140°C 사이의 셧다운 온도 (DSC)를 가질 수 있다.
[0113] 전극 (예를 들어, LIB의 양극)의 활성 물질은, 예를 들어, 그래핀, 리튬 철 포스페이트 (LFP; LiFePO4), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드 (NCA; LiNiCoAlO2), 리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드 (NMC; LiNiMnCoO2), 리튬 코발트 옥사이드 (LCO; LiCoO2), 리튬 망간 옥사이드 (LMO; LiMn2O4), 리튬 티타네이트 (LTO; Li4Ti5O12), 리튬 황, 또는 그의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 그러한 활성 물질 중 하나 또는 그 이상은 약 0.25% 및 0.5%, 0.25% 및 0.75%, 0.25% 및 1%, 0.25% 및 2%, 0.25% 및 5%, 0.25% 및 10%, 0.25% 및 20%, 0.25% 및 30%, 0.25% 및 40%, 0.25% 및 50%, 0.5% 및 0.75%, 0.5% 및 1%, 0.5% 및 2%, 0.5% 및 5%, 0.5% 및 10%, 0.5% 및 20%, 0.5% 및 30%, 0.5% 및 40%, 0.5% 및 50%, 0.75% 및 1%, 0.75% 및 2%, 0.75% 및 5%, 0.75% 및 10%, 0.75% 및 20%, 0.75% 및 30%, 0.75% 및 40%, 0.75% 및 50%, 1% 및 2%, 1% 및 5%, 1% 및 10%, 1% 및 20%, 1% 및 30%, 1% 및 40%, 1% 및 50%, 2% 및 5%, 2% 및 10%, 2% 및 20%, 2% 및 30%, 2% 및 40%, 2% 및 50%, 5% 및 10%, 5% 및 20%, 5% 및 30%, 5% 및 40%, 5% 및 50%, 10% 및 20%, 10% 및 30%, 10% 및 40%, 10% 및 50%, 20% 및 30%, 20% 및 40%, 20% 및 50%, 30% 및 40%, 30% 및 50%, 40% 및 50%, 50% 및 55%, 50% 및 60%, 50% 및 65%, 50% 및 67%, 50% 및 69%, 50% 및 71%, 50% 및 73%, 50% 및 75%, 50% 및 77%, 50% 및 79%, 50% 및 81%, 50% 및 83%, 50% 및 85%, 50% 및 87%, 50% 및 89%, 50% 및 91%, 50% 및 93%, 50% 및 95%, 50% 및 97%, 50% 및 99%, 55% 및 60%, 55% 및 65%, 55% 및 67%, 55% 및 69%, 55% 및 71%, 55% 및 73%, 55% 및 75%, 55% 및 77%, 55% 및 79%, 55% 및 81%, 55% 및 83%, 55% 및 85%, 55% 및 87%, 55% 및 89%, 55% 및 91%, 55% 및 93%, 55% 및 95%, 55% 및 97%, 55% 및 99%, 60% 및 65%, 60% 및 67%, 60% 및 69%, 60% 및 71%, 60% 및 73%, 60% 및 75%, 60% 및 77%, 60% 및 79%, 60% 및 81%, 60% 및 83%, 60% 및 85%, 60% 및 87%, 60% 및 89%, 60% 및 91%, 60% 및 93%, 60% 및 95%, 60% 및 97%, 60% 및 99%, 65% 및 67%, 65% 및 69%, 65% 및 71%, 65% 및 73%, 65% 및 75%, 65% 및 77%, 65% 및 79%, 65% 및 81%, 65% 및 83%, 65% 및 85%, 65% 및 87%, 65% 및 89%, 65% 및 91%, 65% 및 93%, 65% 및 95%, 65% 및 97%, 65% 및 99%, 67% 및 69%, 67% 및 71%, 67% 및 73%, 67% 및 75%, 67% 및 77%, 67% 및 79%, 67% 및 81%, 67% 및 83%, 67% 및 85%, 67% 및 87%, 67% 및 89%, 67% 및 91%, 67% 및 93%, 67% 및 95%, 67% 및 97%, 67% 및 99%, 69% 및 71%, 69% 및 73%, 69% 및 75%, 69% 및 77%, 69% 및 79%, 69% 및 81%, 69% 및 83%, 69% 및 85%, 69% 및 87%, 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95.5%, 95% 및 96%, 95% 및 96.5%, 95% 및 97%, 95% 및 97.5%, 95% 및 98%, 95% 및 98.5%, 95% 및 99%, 95% 및 99.5%, 95.5% 및 96%, 95.5% 및 96.5%, 95.5% 및 97%, 95.5% 및 97.5%, 95.5% 및 98%, 95.5% 및 98.5%, 95.5% 및 99%, 95.5% 및 99.5%, 96% 및 96.5%, 96% 및 97%, 96% 및 97.5%, 96% 및 98%, 96% 및 98.5%, 96% 및 99%, 96% 및 99.5%, 96.5% 및 97%, 96.5% 및 97.5%, 96.5% 및 98%, 96.5% 및 98.5%, 96.5% 및 99%, 96.5% 및 99.5%, 97% 및 97.5%, 97% 및 98%, 97% 및 98.5%, 97% 및 99%, 97% 및 99.5%, 97.5% 및 98%, 97.5% 및 98.5%, 97.5% 및 99%, 97.5% 및 99.5%, 98% 및 98.5%, 98% 및 99%, 98% 및 99.5%, 98.5% 및 99%, 98.5% 및 99.5%, 또는 99% 및 99.5% 사이의 개별 또는 조합되는 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내에 존재할 수 있다. 그러한 활성 물질 중 하나 또는 그 이상은 약 50%, 51%, 52%, 53%, 54%, 55%, 56%, 57%, 58%, 59%, 60%, 61%, 62%, 63%, 64%, 65%, 65.5%, 66%, 66.5%, 67%, 67.5%, 68%, 68.5%, 69%, 69.5%, 70%, 70.5%, 71%, 71.5%, 72%, 72.5%, 73%, 73.5%, 74%, 74.5%, 75%, 75.5%, 76%, 76.5%, 77%, 77.5%, 78%, 78.5%, 79%, 79.5%, 80%, 80.5%, 81%, 81.5%, 82%, 82.5%, 83%, 83.5%, 84%, 84.5%, 85%, 85.5%, 86%, 86. 5%, 87%, 87.5%, 88%, 88.5%, 89%, 89.5%, 90%, 90.5%, 91%, 91.5%, 92%, 92.5%, 93%, 93.5%, 94%, 94.5%, 95%, 95.5%, 96%, 96.5%, 97%, 97.5%, 98%, 98.5%, 99%, 99.5%, 또는 99.9% 이상의 개별 또는 조합되는 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내에 존재할 수 있다. 게다가, 또는 대체로서, 그러한 활성 물질 중 하나 또는 그 이상은 약 99.9%, 99.5%, 99%, 98.5%, 98%, 97.5%, 97%, 96.5%, 96%, 95.5%, 95%, 94.5%, 94%, 93.5%, 93%, 92.5%, 92%, 91.5%, 91%, 90.5%, 90%, 89.5%, 89%, 88.5%, 88%, 87.5%, 87%, 86.5%, 86%, 85.5%, 85%, 84.5%, 84%, 83.5%, 83%, 82.5%, 82%, 81.5%, 81%, 80.5%, 80%, 79.5%, 79%, 78.5%, 78%, 77.5%, 77%, 76.5%, 76%, 75.5%, 75%, 74.5%, 74%, 73.5%, 73%, 72.5%, 72%, 71.5%, 71%, 70.5%, 70%, 69.5%, 69%, 68.5%, 68%, 67.5%, 67%, 66.5%, 66%, 65.5%, 65%, 64%, 63%, 62%, 61%, 60%, 59%, 58%, 57%, 56%, 55%, 54%, 53%, 52%, 51%, 또는 50% 이하의 개별 또는 조합되는 농도로 전극 내에 존재할 수 있다. 그러한 활성 물질 중 하나 또는 그 이상은 하나 또는 그 이상의 다른 물질과 조합하여 그러한 농도(예를 들어, 본 명세서에서 기술된 하나 또는 그 이상의 다른 전극 물질 및 그의 농도)로 전극 내에 존재할 수 있다.
[0114] 전술된 활성 물질은 주어진 비율로 비-리튬 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성 물질은 주어진 비율 (예를 들어, NCA에 대해 약 0.815:0.15:0.035)로 니켈, 코발트, 및 알루미늄, 또는 주어진 비율 (예를 들어, NMC에 대해 약 6:2:2)로 니켈, 코발트, 및 망간을 포함할 수 있다. 활성 물질은 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 또는 그 이상의 비-리튬 금속을 포함할 수 있다. 비-리튬 금속은, 예를 들어, 니켈, 코발트, 알루미늄, 망간, 철, 및 티타늄 중에서 선택될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질은, 제2 비-리튬 금속에 대한 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 또는 15의 비율 (예를 들어, 중량 기준 또는 몰 기준)로 제1 비-리튬 금속을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질은 제3 비-리튬 금속에 대한 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 또는 35의 비율 (예를 들어, 중량 기준 또는 몰 기준)로 제1 비-리튬 금속을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질은 제3 비-리튬 금속에 대한 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 또는 15의 비율 (예를 들어, 중량 기준 또는 몰 기준)로 제2 비-리튬 금속을 포함할 수 있다. 활성 물질은 개별로 또는 약 1%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 또는 99% 이상의 농도 (예를 들어, 중량 기준)로 조합되는 비-리튬 금속(들) 및/또는 하나 또는 그 이상의 비-금속을 포함할 수 있다. 게다가, 또는 대체로서, 활성 물질은 개별로 또는 약 99.5%, 99%, 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 또는 2% 이하의 농도 (예를 들어, 중량 기준)로 조합되는 비-리튬 금속(들) 및/또는 하나 또는 그 이상의 비-금속을 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 활성 물질은 적어도 약 50%, 51%, 52%, 53%, 54%, 55%, 56%, 57%, 58%, 59%, 또는 60% (예를 들어, 약 59 ± 1.0% NCA에 대해)의 농도 (예를 들어, 총 중량 기준)로 니켈, 코발트, 및 알루미늄을 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 활성 물질은 약 33% 및 36% 사이의 농도 (예를 들어, 중량 기준)로 철, 및 약 19% 및 21% 사이 (예를 들어, NMC에 대해 약 58.5% 이상)의 농도 (예를 들어, 중량 기준)로 인을 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 활성 물질은 적어도 약 50%, 51%, 52%, 53%, 54%, 55%, 56%, 57%, 58%, 59%, 또는 60% (예를 들어, 약 59 ± 1.0% NCA에 대해)의 농도 (예를 들어, 총 중량 기준)로 니켈, 코발트, 및 알루미늄을 포함할 수 있다. 활성 물질은 약 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5%, 5.5%, 6%, 6.5%, 7%, 7.5%, 8%, 8.5%, 9%, 9.5%, 또는 10% 이상의 농도 (예를 들어, 중량 기준)로 리튬을 포함할 수 있다. 게다가, 또는 대체로서, 활성 물질은 약 15%, 10%, 8%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 또는 1.5% 이하의 농도 (예를 들어, 중량 기준)로 리튬을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성 물질은 NCA에 대해 약 7.2 ± 0.4%, NMC에 대해 7.1%, 또는 LFP에 대해 약 3.9% 및 4.9% 사이의 농도 (예를 들어, 중량 기준)로 리튬을 포함할 수 있다. 활성 물질은 비-리튬 금속의 (예를 들어, 니켈, 코발트, 및 알루미늄의, 또는 니켈, 코발트, 및 망간의) 전술된 농도에 더하여 그러한 리튬 농도를 포함할 수 있다. 활성 물질은 주어진 특정한 표면적을 가질 수 있다. 활성 물질은 약 0.1 그램 당 평방 미터 (m2/g), 0.2 m2/g, 0.3 m2/g, 0.4 m2/g, 0.5 m2/g, 0.6 m2/g, 0.7 m2/g, 0.8 m2/g, 0.9 m2/g, 1 m2/g, 2 m2/g, 3 m2/g, 4 m2/g, 5 m2/g, 6 m2/g, 7 m2/g, 8 m2/g, 9 m2/g, 10 m2/g, 11 m2/g, 12 m2/g, 13 m2/g, 14 m2/g, 15 m2/g, 16 m2/g, 17 m2/g, 18 m2/g, 19 m2/g, 20 m2/g 또는 25 m2/g 이상의 특정한 표면적을 가질 수 있다. 게다가, 또는 대체로서, 활성 물질은 약 30 m2/g, 25 m2/g, 20 m2/g, 19 m2/g, 18 m2/g, 17 m2/g, 16 m2/g, 15 m2/g, 14 m2/g, 13 m2/g, 12 m2/g, 11 m2/g, 10 m2/g, 9 m2/g, 8 m2/g, 7 m2/g, 6 m2/g, 5 m2/g, 4 m2/g, 3 m2/g, 2 m2/g, 1 m2/g, 0.9 m2/g, 0.8 m2/g, 0.7 m2/g, 0.6 m2/g, 0.5 m2/g, 0.4 m2/g, 0.3 m2/g, 또는 0.2 m2/g 이하의 특정한 표면적을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질 (예를 들어, NCA)은 약 0.3 m2/g 및 0.7 m2/g 사이의 특정한 표면적을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질 (예를 들어, NMC)은 약 0.2 m2/g 및 0.5 m2/g 사이의 특정한 표면적을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질 (예를 들어, LFP)은 약 9 m2/g 및 13 m2/g, 또는 8 m2/g 및 12 m2/g 사이의 특정한 표면적을 가질 수 있다. 활성 물질은 주어진 제1 방전 용량을 가질 수 있다. 활성 물질은 약 100 그램 당 밀리암페어 (mAh/g), 105 mAh/g, 110 mAh/g, 115 mAh/g, 120 mAh/g, 125 mAh/g, 130 mAh/g, 135 mAh/g, 140 mAh/g, 145 mAh/g, 150 mAh/g, 155 mAh/g, 160 mAh/g, 165 mAh/g, 170 mAh/g, 175 mAh/g, 180 mAh/g, 185 mAh/g, 190 mAh/g, 195 mAh/g, 200 mAh/g, 205 mAh/g, 210 mAh/g, 215 mAh/g, 또는 220 mAh/g 이상의 제1 방전 용량을 가질 수 있다. 게다가, 또는 대체로서, 활성 물질은 약 230 mAh/g, 225 mAh/g, 220 mAh/g, 215 mAh/g, 210 mAh/g, 205 mAh/g, 200 mAh/g, 195 mAh/g, 190 mAh/g, 185 mAh/g, 180 mAh/g, 175 mAh/g, 170 mAh/g, 165 mAh/g, 160 mAh/g, 155 mAh/g, 또는 150 mAh/g 이하의 제1 방전 용량을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질 (예를 들어, NCA)은 약 195 mAh/g 이상 (예를 들어, 0.1 C/0.1 C의 충전/방전 속도 및 3.0 볼트 내지 4.3 볼트 (V)의 전압 윈도우에서)의 제1 방전 용량을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질 (예를 들어, NMC)은 약 178 mAh/g (예를 들어, 코인 전지 (예를 들어, CR2032)에 대한 0.1 C/0.1 C의 충전/방전 속도 및 3.0 V ~ 4.3 V의 리튬 대 전압 윈도우에서) 이상의 제1 방전 용량을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질 (예를 들어, LFP)은 약 150 mAh/g (예를 들어, 0.2 C에서) 이상의 제1 방전 용량을 가질 수 있다. 활성 물질은 주어진 용량을 가질 수 있다. 활성 물질은 약 80 mAh/g, 85 mAh/g, 90 mAh/g, 95 mAh/g, 100 mAh/g, 105 mAh/g, 110 mAh/g, 115 mAh/g, 120 mAh/g, 125 mAh/g, 130 mAh/g, 135 mAh/g, 140 mAh/g, 145 mAh/g, 150 mAh/g, 155 mAh/g, 160 mAh/g, 165 mAh/g, 170 mAh/g, 175 mAh/g, 180 mAh/g, 185 mAh/g, 190 mAh/g, 195 mAh/g, 200 mAh/g, 220 mAh/g, 240 mAh/g, 260 mAh/g, 280 mAh/g, 300 mAh/g, 400 mAh/g, 500 mAh/g, 600 mAh/g, 700 mAh/g, 800 mAh/g, 또는 900 mAh/g 이상의 용량을 가질 수 있다. 게다가, 또는 대체로서, 활성 물질은 약 600 mAh/g, 500 mAh/g, 400 mAh/g, 300 mAh/g, 250 mAh/g, 210 mAh/g, 205 mAh/g, 200 mAh/g, 195 mAh/g, 190 mAh/g, 185 mAh/g, 180 mAh/g, 175 mAh/g, 170 mAh/g, 165 mAh/g, 160 mAh/g, 155 mAh/g, 150 mAh/g, 145 mAh/g, 140 mAh/g, 135 mAh/g, 또는 130 mAh/g 이상의 용량을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질 (예를 들어, NMC)은 약 162 mAh/g 및 168 mAh/g (예를 들어, 완전한 전지에 대해 0.5 C의 충전/방전 속도에서) 사이의 용량을 가질 수 있다. 활성 물질은 주어진 제1 방전 효율성을 가질 수 있다 (예를 들어, 약 75%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85% 이상 (예를 들어, NMC), 86%, 87%, 88%, 89% 이상 (예를 들어, NCA), 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 또는 95% 이상). 활성 물질은 전술된 입자 크기 조성물, 특정한 표면적, 제1 방전 용량, 용량, 제1 방전 효율성, 및 다른 특성 중 하나 또는 그 이상의 임의의 조합을 가질 수 있다.
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[0115] 전극 (예를 들어, LIB의 양성 또는 음극)은 결합제를 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 결합제는 제1 결합제 및 제2 결합제 중 적어도 하나를 포함한다. 몇몇 구체예에서, 제1 결합제는 제2 결합제와 동일하다. 몇몇 구체예에서, 제1 결합제는 제2 결합제와 동일하지 않다. 결합제 (예를 들어, 제1 결합제 또는 제2 결합제)는, 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 플루오로중합체 (예를 들어, 비-반응성 열가소성 플루오로중합체), 공중합체, 및/또는 다른 중합체 유형을 포함할 수 있다. 결합제의 예시는, 폴리비닐 플루오라이드 (PVF), 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 (PCTFE), 퍼플루오로알콕시 중합체 (PFA, MFA), 플루오르화 에틸렌-프로필렌 (FEP), 폴리에틸렌테트라플루오로에틸렌 (ETFE), 폴리에틸렌클로로트리플루오로에틸렌 (ECTFE), 퍼플루오르화 플라스토머 (FFPM/FFKM), 플루오로카본 또는 (또한 본 명세서의 청구범위 내 "클로로트리플루오로에틸렌비닐리덴플루오라이드"; FPM/FKM), 플루오로엘라스토머 (또한 본 명세서의 청구범위 내 "테트라플루오로에틸렌-프로필렌"; FEPM), 퍼플루오로폴리에테르 (PFPE), 퍼플루오로설폰 산 (PFSA), 퍼플루오로폴리옥세탄, P(VDF-트리플루오로에틸렌), P(VDF-테트라플루오로에틸렌), 또는 그의 임의의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않을 수 있다. 그러한 결합제 물질 중 하나 또는 그 이상은 약 0.5% 및 1%, 0.5% 및 2%, 0.5% 및 3%, 0.5% 및 4%, 0.5% 및 5%, 0.5% 및 6%, 0.5% 및 7%, 0.5% 및 8%, 0.5% 및 9%, 0.5% 및 10%, 0.5% 및 11%, 0.5% 및 12%, 0.5% 및 13%, 0.5% 및 14%, 0.5% 및 15%, 0.5% 및 16%, 0.5% 및 17%, 0.5% 및 18%, 0.5% 및 19%, 0.5% 및 20%, 1% 및 2%, 1% 및 3%, 1% 및 4%, 1% 및 5%, 1% 및 6%, 1% 및 7%, 1% 및 8%, 1% 및 9%, 1% 및 10%, 1% 및 11%, 1% 및 12%, 1% 및 13%, 1% 및 14%, 1% 및 15%, 1% 및 16%, 1% 및 17%, 1% 및 18%, 1% 및 19%, 1% 및 20%, 2% 및 3%, 2% 및 4%, 2% 및 5%, 2% 및 6%, 2% 및 7%, 2% 및 8%, 2% 및 9%, 2% 및 10%, 2% 및 11%, 2% 및 12%, 2% 및 13%, 2% 및 14%, 2% 및 15%, 2% 및 16%, 2% 및 17%, 2% 및 18%, 2% 및 19%, 2% 및 20%, 3% 및 4%, 3% 및 5%, 3% 및 6%, 3% 및 7%, 3% 및 8%, 3% 및 9%, 3% 및 10%, 3% 및 11%, 3% 및 12%, 3% 및 13%, 3% 및 14%, 3% 및 15%, 3% 및 16%, 3% 및 17%, 3% 및 18%, 3% 및 19%, 3% 및 20%, 4% 및 5%, 4% 및 6%, 4% 및 7%, 4% 및 8%, 4% 및 9%, 4% 및 10%, 4% 및 11%, 4% 및 12%, 4% 및 13%, 4% 및 14%, 4% 및 15%, 4% 및 16%, 4% 및 17%, 4% 및 18%, 4% 및 19%, 4% 및 20%, 5% 및 6%, 5% 및 7%, 5% 및 8%, 5% 및 9%, 5% 및 10%, 5% 및 11%, 5% 및 12%, 5% 및 13%, 5% 및 14%, 5% 및 15%, 5% 및 16%, 5% 및 17%, 5% 및 18%, 5% 및 19%, 5% 및 20%, 6% 및 7%, 6% 및 8%, 6% 및 9%, 6% 및 10%, 6% 및 11%, 6% 및 12%, 6% 및 13%, 6% 및 14%, 6% 및 15%, 6% 및 16%, 6% 및 17%, 6% 및 18%, 6% 및 19%, 6% 및 20%, 7% 및 8%, 7% 및 9%, 7% 및 10%, 7% 및 11%, 7% 및 12%, 7% 및 13%, 7% 및 14%, 7% 및 15%, 7% 및 16%, 7% 및 17%, 7% 및 18%, 7% 및 19%, 7% 및 20%, 8% 및 9%, 8% 및 10%, 8% 및 11%, 8% 및 12%, 8% 및 13%, 8% 및 14%, 8% 및 15%, 8% 및 16%, 8% 및 17%, 8% 및 18%, 8% 및 19%, 8% 및 20%, 9% 및 10%, 9% 및 11%, 9% 및 12%, 9% 및 13%, 9% 및 14%, 9% 및 15%, 9% 및 16%, 9% 및 17%, 9% 및 18%, 9% 및 19%, 9% 및 20%, 10% 및 11%, 10% 및 12%, 10% 및 13%, 10% 및 14%, 10% 및 15%, 10% 및 16%, 10% 및 17%, 10% 및 18%, 10% 및 19%, 10% 및 20%, 11% 및 12%, 11% 및 13%, 11% 및 14%, 11% 및 15%, 11% 및 16%, 11% 및 17%, 11% 및 18%, 11% 및 19%, 11% 및 20%, 12% 및 13%, 12% 및 14%, 12% 및 15%, 12% 및 16%, 12% 및 17%, 12% 및 18%, 12% 및 19%, 12% 및 20%, 13% 및 14%, 13% 및 15%, 13% 및 16%, 13% 및 17%, 13% 및 18%, 13% 및 19%, 13% 및 20%, 14% 및 15%, 14% 및 16%, 14% 및 17%, 14% 및 18%, 14% 및 19%, 14% 및 20%, 15% 및 16%, 15% 및 17%, 15% 및 18%, 15% 및 19%, 15% 및 20%, 16% 및 17%, 16% 및 18%, 16% 및 19%, 16% 및 20%, 17% 및 18%, 17% 및 19%, 17% 및 20%, 18% 및 19%, 18% 및 20%, 또는 19% 및 20% 사이의 개별 또는 조합되는 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내 (예를 들어, 양극 내 및/또는 음극 내)에 존재할 수 있다. 그러한 결합제 물질 중 하나 또는 그 이상은 약 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5%, 5.5%, 6%, 6.5%, 7%, 7.5%, 8%, 8.5%, 9%, 9.5%, 10%, 10.5%, 11%, 11.5%, 12%, 12.5%, 13%, 13.5%, 14%, 14.5%, 15%, 15.5%, 16%, 16.5%, 17%, 17.5%, 18%, 18.5%, 19%, 19.5%, 또는 20% 이상의 개별 또는 조합되는 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내 (예를 들어, 양극 내 및/또는 음극 내)에 존재할 수 있다. 게다가, 또는 대체로서, 그러한 결합제 물질 중 하나 또는 그 이상은 약 20%, 19.5%, 19%, 18.5%, 18%, 17.5%, 17%, 16.5%, 16%, 15.5%, 15%, 14.5%, 14%, 13.5%, 13%, 12.5%, 12%, 11.5%, 11%, 10.5%, 10%, 9.5%, 9%, 8.5%, 8%, 7.5%, 7%, 6.5%, 6%, 5.5%, 5%, 4.5%, 4%, 3.5%, 3%, 2.5%, 2%, 1.5%, 1%, 또는 0.5% 이하의 개별 또는 조합되는 농도로 전극 내 (예를 들어, 양극 내 및/또는 음극 내)에 존재할 수 있다. 그러한 결합제 물질 중 하나 또는 그 이상은 하나 또는 그 이상의 다른 물질과 조합하여 그러한 농도(예를 들어, 본 명세서에서 기술된 하나 또는 그 이상의 다른 전극 물질 및 그의 농도)로 전극 내에 존재할 수 있다.
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72% 및 80%, 72% 및 82%, 72% 및 84%, 72% 및 86%, 72% 및 88%, 72% 및 90%, 72% 및 91%, 72% 및 92%, 72% 및 93%, 72% 및 94%, 72% 및 95%, 72% 및 96%, 72% 및 97%, 72% 및 98%, 72% 및 99%, 74% 및 76%, 74% 및 78%, 74% 및 80%, 74% 및 82%, 74% 및 84%, 74% 및 86%, 74% 및 88%, 74% 및 90%, 74% 및 91%, 74% 및 92%, 74% 및 93%, 74% 및 94%, 74% 및 95%, 74% 및 96%, 74% 및 97%, 74% 및 98%, 74% 및 99%, 76% 및 78%, 76% 및 80%, 76% 및 82%, 76% 및 84%, 76% 및 86%, 76% 및 88%, 76% 및 90%, 76% 및 91%, 76% 및 92%, 76% 및 93%, 76% 및 94%, 76% 및 95%, 76% 및 96%, 76% 및 97%, 76% 및 98%, 76% 및 99%, 78% 및 80%, 78% 및 82%, 78% 및 84%, 78% 및 86%, 78% 및 88%, 78% 및 90%, 78% 및 91%, 78% 및 92%, 78% 및 93%, 78% 및 94%, 78% 및 95%, 78% 및 96%, 78% 및 97%, 78% 및 98%, 78% 및 99%, 80% 및 82%, 80% 및 84%, 80% 및 86%, 80% 및 88%, 80% 및 90%, 80% 및 91%, 80% 및 92%, 80% 및 93%, 80% 및 94%, 80% 및 95%, 80% 및 96%, 80% 및 97%, 80% 및 98%, 80% 및 99%, 82% 및 84%, 82% 및 86%, 82% 및 88%, 82% 및 90%, 82% 및 91%, 82% 및 92%, 82% 및 93%, 82% 및 94%, 82% 및 95%, 82% 및 96%, 82% 및 97%, 82% 및 98%, 82% 및 99%, 84% 및 86%, 84% 및 88%, 84% 및 90%, 84% 및 91%, 84% 및 92%, 84% 및 93%, 84% 및 94%, 84% 및 95%, 84% 및 96%, 84% 및 97%, 84% 및 98%, 84% 및 99%, 86% 및 88%, 86% 및 90%, 86% 및 91%, 86% 및 92%, 86% 및 93%, 86% 및 94%, 86% 및 95%, 86% 및 96%, 86% 및 97%, 86% 및 98%, 86% 및 99%, 88% 및 90%, 88% 및 91%, 88% 및 92%, 88% 및 93%, 88% 및 94%, 88% 및 95%, 88% 및 96%, 88% 및 97%, 88% 및 98%, 88% 및 99%, 90% 및 91%, 90% 및 92%, 90% 및 93%, 90% 및 94%, 90% 및 95%, 90% 및 96%, 90% 및 97%, 90% 및 98%, 90% 및 99%, 91% 및 92%, 91% 및 93%, 91% 및 94%, 91% 및 95%, 91% 및 96%, 91% 및 97%, 91% 및 98%, 91% 및 99%, 92% 및 93%, 92% 및 94%, 92% 및 95%, 92% 및 96%, 92% 및 97%, 92% 및 98%, 92% 및 99%, 93% 및 94%, 93% 및 95%, 93% 및 96%, 93% 및 97%, 93% 및 98%, 93% 및 99%, 94% 및 95%, 94% 및 96%, 94% 및 97%, 94% 및 98%, 94% 및 99%, 95% 및 96%, 95% 및 97%, 95% 및 98%, 95% 및 99%, 96% 및 97%, 96% 및 98%, 96% 및 99%, 97% 및 98%, 97% 및 99%, 또는 98% 및 99% 사이의 개별 또는 조합되는 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내에 존재할 수 있다. 그러한 활성 물질 중 하나 또는 그 이상은 약 50%, 51%, 52%, 53%, 54%, 55%, 56%, 57%, 58%, 59%, 60%, 61%, 62%, 63%, 64%, 65%, 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 70.5%, 71%, 71.5%, 72%, 72.5%, 73%, 73.5%, 74%, 74.5%, 75%, 75.5%, 76%, 76.5%, 77%, 77.5%, 78%, 78.5%, 79%, 79.5%, 80%, 80.5%, 81%, 81.5%, 82%, 82.5%, 83%, 83.5%, 84%, 84.5%, 85%, 85.5%, 86%, 86.5%, 87%, 87.5%, 88%, 88.5%, 89%, 89.5%, 90%, 90.5%, 91%, 91.5%, 92%, 92.5%, 93%, 93.5%, 94%, 94.5%, 95%, 95.5%, 96%, 96.5%, 97%, 97.5%, 98%, 98.5%, 99%, 또는 99.5% 이상의 개별 또는 조합되는 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내에 존재할 수 있다. 게다가, 또는 대체로서, 그러한 활성 물질 중 하나 또는 그 이상은 약 99.5%, 99%, 98.5%, 98%, 97.5%, 97%, 96.5%, 96%, 95.5%, 95%, 94.5%, 94%, 93.5%, 93%, 92.5%, 92%, 91.5%, 91%, 90.5%, 90%, 89.5%, 89%, 88.5%, 88%, 87.5%, 87%, 86.5%, 86%, 85.5%, 85%, 84.5%, 84%, 83.5%, 83%, 82.5%, 82%, 81.5%, 81%, 80.5%, 80%, 79.5%, 79%, 78.5%, 78%, 77.5%, 77%, 76.5%, 76%, 75.5%, 75%, 74.5%, 74%, 73.5%, 73%, 72.5%, 72%, 71.5%, 71%, 70.5%, 70%, 69%, 68%, 67%, 66%, 65%, 64%, 63%, 62%, 61%, 60%, 59%, 58%, 57%, 56%, 55%, 54%, 53%, 52%, 51%, 또는 50% 이하의 개별 또는 조합되는 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내에 존재할 수 있다. 그러한 활성 물질 중 하나 또는 그 이상은 하나 또는 그 이상의 다른 물질과 조합하여 그러한 농도(예를 들어, 본 명세서에서 기술된 하나 또는 그 이상의 다른 전극 물질 및 그의 농도)로 전극 내에 존재할 수 있다.
[0118] 전술된 활성 물질은, 예를 들어, 입자의 10%가 약 11 μm, 10 μm, 9 μm, 8 μm, 7 μm, 6 μm, 5 μm, 또는 4 μm 보다 더욱 작은 입자 크기 분포를 가질 수 있다. 활성 물질은, 예를 들어, 입자의 50%가 약 16 μm, 15 μm, 14 μm, 13 μm, 12 μm, 11 μm, 10 μm, 또는 9 μm 보다 더욱 작은 그러한 입자 크기 분포를 가질 수 있다. 활성 물질은, 예를 들어, 입자의 90%가 약 31 μm, 30 μm, 29 μm, 28 μm, 27 μm, 26 μm, 25 μm, 24 μm, 23 μm, 22 μm, 21 μm, 20 μm, 19 μm, 18 μm, 17 μm, 16 μm, 15 μm, 또는 14 μm 보다 더욱 작은 그러한 입자 크기 분포일 수 있다. 하나의 구체예에서, 활성 물질은 입자의 10%가 약 6.8 μm 보다 더욱 작은 것, 입자의 50%가 약 11.6 μm 보다 더욱 작은 것 및 입자의 90%가 약 19.3 μm 보다 더욱 작은 것을 특징으로 하는 입자 크기 분포를 가질 수 있다. 활성 물질은 주어진 탭 밀도(예를 들어, 약 1.5 입방 센티미터 당 그램 (g/cm3), 1.4 g/cm3, 1.3 g/cm3, 1.2 g/cm3, 1.1 g/cm3, 1 g/cm3, 0.9 g/cm3, 0.8 g/cm3, 0.7 g/cm3, 0.6 g/cm3, 또는 0.5 g/cm3 이하의 탭 밀도)를 가질 수 있다. 하나의 구체예에서, 활성 물질은 약 0.99 g/cm3 이하의 탭 밀도를 가질 수 있다. 활성 물질은 주어진 특정한 표면적(예를 들어, 약 1 m2/g, 1.5 m2/g, 2 m2/g, 2.5 m2/g, 3 m2/g, 3.5 m2/g, 4 m2/g, 4.5 m2/g, 5 m2/g, 5.5 m2/g, 6 m2/g, 6.5 m2/g, 또는 7 m2/g 이상)을 가질 수 있다. 하나의 구체예에서, 활성 물질은 적어도 약 3.8 m2/g의 특정한 표면적을 가질 수 있다. 활성 물질은 주어진 제1 용량 또는 제1 방전 용량을 가질 수 있다. 활성 물질은 적어도 약 320 mAh/g, 325 mAh/g, 330 mAh/g, 335 mAh/g, 340 mAh/g, 345 mAh/g, 350 mAh/g, 351 mAh/g, 352 mAh/g, 353 mAh/g, 354 mAh/g, 355 mAh/g, 356 mAh/g, 357 mAh/g, 358 mAh/g, 359 mAh/g, 360 mAh/g, 361 mAh/g, 362 mAh/g, 363 mAh/g, 364 mAh/g, 365 mAh/g, 366 mAh/g, 367 mAh/g, 368 mAh/g, 369 mAh/g, 370 mAh/g, 371 mAh/g, 372 mAh/g, 373 mAh/g, 374 mAh/g, 375 mAh/g, 376 mAh/g, 377 mAh/g, 378 mAh/g, 379 mAh/g, 380 mAh/g, 385 mAh/g, 390 mAh/g, 395 mAh/g 또는 400 mAh/g의 제1 용량 또는 제1 방전 용량을 가질 수 있다. 하나의 구체예에서, 활성 물질은 적어도 약 364.9 mAh/g의 제1 용량을 가질 수 있다. 활성 물질은 주어진 효율성 또는 제1 방전 효율성을 가질 수 있다. 활성 물질은 적어도 약 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 91.5%, 92%, 92.5%, 93%, 93.5%, 94%, 94.5%, 95%, 95.5%, 96%, 96.5%, 97%, 97.5%, 98%, 98.5%, 또는 99%의 효율성 또는 제1 방전 효율성을 가질 수 있다. 하나의 구체예에서, 활성 물질은 적어도 약 94.5%의 효율성을 가질 수 있다. 활성 물질은 주어진 습윤성을 가질 수 있다 (예를 들어, 적어도 약 80 초 (s), 82 s, 84 s, 86 s, 88 s, 90 s, 92 s, 94 s, 96 s, 98 s, 100 s, 105 s, 110 s, 또는 115 s의 습윤 표면까지의 시간). 하나의 구체예에서, 활성 물질은 적어도 약 92 s의 습윤성을 가질 수 있다. 활성 물질은 주어진 분말 전도도(예를 들어, 적어도 약 250 센티미터 당 지멘스 (S/cm), 255 S/cm, 260 S/cm, 265 S/cm, 270 S/cm, 275 S/cm, 280 S/cm, 285 S/cm, 290 S/cm, 295 S/cm, 300 S/cm, 305 S/cm, 310 S/cm, 315 S/cm, 320 S/cm, 325 S/cm, 330 S/cm, 335 S/cm, 340 S/cm, 345 S/cm, 350 S/cm, 355 S/cm, 360 S/cm, 365 S/cm 또는 370 S/cm)를 가질 수 있다. 하나의 구체예에서, 활성 물질은 적어도 약 340 S/cm의 분말 전도도를 가질 수 있다. 활성 물질은 주어진 결정 방위를 가질 수 있다. 활성 물질은 전술된 입자 크기 분포, 탭 밀도, 특정한 표면적, 펠렛 밀도, 제1 용량, 효율성, 또는 제1 방전 효율성, 습윤성, 분말 전도도, 및 다른 특성 (예를 들어, 결정 방위) 중 하나 또는 그 이상의 임의의 조합을 가질 수 있다.
[0119] 전극 (예를 들어, LIB의 음극)은 전도성 첨가제(들)를 포함할 수 있다. 전도성 첨가제는, 예를 들어, 전도성 탄소를 포함할 수 있다. 전도성 첨가제의 예시는, 카본 블랙 (예를 들어, 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 또는 다른 탄소 유형), 기상-성장 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 또는 그의 임의의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않을 수 있다. 그러한 전도성 첨가제 중 하나 또는 그 이상은 약 0.1% 및 0.5%, 0.1% 및 1%, 0.1% 및 1.5%, 0.1% 및 2%, 0.1% 및 2.5%, 0.1% 및 3%, 0.1% 및 3.5%, 0.1% 및 4%, 0.1% 및 4.5%, 0.1% 및 5%, 0.1% 및 5.5%, 0.1% 및 6%, 0.1% 및 6.5%, 0.1% 및 7%, 0.1% 및 7.5%, 0.1% 및 8%, 0.1% 및 8.5%, 0.1% 및 9%, 0.1% 및 9.5%, 0.1% 및 10%, 0.5% 및 1%, 0.5% 및 1.5%, 0.5% 및 2%, 0.5% 및 2.5%, 0.5% 및 3%, 0.5% 및 3.5%, 0.5% 및 4%, 0.5% 및 4.5%, 0.5% 및 5%, 0.5% 및 5.5%, 0.5% 및 6%, 0.5% 및 6.5%, 0.5% 및 7%, 0.5% 및 7.5%, 0.5% 및 8%, 0.5% 및 8.5%, 0.5% 및 9%, 0.5% 및 9.5%, 0.5% 및 10%, 1% 및 1.5%, 1% 및 2%, 1% 및 2.5%, 1% 및 3%, 1% 및 3.5%, 1% 및 4%, 1% 및 4.5%, 1% 및 5%, 1% 및 5.5%, 1% 및 6%, 1% 및 6.5%, 1% 및 7%, 1% 및 7.5%, 1% 및 8%, 1% 및 8.5%, 1% 및 9%, 1% 및 9.5%, 1% 및 10%, 1.5% 및 2%, 1.5% 및 2.5%, 1.5% 및 3%, 1.5% 및 3.5%, 1.5% 및 4%, 1.5% 및 4.5%, 1.5% 및 5%, 1.5% 및 5.5%, 1.5% 및 6%, 1.5% 및 6.5%, 1.5% 및 7%, 1.5% 및 7.5%, 1.5% 및 8%, 1.5% 및 8.5%, 1.5% 및 9%, 1.5% 및 9.5%, 1.5% 및 10%, 2% 및 2.5%, 2% 및 3%, 2% 및 3.5%, 2% 및 4%, 2% 및 4.5%, 2% 및 5%, 2% 및 5.5%, 2% 및 6%, 2% 및 6.5%, 2% 및 7%, 2% 및 7.5%, 2% 및 8%, 2% 및 8.5%, 2% 및 9%, 2% 및 9.5%, 2% 및 10%, 2.5% 및 3%, 2.5% 및 3.5%, 2.5% 및 4%, 2.5% 및 4.5%, 2.5% 및 5%, 2.5% 및 5.5%, 2.5% 및 6%, 2.5% 및 6.5%, 2.5% 및 7%, 2.5% 및 7.5%, 2.5% 및 8%, 2.5% 및 8.5%, 2.5% 및 9%, 2.5% 및 9.5%, 2.5% 및 10%, 3% 및 3.5%, 3% 및 4%, 3% 및 4.5%, 3% 및 5%, 3% 및 5.5%, 3% 및 6%, 3% 및 6.5%, 3% 및 7%, 3% 및 7.5%, 3% 및 8%, 3% 및 8.5%, 3% 및 9%, 3% 및 9.5%, 3% 및 10%, 3.5% 및 4%, 3.5% 및 4.5%, 3.5% 및 5%, 3.5% 및 5.5%, 3.5% 및 6%, 3.5% 및 6.5%, 3.5% 및 7%, 3.5% 및 7.5%, 3.5% 및 8%, 3.5% 및 8.5%, 3.5% 및 9%, 3.5% 및 9.5%, 3.5% 및 10%, 4% 및 4.5%, 4% 및 5%, 4% 및 5.5%, 4% 및 6%, 4% 및 6.5%, 4% 및 7%, 4% 및 7.5%, 4% 및 8%, 4% 및 8.5%, 4% 및 9%, 4% 및 9.5%, 4% 및 10%, 4.5% 및 5%, 4.5% 및 5.5%, 4.5% 및 6%, 4.5% 및 6.5%, 4.5% 및 7%, 4.5% 및 7.5%, 4.5% 및 8%, 4.5% 및 8.5%, 4.5% 및 9%, 4.5% 및 9.5%, 4.5% 및 10%, 5% 및 5.5%, 5% 및 6%, 5% 및 6.5%, 5% 및 7%, 5% 및 7.5%, 5% 및 8%, 5% 및 8.5%, 5% 및 9%, 5% 및 9.5%, 5% 및 10%, 5.5% 및 6%, 5.5% 및 6.5%, 5.5% 및 7%, 5.5% 및 7.5%, 5.5% 및 8%, 5.5% 및 8.5%, 5.5% 및 9%, 5.5% 및 9.5%, 5.5% 및 10%, 6% 및 6.5%, 6% 및 7%, 6% 및 7.5%, 6% 및 8%, 6% 및 8.5%, 6% 및 9%, 6% 및 9.5%, 6% 및 10%, 6.5% 및 7%, 6.5% 및 7.5%, 6.5% 및 8%, 6.5% 및 8.5%, 6.5% 및 9%, 6.5% 및 9.5%, 6.5% 및 10%, 7% 및 7.5%, 7% 및 8%, 7% 및 8.5%, 7% 및 9%, 7% 및 9.5%, 7% 및 10%, 7.5% 및 8%, 7.5% 및 8.5%, 7.5% 및 9%, 7.5% 및 9.5%, 7.5% 및 10%, 8% 및 8.5%, 8% 및 9%, 8% 및 9.5%, 8% 및 10%, 8.5% 및 9%, 8.5% 및 9.5%, 8.5% 및 10%, 9% 및 9.5%, 9% 및 10%, 또는 9.5% 및 10% 사이의 개별 또는 조합되는 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내에 존재할 수 있다. 그러한 전도성 첨가제 중 하나 또는 그 이상은 약 0.1%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5%, 5.5%, 6%, 6.5%, 7%, 7.5%, 8%, 8.5%, 9%, 9.5%, 또는 10% 이상의 개별 또는 조합되는 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내에 존재할 수 있다. 게다가, 또는 대체로서, 그러한 전도성 첨가제 중 하나 또는 그 이상은 약 10%, 9.5%, 9%, 8.5%, 8%, 7.5%, 7%, 6.5%, 6%, 5.5%, 5%, 4.5%, 4%, 3.5%, 3%, 2.5%, 2%, 1.5%, 1%, 0.5%, 또는 0.1% 이하의 개별 또는 조합되는 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내에 존재할 수 있다. 그러한 전도성 첨가제 중 하나 또는 그 이상은 하나 또는 그 이상의 다른 물질과 조합하여 그러한 농도(예를 들어, 본 명세서에서 기술된 하나 또는 그 이상의 다른 전극 물질 및 그의 농도)로 전극 내에 존재할 수 있다.
[0120] 전술된 전도성 첨가제는 주어진 전도도를 가질 수 있다. 전도성 첨가제는 적어도 약 5 S/cm, 6 S/cm, 7 S/cm, 8 S/cm, 9 S/cm, 10 S/cm, 15 S/cm, 20 S/cm, 30 S/cm, 35 S/cm, 40 S/cm, 45 S/cm, 50 S/cm, 55 S/cm, 60 S/cm, 또는 65 S/cm의 전기적인 전도도를 가질 수 있다. 전도성 첨가제는 분말일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 분말은 초기에 압축될 수 있다 (예를 들어, 50% 또는 100% 압축됨). 전도성 첨가제는 주어진 표면적을 가질 수 있다. 전도성 첨가제는 적어도 약 10 m2/g, 15 m2/g, 20 m2/g, 25 m2/g, 30 m2/g, 35 m2/g, 40 m2/g, 45 m2/g, 50 m2/g, 55 m2/g, 60 m2/g, 65 m2/g, 또는 70 m2/g의 표면적 (예를 들어, 예를 들어, ASTM D3037-89 테스트 방법에 의해, 측정되는 것과 같은, Brunauer, Emmett 및 Teller (BET) 질소 표면적)을 가질 수 있다. 전도성 첨가제는 주어진 밀도를 가질 수 있다. 전도성 첨가제는 적어도 약 100 입방 미터 당 킬로그램 (kg/m3), 110 kg/m3, 120 kg/m3, 130 kg/m3, 140 kg/m3, 150 kg/m3, 160 kg/m3, 170 kg/m3, 180 kg/m3, 200 kg/m3, 210 kg/m3, 220 kg/m3, 230 kg/m3, 240 kg/m3, 또는 250 kg/m3의 밀도 (예를 들어, 적합한 테스트 방법에 의해 측정되는 것과 같은, 백 내에서)를 가질 수 있다.
[0121] 본 개시의 탄소-계 물질은 활성 물질로서, 전도성 첨가제로서, 및/또는 결합제로서 전극 내에서 사용될 수 있다. 특정 구체예에서, 본 개시의 탄소-계 물질의 전극 내 사용은 전극 내 활성 물질(들)의 개선된 활용을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 퍼콜레이션 역치에 도달할 수 있도록 많은 양의 전도성 첨가제 (예를 들어, 카본 블랙)가 부가될 필요가 있을 수 있기 때문에, 종래의 LIB 내, 전극의 상당한 부분은 활성화되지 않을 수 있다. 실시예에서, 리튬-이온 배터리 (예를 들어, LFP에서)의 양극 내 카본 블랙의 퍼콜레이션 역치는 약 10-15 wt%이다. 그러므로 많은 양의 전도성 첨가제 (예를 들어, 약 10-15 wt% 카본 블랙)를 전극에 부가하여 각각의 퍼콜레이션 역치에 도달할 필요가 있고, 그렇게 함으로써 제공될 수 있는 활성 물질의 양을 감소시킬 수 있다. 역치 값은 양극의 활성 물질 내 입자의 크기 및 양상 비율에 의존할 수 있다 (예를 들어, 금속 옥사이드는 약 2 미크론 및 10 미크론 사이의 지름을 갖는 구형 입자를 형성할 수 있다). 본 개시의 탄소-계 물질이 카본 블랙 (또는 다른 전도성 첨가제) 대신에 사용될 때, 퍼콜레이션 역치는 현저하게 낮아질 수 있다 (예를 들어, 적어도 약 2, 3, 4, 5, 또는 그 이상의 요소 만큼). 퍼콜레이션 역치의 그러한 감소는, 탄소-계 물질이 단독으로 또는 하나 또는 그 이상의 다른 전도성 첨가제와 조합하여 (예를 들어, 대체하는 전도성 첨가제의 일부와 조합하여) 사용될 때, 달성될 수 있다. 본 개시의 탄소-계 물질은 다른 전도성 첨가제를 전적으로 대체하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 경우에서, 퍼콜레이션 역치는 존재하거나 아닐 수 있다. 본 개시의 탄소-계 물질의 사용 (단독으로 또는 하나 또는 그 이상의 다른 전도성 첨가제와 조합하여)은, 본 탄소-계 물질을 포함하지 않는 실질적으로 동일한 전도도 (예를 들어, 전기적인 전도도)를 갖는 전극과 비교될 때, 전극 내에서 적어도 약 5%, 10%, 15%, 20%, 또는 25% (예를 들어, 중량 기준) 이상의 활성 물질이 포함되는 것을 가능하게 할 수 있다. 본 명세서에서 기술된 탄소-계 네트워크의 개선된 성능은 그것의 조성물, 형태, 및/또는 분포에 기인할 수 있다. 예를 들어, 탄소-계 물질은 단위 중량 당 더욱 높은 전도도를 가질 수 있다. 탄소-계 물질은 결합제의 역할을 하는 단위 중량 당 더욱 높은 전도도를 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같이, 본 명세서에서 기술된 탄소-계 물질은 PCS를 형성할 수 있다. 본 개시의 탄소-계 물질 내 탄소는 다공성 네트워크를 형성할 수 있다. 본 개시의 탄소-계 물질의 적어도 부분은 비-sp2 탄소를 포함할 수 있다.
[0122] 본 개시의 탄소-계 물질 (예를 들어, PCS)은 약 0.01% 및 0.05%, 0.01% 및 0.1%, 0.01% 및 0.5%, 0.01% 및 1%, 0.01% 및 2%, 0.01% 및 3%, 0.01% 및 4%, 0.01% 및 5%, 0.01% 및 6%, 0.01% 및 7%, 0.01% 및 8%, 0.01% 및 9%, 0.01% 및 10%, 0.01% 및 11%, 0.01% 및 12%, 0.01% 및 13%, 0.01% 및 14%, 0.01% 및 15%, 0.01% 및 16%, 0.01% 및 17%, 0.01% 및 18%, 0.01% 및 19%, 0.01% 및 20%, 0.01% 및 25%, 0.01% 및 30%, 0.01% 및 35%, 0.01% 및 40%, 0.05% 및 0.1%, 0.05% 및 0.5%, 0.05% 및 1%, 0.05% 및 2%, 0.05% 및 3%, 0.05% 및 4%, 0.05% 및 5%, 0.05% 및 6%, 0.05% 및 7%, 0.05% 및 8%, 0.05% 및 9%, 0.05% 및 10%, 0.05% 및 11%, 0.05% 및 12%, 0.05% 및 13%, 0.05% 및 14%, 0.05% 및 15%, 0.05% 및 16%, 0.05% 및 17%, 0.05% 및 18%, 0.05% 및 19%, 0.05% 및 20%, 0.05% 및 25%, 0.05% 및 30%, 0.05% 및 35%, 0.05% 및 40%, 0.1% 및 0.5%, 0.1% 및 1%, 0.1% 및 2%, 0.1% 및 3%, 0.1% 및 4%, 0.1% 및 5%, 0.1% 및 6%, 0.1% 및 7%, 0.1% 및 8%, 0.1% 및 9%, 0.1% 및 10%, 0.1% 및 11%, 0.1% 및 12%, 0.1% 및 13%, 0.1% 및 14%, 0.1% 및 15%, 0.1% 및 16%, 0.1% 및 17%, 0.1% 및 18%, 0.1% 및 19%, 0.1% 및 20%, 0.1% 및 25%, 0.1% 및 30%, 0.1% 및 35%, 0.1% 및 40%, 0.5% 및 1%, 0.5% 및 2%, 0.5% 및 3%, 0.5% 및 4%, 0.5% 및 5%, 0.5% 및 6%, 0.5% 및 7%, 0.5% 및 8%, 0.5% 및 9%, 0.5% 및 10%, 0.5% 및 11%, 0.5% 및 12%, 0.5% 및 13%, 0.5% 및 14%, 0.5% 및 15%, 0.5% 및 16%, 0.5% 및 17%, 0.5% 및 18%, 0.5% 및 19%, 0.5% 및 20%, 0.5% 및 25%, 0.5% 및 30%, 0.5% 및 35%, 0.5% 및 40%, 1% 및 2%, 1% 및 3%, 1% 및 4%, 1% 및 5%, 1% 및 6%, 1% 및 7%, 1% 및 8%, 1% 및 9%, 1% 및 10%, 1% 및 11%, 1% 및 12%, 1% 및 13%, 1% 및 14%, 1% 및 15%, 1% 및 16%, 1% 및 17%, 1% 및 18%, 1% 및 19%, 1% 및 20%, 1% 및 25%, 1% 및 30%, 1% 및 35%, 1% 및 40%, 2% 및 3%, 2% 및 4%, 2% 및 5%, 2% 및 6%, 2% 및 7%, 2% 및 8%, 2% 및 9%, 2% 및 10%, 2% 및 11%, 2% 및 12%, 2% 및 13%, 2% 및 14%, 2% 및 15%, 2% 및 16%, 2% 및 17%, 2% 및 18%, 2% 및 19%, 2% 및 20%, 2% 및 25%, 2% 및 30%, 2% 및 35%, 2% 및 40%, 3% 및 4%, 3% 및 5%, 3% 및 6%, 3% 및 7%, 3% 및 8%, 3% 및 9%, 3% 및 10%, 3% 및 11%, 3% 및 12%, 3% 및 13%, 3% 및 14%, 3% 및 15%, 3% 및 16%, 3% 및 17%, 3% 및 18%, 3% 및 19%, 3% 및 20%, 3% 및 25%, 3% 및 30%, 3% 및 35%, 3% 및 40%, 4% 및 5%, 4% 및 6%, 4% 및 7%, 4% 및 8%, 4% 및 9%, 4% 및 10%, 4% 및 11%, 4% 및 12%, 4% 및 13%, 4% 및 14%, 4% 및 15%, 4% 및 16%, 4% 및 17%, 4% 및 18%, 4% 및 19%, 4% 및 20%, 4% 및 25%, 4% 및 30%, 4% 및 35%, 4% 및 40%, 5% 및 6%, 5% 및 7%, 5% 및 8%, 5% 및 9%, 5% 및 10%, 5% 및 11%, 5% 및 12%, 5% 및 13%, 5% 및 14%, 5% 및 15%, 5% 및 16%, 5% 및 17%, 5% 및 18%, 5% 및 19%, 5% 및 20%, 5% 및 25%, 5% 및 30%, 5% 및 35%, 5% 및 40%, 6% 및 7%, 6% 및 8%, 6% 및 9%, 6% 및 10%, 6% 및 11%, 6% 및 12%, 6% 및 13%, 6% 및 14%, 6% 및 15%, 6% 및 16%, 6% 및 17%, 6% 및 18%, 6% 및 19%, 6% 및 20%, 6% 및 25%, 6% 및 30%, 6% 및 35%, 6% 및 40%, 7% 및 8%, 7% 및 9%, 7% 및 10%, 7% 및 11%, 7% 및 12%, 7% 및 13%, 7% 및 14%, 7% 및 15%, 7% 및 16%, 7% 및 17%, 7% 및 18%, 7% 및 19%, 7% 및 20%, 7% 및 25%, 7% 및 30%, 7% 및 35%, 7% 및 40%, 8% 및 9%, 8% 및 10%, 8% 및 11%, 8% 및 12%, 8% 및 13%, 8% 및 14%, 8% 및 15%, 8% 및 16%, 8% 및 17%, 8% 및 18%, 8% 및 19%, 8% 및 20%, 8% 및 25%, 8% 및 30%, 8% 및 35%, 8% 및 40%, 9% 및 10%, 9% 및 11%, 9% 및 12%, 9% 및 13%, 9% 및 14%, 9% 및 15%, 9% 및 16%, 9% 및 17%, 9% 및 18%, 9% 및 19%, 9% 및 20%, 9% 및 25%, 9% 및 30%, 9% 및 35%, 9% 및 40%, 10% 및 11%, 10% 및 12%, 10% 및 13%, 10% 및 14%, 10% 및 15%, 10% 및 16%, 10% 및 17%, 10% 및 18%, 10% 및 19%, 10% 및 20%, 10% 및 25%, 10% 및 30%, 10% 및 35%, 10% 및 40%, 11% 및 12%, 11% 및 13%, 11% 및 14%, 11% 및 15%, 11% 및 16%, 11% 및 17%, 11% 및 18%, 11% 및 19%, 11% 및 20%, 11% 및 25%, 11% 및 30%, 11% 및 35%, 11% 및 40%, 12% 및 13%, 12% 및 14%, 12% 및 15%, 12% 및 16%, 12% 및 17%, 12% 및 18%, 12% 및 19%, 12% 및 20%, 12% 및 25%, 12% 및 30%, 12% 및 35%, 12% 및 40%, 13% 및 14%, 13% 및 15%, 13% 및 16%, 13% 및 17%, 13% 및 18%, 13% 및 19%, 13% 및 20%, 13% 및 25%, 13% 및 30%, 13% 및 35%, 13% 및 40%, 14% 및 15%, 14% 및 16%, 14% 및 17%, 14% 및 18%, 14% 및 19%, 14% 및 20%, 14% 및 25%, 14% 및 30%, 14% 및 35%, 14% 및 40%, 15% 및 16%, 15% 및 17%, 15% 및 18%, 15% 및 19%, 15% 및 20%, 15% 및 25%, 15% 및 30%, 15% 및 35%, 15% 및 40%, 16% 및 17%, 16% 및 18%, 16% 및 19%, 16% 및 20%, 16% 및 25%, 16% 및 30%, 16% 및 35%, 16% 및 40%, 17% 및 18%, 17% 및 19%, 17% 및 20%, 17% 및 25%, 17% 및 30%, 17% 및 35%, 17% 및 40%, 18% 및 19%, 18% 및 20%, 18% 및 25%, 18% 및 30%, 18% 및 35%, 18% 및 40%, 19% 및 20%, 19% 및 25%, 19% 및 30%, 19% 및 35%, 19% 및 40%, 20% 및 25%, 20% 및 30%, 20% 및 35%, 20% 및 40%, 25% 및 30%, 25% 및 35%, 25% 및 40%, 30% 및 35%, 30% 및 40%, 또는 35% 및 40% 사이의 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 (예를 들어, LIB의 양극) 내에 존재할 수 있다. 탄소-계 물질은 약 0.01%, 0.05%, 0.1%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5%, 5.5%, 6%, 6.5%, 7%, 7.5%, 8%, 8.5%, 9%, 9.5%, 10%, 10.5%, 11%, 11.5%, 12%, 12.5%, 13%, 13.5%, 14%, 14.5%, 15%, 15.5%, 16%, 16.5%, 17%, 17.5%, 18%, 18.5%, 19%, 19.5%, 20%, 21%, 22%, 23%, 24%, 25%, 26%, 27%, 28%, 29%, 30%, 31%, 32%, 33%, 34%, 35%, 36%, 37%, 38%, 39%, 또는 40% 이상의 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내에 존재할 수 있다. 게다가, 또는 대체로서, 탄소-계 물질은 약 40%, 39%, 38%, 37%, 36%, 35%, 34%, 33%, 32%, 31%, 30%, 29%, 28%, 27%, 26%, 25%, 24%, 23%, 22%, 21%, 20%, 19.5%, 19%, 18.5%, 18%, 17.5%, 17%, 16.5%, 16%, 15.5%, 15%, 14.5%, 14%, 13.5%, 13%, 12.5%, 12%, 11.5%, 11%, 10.5%, 10%, 9.5%, 9%, 8.5%, 8%, 7.5%, 7%, 6.5%, 6%, 5.5%, 5%, 4.5%, 4%, 3.5%, 3%, 2.5%, 2%, 1.5%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.05%, 또는 0.01% 이하의 농도 (예를 들어, 용매 없이, 건조 기준에 대한 중량으로)로 전극 내에 존재할 수 있다. 탄소-계 물질은 하나 또는 그 이상의 다른 물질과 조합하여 그러한 농도(예를 들어, 본 명세서에서 기술된 하나 또는 그 이상의 다른 전극 물질 및 그의 농도)로 전극 내에 존재할 수 있다.
[0123] 특정 구체예에서, 본 개시의 탄소-계 물질 (예를 들어, PCS)은 약 0.01%, 0.05%, 0.1%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5%, 5.5%, 6%, 6.5%, 7%, 7.5%, 8%, 8.5%, 9%, 9.5%, 10%, 10.5%, 11%, 11.5%, 12%, 12.5%, 13%, 13.5%, 14%, 14.5%, 15%, 15.5%, 16%, 16.5%, 17%, 17.5%, 18%, 18.5%, 19%, 19.5%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95% 이상의 농도 (예를 들어, 중량 기준)로 전극 (예를 들어, 슈퍼커패시터의 전극) 내에 존재할 수 있다.
에너지 저장 장치를 형성하기 위한 방법
[0124] 본 개시의 에너지 저장 장치는 전극, 분리기(들), 전해질, 및 포장을 포함할 수 있다. 그러한 요소는 상이한 방식으로 제작되고 조립될 수 있다. 특정 구체예에서, 개별 요소는 제작되고 후에 조립될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 요소는 권취 또는 롤링을 통해 조립될 수 있다 (예를 들어, 도 9 및 도 20 참조). 예를 들어, 배터리 전지 제조 방법은 분리기의 제1 시트를 제공하는 것, 양극 시트 (예를 들어, 본 개시의 탄소-계 물질을 포함하는)를 분리기의 제1 시트 상에 위치시키는 것, 분리기의 제2 시트를 양극 시트 상에 위치시키는 것, 음극 시트 (예를 들어, 흑연을 포함하는)를 분리기의 제2 시트 상에 위치시키는 것, 및 시트를 롤링하여 배터리 전지 (롤링된 전지)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 요소는 적층을 통해 조립될 수 있다 (예를 들어, 도 18 및 도 19 참조).
[0125] 도 2는 본 개시의 탄소-계 물질을 포함하는 배터리의 화학식 및 처리를 얻는 공정의 예시를 도식적으로 보여준다. 화학식은 전극 혼합물의 적어도 부분 (예를 들어, 음극 혼합물)을 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 화학식은 전극 혼합물의 모든 요소 (예를 들어, 전체 음극 혼합물)를 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 화학식은 슬러리이거나 슬러리를 형성할 수 있다. 공정은 결합제 (201) 및 용매 (202)를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 결합제 (201) 및 용매 (202)를 반응기 (203) 내에 조합할 수 있다. 반응기 (203)를 주어진 온도 (예를 들어, 적어도 약 90°C)까지 가열할 수 있다. 공정은 리튬화 금속 화합물 (예를 들어, 리튬화 금속 옥사이드 또는 포스페이트) (204) 및 탄소-계 물질 (예를 들어, PCS) (205)을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 혼합기 (206)는 반응기 (203) (예를 들어, 가열되는 결합제 및 가열되는 용매), 리튬화 금속 화합물 (예를 들어, 리튬화 금속 옥사이드 또는 포스페이트) (204) 및 탄소-계 물질 (예를 들어, PCS) (205)로부터 물질의 적어도 부분을 받을 수 있다. 혼합기 (206)는 슬러리 (207) (예를 들어, 혼합기 내 요소의 혼합물을 포함하는)를 배출할 수 있다. 슬러리 (207)는 롤 코팅 및 건조 (208), 뒤이어 롤 프레스 (210)를 통해 처리될 수 있다. 이후, 공정은 슬리팅 (211) 및 금속 탭 (212)의 적용을 포함할 수 있다. 공정은 권취 (213), 뒤이어 넥킹 (214)을 추가로 포함할 수 있다. 공정은 전해질 부가 (215)를 추가로 포함할 수 있다. 최종적으로, 공정은 전지 크림핑 (216)을 포함할 수 있다.
[0126] 그렇지 않으면, 몇몇 구체예에서, 결합제 (201), 용매 (202), 리튬화 금속 화합물 (204), 탄소-계 물질 (205), 및/또는 임의의 다른 전극 요소의 적어도 부분이 달리 조합될 수 있다. 예를 들어, 이들 요소 또는 그의 서브세트는 혼합기 (206) (예를 들어, 가열될 수 있는)에 모두 직접 제공될 수 있다.
[0127] 도 25는 롤 코팅을 위한 예시적인 장치를 예시적으로 도시하고, 여기서 슬롯 다이 (2501)는, 필름 (2503)이 롤러 (2504)를 통과할 때 필름 (2503) 상에 슬러리 (2502) 축적된다.
[0128] 도 3-7은 배터리 전극(들)의 처리의 예시를 보여준다. 그러한 처리는 하나 또는 그 이상의 공정(ing) 단계 (예를 들어, 도 2 내 단계 (208))를 포함할 수 있다. 공정(ing)은 도 3에서 보여지는 것과 같은 대규모 롤-대-롤 처리를 사용하는 슬러리 (예를 들어, 탄소-계 물질, 예를 들어, PCS을 포함하는 슬러리)를 갖는 기판의 코팅을 포함할 수 있다. 기판 (예를 들어, 전도성이라면)은 전극 집전 장치의 역할을 할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 공정(ing)은 기판으로서 알루미늄 포일을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 알루미늄 포일은 집전 장치를 형성할 수 있다.
[0129] 몇몇 구체예에서, 활성 물질은 약 20% 내지 약 75%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질은 적어도 약 20%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질은 최대 약 75%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질은 약 20% 내지 약 25%, 약 20% 내지 약 30%, 약 20% 내지 약 35%, 약 20% 내지 약 40%, 약 20% 내지 약 45%, 약 20% 내지 약 50%, 약 20% 내지 약 55%, 약 20% 내지 약 60%, 약 20% 내지 약 65%, 약 20% 내지 약 70%, 약 20% 내지 약 75%, 약 25% 내지 약 30%, 약 25% 내지 약 35%, 약 25% 내지 약 40%, 약 25% 내지 약 45%, 약 25% 내지 약 50%, 약 25% 내지 약 55%, 약 25% 내지 약 60%, 약 25% 내지 약 65%, 약 25% 내지 약 70%, 약 25% 내지 약 75%, 약 30% 내지 약 35%, 약 30% 내지 약 40%, 약 30% 내지 약 45%, 약 30% 내지 약 50%, 약 30% 내지 약 55%, 약 30% 내지 약 60%, 약 30% 내지 약 65%, 약 30% 내지 약 70%, 약 30% 내지 약 75%, 약 35% 내지 약 40%, 약 35% 내지 약 45%, 약 35% 내지 약 50%, 약 35% 내지 약 55%, 약 35% 내지 약 60%, 약 35% 내지 약 65%, 약 35% 내지 약 70%, 약 35% 내지 약 75%, 약 40% 내지 약 45%, 약 40% 내지 약 50%, 약 40% 내지 약 55%, 약 40% 내지 약 60%, 약 40% 내지 약 65%, 약 40% 내지 약 70%, 약 40% 내지 약 75%, 약 45% 내지 약 50%, 약 45% 내지 약 55%, 약 45% 내지 약 60%, 약 45% 내지 약 65%, 약 45% 내지 약 70%, 약 45% 내지 약 75%, 약 50% 내지 약 55%, 약 50% 내지 약 60%, 약 50% 내지 약 65%, 약 50% 내지 약 70%, 약 50% 내지 약 75%, 약 55% 내지 약 60%, 약 55% 내지 약 65%, 약 55% 내지 약 70%, 약 55% 내지 약 75%, 약 60% 내지 약 65%, 약 60% 내지 약 70%, 약 60% 내지 약 75%, 약 65% 내지 약 70%, 약 65% 내지 약 75%, 또는 약 70% 내지 약 75%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 활성 물질은 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50%, 약 55%, 약 60%, 약 65%, 약 70%, 또는 약 75%의 농도로 슬러리 내에 존재한다.
[0130] 몇몇 구체예에서, 결합제는 약 0.2% 내지 약 10%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 결합제는 적어도 약 0.2%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 결합제는 최대 약 10%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 결합제는 약 0.2% 내지 약 0.5%, 약 0.2% 내지 약 0.75%, 약 0.2% 내지 약 1%, 약 0.2% 내지 약 2%, 약 0.2% 내지 약 3%, 약 0.2% 내지 약 4%, 약 0.2% 내지 약 5%, 약 0.2% 내지 약 6%, 약 0.2% 내지 약 7%, 약 0.2% 내지 약 8%, 약 0.2% 내지 약 10%, 약 0.5% 내지 약 0.75%, 약 0.5% 내지 약 1%, 약 0.5% 내지 약 2%, 약 0.5% 내지 약 3%, 약 0.5% 내지 약 4%, 약 0.5% 내지 약 5%, 약 0.5% 내지 약 6%, 약 0.5% 내지 약 7%, 약 0.5% 내지 약 8%, 약 0.5% 내지 약 10%, 약 0.75% 내지 약 1%, 약 0.75% 내지 약 2%, 약 0.75% 내지 약 3%, 약 0.75% 내지 약 4%, 약 0.75% 내지 약 5%, 약 0.75% 내지 약 6%, 약 0.75% 내지 약 7%, 약 0.75% 내지 약 8%, 약 0.75% 내지 약 10%, 약 1% 내지 약 2%, 약 1% 내지 약 3%, 약 1% 내지 약 4%, 약 1% 내지 약 5%, 약 1% 내지 약 6%, 약 1% 내지 약 7%, 약 1% 내지 약 8%, 약 1% 내지 약 10%, 약 2% 내지 약 3%, 약 2% 내지 약 4%, 약 2% 내지 약 5%, 약 2% 내지 약 6%, 약 2% 내지 약 7%, 약 2% 내지 약 8%, 약 2% 내지 약 10%, 약 3% 내지 약 4%, 약 3% 내지 약 5%, 약 3% 내지 약 6%, 약 3% 내지 약 7%, 약 3% 내지 약 8%, 약 3% 내지 약 10%, 약 4% 내지 약 5%, 약 4% 내지 약 6%, 약 4% 내지 약 7%, 약 4% 내지 약 8%, 약 4% 내지 약 10%, 약 5% 내지 약 6%, 약 5% 내지 약 7%, 약 5% 내지 약 8%, 약 5% 내지 약 10%, 약 6% 내지 약 7%, 약 6% 내지 약 8%, 약 6% 내지 약 10%, 약 7% 내지 약 8%, 약 7% 내지 약 10%, 또는 약 8% 내지 약 10%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 결합제는 약 0.2%, 약 0.5%, 약 0.75%, 약 1%, 약 2%, 약 3%, 약 4%, 약 5%, 약 6%, 약 7%, 약 8%, 또는 약 10%의 농도로 슬러리 내에 존재한다.
[0131] 몇몇 구체예에서, 용매는 약 5% 내지 약 80%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 용매는 적어도 약 5%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 용매는 최대 약 80%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 용매는 약 5% 내지 약 10%, 약 5% 내지 약 15%, 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 25%, 약 5% 내지 약 30%, 약 5% 내지 약 35%, 약 5% 내지 약 40%, 약 5% 내지 약 50%, 약 5% 내지 약 60%, 약 5% 내지 약 70%, 약 5% 내지 약 80%, 약 10% 내지 약 15%, 약 10% 내지 약 20%, 약 10% 내지 약 25%, 약 10% 내지 약 30%, 약 10% 내지 약 35%, 약 10% 내지 약 40%, 약 10% 내지 약 50%, 약 10% 내지 약 60%, 약 10% 내지 약 70%, 약 10% 내지 약 80%, 약 15% 내지 약 20%, 약 15% 내지 약 25%, 약 15% 내지 약 30%, 약 15% 내지 약 35%, 약 15% 내지 약 40%, 약 15% 내지 약 50%, 약 15% 내지 약 60%, 약 15% 내지 약 70%, 약 15% 내지 약 80%, 약 20% 내지 약 25%, 약 20% 내지 약 30%, 약 20% 내지 약 35%, 약 20% 내지 약 40%, 약 20% 내지 약 50%, 약 20% 내지 약 60%, 약 20% 내지 약 70%, 약 20% 내지 약 80%, 약 25% 내지 약 30%, 약 25% 내지 약 35%, 약 25% 내지 약 40%, 약 25% 내지 약 50%, 약 25% 내지 약 60%, 약 25% 내지 약 70%, 약 25% 내지 약 80%, 약 30% 내지 약 35%, 약 30% 내지 약 40%, 약 30% 내지 약 50%, 약 30% 내지 약 60%, 약 30% 내지 약 70%, 약 30% 내지 약 80%, 약 35% 내지 약 40%, 약 35% 내지 약 50%, 약 35% 내지 약 60%, 약 35% 내지 약 70%, 약 35% 내지 약 80%, 약 40% 내지 약 50%, 약 40% 내지 약 60%, 약 40% 내지 약 70%, 약 40% 내지 약 80%, 약 50% 내지 약 60%, 약 50% 내지 약 70%, 약 50% 내지 약 80%, 약 60% 내지 약 70%, 약 60% 내지 약 80%, 또는 약 70% 내지 약 80%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 몇몇 구체예에서, 용매는 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 또는 약 80%의 농도로 슬러리 내에 존재한다.
[0132] 공정(ing)은 도 4에서 보여지는 것과 같은 슬러리를 (예를 들어, 화학식의) 코팅하기 위한 알루미늄 포일 권취를 이용하여 시작할 수 있다. 도 5는 알루미늄 포일 상에 코팅될 때 슬러리의 확대 보기의 예시를 보여준다 (슬러리는 흑색임). 코팅된 슬러리는 필름을 형성할 수 있다. 공정(ing)은 코팅된 필름의 건조를 포함할 수 있다. 도 6은 인-라인 가열 오븐을 사용하여 120°C에서 건조시킨 이후에 전극의 코팅된 필름 (예를 들어, 탄소-계 물질, 예를 들어, PCS을 포함하는 필름)의 예시를 보여준다. 공정(ing)은 코팅된 이후에 알루미늄 포일을 재권취하는 것을 포함할 수 있다. 도 7은 탄소-계 물질 (예를 들어, PCS)을 이용하여 코팅된 이후에 알루미늄 포일을 재권취하는 것의 예시를 보여준다.
[0133] 배터리 (예를 들어, LFP-계 전지)의 제조 공정은 도 10에서 보여진 것과 같을 수 있다. 양극 (방전 동안 음극)은 PCS/LFP를 포함하는 음극 물질 (1001)로부터 제조될 수 있다. 음극 물질 (1001)을 혼합 (1002)한 뒤 알루미늄 포일 (1003) 상에 코팅 및 건조 (1004)할 수 있다. 코팅된 포일을 슬리팅 (1005) 에 의해 및 롤 프레스 (1006) 내에서 처리할 수 있다. 음극 (방전 동안 양극)은 흑연을 포함하는 양극 물질 (1011)로부터 제조될 수 있다. 양극 물질 (1011)을 혼합 (1012)한 뒤 구리 포일 (1013) 상에서 코팅 및 건조 (1014)할 수 있다. 코팅된 포일을 슬리팅 (1015)에 의해 및 롤 프레스 (1016) 내에서 처리할 수 있다.
[0134] 분리기 (1021)은 이후 양극 및 음극과 통합될 수 있다 (예를 들어, 사이에 배치됨). 다음으로, 공정은 양극, 음극, 및 분리기의 권취 (1022)를 포함할 수 있다. 권취된 롤은, 권취 및 넥킹 (1023)에 뒤이어, 캔 (1024) 내에 위치될 수 있다. 다음으로, 진공 건조 (1032) 를 수행하고, 뒤이어 전해질 (1034)로 충전(filling) (1033)할 수 있다. 상부 캔 (1035)을 밀봉 (1036)에 사용할 수 있다. 단계 (1032), (1033), 및 (1036) 를 건실 (1031) 내에서 수행할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 전해질 (1034) 및 상부 캡(1035)을 제조 또는 건실 환경에 저장할 수 있다. 최종적으로, 배터리를 라벨링 및 테스트 (1041) 할 수 있다.
[0135] 배터리 (예를 들어, NCA-계 전지)의 제조 공정은 도 14에서 보여진 것과 같을 수 있다. 양극 (방전 동안 음극)은 PCS/NCA를 포함하는 음극 물질 (1401)로부터 제조될 수 있다. 양극 전극 물질을 혼합 (1402)한 뒤 알루미늄 포일 (1403) 상에 코팅 및 건조 (1404)할 수 있다. 코팅된 포일을 슬리팅 (1405)에 의해 및 롤 프레스 (1406) 내에서 처리할 수 있다. 음극 (방전 동안 양극)은 흑연을 포함하는 양극 물질 (1411)로부터 제조될 수 있다. 양극 물질 (1411)을 혼합 (1412)한 뒤 구리 포일 (1413) 상에서 코팅 및 건조 (1414)할 수 있다. 코팅된 포일을 슬리팅 (1415)에 의해 및 롤 프레스 (1416) 내에서 처리할 수 있다.
[0136] 분리기 (1421)은 이후 양극 및 음극과 통합될 수 있다 (예를 들어, 양극 및 음극 사이에 배치됨). 다음으로, 공정은 양극, 음극, 및 분리기의 권취 (1422)를 포함할 수 있다. 권취된 롤은, 권취 및 넥킹 (1423)에 뒤이어, 캔 (1424) 내에 위치될 수 있다. 다음으로, 진공 건조 (1432) 를 수행하고, 뒤이어 전해질 (1434)로 충전(filling) (1433)할 수 있다. 상부 캔 (1435)을 밀봉 (1436)에 사용할 수 있다. 단계 (1432), (1433), 및 (1436) 를 건실 (1431) 내에서 수행할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 전해질 (1434) 및 상부 캡(1435)을 제조 또는 건실 환경에 저장할 수 있다. 최종적으로, 배터리를 라벨링 및 테스트 (1441) 할 수 있다.
[0137] 몇몇 구체예에서, 배터리 (예를 들어, NMC-계 전지)의 조립 공정은 도 18-20에서 보여진 것과 같을 수 있다. 공정은 적층 (도 18-19), 및/또는 권취 또는 롤링 (도 20)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리는 적층 또는 권취를 통해 조립될 수 있다.
[0138] 도 18은 전지 (예를 들어, NMC-계 전지)의 적층의 조감도이다. 조립을 지그 (1807)에서 수행할 수 있다. 조립을 기판 (1800) (예를 들어, 목재 기판)에서 수행할 수 있다. 금속 로드 (1801)를 알루미늄 포일 집전 장치 (1803), 분리기 (1804)과 양극 (1802), 및 구리 포일 집전 장치 (1806)와 음극 (1805)의 조립으로 국한할 수 있다. 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같이 (예를 들어, 도 2-7, 도 10 및 도 14에 관하여) 양극 (1802) 및 알루미늄 포일 집전 장치 (1803)를 (적어도 부분적으로) 형성할 수 있다. 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같이 (예를 들어, 도 2-7, 도 10 및 도 14에 관하여) 음극 (1805) 및 구리 포일 집전 장치 (1806)를 (적어도 부분적으로) 형성할 수 있다.
[0139] 도 19는 전지 (예를 들어, NMC-계 전지)의 적층의 단면도이다. 조립을 지그 (1907)에서 수행할 수 있다. 조립을 기판 (1900) (예를 들어, 목재 기판)에서 수행할 수 있다. 분리기 (1901)이 가장 먼저 놓여져, 그렇게 함으로써 분리기의 제1 층을 생성할 수 있다. 분리기는 도 19에서 보여지는 것과 같이 권취되고 지그에 의해 고정될 수 있다. 양극 (예를 들어, 양극 집전 장치로서 작용하는 알루미늄 포일을 포함하거나 이에 커플링된 양극) (1902)은 분리기의 제1 층 (1901) (좌측)의 상부 상에 위치될 수 있다. 다음으로, 분리기는 양극 (1902) 위로 접혀서 분리기의 제2 층을 생성할 수 있고, 음극 (예를 들어, 음극 집전 장치로서 작용하는 구리 포일을 포함하거나 이에 커플링된 음극) (1912)은 분리기의 제2 층 (1911) (우측)의 상부 상에 위치될 수 있다. 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같이 (예를 들어, 도 2-7, 도 10 및 도 14에 관하여) 음극 및 양극 (예를 들어, 집전 장치를 포함하는)을 (적어도 부분적으로) 형성할 수 있다.
[0140] 도 20은 전지 (예를 들어, NMC-계 전지)의 권취의 예시이다. 분리기의 제1 시트 (2001), 양극 (2002), 분리기의 제2 시트 (2003), 및 음극 (2004)을 포함하는 층상 시트가 축 (2000)을 따라 회전되어 전지를 형성할 수 있다. 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같이 (예를 들어, 도 2-7, 도 10 및 도 14에 관하여) 음극 및 양극 (예를 들어, 집전 장치를 포함하는)을 (적어도 부분적으로) 형성할 수 있다.
[0141] 도 2 내 제조 공정의 단계 중 하나 또는 그 이상 및/또는 도 3-7 내 처리 단계 중 하나 또는 그 이상이 사용되어 가령 도 11, 도 15, 및 도 21에서 보여지는 완성된 제품 (배터리)을 제조할 수 있다.
에너지 저장 장치의 성능
[0142] 시장에서 이용 가능한 에너지 저장 장치는 약 1000 mAh의 충전 저장 용량, 500-1500 킬로그램 당 와트 (W/kg)의 전력 밀도, 및 500 사이클의 사이클링 안정성을 제공할 수 있다. 하지만, 이 기술의 광범위 차용을 위한, 특히 대규모 용도 가령 전기 자동차 및 그리드 규모 에너지 저장을 위한 이들 수치의 추가적인 개선이 필요하다 (예를 들어, 전기 자동차의 값을 감소시키고 깨끗하고 녹색인 환경에 기여하는 것).
[0143] 그에 반해서, 본 명세서에서 제공되는 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리)는 몇몇 구체예에서 2200 또는 3400 mAh 이상의 용량 (예를 들어, 충전 저장 용량) 및 약 3000 W/kg의 전력 밀도를 제공하고 1000 사이클 이상 동안 사용될 수 있다. 그러한 특징은, 예를 들어, 본 명세서에서 기술된 탄소-계 물질의 뛰어난 전기적인 및 기계적인 특성, 본 명세서에서 기술된 탄소-계 물질의 이례적으로 높은 표면적, 또는 그의 조합에 의해 가능하게 될 수 있다. 본 명세서에서 기술된 탄소-계 물질은 더욱 가벼운, 더욱 강력한, 더욱 효율적인, 또는 그의 임의의 조합 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리)를 만들 수 있다.
[0144] 도 12는 LFP-계 배터리의 예시 성능을 보여준다. 도 22는 NMC-계 배터리의 예시 성능을 보여준다.
[0145] 도 26에서, 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 시장에서 이용 가능한 LIB (예를 들어, 1000 또는 3400 mAh의 충전 저장 용량 갖는 LIB)를 적어도 약 1.5, 2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 또는 3 배 초과하는 충전 저장 용량을 가질 수 있다. 도 26에서, 현재 시장에서 이용 가능한 예시적인 LIB는 Panasonic에 의해 제조된 NCR-18650A, NCR-18650B, 및 NCR-18650PF LIB 뿐만 아니라, Samsung에 의해 제조된 INR-18650-25R LIB를 포함한다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 시장에서 이용 가능한 LIB (예를 들어, 500-1500 W/kg의 전력 밀도를 갖는 LIB)를 적어도 약 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5, 또는 8 배 초과하는 전력 밀도를 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 시장에서 이용 가능한 LIB (예를 들어, 500 또는 1000 사이클의 사이클링 안정성 또는 사이클 수명을 갖는 LIB)를 적어도 약 1.5, 2, 또는 2.5 배 초과하는 사이클링 안정성 또는 사이클 수명을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 전자 장치(들)을 2배 길게 작동할 수 있고 경쟁 기술에 대해 오직 500 사이클과 비교되는 1000 사이클 이상 동안 사용될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 본 개시의 배터리는 상업용 전지 보다 더욱 높은 용량을 가질 수 있을 뿐만 아니라 또한 높은 전력을 제공하고 더욱 오래 지속될 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 시장에서 이용 가능한 LIB (예를 들어, 90-150 킬로그램 당 와트-시간(Wh/kg)의 에너지 밀도를 갖는 LIB)를 적어도 약 1.5, 2, 또는 2.5 배 초과하는 에너지 밀도를 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 상업용 (예를 들어, LIB) 전지 보다 적어도 약 2 배 더욱 강력할 수 있다 (예를 들어, 적어도 2 배 큰 충전 저장 용량, 적어도 2 배 큰 전력 밀도, 및/또는 적어도 2 배 큰 사이클링 안정성/사이클 수명).
[0146] 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 750 mAh, 800 mAh, 850 mAh, 950 mAh, 1000 mAh, 1100 mAh, 1200 mAh, 1300 mAh, 1400 mAh, 1500 mAh, 1600 mAh, 1700 mAh, 1800 mAh, 1900 mAh, 2000 mAh, 2100 mAh, 2200 mAh, 2300 mAh, 2400 mAh, 2500 mAh, 2600 mAh, 2700 mAh, 2800 mAh, 2900 mAh, 3000 mAh, 3100 mAh, 3200 mAh, 3300 mAh, 3400 mAh, 3500 mAh, 3600 mAh, 3700 mAh, 3800 mAh, 3900 mAh, 4000 mAh, 4200 mAh, 4600 mAh, 4800 mAh, 5000 mAh 이상의 충전 저장 용량을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 1000 mAh 및 2500 mAh, 1000 mAh 및 3000 mAh, 1000 mAh 및 3500 mAh, 1000 mAh 및 4000 mAh, 1100 mAh 및 2500 mAh, 1100 mAh 및 3000 mAh, 1100 mAh 및 3500 mAh, 1100 mAh 및 4000 mAh, 1200 mAh 및 2500 mAh, 1200 mAh 및 3000 mAh, 1200 mAh 및 3500 mAh, 1200 mAh 및 4000 mAh, 1300 mAh 및 2500 mAh, 1300 mAh 및 3000 mAh, 1300 mAh 및 3500 mAh, 1300 mAh 및 4000 mAh, 1400 mAh 및 2500 mAh, 1400 mAh 및 3000 mAh, 1400 mAh 및 3500 mAh, 1400 mAh 및 4000 mAh, 1500 mAh 및 2500 mAh, 1500 mAh 및 3000 mAh, 1500 mAh 및 3500 mAh, 1500 mAh 및 4000 mAh, 1600 mAh 및 2500 mAh, 1600 mAh 및 3000 mAh, 1600 mAh 및 3500 mAh, 1600 mAh 및 4000 mAh, 1700 mAh 및 2500 mAh, 1700 mAh 및 3000 mAh, 1700 mAh 및 3500 mAh, 1700 mAh 및 4000 mAh, 1800 mAh 및 2500 mAh, 1800 mAh 및 3000 mAh, 1800 mAh 및 3500 mAh, 1800 mAh 및 4000 mAh, 1900 mAh 및 2500 mAh, 1900 mAh 및 3000 mAh, 1900 mAh 및 3500 mAh, 1900 mAh 및 4000 mAh, 2000 mAh 및 2500 mAh, 2000 mAh 및 3000 mAh, 2000 mAh 및 3500 mAh, 2000 mAh 및 4000 mAh, 2500 mAh 및 3000 mAh, 2500 mAh 및 3500 mAh, 2500 mAh 및 4000 mAh, 3000 mAh 및 3500 mAh, 3000 mAh 및 4000 mAh, 또는 3500 mAh 및 4000 mAh 사이의 충전 저장 용량을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 본 명세서에서 기술된 하나 또는 그 이상의 전력 밀도, 에너지 밀도, 및/또는 사이클링 안정성/사이클 수명과 조합하여 그러한 충전 저장 용량을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 800 mAh 내지 약 4,000 mAh의 저장 용량을 갖는다. 몇몇 구체예에서, 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 적어도 약 1,000 mAh의 저장 용량을 갖는다.
[0147] 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 80 mAh/g 내지 약 800 mAh/g의 충전 저장 용량을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 적어도 약 80 mAh/g의 충전 저장 용량을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 최대 약 800 mAh/g의 충전 저장 용량을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 80 mAh/g 내지 약 100 mAh/g, 약 80 mAh/g 내지 약 150 mAh/g, 약 80 mAh/g 내지 약 200 mAh/g, 약 80 mAh/g 내지 약 300 mAh/g, 약 80 mAh/g 내지 약 400 mAh/g, 약 80 mAh/g 내지 약 500 mAh/g, 약 80 mAh/g 내지 약 600 mAh/g, 약 80 mAh/g 내지 약 700 mAh/g, 약 80 mAh/g 내지 약 800 mAh/g, 약 100 mAh/g 내지 약 150 mAh/g, 약 100 mAh/g 내지 약 200 mAh/g, 약 100 mAh/g 내지 약 300 mAh/g, 약 100 mAh/g 내지 약 400 mAh/g, 약 100 mAh/g 내지 약 500 mAh/g, 약 100 mAh/g 내지 약 600 mAh/g, 약 100 mAh/g 내지 약 700 mAh/g, 약 100 mAh/g 내지 약 800 mAh/g, 약 150 mAh/g 내지 약 200 mAh/g, 약 150 mAh/g 내지 약 300 mAh/g, 약 150 mAh/g 내지 약 400 mAh/g, 약 150 mAh/g 내지 약 500 mAh/g, 약 150 mAh/g 내지 약 600 mAh/g, 약 150 mAh/g 내지 약 700 mAh/g, 약 150 mAh/g 내지 약 800 mAh/g, 약 200 mAh/g 내지 약 300 mAh/g, 약 200 mAh/g 내지 약 400 mAh/g, 약 200 mAh/g 내지 약 500 mAh/g, 약 200 mAh/g 내지 약 600 mAh/g, 약 200 mAh/g 내지 약 700 mAh/g, 약 200 mAh/g 내지 약 800 mAh/g, 약 300 mAh/g 내지 약 400 mAh/g, 약 300 mAh/g 내지 약 500 mAh/g, 약 300 mAh/g 내지 약 600 mAh/g, 약 300 mAh/g 내지 약 700 mAh/g, 약 300 mAh/g 내지 약 800 mAh/g, 약 400 mAh/g 내지 약 500 mAh/g, 약 400 mAh/g 내지 약 600 mAh/g, 약 400 mAh/g 내지 약 700 mAh/g, 약 400 mAh/g 내지 약 800 mAh/g, 약 500 mAh/g 내지 약 600 mAh/g, 약 500 mAh/g 내지 약 700 mAh/g, 약 500 mAh/g 내지 약 800 mAh/g, 약 600 mAh/g 내지 약 700 mAh/g, 약 600 mAh/g 내지 약 800 mAh/g, 또는 약 700 mAh/g 내지 약 800 mAh/g의 충전 저장 용량을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 80 mAh/g, 약 100 mAh/g, 약 150 mAh/g, 약 200 mAh/g, 약 300 mAh/g, 약 400 mAh/g, 약 500 mAh/g, 약 600 mAh/g, 약 700 mAh/g, 약 800 mAh/g의 충전 저장 용량을 가질 수 있다.
[0148] 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 본 명세서에서 기술된 하나 또는 그 이상의 전력 밀도, 에너지 밀도, 및/또는 사이클링 안정성/사이클 수명과 조합하여 그러한 충전 저장 용량을 가질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 80 mAh/g 내지 약 800 mAh/g의 저장 용량을 갖는다. 몇몇 구체예에서, 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 적어도 약 1,000 mAh/g의 저장 용량을 갖는다.
[0149] 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 500 W/kg, 600 W/kg, 700 W/kg, 800 W/kg, 900 W/kg, 1000 W/kg, 1100 W/kg, 1200 W/kg, 1300 W/kg, 1400 W/kg, 1500 W/kg, 1600 W/kg, 1700 W/kg, 1800 W/kg, 1900 W/kg, 2000 W/kg, 2100 W/kg, 2200 W/kg, 2300 W/kg, 2400 W/kg, 2500 W/kg, 2600 W/kg, 2700 W/kg, 2800 W/kg, 2900 W/kg, 3000 W/kg, 3100 W/kg, 3200 W/kg, 3300 W/kg, 3400 W/kg, 또는 3500 W/kg 이상의 전력 밀도를 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 500 W/kg 및 3000 W/kg, 500 W/kg 및 3500 W/kg, 1000 W/kg 및 3000 W/kg, 1000 W/kg 및 3500 W/kg, 1500 W/kg 및 3000 W/kg, 1500 W/kg 및 3500 W/kg, 1600 W/kg 및 3000 W/kg, 1600 W/kg 및 3500 W/kg, 1700 W/kg 및 3000 W/kg, 1700 W/kg 및 3500 W/kg, 1800 W/kg 및 3000 W/kg, 1800 W/kg 및 3500 W/kg, 1900 W/kg 및 3000 W/kg, 1900 W/kg 및 3500 W/kg, 2000 W/kg 및 3000 W/kg, 2000 W/kg 및 3500 W/kg, 2100 W/kg 및 3000 W/kg, 2100 W/kg 및 3500 W/kg, 2200 W/kg 및 3000 W/kg, 2200 W/kg 및 3500 W/kg, 2300 W/kg 및 3000 W/kg, 2300 W/kg 및 3500 W/kg, 2400 W/kg 및 3000 W/kg, 2400 W/kg 및 3500 W/kg, 2500 W/kg 및 3000 W/kg, 2500 W/kg 및 3500 W/kg, 2600 W/kg 및 3000 W/kg, 2600 W/kg 및 3500 W/kg, 2700 W/kg 및 3000 W/kg, 2700 W/kg 및 3500 W/kg, 2800 W/kg 및 3000 W/kg, 2800 W/kg 및 3500 W/kg, 2900 W/kg 및 3000 W/kg, 2900 W/kg 및 3500 W/kg, 또는 3000 W/kg 및 3500 W/kg 사이의 전력 밀도를 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 본 명세서에서 기술된 하나 또는 그 이상의 충전 저장 용량, 에너지 밀도, 및/또는 사이클링 안정성/사이클 수명과 조합하여 그러한 전력 밀도를 가질 수 있다.
[0150] 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 500 사이클, 600 사이클, 700 사이클, 800 사이클, 900 사이클, 1000 사이클, 1100 사이클, 1200 사이클, 1300 사이클, 1400 사이클, 1500 사이클, 또는 2000 사이클 이상의 사이클링 안정성 또는 사이클 수명을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 500 사이클 및 1000 사이클, 500 사이클 및 1500 사이클, 600 사이클 및 1000 사이클, 600 사이클 및 1500 사이클, 700 사이클 및 1000 사이클, 700 사이클 및 1500 사이클, 800 사이클 및 1000 사이클, 800 사이클 및 1500 사이클, 900 사이클 및 1000 사이클, 900 사이클 및 1500 사이클, 1000 사이클 및 1500 사이클, 또는 1500 사이클 및 2000 사이클 사이의 사이클링 안정성 또는 사이클 수명을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 본 명세서에서 기술된 하나 또는 그 이상의 충전 저장 용량, 전력 밀도 및/또는 에너지 밀도와 조합하여 그러한 사이클링 안정성/사이클 수명을 가질 수 있다.
[0151] 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 50 Wh/kg, 75 Wh/kg, 90 Wh/kg, 100 Wh/kg, 110 Wh/kg, 120 Wh/kg, 130 Wh/kg, 140 Wh/kg, 150 Wh/kg, 160 Wh/kg, 170 Wh/kg, 180 Wh/kg, 190 Wh/kg, 200 Wh/kg, 210 Wh/kg, 220 Wh/kg, 230 Wh/kg, 240 Wh/kg, 250 Wh/kg, 260 Wh/kg, 270 Wh/kg, 280 Wh/kg, 290 Wh/kg, 300 Wh/kg, 310 Wh/kg, 320 Wh/kg, 330 Wh/kg, 340 Wh/kg, 350 Wh/kg, 360 Wh/kg, 370 Wh/kg, 380 Wh/kg, 390 Wh/kg 또는 400 Wh/kg 이상의 에너지 밀도를 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 90 Wh/kg 및 250 Wh/kg, 90 Wh/kg 및 300 Wh/kg, 90 Wh/kg 및 350 Wh/kg, 90 Wh/kg 및 400 Wh/kg, 150 Wh/kg 및 250 Wh/kg, 150 Wh/kg 및 300 Wh/kg, 150 Wh/kg 및 350 Wh/kg, 150 Wh/kg 및 400 Wh/kg, 200 Wh/kg 및 250 Wh/kg, 200 Wh/kg 및 300 Wh/kg, 200 Wh/kg 및 350 Wh/kg, 200 Wh/kg 및 400 Wh/kg, 250 Wh/kg 및 300 Wh/kg, 250 Wh/kg 및 350 Wh/kg, 250 Wh/kg 및 400 Wh/kg, 300 Wh/kg 및 350 Wh/kg, 300 Wh/kg 및 400 Wh/kg, 또는 350 Wh/kg 및 400 Wh/kg 사이의 에너지 밀도를 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 본 명세서에서 기술된 하나 또는 그 이상의 충전 저장 용량, 전력 밀도, 및/또는 사이클링 안정성/사이클 수명과 조합하여 그러한 에너지 밀도를 가질 수 있다.
[0152] 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 2 V, 2.1 V, 2.2 V, 2.3 V, 2.4 V, 2.5 V, 2.6 V, 2.7 V, 2.8 V, 2.9 V, 3 V, 3.1 V, 3.2 V, 3.3 V, 3.4 V, 3.5 V, 3.6 V, 3.7 V, 3.8 V, 3.9 V, 4 V, 4.1 V, 4.2 V, 4.3 V, 4.4 V, 또는 4.5 V 이상의 충전 전압을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 2 V 및 2.5 V, 2 V 및 3 V, 2 V 및 3.5 V, 2 V 및 4 V, 2 V 및 4.5 V, 2.5 V 및 3 V, 2.5 V 및 3.5 V, 2.5 V 및 4 V, 2.5 V 및 4.5 V, 3 V 및 3.5 V, 3 V 및 4 V, 3 V 및 4.5 V, 3.5 V 및 4 V, 3.5 V 및 4.5 V, 또는 4 V 및 4.5 V 사이의 충전 전압을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 2 V, 2.5 V, 3 V, 3.5 V, 4 V, 또는 4.5 V 이상의 방전 전압을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 약 2 V 및 2.5 V, 2 V 및 3 V, 2 V 및 3.5 V, 2 V 및 4 V, 2 V 및 4.5 V, 2.5 V 및 3 V, 2.5 V 및 3.5 V, 2.5 V 및 4 V, 2.5 V 및 4.5 V, 3 V 및 3.5 V, 3 V 및 4 V, 3 V 및 4.5 V, 3.5 V 및 4 V, 3.5 V 및 4.5 V, 또는 4 V 및 4.5 V 사이의 방전 전압일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 충전 및 방전 전압은 약 25%, 20%, 15%, 10% 또는 5% 이하로 상이할 수 있다 (예를 들어, 도 12 참조). 충전 및 방전 전압은 주어진 용량 범위에 걸쳐 그러한 유사성을 가질 수 있다 (예를 들어, 약 1000 mAh, 1100 mAh, 1200 mAh, 1300 mAh, 1400 mAh, 1600 mAh, 1700 mAh, 1800 mAh, 1900 mAh, 2000 mAh, 2200 mAh, 2400 mAh, 2600 mAh, 2800 mAh, 3000 mAh, 3200 mAh, 3400 mAh, 3600 mAh, 3800 mAh 또는 4000 mAh까지).
[0153] 도 27에서, 시장에서 이용 가능한 에너지 저장 장치는 약 40Ω 내지 약 70Ω의 등가 직렬 저항 (ESR)을 나타낸다. 하지만, 이 기술의 광범위 차용을 위한, 특히 대규모 용도 가령 전기 자동차 및 그리드 규모 에너지 저장을 위한 이들 수치의 추가적인 개선이 필요하다 (예를 들어, 전기 자동차의 값을 감소시키고 깨끗하고 녹색인 환경에 기여하는 것).
[0154] 그에 반해서, 본 명세서에서 제공되는 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리)는, 도 28 내 전위-시간 그래프에 의해 계산되는 것과 같은 몇몇 구체예에서 30Ω 미만의 ESR 나타낼 수 있다. 그러한 특징은, 예를 들어, 본 명세서에서 기술된 탄소-계 물질의 뛰어난 전기적인 및 기계적인 특성, 본 명세서에서 기술된 탄소-계 물질의 이례적으로 높은 표면적, 또는 그의 조합에 의해 가능하게 될 수 있다.
[0155] 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 1 킬로헤르츠 (kHz)에서 14 밀리옴 내지 80 밀리옴의 ESR을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 1 kHz에서 적어도 14 밀리옴의 ESR을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 1 kHz에서 최대 80 밀리옴의 ESR을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 1 kHz에서 14 밀리옴 내지 20 밀리옴, 14 밀리옴 내지 25 밀리옴, 14 밀리옴 내지 30 밀리옴, 14 밀리옴 내지 35 밀리옴, 14 밀리옴 내지 40 밀리옴, 14 밀리옴 내지 45 밀리옴, 14 밀리옴 내지 50 밀리옴, 14 밀리옴 내지 55 밀리옴, 14 밀리옴 내지 60 밀리옴, 14 밀리옴 내지 70 밀리옴, 14 밀리옴 내지 80 밀리옴, 20 밀리옴 내지 25 밀리옴, 20 밀리옴 내지 30 밀리옴, 20 밀리옴 내지 35 밀리옴, 20 밀리옴 내지 40 밀리옴, 20 밀리옴 내지 45 밀리옴, 20 밀리옴 내지 50 밀리옴, 20 밀리옴 내지 55 밀리옴, 20 밀리옴 내지 60 밀리옴, 20 밀리옴 내지 70 밀리옴, 20 밀리옴 내지 80 밀리옴, 25 밀리옴 내지 30 밀리옴, 25 밀리옴 내지 35 밀리옴, 25 밀리옴 내지 40 밀리옴, 25 밀리옴 내지 45 밀리옴, 25 밀리옴 내지 50 밀리옴, 25 밀리옴 내지 55 밀리옴, 25 밀리옴 내지 60 밀리옴, 25 밀리옴 내지 70 밀리옴, 25 밀리옴 내지 80 밀리옴, 30 밀리옴 내지 35 밀리옴, 30 밀리옴 내지 40 밀리옴, 30 밀리옴 내지 45 밀리옴, 30 밀리옴 내지 50 밀리옴, 30 밀리옴 내지 55 밀리옴, 30 밀리옴 내지 60 밀리옴, 30 밀리옴 내지 70 밀리옴, 30 밀리옴 내지 80 밀리옴, 35 밀리옴 내지 40 밀리옴, 35 밀리옴 내지 45 밀리옴, 35 밀리옴 내지 50 밀리옴, 35 밀리옴 내지 55 밀리옴, 35 밀리옴 내지 60 밀리옴, 35 밀리옴 내지 70 밀리옴, 35 밀리옴 내지 80 밀리옴, 40 밀리옴 내지 45 밀리옴, 40 밀리옴 내지 50 밀리옴, 40 밀리옴 내지 55 밀리옴, 40 밀리옴 내지 60 밀리옴, 40 밀리옴 내지 70 밀리옴, 40 밀리옴 내지 80 밀리옴, 45 밀리옴 내지 50 밀리옴, 45 밀리옴 내지 55 밀리옴, 45 밀리옴 내지 60 밀리옴, 45 밀리옴 내지 70 밀리옴, 45 밀리옴 내지 80 밀리옴, 50 밀리옴 내지 55 밀리옴, 50 밀리옴 내지 60 밀리옴, 50 밀리옴 내지 70 밀리옴, 50 밀리옴 내지 80 밀리옴, 55 밀리옴 내지 60 밀리옴, 55 밀리옴 내지 70 밀리옴, 55 밀리옴 내지 80 밀리옴, 60 밀리옴 내지 70 밀리옴, 60 밀리옴 내지 80 밀리옴, 또는 70 밀리옴 내지 80 밀리옴의 ESR을 가질 수 있다.
[0156] 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 1 kHz에서 14 밀리옴, 20 밀리옴, 25 밀리옴, 30 밀리옴, 35 밀리옴, 40 밀리옴, 45 밀리옴, 50 밀리옴, 55 밀리옴, 60 밀리옴, 70 밀리옴, 또는 80 밀리옴의 ESR을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 1 kHz에서 적어도 약 5 밀리옴의 ESR을 가질 수 있다 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 1 kHz에서 적어도 약 5 밀리옴의 ESR을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 1 kHz에서 최대 약 100 밀리옴의 ESR을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 1 kHz에서 약 5 밀리옴 내지 약 10 밀리옴, 약 5 밀리옴 내지 약 20 밀리옴, 약 5 밀리옴 내지 약 30 밀리옴, 약 5 밀리옴 내지 약 40 밀리옴, 약 5 밀리옴 내지 약 50 밀리옴, 약 5 밀리옴 내지 약 60 밀리옴, 약 5 밀리옴 내지 약 70 밀리옴, 약 5 밀리옴 내지 약 80 밀리옴, 약 5 밀리옴 내지 약 90 밀리옴, 약 5 밀리옴 내지 약 100 밀리옴, 약 10 밀리옴 내지 약 20 밀리옴, 약 10 밀리옴 내지 약 30 밀리옴, 약 10 밀리옴 내지 약 40 밀리옴, 약 10 밀리옴 내지 약 50 밀리옴, 약 10 밀리옴 내지 약 60 밀리옴, 약 10 밀리옴 내지 약 70 밀리옴, 약 10 밀리옴 내지 약 80 밀리옴, 약 10 밀리옴 내지 약 90 밀리옴, 약 10 밀리옴 내지 약 100 밀리옴, 약 20 밀리옴 내지 약 30 밀리옴, 약 20 밀리옴 내지 약 40 밀리옴, 약 20 밀리옴 내지 약 50 밀리옴, 약 20 밀리옴 내지 약 60 밀리옴, 약 20 밀리옴 내지 약 70 밀리옴, 약 20 밀리옴 내지 약 80 밀리옴, 약 20 밀리옴 내지 약 90 밀리옴, 약 20 밀리옴 내지 약 100 밀리옴, 약 30 밀리옴 내지 약 40 밀리옴, 약 30 밀리옴 내지 약 50 밀리옴, 약 30 밀리옴 내지 약 60 밀리옴, 약 30 밀리옴 내지 약 70 밀리옴, 약 30 밀리옴 내지 약 80 밀리옴, 약 30 밀리옴 내지 약 90 밀리옴, 약 30 밀리옴 내지 약 100 밀리옴, 약 40 밀리옴 내지 약 50 밀리옴, 약 40 밀리옴 내지 약 60 밀리옴, 약 40 밀리옴 내지 약 70 밀리옴, 약 40 밀리옴 내지 약 80 밀리옴, 약 40 밀리옴 내지 약 90 밀리옴, 약 40 밀리옴 내지 약 100 밀리옴, 약 50 밀리옴 내지 약 60 밀리옴, 약 50 밀리옴 내지 약 70 밀리옴, 약 50 밀리옴 내지 약 80 밀리옴, 약 50 밀리옴 내지 약 90 밀리옴, 약 50 밀리옴 내지 약 100 밀리옴, 약 60 밀리옴 내지 약 70 밀리옴, 약 60 밀리옴 내지 약 80 밀리옴, 약 60 밀리옴 내지 약 90 밀리옴, 약 60 밀리옴 내지 약 100 밀리옴, 약 70 밀리옴 내지 약 80 밀리옴, 약 70 밀리옴 내지 약 90 밀리옴, 약 70 밀리옴 내지 약 100 밀리옴, 약 80 밀리옴 내지 약 90 밀리옴, 약 80 밀리옴 내지 약 100 밀리옴, 또는 약 90 밀리옴 내지 약 100 밀리옴의 ESR을 가질 수 있다. 본 개시의 에너지 저장 장치 (예를 들어, 배터리 또는 배터리 전지)는 1 kHz에서 약 5 밀리옴, 약 10 밀리옴, 약 20 밀리옴, 약 30 밀리옴, 약 40 밀리옴, 약 50 밀리옴, 약 60 밀리옴, 약 70 밀리옴, 약 80 밀리옴, 약 90 밀리옴, 또는 약 100 밀리옴의 ESR을 가질 수 있다.
용어 및 정의
[0157] 달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적인 용어는 본 발명이 속하는 본 업계의 숙련가에 의해 흔히 이해되는 것과 같은 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 것과 같이, 단수 형태 "a,""an," 및 "the"는 문맥이 분명히 지시하지 않는 한 복수 언급을 포함한다. 본 명세서에서 "또는"에 대한 임의의 언급은, 달리 명시되지 않는 한, "및/또는"을 포함하는 것으로 의도된다.
[0158] 본 개시의 바람직한 구체예가 보여졌고 본 명세서에서 기술되었지만, 그러한 구체예가 오로지 실시예로서 제공되는 것이 본 업계의 숙련가에게 명백할 것이다. 많은 변형, 변화, 및 대체가 본 개시로부터 벗어나지 않고 본 업계의 숙련가에게 지금 일어날 것이다. 본 명세서에서 기술된 본 개시의 장치의 구체예에 대한 다양한 대체는 본 개시를 실시하는 것에서 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 다음의 청구범위는 본 개시의 범위를 정의하고 그렇게 함으로써 이들 청구범위의 범위 이내의 방법 및 구조 및 그들의 등가가 보장되는 것이 의도된다.
[0159] 본 개시 내내, 수치 특징이 범위 형식으로 제시된다. 범위 형식에서의 서술은 그저 편의 및 간결성을 위한 것이고 임의의 구체예의 범위에 대한 융통성 없는 제한으로서 해석되지 말아야 한다는 것이 이해되어야 한다.
그런 이유로, 범위의 서술은, 달리 문맥이 분명히 지시하지 않는 한, 구체적으로 개시되는 모든 가능한 부분범위뿐만 아니라 하한의 단위의 10분의 1에 대한 범위 이내의 개별 수치를 갖는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 범위의 서술 가령 1 내지 6은 구체적으로 개시되는 부분범위 가령 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 4, 2 내지 6, 및 3 내지 6, 뿐만 아니라 그 범위 이내의 개별 값, 예를 들어, 1.1, 2, 2.3, 5, 및 5.9를 갖는 것으로 간주되어야 한다. 이것은 범위의 넓이에 관계없이 적용한다. 이들 개재 범위의 상한 및 하한은 독립적으로 더욱 작은 범위 내에 포함될 수 있고, 또한 본 개시 이내에 포함되고, 명시된 범위 내 제한을 임의로 구체적으로 제외한다. 명시된 범위가 제한의 하나 또는 모두를 포함하는 경우, 제한을 포함하는 범위 각각 또는 모두를 배제하는 범위는, 달리 문맥이 분명히 지시하지 않는 한 또한 본 개시 내에 포함된다.
[0160] 구체적으로 명시되거나 문맥으로부터 명백하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 것과 같은, 숫자 또는 숫자의 범위와 관련하여 용어"약"은 명시된 숫자 및 그의 ±10% 숫자, 또는 범위에 대해 열거된 값에 대한 10% 아래 열거된 하한선 및 10% 위 열거된 상한선을 의미하는 것으로 이해된다.
실시예
실시예 1- NCA 전지
예시적인 배터리는 흑연을 포함하는 음극 (방전 동안 양극) 및, 표 1에서 보여지는 것과 같은 PCS/리튬 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드 (NCA)를 포함하는 양극 (방전 동안 음극)을 포함하는 적어도 하나의 전지를 포함한다.
실시예 2- NMC 전지
예시적인 배터리는 흑연을 포함하는 음극 (방전 동안 양극) 및, 표 2에서 보여지는 것과 같은 PCS/리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드 (NMC)를 포함하는 양극 (방전 동안 음극)을 포함하는 적어도 하나의 전지를 포함한다.
실시예 3- LFP 전지
예시적인 배터리는 흑연을 포함하는 음극 (방전 동안 양극) 및, 표 3에서 보여지는 것과 같은 PCS/리튬 철 포스페이트 (LFP)를 포함하는 양극 (방전 동안 음극)을 포함하는 적어도 하나의 전지를 포함한다.
Claims (23)
- 다음을 포함하는 에너지 저장 장치:
a) 다음을 포함하는 음극:
i) 그래핀 시트의 가장자리에만 결합된 하나 이상의 카르복실 작용기를 포함하는 복수의 그래핀 시트;
ii) 제1 결합제; 및
iii) 전도성 첨가제;
b) 다음을 포함하는 양극:
i) 활성 물질; 및
ii) 제2 결합제; 및
c) 음극 및 양극 사이의 분리기. - 제1항에 있어서, 제1 결합제 및 제2 결합제 중 적어도 하나는 폴리비닐 플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오로알콕시 중합체, 플루오르화 에틸렌-프로필렌, 폴리에틸렌테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오르화 플라스토머, 플루오로카본, 클로로트리플루오로에틸렌비닐리덴플루오라이드, 플루오로엘라스토머, 테트라플루오로에틸렌-프로필렌, 퍼플루오로폴리에테르, 퍼플루오로설폰 산, 퍼플루오로폴리옥세탄, P(VDF-트리플루오로에틸렌), P(VDF-테트라플루오로에틸렌), 또는 그의 임의의 조합을 포함하는 장치.
- 제1항에 있어서, 전도성 첨가제는 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 기상-성장 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 다공성 카본 시트, 또는 그의 임의의 조합을 포함하는 장치.
- 제1항에 있어서, 활성 물질은 리튬 철 포스페이트, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드, 리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드, 리튬 코발트 옥사이드, 리튬 망간 옥사이드, 리튬 티타네이트, 리튬 황, 또는 그의 임의의 조합을 포함하는 장치.
- 제1항에 있어서, 800 밀리암페어 시간 (mAh) 내지 4,000 mAh의 저장 용량을 갖는 장치.
- 제1항에 있어서, 적어도 800 mAh의 저장 용량을 갖는 장치.
- 제1항에 있어서, 80 mAh/g 내지 800 mAh/g의 저장 용량을 갖는 장치.
- 제1항에 있어서, 적어도 80 mAh/g의 저장 용량을 갖는 장치.
- 제1항에 있어서, 500 사이클 내지 1500 사이클의 사이클 수명을 갖는 장치.
- 제1항에 있어서, 적어도 500 사이클의 사이클 수명을 갖는 장치.
- 제1항에 있어서, 5 밀리옴 내지 100 밀리옴의 등가 직렬 저항을 갖는 장치.
- 제1항에 있어서, 최대 100 밀리옴의 등가 직렬 저항을 갖는 장치.
- 전극을 제조하기 위한, 다음을 포함하는 방법:
a) 결합제 및 용매를 조합하는 것;
b) 상기 결합제 및 용매를 가열하는 것;
c) 상기 결합제 및 용매 내로 활성 물질을 혼합하여 슬러리를 형성하는 것 - 활성 물질은 그래핀 시트의 가장자리에만 결합된 하나 이상의 카르복실 작용기를 포함하는 복수의 다공성 그래핀 시트를 포함함 -;
d) 상기 슬러리를 포일 상으로 롤 코팅하는 것;
e) 상기 슬러리를 포일 상에 건조하는 것;
f) 상기 슬러리를 포일 상에 롤 프레싱하는 것;
g) 상기 슬러리를 포일 상에 슬리팅하는 것. - 제13항에 있어서, 결합제는 폴리비닐 플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오로알콕시 중합체, 플루오르화 에틸렌-프로필렌, 폴리에틸렌테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오르화 플라스토머, 플루오로카본, 클로로트리플루오로에틸렌비닐리덴플루오라이드, 플루오로엘라스토머, 테트라플루오로에틸렌-프로필렌, 퍼플루오로폴리에테르, 퍼플루오로설폰 산, 퍼플루오로폴리옥세탄, P(VDF-트리플루오로에틸렌), P(VDF-테트라플루오로에틸렌), 또는 그의 임의의 조합을 포함하는 방법.
- 제13항에 있어서, 용매는 2-피롤리돈, n-비닐피롤리돈, n- 메틸-2-피롤리돈, 메틸 에틸 케톤, 또는 그의 임의의 조합을 포함하는 방법.
- 제13항에 있어서, 활성 물질은 리튬화 금속 화합물 및 탄소-계 물질을 포함하는 방법.
- 제16항에 있어서, 리튬화 금속 화합물은 리튬 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드, 리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드, 리튬 철 포스페이트, 또는 그의 임의의 조합을 포함하는 방법.
- 제13항에 있어서, 활성 물질은 40% 내지 60%의 농도로 슬러리 내에 존재하는 방법.
- 제13항에 있어서, 활성 물질은 50% 내지 90%의 농도로 전극 내에 존재하는 방법.
- 제13항에 있어서, 결합제는 0.5% 내지 10%의 농도로 슬러리 내에 존재하는 방법.
- 제13항에 있어서, 결합제는 1% 내지 15%의 농도로 전극 내에 존재하는 방법.
- 제13항에 있어서, 용매는 10% 내지 60%의 농도로 슬러리 내에 존재하는 방법.
- 삭제
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