KR102576471B1 - 리튬 황 배터리용 캐소드 및 캐소드 물질 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 황이 로딩(loading)된 경우 전기화학적으로 우수한 캐소드 활성 물질로서 작용하는 다공성 구조물(porous structure)과 함께 금속 옥사이드 또는 금속 옥시니트라이드를 포함하는 전극 활성 물질을 제공한다. 이러한 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 구조물은 선택적으로 그 자체로 사용되거나, 또 다른 물질로 코팅되거나, 또는 그 자체가 또 다른 다공성 구조물, 예컨대 다공성 탄소 구조물을 코팅시켜, 황 및 폴리설파이드 둘 다의 우수한 체류를 허용하고, 그 자체가 전도성이며, 장기간 안정성 및 우수한 수명을 나타낸다.

Description

리튬 황 배터리용 캐소드 및 캐소드 물질
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2015년 9월 3일에 출원된 미국 가출원 62/213,777 및 2016년 1월 14일에 출원된 미국 가출원 62/278,682에 따른 우선권을 주장하며, 상기 각각의 가출원들의 전체 내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
정부 지원에 관한 진술
본 개시내용은 미국 해군 SBIR 프로그램 하에 약정 # N68335-16-C0017에 따라 정부의 지원을 받아 이루어졌다. 정부는 본 개시내용에 대해 소정의 권리를 가진다.
기술분야
본 발명은 이차 배터리에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 리튬 황 배터리용 전극, 특히 리튬 황 배터리용 캐소드 및 캐소드 물질에 관한 것이다.
저비용 및 고용량의 잠재력은 리튬 황 배터리(LSB)를 차량 에너지 축적에 사용되는 미래의 리튬 이온 배터리에 대한 선두적인 후보자로 만들었다. LSB는 이론적으로 2600 Wh/kg의 비에너지(specific energy)를 전달하며, 이는 현재 최신 리튬-이온 배터리보다 3배 내지 5배 더 크다. 그러나, 리튬 황 배터리의 실제적인 적용은 황의 낮은 이용율 및 황 캐소드의 급속한 용량 페이딩(capacity fading)에 의해 제한을 받고 있다. 이들 제한의 근본적인 원인은 캐소드의 불량한 전자 전도성과 더불어, 충전/방전 공정 동안 형성되는 중간산물인 리튬-폴리설파이드 생성물의 높은 용해도이다. 불량한 전자 전도성은 황의 낮은 고유 전도성(intrinsic conductivity) 뿐만 아니라 캐소드에서 전자 연결성(electronic connectivity)을 저하시키는 부피 변화 둘 다로 인한 것이다.
더 긴 수명에 대한 키(key)는 캐소드 전도성을 개선하고 황 및 설파이드를 캐소드로 단리시키는 데 있다[Manthiram 2013, 2014; Yang 2013]. 황을 전도성 호스트 매트릭스 내에 캡슐화하는 전략은 LSB 성능을 개선하기 위한 효과적인 전략으로서 출현했다. 그러나, 현재까지 보고된 황-캡슐화 전략은 비극성 황을 효과적으로 트랩핑하지만, 방전 동안 형성되는 극성 폴리설파이드 중간산물은 그러지 못한다. 이로 인해, 폴리설파이드 화학종은 자유롭게 용해되고 애노드로 이송되며, 애노드에서 이들 폴리설파이드 화학종은 기생 반응(parasitic reaction)을 수행하여, 애노드의 고갈을 초래한다.
또한, 대부분의 Li-황 배터리에 대해 보고된 유망한 전기화학적 성능이 저속(<1 C)에서 수득되었으며, 고속에서는 급격한 성능 저하가 관찰되었음을 주지해야 한다. Li-황 배터리의 불량한 속도 용량(rate capability)은 황 및 폴리설파이드의 고유 절연성과 연관이 있다. 황 및 이의 리튬화된(lithiated) 화합물은 불량한 전기 전도성을 갖고 있으며(25℃에서 황에 대해 5x10-30 S·cm-1), 이는 전도성 제제(conducting agent)가 첨가될 수 있더라도 집전 장치로부터 전자를 수용하기 어렵게 만든다. 불용성 황 및 설파이드로 인한 낮은 전기 전도성 외에도, 용해성 폴리설파이드가 형성되고 분리기를 통해 확산되어, 전지 내에서 바람직하지 않은 자가-방전 및 가열을 유도할 수 있는 셔틀 반응(shuttle reaction)을 초래할 수 있다.
Nazar 등[Ji 2009]에 의해 개발된 메조포러스(mesoporous) 탄소 캐소드 형태의 전도성 호스트 매트릭스로서의 탄소는 LSB 성능 및 수명에 있어서 돌파구를 나타내었다. 이 연구 후, 마이크로포러스 스피어(sphere)[Zhang 2010], 메조포러스 나노입자[Schuster 2012], 다공성 중공 탄소[Jayaprakash 2012], 그래핀 옥사이드 시트[Ji, L. 2011], 다공성 탄소 나노섬유[Ji, L.W. 2011] 및 중공 탄소 섬유[Zheng 2011]를 포함하여 광범위한 탄소 호스트 물질이 조사되어 왔다. 탄소 물질은 황을 호스트하지만, 황 중간산물 화학종, 특히 사이클 동안 벌크 전해질(bulk electrolyte) 내로 용해될 수 있는 폴리설파이드와는 제한된 상호작용을 갖고 있다. 이는, 중간산물 화학종과의 상호작용을 증강시키기 위해 탄소 호스트를 변형시키려는 노력을 촉구하였으며, 이중에서 질소 도핑된 다공성 탄소 또는 그래핀 복합체는 N의 음전하성 성질을 통해 어느 정도 유망한 결과를 보여주었다[Song 2014; Qiu, 2014]. 그러나, 낮은 도판트 함량 및 가공상의 어려움은 실제적인 규모에 적용하는 데 제한이 된다.
대안으로서, 전도성 중합체, 예컨대 폴리아닐린(PANi)[Zhang 2014], 폴리피롤(PPY)[Fu and Manthiram 2012] 및 폴리티오펜(PT)[Wu, F. 2011]이 또한, 산소-함유 관능기 및 사슬 구조의 도움으로 황 및 폴리설파이드를 구속시키는 것으로 보고되어 있다. 현재까지는, (탄소와 비교하여) 낮은 전도성 및 장기간 안정성이 이러한 유형의 물질에 대한 2가지 단점이다.
금속 옥사이드는 황 및 폴리설파이드를 캐소드에 트랩핑하기 위한 매력적인 물질이다[Song 2004]. 최근, 메조포러스 탄소와 메조포러스 TiO2의 조합이 황 캐소드로서 보고된 바 있다[Evers 2012]. 메조포러스 티타니아는 황 및 폴리설파이드를 둘 다 보유하는 데 효과적이었다. 그러나, 금속 옥사이드가 전도성이 아니기 때문에, 금속 옥사이드는 낮은 함량으로 첨가제로서만 사용될 수 있고, 이는 이러한 금속 옥사이드의 효능을 상당히 제한한다.
이와 같이, 리튬 이온 배터리에 사용될 새로운 물질 및 구조물이 요망되고 있다.
하기 요약은 본 개시내용의 독특하고 혁신적인 특징들 중 일부의 이해를 돕기 위해 제공되며, 완전한 설명인 것은 아니다. 본 개시내용의 다양한 양태들의 완전한 이해는 전체 명세서, 청구항, 도면 및 요약서를 전체적으로 파악함으로써 얻을 수 있다.
제1 목적은, 사이클 동안 황 부피 변화를 충분히 수용할 수 있으며; 황의 높은 이용율을 가능하게 할 정도로 우수한 기계적 강도 및 전도성을 가지고; 황 및 폴리설파이드 둘 다에 대해 높은 친화성을 가짐으로써 황 용해를 최소화하는 물질을 제공하는 것이다. 이러한 물질은 본원에 제시되는 몇 가지 양태들에서 제공된다. 일부 양태에서, 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드를 포함하는 다공성 구조물(porous structure)을 포함하는 전기화학적 활성 물질이 제공되며, 상기 구조물은 선택적으로 황이 함침되어 있거나 또는 황과 접촉하고 있다. 이러한 물질은 또한, 하나 이상의 전기 전도성 충전제(filler), 결합제(binder) 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 이러한 구조물은 20% 이상, 선택적으로 50% 이상의 다공성을 가진다. 선택적으로, 상기 구조물은 50 m2/g 이상, 선택적으로 150 m2/g 이상의 표면적을 가진다. 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드는 선택적으로, Ti, Si, Cr, Fe, B, V, Mo, W, Zr, Co, Ni, Nb 또는 이들의 조합인 금속을 포함한다. 황이 함침된 구조물은 선택적으로 결합제와 조합된다. 결합제는 선택적으로 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 다이플루오라이드, 라텍스 결합제, 카르복시메틸셀룰로스, 폴리(아크릴산), 폴리비닐 알코올 또는 이들의 조합이다. 일부 양태에서, 구조물은 전기 전도성 충전제와 조합되며, 선택적으로 탄소를 포함하고, 선택적으로 충전제와 혼합된다. 물질은 선택적으로, 첨가제, 선택적으로 질화제(nitriding agent), 선택적으로 유기 물질, 선택적으로 시안아미드로 코팅되거나 또는 부분적으로 코팅된다.
또 다른 목적은 다층 다공성 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 물질을 제공하는 것이며, 여기서, 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드는 기저(underlying) 다공성 구조물을 코팅하거나 또는 그 자체가 또 다른 물질 또는 둘 다로 코팅된다. 일부 양태에서, 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드는 다공성 스캐폴드(scaffold) 물질의 표면 상에 코팅된다. 다공성 스캐폴드 물질은 선택적으로, 적어도 부분적으로는 탄소로 형성된다. 일부 양태에서, 다공성 스캐폴드 물질은 마이크로포러스 스피어, 메조포러스 나노입자, 다공성 중공 탄소, 그래핀 옥사이드 시트, 다공성 탄소 나노섬유, 중공 탄소 섬유, 금속 폼, 금속 메쉬 또는 이들의 조합 형태로 존재하며, 선택적으로 다공성 스캐폴드 물질은 탄소, 그래핀, 그래핀 옥사이드, 금속 및 이들의 조합을 포함한다.
다른 양태에서, 그 자체가 코어로서 작용하는 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 물질이 제공되며, 이러한 물질은 이후 상기 코어와는 다른 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드를 포함하는 코팅 물질로 코팅된다. 선택적으로, 코어는 티타늄 니트라이드 또는 티타늄 옥시니트라이드를 포함한다. 선택적으로, 코팅은 바나듐을 포함한다. 코팅된 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 선택적으로 그 자체가 본원에 기재된 다공성 기판, 예컨대 다공성 탄소 기판을 코팅시킨다.
전기화학적 활성 물질은 리튬 황 전지용 전극, 선택적으로 캐소드에 사용될 수 있다.
도 1은 일부 양태들에 따른 TiN 구조물의 주사 전자 현미경 이미지를 예시하고 있으며;
도 2는 메조포러스 프로파일을 예시하고 있는 예시적인 TiN 구조물의 N2 흡착을 예시하고 있으며;
도 3은 참조 물질, 수령한 대로의(as-received) 전구체 물질 및 예시적인 전기화학적 활성 TiN 물질의 XRD 프로파일을 예시하고 있으며;
도 4는 일 양태에 따른 황 함침된 TiN 물질의 TGA 분석을 예시하고 있으며;
도 5는 일 양태에 따른 황 함침된 TiN 물질을 사용하여 형성된 전극의 SEM 이미지이며;
도 6은 다공성 탄소 시스템을 능가하는 우수한 성능을 예시하고 있는, 일 양태에 따라 생성된 전극의 전기화학적 성능을 예시하고 있으며;
도 7은 일 양태에 따른 황 함침된 TiN 물질의 충전 용량 및 방전 용량을 예시하고 있으며;
도 8은 일 양태에 따른 황 함침된 TiN 물질의 수명을 예시하고 있으며;
도 9는 평균 입자 크기가 10 ㎛인 TiN 물질(Gen I)과 비교하여, 및 각각 PVdF를 결합제로서 사용하는 베이스라인(baseline) 다공성 탄소 물질과 비교하여, 평균 입자 크기가 5 ㎛인 TiN 물질(새로운 구조물)의 수명을 예시하고 있으며;
도 10은 PVdF 결합제(PVDF 결합제) 또는 PAA 결합제(새로운 결합제)와 함께 사용된 경우, 평균 입자 크기가 10 ㎛인 TiN 활성 물질의 수명을 예시하고 있으며;
도 11은 PAA 결합제와 조합된, 평균 입자 크기가 5 ㎛인 TiN 물질을 기반으로 한 활성 물질을 혼입하는 전극의 수명을 예시하고 있고;
도 12는 NCM 대조군(베이스라인)과 비교하여 PVdF 결합제와 함께 평균 입자 크기가 10 ㎛인 전극 활성 물질의 DSC 측정을 예시하고 있으며, 이는 열 발생 및 개선된 안전성을 거의 내지 전혀 나타내고 있지 않다.
특정 양태(들)에 대한 하기 설명은 단지 예시적인 성질을 가질 뿐이며, 당연히 변화할 수 있는 본 발명의 범위, 이의 어플리케이션 또는 용도를 어떠한 방식으로도 제한하려는 것이 아니다. 본 발명은 본원에 포함된 비제한적인 정의 및 용어와 관련하여 기재되어 있다. 이들 정의 및 용어는 본 발명의 범위 또는 실시를 제한하는 작용을 하는 것은 아니며, 그보다는 예시적이고 설명적인 목적을 위해서만 제시된다. 방법 또는 조성물이 개별 단계 또는 특정 물질의 사용 순서로서 기재되어 있긴 하지만, 이러한 단계 또는 물질은, 당업자가 본 발명의 설명을 쉽게 이해하는 여러 많은 방식들로 배열된 다수의 부분(part) 또는 단계들을 포함할 수 있도록 상호호환적일 수 있는 것으로 이해된다.
용어 "제1", "제2", "제3" 등이 다양한 요소, 구성성분, 영역, 층 및/또는 구획들을 기재하기 위해 본원에서 사용될 수 있긴 하지만, 이들 요소, 구성성분, 영역, 층, 및/또는 구획들은 이들 용어에 의해 제한되어서는 안됨을 이해할 것이다. 이들 용어는 오로지 하나의 요소, 구성성분, 영역, 층 또는 구획을 또 다른 요소, 구성성분, 영역, 층 또는 구획으로부터 구분하는 데 사용된다. 따라서, 하기에서 고찰되는 "제1 요소", "구성성분", "영역", "층" 또는 "구획"은 본원의 교시로부터 벗어나지 않으면서, 제2(또는 다른) 요소, 구성성분, 영역, 층 또는 구획으로 지칭될 수 있을 것이다.
본원에 사용되는 용어는 특정한 양태를 설명하는 목적을 위한 것일 뿐이며, 제한하려는 것이 아니다. 본원에 사용된 바와 같이, 단수형("a," "an" 및 "the")은 문맥상 명확하게 다르게 지시하지 않는 한, "하나 이상"을 포함하여 복수형을 포함하고자 한다. "또는"은 "및/또는"을 의미한다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 연관된 열거된 항목들 중 하나 이상의 임의의 조합 및 모든 조합을 포함한다. 나아가, 용어 "포함하다" 및/또는 "포함하는" 또는 "수반하다" 및/또는 "수반하는"이 본 명세서에서 사용될 때, 이러한 용어는 언급된 특징, 영역, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 구성성분의 존재를 명시하되, 하나 이상의 다른 특징, 영역, 정수, 단계, 작동, 요소, 구성성분 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 첨가를 배제하지 않는 것으로 이해될 것이다. 용어 "또는 이들의 조합"은 상기 요소들 중 하나 이상을 포함하는 조합을 의미한다.
다르게 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 용어들(기술적 용어 및 과학적 용어 포함)은 본 개시내용이 속하는 당업계의 당업자가 보편적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 나아가, 용어들, 예컨대 보편적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어들은 관련 분야 및 본 개시내용의 맥락에서의 이들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 본원에서 표현적으로 정의되지 않는 한 이상화된 의미 또는 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 것으로 이해될 것이다.
선행 시스템과 비교하여 황의 이용률을 개선하고, 황 캐소드의 용량 페이딩을 감소시키는 새로운 전기화학적 활성 물질이 제공된다. 이러한 물질은 선택적으로 이차 배터리의 캐소드에서 이용성을 가진다. 전기화학적 활성 물질은, 일부 양태에서 황에 대한 호스트로서 역할을 하고 비극성 황 및 극성 폴리설파이드 둘 다에 대해 높은 친화성을 제공하는 다공성 전도성 금속 니트라이드 또는 옥시니트라이드 물질을 포함한다. 이러한 LSB 캐소드 물질의 진보된 성능은 3가지 이유에서 기대된다: (1) 다공성 구조물은 사이클 동안 황 부피 변화를 수용할 것이다; (2) 기계적 강도 및 전도성은 황의 이용률을 높일 수 있을 것이다; 및 (3) 황 및 폴리설파이드 둘 다에 대한 높은 친화성은 황 용해를 최소화할 것이다.
전도성, 다공성 세라믹 호스트는 선택적으로, 고도로 다공성인 금속 옥사이드 전구체를 질화시킴으로써 형성된다. 금속 옥사이드 전구체는 선택적으로, 배터리의 제조에 전형적으로 사용되는 물질과 일반적으로 상용성인 물질로부터 선택적으로 선택되는 금속 옥사이드를 포함한다. 적합한 예시적인 금속 옥사이드로는, II족 내지 V족 원소, Ti, Ta, Cr, Fe, Hf, Si, B, V, Mo, W, Zr, Co, Ni, Nb 또는 이들의 조합의 옥사이드, 예시적으로 SiO2, B2O3, ZrO2, CoO2, NiO, TiO2, B2O3, V2O5, MoO2 또는 WO3가 있다. 옥사이드 전구체 구조물은 선택적으로, 다공성 SiO2 또는 TiO2와 같은 구조물을 밀접하게 따른다. 이들 구조물은 저비용의 전구체를 사용하여 규모 조절 가능한 공정을 사용하여 생성될 수 있고, 높은 부피의 전극 제작 공정과 상용성이다.
TiN을 합성하기 위해, 예를 들어 다공성 TiO2 분말 전구체가 무수 NH3 기체 흐름 하에 열처리될 수 있다. 다공성 TiO2 분말은 유동성 NH3 기체와 함께 튜브형 퍼너스(tubular furnace)(린드 버그(Lind Berg)/블루) 내에 위치한다. 전환은 800~1000℃에서 1~4시간 동안 수행된다. 다공성 구조물을 보존하고 전환을 보장하기 위해, 열 소비율(heat rate), 반응 온도 및 시간이 양호하게 조절되고 최적화된다.
일부 양태에서, 옥사이드 전구체는 질화 공정 이전에, 첨가제, 선택적으로 유기 첨가제를 이용하여 변형된다. 이러한 첨가제의 포함은 후속적인 고온 환원/질화 동안 기저 다공성 구조물을 보호하는 역할을 할 수 있다. 또한, 이러한 첨가제는 입자 성능을 경감시키는 역할을 할 수 있다. 예시적인 유기 첨가제로는, 그 자체가 니트라이드 형성을 할 수 있을 뿐만 아니라 전구체의 기저 금속이 환원/질화됨으로써 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드의 표면을 깨끗하게 하는 온도에서 분해되는 것들이 있으며, 이들은 본원에서 질화제로서 기재될 수 있다. 예시적인 예로는, 카본 니트라이드 구조물을 형성할 수 있는 첨가제가 있다. 첨가제의 구체적이고 예시적인 예로는, 시안아미드, 다이시안다이아미드, 시아누릭 트리아지드(cyanuric triazide) 또는 멜라민 등이 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 일레로, 시안아미드는 에탄올 및 물과 같은 두 유기 용매 모두에서 용해성이어서, 많은 질화 시스템들에서 용이한 사용을 촉구하는 이점을 가진다. 부가적으로, 시안아미드는 550℃ 미만의 온도에서 카본 니트라이드로 축합될 수 있으며, 이는 카본 니트라이드의 형성을 성공적으로 촉진하고 티타늄 다이옥사이드의 신터링(sintering)을 방지할 것이다. 공정 온도가 650℃보다 높게 상승되는 경우, 카본 니트라이드는 분해되어, 순수한 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 다공성 물질이 남게 될 것이다.
TiN을 합성하기 위한 예시적인 양태로서, 수령한 대로의 아나타제 TiO2 전구체(크리스털)를 에탄올 중 시안아미드 5 중량% 용액에서 실온에서 교반하고, 80℃에서 건조한다. 코팅된 첨가제의 두께에 따라 500℃ 바로 위의 온도에서 0.5 내지 3시간 동안의 후속적인 열적 단계에서, 첨가제가 분해되어, 신터링을 저해하는 경질(rigid) 카본 니트라이드 프레임워크가 남게 된다. 첨가제 코팅의 두께에 따라 적절한 시간 동안 온도를 650℃ 바로 위의 온도까지 추가로 상승시킬 때, 카본 니트라이드 프레임워크는 열적으로 분해되고, 질화 작업의 완료 시 휘발화되어, 깨끗한 TiN이 남게 된다.
질화 반응 조건(램프 속도, 온도, 환원성 기체 조성물 및 유속)은 변형된 TiO2에 대해 확인되었다. 최적화된 공정을 위해, 전구체를 튜브형 퍼너스 내에 넣은 다음, 암모니아 하에 가열하였다. 가열 이전에, 시스템을 아르곤을 이용하여 퍼지시키고, 그런 다음 NH3를 이용하여 퍼지시켰다. 생성된 니트라이드 파라미터는 표 1에 예시되어 있다.
표 1: 티타늄 옥사이드로 형성된 예시적인 다공성 금속 니트라이드 구조물의 특성
특성 파라미터
구조물 Fcc
스페이스 기 Fm-3m
표면적 >150 m2/g
기공 크기 2-20 nm
다공성 >50%
일차 입자 크기 5-10 nm
이차 입자 크기 1-5 ㎛
전기 전도성 >104 S/cm
순도 >99.0%
일부 양태에서, 전기화학적 활성 물질은, TiO2 분말화된 기판과 같은 다공성 기판 상에 금속 층을 생성하기 위해 원자 층 증착(ALD; atomic layer deposition)을 포함하는 공정을 통해 형성된다. ALD는 순차적인 자가-한정 표면 반응을 기반으로 하는 고 품질의 박막 증착 기술이다. ALD에서, 기판은, 기판 온도를 요망되는 ALD 온도에 바람직한 온도 범위 내에서 유지시키면서도 2개 이상의 반응물 증기에 순차적으로 노출된다. 전형적인 ALD 공정은 본원에서 A 및 B로 지칭되는 2개의 서로 다른 반응물들을 수반하는 2개의 순차적인 표면 반응을 포함한다. ALD 시스템은 A 반응과 B 반응 사이에서 반응물 기체 및 비-반응성 퍼지 기체로 퍼지될 수 있다. AB 반응 순서는 기공의 벽 상에, 매우 얇은 물질 층, 예를 들어 가능한 한 하나의 원자 층, 또는 부분적인 원자 단일층을 형성한다.
ALD는, 매우 높은 형상비(aspect ratio)(예를 들어 >100)를 갖는 구조물 상에 고 품질의 박막 물질 층, 예를 들어 가능한 한 하나의 층 또는 컨포멀 필름(conformal film)의 부분적인 증착을 생성한다. 코팅되는 갭 또는 기공이 ALD 반응물 기체 분자보다 큰 경우, 반응물 기체는 공간 내로 확산될 수 있다. 반도체, 금속, 옥사이드, 니트라이드 및 다른 물질들을 포함하여 광범위하게 다양한 물질들이 ALD에 의해 증착될 수 있다. 예시적으로, ALD 공정은 금속, 예시적으로 II족 내지 V족 원소의 금속, Ti, Ta, Hf, Si, B, V, Mo, W, Zr, Co, Ni, Nb 또는 이들의 조합, 또는 당업계에서 인지된 이들의 전구체들를 증착시켜, 예시적으로 SiO2, B2O3, ZrO2, CoO2, NiO, TiO2, B2O3, V2O5, MoO2 또는 WO3의 옥사이드 코팅을 생성하는 데 사용될 수 있다. 따라서, ALD 기술은 한번에 하나의 층을 박막으로서 "디지털" 방식으로 증착시킬 수 있다. ALD 증착된 필름의 두께는 ALD 공정의 반복 횟수에 따라 다르다.
예시적인 양태로서, 바나듐 전구체(바나듐 옥시트리이소프로폭사이드; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO)는 ALD 공정에 의해 다공성 TiO2 분말(Sigma)의 표면 상에 코팅된다. 휘발성 바나듐-기반 전구체는 다공성 물질의 완전히 접근 표면에 ALD 가공의 사용을 가능하게 하여, 컨포멀 박막을 생성할 수 있다. ALD 공정을 통해, 다공성 TiO2 기판 상에 VnOx(여기서, n은 1 내지 8이고 x는 1 내지 15임) 층이 형성된다. VOx 층의 두께는 ALD의 사이클 수의 조절을 통해 조절되고 최적화된다.
바나듐 옥사이드 전구체로 코팅된 TiO2 분말(TiO2-VOx)은 무수 NH3 기체 유동 하에 열처리되어, 분말 상의 표면 층을 적어도 전기화학적으로 환원시킨다. 환원된 표면 층 조성물은 환원 공정의 정도에 따라 바나듐 및/또는 티타늄 서브-옥사이드, 옥시니트라이드 또는 니트라이드일 것이다. 환원 공정은 분말의 전자 전도성을 상당히 증가시키는 한편, 황 및 설파이드 화학종에 대한 친화성을 가진 V 및 Ti-기반 부위들의 혼합물을 생성한다. 다공성 TiO2-VOx 분말은 유동하는 NH3 기체와 함께 튜브형 퍼너스(린드 버그/블루) 내에 놓인다. 전환은 450~1000℃에서 1 내지 4시간 동안 수행된다. 환원 공정은 선택적으로, 분말 전구체의 파괴를 피하는 조건에서 수행된다. 다공성 구조물을 보존하고 전환을 보장하기 위해, 열 소비율, 반응 온도 및 시간이 양호하게 조절되고 최적화된다. 바나듐의 환원 및 질화는 티타늄의 환원 및 질화 하에 양호하게 발생하는 것으로 공지되어 있으며, 다공성 구조물 TiO2 호스트가 매우 안정한 온도인 600℃ 미만에서 발생할 것으로 예상될 수 있다. 최종 생성물은 VN을 쉘로서 갖고 TiN-TiOx를 코어로서 가진 코어-쉘 구조물을 가진다. 결과적인 니트라이드 파라미터는 표 2에 예시되어 있다.
표 2: 티타늄 옥사이드로부터 형성된 예시적인 다공성 금속 니트라이드 구조물의 특성
특성 파라미터
조성물 TiOx-TiN-VN
표면적 >150 m2/g
기공 크기 2-20 nm
다공성 >50%
일차 입자 크기 5-10 nm
이차 입자 크기 1-5 ㎛
전기적 전도성 >104 S/cm
순도 >99.0%
유사한 결과는, ALD 또는 다른 증착 공정, 및 후속해서 생성된 물질의 환원 및 질화에 의해 다른 금속 전구체들을 사용하여 다공성 기판을 코팅시킴으로써 수득될 수 있다.
금속 니트라이드 또는 옥시니트라이드 코팅은 다른 유형의 다공성 기판들, 선택적으로 다공성이 20% 내지 80%인 다공성 기판들 상에 형성될 수 있다. 이러한 구성은, 동일한 수의 황 원자가 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 물질과 비교하여 이러한 물질 내에 포함될 수 있기 때문에 벌크 밀도를 저하시킬 것이다. 이로 인해, 전반적으로 더 가벼운 전지 및 더 높은 에너지 밀도가 가능해진다. 다공성 기판의 예시적인 예로는 특히 다공성 탄소 분말, 다공성 탄소 클로쓰(cloth), 탄소 페이퍼, 금속 폼, 금속 메쉬 등이 있다. 이러한 다공성 기판의 예시적인 예로는, 선택적으로 31% 내지 80%의 다공성을 갖는, Heraeus사로부터 입수 가능한 다공성 탄소 분말 또는 Fuel Cells Etc사로부터 입수 가능한 탄소 클로쓰 등이 있으나 이들로 한정되는 것은 아니다. 다른 예시적인 예로는, 마이크로포러스 스피어[Zhang 2010], 메조포러스 나노입자[Schuster 2012], 다공성 중공 탄소[Jayaprakash 2012], 그래핀 옥사이드 시트[Ji, L. 2011], 다공성 탄소 나노섬유[Ji, L.W. 2011] 및 중공 탄소 섬유[Zheng 2011]가 있다. 하나 이상의 금속 옥사이드를 다공성 기판 상에 증착시키는 것은 원자 층 증착(ALD), 화학적 기상 증착(CVD), 물리적 기상 증착(PVD) 및 다른 박막 증착 방법을 포함한 몇 가지 방법들에 의해 수행될 수 있다. 금속 옥사이드 코팅은 임의의 박막 증착 방법 및 후속해서 옥사이드 코팅의 환원 및 질화에 의해 다공성 기판 상에 증착될 수 있다. 대안적으로, 금속 니트라이드 또는 옥시니트라이드 코팅은 ALD 공정의 사용과 같이 증착 공정 동안 다공성 기판 상에 직접 형성될 수 있다.
금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드의 외부 층을 포함하여 다공성 물질의 형성에 대한 예시적인 양태로서, TiO2 박막의 층이 ALD 공정을 통해 다공성 탄소 분말의 표면 상에 코팅된다. 처음에, 다공성 탄소 분말은 N2 분위기 하에 ALD 반응기 내에서 가열된다. ALD 사이클은 TiO2를 다공성 탄소 분말 상에 증착시키기 위해, 티타늄 전구체(티타늄 에톡사이드; Sigma-Aldrich)의 펄스(예를 들어 2초), 및 후속해서 물의 펄스(예를 들어 2초)를 포함할 수 있다. N2 퍼지가 전구체 펄스들 사이에 도입되어, 과량의 전구체 및 반응 부산물을 제거한다. TiO2 층의 두께는 ALD 사이클 횟수의 조절을 통해 조절되고 최적화된다. 일부 양태에서, TiO2 층의 두께는 0.5 나노미터(nm) 내지 3 nm, 또는 이들 사이의 임의의 값 또는 범위이다. 일부 양태에서, 상기 두께는 0.5 nm 미만이다. 다른 양태에서, 상기 두께는 3 nm 초과이다. TiO2-다공성 탄소 분말은 유동성 NH3 기체와 함께 튜브형 퍼너스(린드 버그/블루) 내에 놓인다. 옥사이드 층의 질화는 450℃ 내지 1000℃의 온도에서 1 내지 4시간 동안 수행된다.
금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 층을 다공성 기판 상에 직접 증착시키기 위한 또 다른 예시적인 양태로서, TiO2 박막의 층이 ALD 공정을 통해 다공성 탄소 분말의 표면 상에 코팅된다. 처음에, 다공성 탄소 분말은 N2 분위기 하에 ALD 반응기 내에서 가열된다. ALD 사이클은 TiN을 다공성 탄소 분말 상에 증착시키기 위해, 티타늄 전구체(티타늄 테트라클로라이드; Sigma-Aldrich)의 펄스, 및 후속해서 NH3의 펄스를 포함할 수 있다. N2 퍼지가 전구체 펄스들 사이에 도입되어, 과량의 전구체 및 반응 부산물을 제거한다. TiN 층의 두께는 ALD 사이클 횟수의 조절을 통해 조절되고 최적화된다. 최종 생성물은 균일한 TiN 필름에 의해 덮힌 표면을 가진 다공성 탄소를 가진다. 이러한 방식으로 형성된 예시적인 결과의 TiN-다공성 탄소 파라미터는 표 3에 예시되어 있다.
표 3: 금속 니트라이드 구조물로 코팅된 예시적인 다공성 탄소(Porocarb HD3, Heraeus, Hanau, Germany)의 특성
특성 파라미터
조성물 C-TiN
TiN의 두께 0.1-10 nm
기공 크기 2-50 nm
유사한 결과는, 선택적으로 후속해서 생성된 물질의 환원 및 질화에 의해, 다른 금속 옥사이드, 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드들을 사용하여 다공성 기판(들)을 코팅시킴으로써 수득될 수 있다. 티타늄 니트라이드 물질 및 티타늄 니트라이드 코팅된 다공성 탄소 물질의 이론적 비교 특성은, 각각이 황으로 패킹되어 있고 리튬 상대 전극에 대해 시험되는 조건 하에, 표 4에 예시되어 있다.
　 실시예 1의 베이스라인
TiN		 TiN으로 코팅된 다공성 탄소
벌크 밀도 (g/cc) 5.2 2.4
활성 물질 (wt.%) 50 70
전지 전압 (V) 2.15 2.15
전지 용량 (Ah) 2.15 2.15
비에너지 (Wh/kg) 273 300
에너지 밀도 (Wh/L) 496 512
생성된 다공성 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 구조물은 20% 이상의 다공성을 가진다. 다공성이 부피비로 표현될 수 있기 때문에, 다공성은 전형적으로 퍼센트로 제시되는 무단위 수(unitless number)이다. 일부 양태에서, 다공성은 20% 내지 80%, 또는 이들 사이의 임의의 값 또는 범위이다. 다공성은 선택적으로, 60% 초과, 선택적으로 80% 초과이다. 다공성은 선택적으로 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상이다.
생성된 다공성 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 구조물은 비표면적을 가진다. 비표면적은 질량 단위 당 물질의 총 표면적으로서 정의된다. 다공성 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 구조물의 비표면적은 선택적으로 50 m2/g 이상이다. 일부 양태에서, 다공성 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 구조물의 비표면적은 선택적으로 60 m2/g 이상, 선택적으로 70 m2/g 이상, 선택적으로 80 m2/g 이상, 선택적으로 90 m2/g 이상, 선택적으로 100 m2/g 이상, 선택적으로 110 m2/g 이상, 선택적으로 120 m2/g 이상, 선택적으로 130 m2/g 이상, 선택적으로 140 m2/g 이상, 선택적으로 150 m2/g 이상, 선택적으로 160 m2/g 이상, 선택적으로 170 m2/g 이상, 선택적으로 200 m2/g 이상, 선택적으로 300 m2/g 이상, 선택적으로 400 m2/g 이상, 선택적으로 500 m2/g 이상, 선택적으로 600 m2/g 이상, 선택적으로 700 m2/g 이상, 선택적으로 800 m2/g 이상, 선택적으로 900 m2/g 이상, 선택적으로 1000 m2/g 이상, 선택적으로 1500 m2/g 이상, 선택적으로 2000 m2/g 이상, 선택적으로 2500 m2/g 이상이다. 선택적으로, 다공성 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 구조물의 비표면적은 50 m2/g 내지 2500 m2/g, 또는 이들 사이의 임의의 값 또는 범위이다. 선택적으로, 다공성 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 구조물의 비표면적은 50 m2/g 내지 150 m2/g, 또는 이들 사이의 임의의 값 또는 범위이다. 비제한적인 예로서, Schuster, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2012; 51:3591-3595는, 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 층을 증착시키기 위한 다공성 기판으로서 역할을 할 수 있는 표면적이 2445 m2/g인 메조포러스 탄소 나노입자를 교시하고 있다. Zhang et al., Energy Environ. Sci., 2010; 3:1531-1537은, 마찬가지로 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 층을 증착시키기 위한 다공성 기판으로서 역할을 할 수 있는 다공성이 843.5 m2/g인 마이크로포러스 탄소 스피어를 교시하고 있다. 본원에서 인용된 참조문헌에 기재되어 있고 당업계에 공지된 바와 같은 다른 탄소 공급원들 또한, 본원에 제공된 코팅용 다공성 기파으로서 역할을 할 수 있다.
그런 다음, 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드는 리튬 황 전기화학적 전지에 사용하기에 적합한 전기화학적 활성 물질을 형성하기 위해 황과 조합될 수 있다. 황 활성 물질은 선택적으로, 황 원소(황 원소, S8(예를 들어 승화된 황(Fuchen Chemical, Tianjin)), 황-기반 화합물(선택적으로 Li2S 또는 다른 적합한 황 공급원) 또는 이들의 조합이다. 황-기반 화합물의 예시적인 예로는, Li2Sn(n = 1), 유기 황 화합물 및 탄소-황 중합체 등이 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 기판 상에 로딩되는 황의 양은 선택적으로, 30 중량% 내지 80 중량%, 또는 이들 사이의 임의의 값 또는 범위, 선택적으로 40 중량% 내지 80 중량%의 범위이다.
금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드를 포함하는 전기화학적 활성 물질은 선택적으로, 전기 전도성 충전제와 조합된다. 예시적인 전도성 충전제는 선택적으로 탄소를 포함한다. 당업계에 인지된 바와 같이 배터리에 사용되기에 적합한 탄소 물질이 사용될 수 있다. 탄소 물질의 예시적인 예로는, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 합성 그래파이트, 예컨대 팽창된(expanded) 그래파이트, 그래파이트 나노시트, 그래파이트 나노플레이틀릿, 그래핀 시트, 비-합성 그래파이트(천연 그래파이트 및 코크(coke) 포함) 및 그래핀화된 탄소 나노섬유 등이 있다. 전기화학적 전도성 충전제가 선택적으로 5 내지 30 중량%, 또는 이들 사이의 임의의 값 또는 범위, 선택적으로 10 내지 30 중량%, 선택적으로 10 내지 25 중량%, 선택적으로 15 내지 25 중량%로 사용된다. 일부 양태에서, 전기 전도성 충전제는 존재하지 않는다.
금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드를 포함하는 전기화학적 활성 물질은 선택적으로 결합제와 조합된다. 결합제로는 선택적으로, 폴리비닐리덴 다이플루오라이드(PVdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PFTE), 라텍스 중합체 또는 공중합체, 카르복시메틸 셀룰로스(CMC), 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐 알코올(PVA) 또는 이들의 조합 등이 있다. 일부 양태에서, 결합제가 존재하지 않는다. 선택적으로, 결합제는 0 내지 20 중량%, 선택적으로 5 내지 15 중량%로 존재한다.
금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드를 포함하는 전기화학적 활성 물질은 선택적으로, 전기 전도성 기판 상에 코팅된다. 기판과 결합되는 경우, 상기 기판은 선택적으로, 비제한적으로 구리, 스테인리스강, 티타늄, 또는 탄소 페이퍼/필름, 비-관통된 금속 호일, 알루미늄 호일, 니켈 및 알루미늄을 포함하는 피복(cladding) 물질, 구리 및 알루미늄을 포함하는 피복 물질, 니켈 도금 강(plated steel), 니켈 도금 구리, 니켈 도금 알루미늄, 금, 은, 임의의 다른 적합한 전기 전도성 및 불투과성 물질 또는 이들의 임의의 적합한 조합을 포함하는 임의의 적합한 전기 전도성 및 불투과성 또는 실질적으로 불투과성 물질로 형성된다. 일부 양태들에서, 기판은 하나 이상의 적합한 금속 또는 금속들의 조합(예를 들어, 합금, 고체 용액, 도금된 금속)으로 형성될 수 있다. 선택적으로, 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드를 포함하는 전기화학적 활성 물질은 기판과 결합되지 않는다.
본원에 기재된 바와 같은 양태가 본원에 의해 실질적으로 제공된 바와 같은 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드를 포함하는 전기화학적 활성 물질로 형성된 전극을 사용하는 전기화학적 전지가 또한 제공된다.
전기화학적 전지는 선택적으로, 애노드 활성 물질을 포함하는 애노드를 포함한다. 일부 양태에서, 애노드 활성 물질은 선택적으로 실리콘, 그래파이트 탄소, 실리콘 탄소 복합물, 주석, Ge, Sb, Al, Bi, As, Li 금속, 리튬 합금, 금속 합금, 전이 금속 옥사이드, 니트라이드 물질, 설파이드 물질 및 이들의 조합을 포함한다. 애노드 활성 물질로서 사용되기 위한 금속 합금의 예시적인 예로는 실리콘 합금이 있다. 일부 양태에서, 애노드는　리튬　금속,　리튬　이온, 및/또는 하나 이상의　리튬　합금, 예컨대　리튬　알루미늄 합금,　리튬 실리콘 합금 및 리튬 주석 합금을 포함한다. 애노드에 적합한 부가적인 물질로는 리튬　탄소, Li―Sn2O3 및 Li―SnO2　기반 물질이 있다. 이러한 물질은 호일 또는 압축-분말 시트와 같은 다양한 형태로 존재할 수 있다. 애노드는 또한, 임베디드(embedded) 집전 장치를 포함할 수 있다.
전기화학적 전지는 전해질을 포함한다. 전해질은 선택적으로, 고체 또는 유체 전해질이다. 예시적으로, 전해질은 리튬 염 및 비-수성 유기 용매를 포함한다. 리튬 염은 선택적으로, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiCl, LiI 또는 LiB(C2O4)2(리튬 비스(옥살라토) 보레이트; LiBOB), 비스-(트리플루오로메탄)설폰아미드 리튬 (LiTFSI), LiNO3이다. 리튬 염은 선택적으로, 약 0.1 M 내지 약 2.0 M 범위의 농도로 존재한다. 리튬 염이 상기 농도 범위로 포함되는 경우, 전해질은 최적의 전해질 전도성 및 점도로 인해 우수한 성능 및 리튬 이온 이동성을 가질 수 있다.
전기화학적 전지는 선택적으로, 분리기를 포함한다. 분리기는 예를 들어, 중합체, 예컨대 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 유리 섬유, 또는 유사한 중합체 및 무기 첨가제, 예컨대 클레이(clay) 또는 유기적으로 변형된 클레이(예를 들어, 양이온적으로 또는 음이온적으로 또는 화학적으로 변형된 표면 관능기(들)를 포함하는 클레이)로 제조될 수 있다. 다른 분리기 물질이 또한, 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 양태들은 하기 비제한적인 실시예에 의해 예시된다. 실시예는 예시를 목적으로 하는 것일 뿐, 본 발명의 임의의 실시에 제한을 두지 않는다. 변화 및 변형들이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
실시예 1: 황-금속 니트라이드 복합물 합성
전기화학적 활성 다공성 TiN 구조물을 아나타제 TiO2 전구체(Cristal, Woodridge, IL)로부터 제조한다. TiO2를 실온에서 에탄올 중 시안아미드의 5 중량% 용액에서 교반하고, 80℃에서 대략 12시간 동안 건조하였다. 후속적인 열적 단계에서, 첨가제를 500℃보다 높은 온도에서 0.5 내지 3시간 동안 분해시켜, 신터링을 저해하는 경질 카본 니트라이드 프레임워크를 남긴다. 온도를 650℃보다 높게 증가시킬 때, 카본 니트라이드 프레임워크가 열적으로 분해되고, 질화 작업의 완료 시 휘발화되어, 깨끗한 TiN이 수득된다.
생성된 TiN 구조물을 JEOL JSM 7001F를 사용하는 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 구축된 절차에 따라 검정한다. SEM 이미지는 도 1에 예시되어 있으며, 평균 직경이 20 나노미터(nm) 미만인 입자 및 다공성이 50%인 고도로 다공성인 마이크로구조물을 예시하고 있다.
TiN 구조물에 대한 질소 흡착 및 탈착 등온선을, Micrometrics ASAP 2020 물리흡착 분석기를 사용하여 질소 흡착에 의해 특징화하였다. BET 표면적을 계산하였다. 기공 크기 분포를, 바렛-조이너-할렌다(BJH; Barrett-Joyner-Halenda) 모델을 사용하여 등온선의 흡착 분지로부터 유도하였다. 생성된 등온선은 도 2에 예시되어 있으며, 메조포러스 구조물을 예시하고 있다.
활성 TiN 물질의 마이크로구조물을 XRD에 의해 연구하고, 참조 물질(American Elements(Los Angeles, CA)사의 비-다공성 TiN 전구체) 및 수령한 대로의 아나타제 전구체(American Elements(Los Angeles, CA))과 비교하였다. XRD 패턴을 Cu Kα 방사선(λ=1.54 Å)을 사용하여 Philips X'Pert 분말 X-선 회절 장비 상에서 수합하였으며, 스캔 속도는 10-90°의 범위에서 2°/분이었다. 3개 시료들의 생성된 XRD 패턴은 도 3에 예시되어 있다.
실시예 2:
다공성 TiN 매트릭스를 용융된 황 원소의 용융-확산을 통해 주입한다. 전형적으로, 10~12 g의 상업적인 황 분말 및 10 g의 다공성 TiN 생성물을, 스피드 믹서(FlackTek Inc.)를 이용하여 800 rpm에서 5분 동안 균질하게 혼합할 수 있다. 혼합물을 용기로 옮긴 다음, 진공(<-0.08 MPa) 하에 밀봉한다. 그런 다음, 밀봉된 용기를 오븐에 넣고, 160℃ 내지 180℃의 온도까지 가열하고, 표적 온도에서 밤새 유지시킨다. 실온까지 냉각 후, 황이 함침된 TiN 분말은 추가의 특징화 및 전극 제작에 사용될 준비가 된 것이다. 물질의 시각적인 조사 결과 검정색이 나타나며, 이는 TiN 구조물의 기공 내 황의 캡슐화를 가리킨다.
함침된 TiN 분말을 열중량 측정 분석기(TGA Q500, TA Instruments)를 사용하여 열중량 측정 분석(TGA)에 의해 분석한다. TGA 분석을 위해, TiN-황 혼합물을 연속적인 질소 분위기 하에 10℃ min-1의 가열 속도로 25℃로부터 600℃까지 가열시킨다. 도 4에 예시된 바와 같은 결과는 TiN 구조물 내에 52 중량%의 황이 함침되어 있음을 가리켰다. 형성된 결과적인 구조물의 평균 직경은 10 ㎛이었다.
실시예 3: LSB 캐소드 제작
실시예 2의 활성 LSB 캐소드 물질을 N-메틸-2-피롤리디논(NMP) 중 전도성 탄소(Denka) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 결합제와 80% 황 함침된 TiN, 14% 탄소 및 6% 결합제의 비율로 혼합하며, 퍼센트는 중량 퍼센트이다. 고형 분말을 NMP 용매에 분산시켜 캐소드를 제조하였다. 혼합 조건을 조절하여, 코팅 슬러리를 형성한다(즉, 100 rpm에서 점도가 1000 내지 8000 cPs임). 슬러리를 알루미늄 호일(200 cm2) 상에 황 함량을 기준으로 0.56 mg/cm2의 로딩(loading)으로 핸드 캐스트(hand cast)한다. 전극이 건조한 경우, 이를 표적 다공성 30%까지 캘린더(calender)한다.
생성된 전극을 시각적으로 조사하면, 응집물이 없는 매끄러운 표면이 나타난다. 전극을 도 5에 예시된 바와 같이 추가로 분석한다. SEM은 전극 표면 전체에 걸쳐 전극 구성성분의 균일한 분산을 가리킨다.
실시예 4: LSB 캐소드의 전기화학적 성능
캐소드 제형 및 구조물을, 상대 전극으로서 리튬 금속을 가진 LSB 완전(full) 전지에서 확인하였다. 1,3-다이옥솔란(DOL) 및 1,2-다이메톡시에탄(DME)(1:1 v/v)의 혼합물 중 1 M 비스-(트리플루오로메탄)설폰아미드 리튬(LiTFSI)을 전해질로서 사용하였다. LSB에 대한 전지 작동 전압은 1.5 내지 3.0 V이었다. 실시예 2 및 3의 황 함침된 TiN을 대조군인 메조포러스 탄소(Porocarb HD3, Heraeus, Hanau, Germany)와 비교하고, TiN과 동일한 조건을 사용하여 제조한다.
실시예 3의 황 함침된 TiN 물질(나비타스 세라믹 캐소드)의 전기화학적 성능은 도 6에 예시되어 있으며, 이는 메조포러스 탄소(베이스라인 캐소드)와 비교하여 2.1 V에서 훨씬 더 긴 평탄부를 나타내며, 상기 평탄부는 거의 900 mAh/g 비용량까지 연장되고 있다. 메조포러스 탄소 대조군과 비교한 가역 용량은 표 4에 예시되어 있으며, 예시적인 황 함침된 TiN 물질의 훨씬 더 큰 가역 용량을 나타내고 있다.
황 호스트 1st Dis. (mAh/g) 1st Ch. (mAh/g) 2nd Dis (mAh/g)
대조군 1439 630 565
TiN 캐소드 1336 994 898
용량 및 에너지는, 우선 Maccor 자동화된 사이클러 상에서 낮은 C-속도(C/10)에서 전지 용량 및 에너지를 시험함으로써 평가된다. 3개의 전지를 재현성에 대해 시험한다. 비에너지(Wh/kg)를 충전/방전 곡선의 전압, 전류 및 시간, 및 LSB 전지의 중량을 기반으로 계산한다. 그 결과를 이론적 용량 및 에너지와 비교한다. C/10 용량 및 에너지를 또한, 후속적인 속도 용량 및 수명 시험을 위한 베이스라인으로서 사용한다.
충전 및 방전 용량을, 증가적으로 더 높은 C-속도(C/10, C/5, C/2, 1C 및 2C)에서 측정하여, 속도 용량을 평가한다. 상이한 C-속도에서의 방전 용량 체류율을, 해당 C/10에 대한 특정한 C-속도에서 전지 용량으로부터 계산한다. 메조포러스 탄소 전극 대조군과 비교하여 용량 체류율을 도 7에 예시하며, 이 도 7은 0.2C 초과에서 시험된 모든 C-속도에서 황 함침된 TiN 캐소드 물질의 훨씬 개선된 용량을 나타내고 있다. 2C 속도에서, 유지된 용량은 대조군보다 황 함침된 TiN 캐소드 물질의 경우 2배 더 크다.
전지 수명 시험을 실온에서 +0.5C/-0.5C 속도에서 수행하였으며, 메조포러스 탄소 대조군과 비교한 결과를 도 8에 예시한다. 시험 전극의 초기 용량은, 베이스라인 메조포러스 탄소 전극의 경우 0.25 mAh/cm2인 것과 비교하여 0.39 mAh/cm2이었다. 시험 전극의 수명도 유사하게, 대조군보다 훨씬 더 컸으며, 시험용의 경우 사이클 100에서 잔여 용량이 65%이었으며, 대조군의 경우에는 잔여 용량이 46%에 불과하였다.
실시예 5:
LSB 캐소드 물질의 제2 제형을 실시예 1 내지 3의 동일한 조건을 사용하여 제조하되, 이들 실시예의 10 ㎛ 평균 입자 크기 TiN 물질가 볼 밀링으로 처리되어, 황 함침된 LSB 물질에 대해 평균 입자 직경이 5 ㎛인 물질이 수득되었다. 10 ㎛ 물질 또는 5 ㎛ 물질을 사용하여, 상기와 같은 PVdF 결합제 또는 다른 조건은 유지한 채 실시예 3의 PVdF 결합제 대신에 폴리(아크릴산)(PAA) 결합제를 사용함으로써 제조된 것을 사용하여, 활성 캐소드 물질을 형성하였다. 시험 전지를 제조하고 실시예 4에 따라 시험하였으며, DSC 시험을 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2의 비교물질을 베이스라인으로서 사용하여 수행하였다.
도 9는, 동일한 결합제 물질을 사용하여 평균 입자 크기가 10 ㎛로부터 5 ㎛까지 감소된 경우, 훨씬 개선된 수명이 달성되고, 우수한 용량이 40 사이클 이상까지 유지된다고 예시하고 있다.
PVdF 대신 PAA가 결합제 물질로서 사용되고 TiN 물질이 동일한 입자 크기(10 ㎛)를 갖고 있는 경우, 결합제로서 PAA를 사용하면, 도 10에 예시된 바와 같이 PVdF 결합제 물질과 비교하여 훨씬 더 낮은 속도에서 감소하는 증가된 수명 및 우수한 전기화학적 성능이 수득된다.
도 11은 PAA 결합제와 조합된 경우 5 ㎛ 평균 입자 크기 TiN 물질로 형성된 물질의 우수한 수명을 예시하고 있으며, 이는 고도로 우수한 특징을 나타내고 있으며 100 사이클에서 용량 손실이 매우 작으며, 200 사이클에서 잔여 용량이 80% 초과이다.
실시예 6:
실시예 3의 전극 물질을, 안전성을 위해 LSB 물질 대신 NCM 523을 사용한 점을 제외하고는, 동일한 방식으로 제조된 전극 물질과 비교하였다. Si 복합물 애노드의 안전성 및 남용 용인성(abuse tolerance)은 시차 주사 열량계(DSC)에 의해 수행되었다. DSC는 개체의 열적 반응을 가능하게 하고, 넓은 온도 범위에 걸쳐 측정되는 전지 구성성분들의 조합을 선별하였다. DSC는 전극의 국소 전하 상태의 정성적 측정을 가능하게 하며, 상기 전하 상태는 전지의 열적 반응성에 영향을 미쳐, 전지의 열 폭주뿐만 아니라 전지의 자가-방출을 초래한다.
DSC 측정을 실시예 3의 물질에 대해 수행하였으며, NCM-기반 전극과 비교하였다. 측정을 분해된 전지뿐만 아니라 실험실 반전지 상에서 수행하여, 조절된 조건 하에 개별 전극 변화를 상세하게 특징화할 수 있었다. 전지들이 형성된 후, 이러한 전지들을 아르곤-충전된 글러브박스 내에서 완전히 하전 및 분해시켰으며, 전극을 수합하고, 옮겼고, DSC 팬에서 밀봉하였다. DSC 측정을 N2 하에 30℃ - 400℃에서 5℃/분의 가열 속도로 수행하였다.
도 12는 NCM 전극으로부터 예상되는 큰 온도 방출을 예시하고 있다. 그러나, LSB 캐소드는 열 발생을 나타내지 않았으며, 크게 개선된 안전성을 나타낸다.
유사한 결과는, 다공성 기판(들)을 코팅시키기 위해 다른 금속 옥사이드, 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드를 사용하고 후속적으로 생성된 물질을 환원 및 질화시킴으로써 수득될 수 있다.
전체적으로, 본원에 제공된 다공성 세라믹 캐소드 물질은 저렴한 비용, 높은 전도성, 안정성을 나타내고, 황 및 폴리설파이드 둘 다에 대한 높은 친화성을 가진다. 이러한 신규 캐소드는 현재의 황 캐소드 물질이 갖는 한계점을 해결하고, EV 배터리 에너지 밀도 및 수명 표적을 충족시키는 데 필요한 높은 황 로딩을 가능하게 한다.
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본원에 도시되고 기재된 것들 이외에 본 발명의 다양한 변형들은 상기 설명의 분야의 당업자들에게 명확할 것이다. 이러한 변형들 또한, 첨부된 청구항의 범위 내에 속하는 것이다.
모든 시약들은 다르게 명시되지 않는 한 당업계에 공지된 공급원들에 의해 수득 가능한 것으로 이해된다.
명세서에서 언급된 특허, 공개 및 출원들은 본 발명이 속한 당업계의 당업자의 수준을 가리킨다. 이들 특허, 공개 및 출원들은 각각의 개별 특허, 공개 또는 출원이 원용에 의해 본 명세서에 구체적이고 개별적으로 포함된 것과 동일한 범위로 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (29)

  1. 전기화학적 활성 물질로서,
    금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드를 포함하며, 황이 함침되어 있거나 또는 황과 접촉되어 있는, 전기 전도성 다공성 구조물(porous structure);
    선택적으로 전기 전도성 충전제(filler); 및
    선택적으로 결합제(binder)로서, 상기 다공성 구조물은 상기 결합제와 혼합되는 것인, 결합제
    를 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드가 전기 전도성인, 전기화학적 활성 물질.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구조물의 다공성이 20% 이상인, 전기화학적 활성 물질.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구조물의 다공성이 50% 이상인, 전기화학적 활성 물질.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구조물의 표면적이 50 m2/g 이상인, 전기화학적 활성 물질.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구조물의 표면적이 150 m2/g 이상인, 전기화학적 활성 물질.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드가 Ti, Si, Cr, Fe, B, V, Mo, W, Zr, Co, Ni, Nb 또는 이들의 조합을 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결합제가 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 다이플루오라이드, 라텍스 결합제, 카르복시메틸셀룰로스, 폴리(아크릴산), 폴리비닐 알코올 또는 이들의 조합을 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기화학적 활성 물질이 하나 이상의 전기 전도성 충전제를 추가로 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기 전도성 충전제가 탄소를 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 탄소가 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유; 팽창된(expanded) 그래파이트, 그래파이트 나노시트, 그래파이트 나노플레이틀릿(nanoplatelet), 그래핀 시트를 포함하는 합성 그래파이트, 천연 그래파이트 및 코크(coke)를 포함하는 비-합성 그래파이트, 그래핀화된(graphitized) 탄소 나노섬유 또는 이들의 조합인, 전기화학적 활성 물질.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드가 다공성 탄소와 혼합되는, 전기화학적 활성 물질.
  13. 제12항에 있어서,
    다공성 탄소와 혼합된 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드를 포함하는 복합 구조물이, 상기 다공성 탄소를 0.01 중량% 내지 90 중량%로 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드가 상기 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드의 표면의 적어도 일부를 코팅하는 첨가제를 추가로 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 첨가제가 질화제인, 전기화학적 활성 물질.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 첨가제가 유기 분자인, 전기화학적 활성 물질.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 첨가제가 카본 니트라이드 구조물을 형성할 수 있는, 전기화학적 활성 물질.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 첨가제가 시안아미드인, 전기화학적 활성 물질.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드가 다공성 스캐폴드 물질의 표면 상에 코팅되는, 전기화학적 활성 물질.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 다공성 스캐폴드 물질이 탄소를 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 다공성 스캐폴드 물질이 마이크로포러스(microporous) 스피어(sphere), 메조포러스(mesoporous) 나노입자, 다공성 중공 탄소, 그래핀 옥사이드 시트, 다공성 탄소 나노섬유, 중공 탄소 섬유, 금속 폼(foam), 금속 메쉬 또는 이들의 조합의 형태로 존재하고,
    선택적으로 상기 다공성 스캐폴드 물질이 탄소, 그래핀, 그래핀 옥사이드, 금속 및 이들의 조합을 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  22. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드 구조물이 코어(core)로서 작용하며,
    상기 전기화학적 활성 물질이 상기 코어 상에 코팅을 추가로 포함하고,
    상기 코팅이 선택적으로, 상기 코어와는 다른 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드를 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 코어가 티타늄 니트라이드 또는 티타늄 옥시니트라이드를 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 코어가 티타늄 니트라이드 또는 티타늄 옥시니트라이드를 포함하고,
    상기 코팅이 바나듐을 포함하는, 전기화학적 활성 물질.
  25. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 니트라이드 또는 금속 옥시니트라이드가 다공성 호스트 물질 상에 코팅되어 니트라이드 호스트 물질을 형성하고,
    선택적으로 다공성의 상기 호스트 물질이 다공성 탄소 호스트 물질인, 전기화학적 활성 물질.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 니트라이드 호스트 물질이 황으로 추가로 함침되어 있는, 전기화학적 활성 물질.
  27. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기화학적 활성 물질이 전기 전도성 기판 상에 코팅되는, 전기화학적 활성 물질.
  28. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기화학적 활성 물질이 리튬 황 배터리 내에 캐소드로서 배치되는, 전기화학적 활성 물질.
  29. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공성 구조물은 104 S/cm 초과의 전기 전도성을 가지는, 전기화학적 활성 물질.
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