KR20110009637A - 특히 재충전 가능한 리튬 이온 배터리를 위한 신규한 전극 재료 - Google Patents

특히 재충전 가능한 리튬 이온 배터리를 위한 신규한 전극 재료 Download PDF

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Abstract

설명된 방법은 n-도핑 또는 p-도핑 반도체 재료에 의하여 산화전극 재료 및 환원전극 재료의 선택 및/또는 설계를 허용한다. 이러한 도핑된 재료는 이온 배터리의 리튬의 전극에서 사용하기에 적절하다. 한 장점으로서, 산화전극 및 환원전극이 동일한 반도체 재료로부터 유도되는 산화전극 및 환원전극을 사용하여 제조될 수 있다.

Description

특히 재충전 가능한 리튬 이온 배터리를 위한 신규한 전극 재료 {NEW ELECTRODE MATERIALS, IN PARTICULAR FOR RECHARGEABLE LITHIUM ION BATTERIES}
본 발명은 재충전 가능한 리튬 이온 배터리에 적절한 신규한 전극 재료, 특히 산화전극(anode) 및 환원전극(cathode) 재료를 선택하고 설계하는 방법, 이러한 신규한 재료, 그리고 이러한 재료를 포함하는 배터리에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리는, 가장 우수한 에너지-대-중량 비율을 가지고, 기억효과(memory effect)가 없으며, 사용하지 않을 때 전하 손실이 느린, 재충전 가능한 배터리의 가장 인기 있는 유형 중 하나이다. 리튬-이온 배터리는 높은 에너지 밀도로 인하여 여러 적용분야에서 인기를 얻고 있다.
리튬 이온 배터리의 세 가지의 기본적인 기능적 구성요소는 산화전극, 환원전극, 전해질이며, 이들을 위하여 다양한 재료가 사용될 수 있다. 통상적인 리튬-이온 셀의 (방전 동안) 음의(negative) 전극(산화전극)이 탄소, 더 정확히는 그래파이트로 제조된다. (방전 동안) 양의(positive) 전극(환원전극)은 알반적으로 세 가지의 재료, 즉 리튬 코발트 옥사이드와 같은 적층(layered) 산화물, 리튬 아이언 포스페이트와 같은 폴리음이온계 재료, 또는 리튬 망가니즈 옥사이드와 같은 스피넬 구조 재료 중 한 가지로 제조된다. 세 번째의 기능적 구성요소인 전해질은 유기 용매에 용해된 리튬 염이다.
산화전극, 환원전극, 전해질을 위한 재료 선택에 따라, 리튬 이온 배터리의 전압, 용량, 수명, 및 안정성이 급격하게 변화할 수 있다.
산화전극과 환원전극은 모두 리튬이 이들의 안팎으로 이동할 수 있는 재료이다. 산화전극 또는 환원전극으로 리튬이 이동하는 과정은 본 명세서에서 층간삽입(intercalation)으로 지칭되며, 리튬이 산화전극 또는 환원전극으로부터 이동하는 역과정은 층간탈리(deintercalation)로 지칭된다. 셀이 방전될 경우, 리튬이 산화전극으로부터 나와 환원전극으로 삽입된다. 셀이 충전될 경우, 역과정이 일어난다. 즉, 리튬이 환원전극으로부터 나와 산화전극으로 삽입된다.
리튬 이온이 이동할 경우뿐만 아니라 전자가 회부 회로를 통하여 흐를 경우에도 유용한 일을 얻을 수 있다. 그러므로 전자 제거 및 수용이 용이한 것이 적절하다.
반응 및 사이클의 횟수는, 예를 들어 안정한 화합물, 즉 충전 조건에서 더 이상 가역적이지 않은 Li2O와 같은 화합물의 발생에 의하여 제한된다.
비록 신규한 전극 재료가 지난 수 년 동안 개발되어 왔지만, 예컨대 더 큰 용량 및/또는 더 많은 재충전 사이클을 가지는 더욱 우수한 재료에 대한 요구가 여전히 존재한다.
그러므로, 산화전극 및/또는 환원전극용의 전극 재료를 설계하고 선택하는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 대체적인 목적이다.
이제, 이를 비롯한 본 발명의 다른 목적을 실행하기 위하여(이는 설명이 진행됨에 따라 더욱 쉽게 명백해질 것임), 본 발명의 방법이 다음 단계를 포함하는 특징을 나타낸다.
A) 기초 반도체 재료를 고르는 단계, 상기 기초 반도체 재료는 니트라이드, 카바이드, 보라이드, 아르세나이드, 안티모나이드, 설파이드, 포스파이드, 옥사이드, 하이드라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되고, 상기 기초 반도체 재료는 적어도 두 가지의 상이한 원소들을 포함하는데, 이 원소들은 적어도 1.5의 전기음성도를 가지며 안정한 상태, 바람직하게는 가장 높은 산화 상태(가장 양성(positive)) 또는 가장 높은 환원 상태(가장 음성(negative))에 있음,
B) A)에서 제공되는 재료로부터, 낮은 변형 일(deformation work)로써 Li 이온의 층간삽입/층간탈리를 가능하게 하는 결정 구조를 가지는 재료를 선택하는 단계,
C) A)에서 제공되는 기초 반도체 재료로부터, 원자가대(valence band)와 전도대(conduction band) 사이의 큰 에너지 갭(energy gap) 또는 밴드 갭(band gap) ΔE를 가지는 재료를 선택하는 단계,
D) 충전시 리튬을 방출하는 리튬 포함 활성 전극 재료 및/또는 충전시 리튬을 수용하는 활성 전극 재료 선택하거나 설계하는 단계, 상기 활성 전극 재료는 A)의 기초 반도체 재료에 기초함, 및
E) B) 및 C)의 기준을 서로 고려하여 D)의 재료로부터, 개선된 특징을 가지는 활성 전극 재료를 선택하는 단계
여기서 B) 내지 D)의 순서는 자유롭다.
적절한 전극 재료를 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
본 발명의 방법에 의하여 수득 가능하고 바람직하게는 동일한 기초 재료에 기초하는, 적어도 하나, 바람직하게는 두 전극을 포함하는 배터리(또는 적어도 이의 갈바니 소자)를 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
뜻밖에도 발명자들은 특정 기준이 최적화될 경우, 예를 들어 단계 A) 내지 E)를 포함하는 본 발명의 방법이 적용될 경우, 전극 재료의 품질을 예측할 수 있고, 전극 재료를 설계할 수 있음을 발견했다.
단계 A)는 기초 반도체 재료를 고르는 것을 포함하고, 상기 기초 반도체 재료는 니트라이드, 카바이드, 보라이드, 아르세나이드, 안티모나이드, 설파이드, 포스파이드, 옥사이드, 하이드라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되지만, 니트라이드, 카바이드, 보라이드 및 이들의 조합과 같이, 니트라이드, 카바이드, 보라이드 포스파이드 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 주로 선택되며, 상기 기초 반도체 재료는 두 가지의 상이한 원소들을 포함하는데, 이 원소들은 적어도 1.5의 전기음성도를 가지고, 안정한 상태 (예를 들어 V+III), 바람직하게는 가장 높은 산화 상태(가장 양성) 또는 가장 높은 환원 상태(가장 음성)에 있다.
단계 B는 단계 A에 제공된 재료로부터, 가능한 한 작은 변형 일로써 Li 이온의 층간삽입/층간탈리를 가능하게 하는 결정 구조를 가지는 재료를 선택하는 것을 포함한다. 이러한 재료는 예를 들어 결정 격자 및/또는 큰 면간 공간(interplanar space)에 피드스루(feedthrough)(빈 격자 자리)를 가지는 것이다.
적절한 재료는 예를 들어 다음 결정 구조 중 하나를 가지는 것이다: 그래파이트 및 헤테로그래파이트, 소듐 클로라이드, 세슘 클로라이드, 징크 블렌드(스팰러라이트) 및 부르자이트(wurtzite), 실리콘 니트라이드, 텅스텐 카바이드, 니켈 아르세나이드, 칼슘 플루오라이드, 루타일/브루카이트/아나타제, 카드뮴 클로라이드/카드뮴 아이오다이드, 파이라이트, 스피넬, 및 가네트. 또한 보라이드, 카바이드 및 포스파이드가 적절하다.
단계 C는 단계 A에 제공된 재료로부터, 최고준위 점유 분자 오비탈(highest occupied molecular orbital, HOMO)과 최저준위 비점유 분자 오비탈(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO) 사이의 큰 에너지 갭 ΔE, 또는 - 고체에 더욱 부합하게는 - 원자가대와 전도대 사이의 큰 밴드 갭을 가지는 재료를 선택하는 것을 포함한다. 더 나아가, 명세서에서 용어 "에너지 갭" 및 "밴드 갭"이 주로 동의어로 사용될 것이다. 일반적으로, 원하는 성능을 얻기 위하여 갭 ΔE가 3V 이상이어야 한다.
단계 D는 단계 A의 재료에 기초하는, 충전시 리튬을 방출 및/또는 충전시 리튬을 수용하는 리튬 포함 재료를 선택하거나 설계하는 것을 포함한다. 두 종류의 재료, 즉 Li 층간삽입 및 Li 층간탈리 재료는, 동일한 기초 반도체 재료에 기초할 수 있다. 기초 반도체 재료로부터 유도된 이러한 재료는 또한 도핑된 재료, 더욱 구체적으로는 p-도핑된 재료 또는 n-도핑된 재료로 지칭된다.
충전시, Li+-이온의 이동에 대하여 부언하자면, p-도핑의 경우에 원자가대의 전자 상태가 비워질 것이고, 반면 n-도핑의 경우에 전도대 상태가 채워질 것이다.
이렇게 본 방법은 동일한 기초 반도체 재료에 기초한 n-도핑된 산화전극 및 p-도핑된 환원전극 재료를 선택하도록 한다.
산화전극의 충전에 있어서, Li 이온이 "안정한" 반도체 재료에 층간삽입된다. 환원전극 형성에 있어서, 격자 공간의 일부가 보통 덜 전기음성적인 원자에 의하여 채워지고, 임의의 피드스루 및/또는 간극(interspace)이 Li로 "채워져" 충전되지 않은 안정한 환원전극 재료가 충전시 리튬 층간탈리를 야기한다. 적절한 재료는 예를 들어 BC, 더 정확히는 M이 2가 금속, 바람직하게는 Mg인 p-도핑 및 n-도핑된 MIIB2C2; LiBC와 유사하지만 피드스루를 가지는, 도핑시 예를 들어 LixMgB2C2 및 LixMg1-xBC를 생성하는 중성 재료이다. 또 다른 산화전극 재료는 LixVN과 같은 LixMN; LixTiC 및 LixSiC와 같은 LixMC이고, 각각에 대한 환원전극 재료는 LixV1-x/3N과 같은 LixM1-x/3N; LixTi1-x/4C 및 LixSi1-x/4C와 같은 LixM1-x/4C이다.
단계 E는 단계 D의 재료로부터, 단계 B 및 단계 C의 기준을 서로 고려하여 원하는 특징을 가지는 전극 재료를 선택하는 것을 포함한다.
단계 B 및 단계 C가 서로 독립적이기 때문에, 이들은 임의의 순서, 다시 말해서, 동시에, 즉 병행하여, 또는 단계 B 후에 단계 C, 또는 단계 C 후에 단계 B로 수행될 수 있다. 뿐만 아니라, 단계 B 및/또는 단계 C가 단계 D 전 또는 후에 수행될 수 있다. 단계 B 및/또는 단계 C가 단계 D 전에 수행되는 경우에, 유리할 수 있는 사전선택을 한다.
이러한 기준 또는 상기한 방법 각각이 그래파이트 및 금속에 유사하게 적용될 수 있다. 반도체 재료의 도핑과 유사하게, 금속의 p-도핑의 경우에 페르미 준위 아래의 전자 상태가 비워질 것이고, n-도핑의 경우에 페르미 준위 위의 전자 상태가 채워질 것이다.
달성할 전기화학 전위는 반도체 및 금속 경우에 각각에 대하여 완전히 p-도핑된 상황과 완전히 n-도핑된 상황 사이의 에너지 차이에서 최대일 것이다. 전위 프로파일은 각각의 밴드 갭에 의존하고, 화합물의 유형, 조성 및 구조에 의존하는 실제 상태밀도의 추이에 의존한다. 큰 전위와 동시에 큰 전기화학 용량을 달성하기 위하여, n-도핑된 준위와 p-도핑된 준위 간의 에너지 차이가 가능한 한 커야 하고, 상태밀도(density of states, DOS)의 최대값이 이러한 준위들이거나 이에 가까워야 한다.
배터리에서 이중 용도에 적합한 반도체 재료는, 예를 들어 다음의 기준을 충족하는 것이다:
1. 견고한(hard) 격자 니트라이드, 카바이드, 보라이드, 아르세나이드, 안티모나이드, 설파이드, 포스파이드, 옥사이드, 하이드라이드 및 이들의 조합, 특히 니트라이드, 카바이드, 보라이드 및 이들의 조합.
2. 큰 밴드 갭을 야기하는 높은 격자 에너지
3. n-도핑을 위한 층간삽입 자리/공동
4. 도펀트가 안팎으로 이동할 수 있게 하기 위한 확산 채널.
배터리에서 이러한 이중 용도에 적절한 금속은, 예를 들어 다음의 기준을 충족하는 것이다:
1. 페르미 준위에서의 낮은 상태밀도, 및 이에 따른 p-도핑 및 n-도핑에서의 EFermi 이동을 특징으로 하는 반금속(semi-metal) 또는 메타금속(meta-metal).
2. 페르미 준위에서 스텝 밴드(step band)를 야기하는 높은 격자 에너지
3. n-도핑을 위한 층간삽입 자리/공동
4. 도펀트가 안팎으로 이동할 수 있게 하기 위한 확산 채널.
반금속 및 메타금속의 그룹은 B, C, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, Bi, P, Se, Sn, Ga, Zn, Cd, Hg, In, Tl, Pb를 포함하고, 반금속과 메타금속의 경계는 유동적이다. 본 발명의 범위에서는 주로 B, C, Si, P 및 Sn가 관심사이다. 더욱이, 위에서 나열한 원소 중 일부, 예컨대 C는 독특한 특징을 제공하기 위하여 특별하게 변형될 필요가 있다. 산화전극이 예를 들어 순수한 Si(또는 P로 도핑된 Si)일 수 있는 반면, 환원전극으로서 사용하기 위해서는, Si가 예를 들어 Al로 도핑되어야 한다.
배터리 충전 동안, 산화전극의 피드스루의 적어도 일부가 리튬 원자 또는 이온의 층간삽입에 의하여 채워져 1.5 이상의 전기음성도를 가지는 덜 전기음성인 원소의 산화 상태를 감소시키는 반면, 환원전극이 리튬 이온을 놓아주어 1.5 이상의 전기음성도를 가지는 더 전기음성인 원소의 산화 상태를 증가시킨다.
도핑되지 않은 상태에서 본 발명의 활성 전극 재료가 불량한 전도도를 가지거나 전도도를 가지지 않기 때문에, 본 발명의 일부를 또한 형성하는 전극에서 이러한 활성 전극 재료가 나노미립자 형태로 존재하는 것이 바람직하다. 활성 전극 재료 나노입자는 예컨대 그래핀 또는 그래파이트 레이어에 의하여, 바람직하게는 전도성으로 코팅된다. 활성 전극 재료 나노입자는 전도성으로 충전된 결합제(binder), 예를 들어 그래파이트 및/또는 카본블랙 충전된 결합제를 사용하여, 및/또는 나노미립자 전도성 결합제를 사용하여 연결될 수 있고; 선택적으로 바람직하게는 또한 그래파이트 및/또는 카본블랙과 같은 나노미립자 전도성 충전재(filler)로 전도성으로 충전될 수 있다. 전기적으로 전도성인 결합제는 바람직하게는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리티오펜에서 선택되는 전기적으로 전도성인 고분자이다. 바람직한 결합제는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)이다.
이러한 전극은 액체 전해질과 같은 일반적인 전해질과 함께, 재충전 가능한 배터리에서 적절하게 사용된다. 적절한 전해질은 에테르와 같은 유기 용매에 용해된 리튬 염, 예를 들어 LiPF6 또는 LiBF4를 포함하고 바람직하게는 이들로 구성된다. 액체 전해질의 전도도는 온도 의존성이고, 전형적으로 실온(20℃)에서 적어도 10 mS/cm이다. 전해질용으로 사용되는 유기 용매는 흔히 분해된다. 따라서, 분해가 감소되거나 제거될 수 없을 경우, 용매가 분해되어 고체 레이어(일반적으로 고체 전해질 계면(solid electolyte interphase, SEI)으로 지칭됨)를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 용매는 예를 들어 에틸렌 카르보네이트이다.
다음의 상세한 설명에 대하여 고려할 때, 본 발명이 더욱 잘 이해될 것이고, 앞에서 제시된 것 이외의 목적이 자명해질 것이다. 이러한 상세한 설명은 첨부도면을 참조한다:
도면은 반도체/절연체 고체에 대한 상태밀도(DOS)(밴드 갭으로 표시된 도면의 아래쪽 부분) 및 금속에 대한 상태밀도(페르미 준위(EFERM)로 표시된 도면의 위쪽 부분)를 개략적으로 나타낸다. 두 종류의 재료 부류에 대하여, p-도핑(하프톤 스크린으로 채워진 DOS 부분) 및 n-도핑(DOS의 회색 선영 부분)의 효과가 개략된다.
본 발명에 따라, 전극 재료가 구체적인 방법에 기초하여 선택/설계된다. 이러한 방법은 동일한 반도체 재료에 기초하여 산화전극 및 환원전극 재료를 선택하도록 한다. p-도핑의 경우에, 원자가대에서 전자 상태(도 1에서 하프톤 스트린으로 채워진 아래쪽 부분)가 비워질 것이다. n-도핑에 대하여, 전도대 상태(도 1에서 아래쪽의 회색 선영 부분)가 채워질 것이다.
이러한 기준이 그래파이트 및 금속에 유사하게 적용될 수 있다. 반도체 재료의 도핑과 유사하게, 금속의 p-도핑의 경우에 페르미 준위 아래의 전자 상태(도 1에서 하프톤 스트린으로 채워진 위쪽 부분)가 비워질 것이고, n-도핑의 경우에 페르미 준위 위의 전자 상태(도 1에서 위쪽의 회색 선영 부분)가 채워질 것이다.
달성할 전기화학 전위는 반도체 및 금속 경우에 각각에 대하여 완전히 p-도핑된 상황과 완전히 n-도핑된 상황 사이의 에너지 차이에서 최대일 것이다. 이는 도 1에 나타나는 두 경우 중 어느 한쪽의 점선의 수평선 사이의 에너지 차이이다. 전위 프로파일은 각각의 밴드 갭에 의존하고, 화합물의 유형, 조성 및 구조에 의존하는 실제 상태밀도의 추이에 의존한다. 큰 전위와 동시에 큰 전기화학 용량을 달성하기 위하여, 점선이 가능한 한 멀리 떨어져야 하고, DOS의 최대값이 점선에 있거나 점선에 가까워야 한다.
배터리에서 이러한 이중 용도에 적합한 반도체 재료는, 예를 들어 다음의 기준을 충족하는 것이다:
1. 견고한 격자 니트라이드, 카바이드, 보라이드, 아르세나이드, 안티모나이드, 설파이드, 포스파이드, 옥사이드, 하이드라이드 및 이들의 조합, 바람직하게는 니트라이드, 카바이드, 보라이드 및 이들의 조합
2. 큰 밴드 갭을 야기하는 높은 격자 에너지
3. n-도핑을 위한 층간삽입 자리/공동
4. 도펀트가 안팎으로 이동할 수 있게 하기 위한 확산 채널.
바람직한 반도체 재료는 니트라이드, 카바이드, 보라이드, 아르세나이드, 안티모나이드, 설파이드, 옥사이드, 포스파이드, 하이드라이드 및 이들의 조합이다. 바람직한 조합은 옥시니트라이드(O/N), 카르보니트라이드(C/N), 보로니트라이드(B/N), 티오니트라이드(S/N), 하이드로보라이드(H/B) 및 하이드로니트라이드(H/N)이다.
배터리에서 이러한 종류의 이중 용도에 적절한 금속은, 예를 들어 다음의 기준의 기준을 충족하는 것이다:
1. 페르미 준위에서의 낮은 상태밀도, 및 이에 따른 p-도핑 및 n-도핑에서의 EFermi 이동을 특징으로 하는 반금속 또는 메타금속.
2. 페르미 준위에서 스텝 밴드를 야기하는 높은 격자 에너지
3. n-도핑을 위한 층간삽입 자리/공동
4. 도펀트가 안팎으로 이동할 수 있게 하기 위한 확산 채널.
관련 재료 특징에 대한 정보를 문헌, 예를 들어 R. Hoffmann, Solids and Surfaces, VCH 1987에서 찾을 수 있다.
다음 표 1에서, 니트라이드, 카바이드, 보라이드, 아르세나이드, 안티모나이드, 설파이드, 옥사이드, 포스파이드, 하이드라이드 및 이들의 조합에 대한 적절한 결정 구조가 구체적인 예와 함게 주어진다.
Figure pat00001
바람직한 니트라이드, 카바이드, 보라이드 및 이들의 조합이 표 2에 나열되고, 여기서 훨씬 더 바람직한 화합물이 굵게 표현된다:
Figure pat00002
기초 반도체 재료 및 이들의 유도된 p-도핑된 재료 및 n-도핑된 재료의 예가 표 3에 나타나는데, 여기서 Me은 알칼리 토금속, 바람직하게는 Mg이다. 비록 설명의 편의를 위하여 도핑을 정수 원자를 사용하여 나열했지만, 충전시 또는 방전시에 Li이 흔히 단위 셀당 또는 화학식, 예를 들어 표 3에 나타나는 화학식당 하나의 리튬보다 훨씬 적은 양으로 혼입될 것임을 이해해야 한다.
Figure pat00003
반금속 및 메타금속의 그룹은 B, C, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, Bi, P, Se, Sn, Ga, Zn, Cd, Hg, In, Tl, 및 Pb를 포함한다. 본 발명의 범위에서, 현재 바람직한 금속은 B, C, Si, P 및 Sn이다.
반금속 및 메타금속을 위한 적절한 대표적 도펀트가 표 4에 나열된다:
Figure pat00004
본 발명에 따라 선택되는 재료의 전극 관련 특징의 예가 표 5 및 6에 나열된다.
Figure pat00005
Figure pat00006
동일한 반도체 재료에 기초하는 산화전극 및 환원전극을 사용하여 제조되는 배터리의 장점은 다음과 같다:
1. 전기적으로 활성인 재료(EAMs)의 전해질에 대한 용해 문제 감소
2. 표면 촉매작용 문제 감소
3. 고체 상태 및 표면 확산 과정의 단순화
4. SEI(고체 전해질 계면) 형성의 단순화.
게다가, 단지 한 가지의 기초 재료가 취급되어야 하므로 제조 공정의 단순화가 가능할 수 있다.
본 발명의 재료는 예를 들어 저온 가암모니아 분해(ammonolysis) 반응 또는 전이금속 할라이드를 사용하는 요소와 아세틸라이드의 반응에 의하여 제조될 수 있다.
비록 현재 본 발명의 바람직한 구체예가 나타나고 설명되기는 하지만, 본 발명이 이들로 제한되는 것이 아니라, 이와 달리 다음 청구항의 범위 내에서 다양하게 구현되고 실행될 수 있음을 분명하게 이해해야 한다.

Claims (17)

  1. 다음 단계를 포함하는, 리튬 이온 배터리에서 사용하기에 적절한 활성 전극 재료를 제공하는 방법:
    A) 기초 반도체 재료를 고르는 단계, 상기 기초 반도체 재료는 니트라이드, 카바이드, 보라이드, 아르세나이드, 안티모나이드, 설파이드, 포스파이드, 옥사이드, 하이드라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되고, 상기 기초 반도체 재료는 적어도 두 가지의 상이한 원소들을 포함하는데, 이 원소들은 적어도 1.5의 전기음성도를 가지며 안정한 상태, 바람직하게는 가장 높은 산화 상태(가장 양성(positive)) 또는 가장 높은 환원 상태(가장 음성(negative))에 있음,
    B) A)에서 제공되는 재료로부터, 낮은 변형 일(deformation work)로써 Li 이온의 층간삽입/층간탈리를 가능하게 하는 결정 구조를 가지는 재료를 선택하는 단계,
    C) A)에서 제공되는 기초 반도체 재료로부터, 원자가대(valence band)와 전도대(conduction band) 사이의 큰 에너지 갭(energy gap) 또는 밴드 갭(band gap) ΔE를 가지는 재료를 선택하는 단계,
    D) 충전시 리튬을 방출하는 리튬 포함 활성 전극 재료 및/또는 충전시 리튬을 수용하는 활성 전극 재료를 선택하거나 설계하는 단계, 상기 활성 전극 재료는 A)에서 고른 기초 반도체 재료에 기초함, 및
    E) B) 및 C)의 기준을 서로 고려하여 D)의 재료로부터, 개선된 특징을 가지는 활성 전극 재료를 선택하는 단계,
    여기서 B) 내지 D)의 순서는 자유로움.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기초 재료는 니트라이드, 카바이드, 보라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택됨을 특징으로 하는, 리튬 이온 배터리에서 사용하기에 적절한 활성 전극 재료를 제공하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 E)의 고찰은 D)에 제공된 재료로부터, 최소화된 변형 일로써 Li 이온의 층간삽입/층간탈리를 가능하게 하는 재료를 선택하는 것을 포함함을 특징으로 하는, 리튬 이온 배터리에서 사용하기에 적절한 활성 전극 재료를 제공하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 재료는
    그래파이트 및 헤테로그래파이트, 소듐 클로라이드, 세슘 클로라이드, 징크 블렌드(스팰러라이트) 및 부르자이트(wurtzite), 실리콘 니트라이드, 텅스텐 카바이드, 니켈 아르세나이드, 칼슘 플루오라이드, 루타일/브루카이트/아나타제, 카드뮴 클로라이드/카드뮴 아이오다이드, 파이라이트, 스피넬, 및 가네트로 이루어진 그룹으로부터, 또는 보라이드, 카바이드 및 포스파이드로부터, 바람직하게는 그래파이트 및 헤테로그래파이트, 소듐 클로라이드, 세슘 클로라이드, 징크 블렌드(스팰러라이트) 및 부르자이트, 실리콘 니트라이드, 텅스텐 카바이드, 니켈 아르세나이드, 루타일/브루카이트/아나타제, 스피넬, 가네트, 보라이드, 카바이드 및 포스파이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 결정 구조를 가지는 재료로부터
    선택됨을 특징으로 하는, 리튬 이온 배터리에서 사용하기에 적절한 활성 전극 재료를 제공하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 B) 내지 D)의 순서가 다음과 같음을 특징으로 하는, 리튬 이온 배터리에서 사용하기에 적절한 활성 전극 재료를 제공하는 방법:
    (ⅰ) B) → C) → D)
    (ⅱ) C) → B) → D)
    (ⅲ) D) → B) → C)
    (ⅳ) D) → C) → B).
  6. 활성 전극 재료로서 니트라이드, 카바이드, 보라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 기초 반도체 재료에 기초하는 p-도핑되거나 n-도핑된 재료를 포함하는 산화전극 또는 환원전극,
    여기서 바람직한 조합은 옥시니트라이드(O/N), 카르보니트라이드(C/N), 보로니트라이드(B/N), 티오니트라이드(S/N), 하이드로보라이드(H/B) 및 하이드로니트라이드(H/N)로 이루어진 그룹에서 선택되며, 단 상기 활성 전극 재료는 VN, MnN에서 선택되거나 유도된 산화전극 재료가 아님.
  7. 제6항에 있어서, 상기 활성 전극 재료는 특히 그래파이트 또는 그래핀 코팅에 의하여 전기적으로 코팅됨을 특징으로 하는, 산화전극 또는 환원전극.
  8. 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 나노미립자 형태의 전기적으로 활성인 재료를 포함함을 특징으로 하는, 산화전극 또는 환원전극.
  9. 제6항에 있어서, 전기적으로 전도성인 나노미립자 결합제(binder), 특히 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)을 포함함을 특징으로 하는, 산화전극 또는 환원전극.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전기적으로 전도성인 나노미립자 결합제는 전기적으로 전도성인 나노미립자 충전재(filler) 재료로 더욱 충전됨을 특징으로 하는, 산화전극 또는 환원전극.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전기적으로 전도성인 나노미립자 충전재 재료는 그래파이트, 카본블랙 및 이들의 조합에서 선택됨을 특징으로 하는, 산화전극 또는 환원전극.
  12. 활성 전극 재료로서 니트라이드, 카바이드, 보라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 기초 반도체 재료에 기초하는 p-도핑되거나 n-도핑된 재료를 포함하는 산화전극 또는 환원전극,
    여기서 바람직한 조합은 옥시니트라이드(O/N), 카르보니트라이드(C/N), 보로니트라이드(B/N), 티오니트라이드(S/N), 하이드로보라이드(H/B) 및 하이드로니트라이드 (H/N)로 이루어진 그룹에서 선택되고, 상기 산화전극 또는 환원전극은 나노미립자 형태의, 바람직하게는 그래파이트 또는 그래핀 코팅에 의하여 전기적으로 전도성으로 코팅된 전기적으로 활성인 재료를 포함하고, 상기 전극은 전기적으로 전도성인 나노미립자 결합제, 특히 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)를 포함함.
  13. 제10항에 있어서, 상기 전기적으로 전도성인 나노미립자 결합제는 전기적으로 전도성인 나노미립자 충전재 재료로 더욱 충전됨을 특징으로 하는, 산화전극 또는 환원전극.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전기적으로 전도성인 나노미립자 충전재 재료는 그래파이트, 카본블랙 및 이들의 조합에서 선택됨을 특징으로 하는, 산화전극 또는 환원전극.
  15. 적어도 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항의 산화전극 또는 환원전극을 포함하는 재충전 가능한 리튬 이온 배터리.
  16. 제15항에 있어서, 상기 산화전극 및 환원전극은 모두 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항의 산화전극 또는 환원전극에서 선택됨을 특징으로 하는, 재충전 가능한 리튬 이온 배터리.
  17. 제14항에 있어서, 상기 산화전극 및 환원전극은 동일한 기초 반도체 재료로부터 n-도핑 및 p-도핑에 의하여 유도됨을 특징으로 하는, 재충전 가능한 리튬 이온 배터리.
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