KR20110112358A - 리튬-이온 배터리용 고성능 애노드 물질 - Google Patents

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Abstract

리튬-합금 입자들이 다공성 지지 매트릭스 내에 포함된 애노드 물질이 제공된다. 상기 다공성 지지 매트릭스는 바람직하게는 다공성 채널들 및 팽창 수용 다공들에 의해 제공된 5 내지 80 % 사이의 다공성을 가지며, 전기 전도성이다. 더 바람직하게, 상기 지지 매트릭스는 10 내지 50 % 사이의 다공성을 갖는다. 상기 지지 매트릭스는 유기 중합체, 무기 세라믹, 또는 유기 중합체와 무기 세라믹의 하이브리드 혼합물로 만들어진다. 유기 중합체 지지 매트릭스는 로드-코일 중합체, 다분지성 중합체, UV 교차-결합 중합체, 열 교차-결합 중합체 또는 그 조합으로 만들어진다. 무기 세라믹 지지 매트릭스는 적어도 1 이상의 IV-VI 족 전이 금속 화합물로부터 만들어질 수 있으며, 상기 화합물은 질화물, 탄화물, 산화물 또는 그 조합이다. 리튬-합금 입자들은 바람직하게 5 내지 500 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는 나노입자들이며, 더 바람직하게는 5 내지 50 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는다.

Description

리튬-이온 배터리용 고성능 애노드 물질{HIGH PERFORMANCE ANODE MATERIAL FOR LITHIUM-ION BATTERY}
본 출원은 본 명세서에서 인용 참조 되는 2006년 8월 9일에 출원된 미국 특허 출원 일련번호 제 11/463,394호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 리튬-이온 배터리에 관한 것으로, 특히 리튬-이온 배터리용 고성능 애노드 물질에 관한 것이다.
배터리에 대한 에너지 요건들이 계속 증가하고 있지만, 공간 및 질량에 대한 제약들도 계속 존재한다. 더욱이, 안전성, 저비용 그리고 환경 친화적인 물질들에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 요구와 배터리 사양은 종래의 리튬-이온 배터리 화학재들을 이용하여 충족될 수 없다. 리튬-이온 배터리들이 오랫동안 최적화되었고 안정한 에너지를 구현하였지만, 이러한 시스템들은 가역적으로 삽입될(reversibly inserted) 수 있고 배터리의 활성 물질 구조로부터 제거될 수 있는 리튬의 양에 의해 제한된다.
더 높은 성능, 안전성, 저비용 그리고 환경 친화적인 물질들에 대한 요건들은 새로운 배터리 물질의 개발을 통해서만 달성될 수 있다. 연구원들은 탄소계 애노드(cabon-based anode)를 주석으로 교체할 것을 제안하였다. 주석은 배터리의 충전 동안에 리튬과 합금된다. 리튬-주석 합금은 주석 원자 당 4.4 개의 리튬 원자로 구성된 최대 농도, 993 mAh/g의 용량(capacity)과 같은 농도를 형성한다. 종래의 탄소계 애노드는 372 mAh/g의 이론적인 용량을 갖는다. 그러므로, 종래의 탄소계 애노드 배터리를 주석계 애노드 배터리로 대체하면, 더 높은 에너지 수용력을 달성할 수 있다.
연구는 주석계 애노드의 사용에 대해 두 가지 주요 쟁점들이 있다는 것을 설명하였다. 첫 번째는 열악한 주기 수명(cycle life)이고, 두 번째는 열악한 주석 활용이다. 열악한 주기 수명은 충전-방전 주기들의 수의 함수로서 배터리 에너지의 열악한 보유로서 정의된다. 연구원들은 이 문제들을 해결하게 위해 두 가지 접근법을 제시하였다. 첫 번째는, 주석 및 적어도 1 이상의 다른 금속으로 구성된 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성하는 것이고, 두 번째는 비-전기화학적(non-electrochemically) 활성 물질을 애노드 조성물에 추가하는 것이다. 하지만, 종래의 연구는 리튬-주석 배터리의 열악한 성능의 근본적인 원인들 - 1) 충전 중에 주석과 리튬의 합금으로 인한 주석-리튬 입자들의 넓은 공간 팽창; 및 2) 상기 언급된 공간 팽창 시, 주석 덩어리들의 깨짐 - 을 극복하지 못했다. 공간 팽창은 후속 주기들 동안에 매트릭스로부터 주석 입자들의 분리를 유도하고, 주석 덩어리의 깨짐은 새로운 표면적이 노출되는 미세 입자들을 유도한다. 이 새로운 표면적은 매트릭스와 접촉하지 않으며, 따라서 매트릭스로부터 주석 입자들의 분리와 같이, 배터리 용량의 감소를 초래한다. 그러므로, 적당한 주기 수명 및 적절한 주석 활용을 나타내는 리튬-주석 배터리에 대한 요구가 존재한다.
다공성(porous) 지지 매트릭스 내에 포함된 리튬-합금 입자들을 갖는 애노드 물질이 제공된다. 상기 리튬-합금 입자들은 바람직하게 나노입자들이다. 상기 다공성 지지 매트릭스는 바람직하게 다공성 채널들에 의해 제공된 5 내지 80 % 사이의 다공성과, 적어도 1 이상의 리튬-합금 입자를 포함하는 팽창 수용 다공(expansion accommodation pore)들을 갖는다. 더 바람직하게는, 상기 지지 매트릭스는 10 내지 50 % 사이의 다공성을 갖는다.
리튬-합금 입자들은 바람직하게 5 내지 500 nm 사이의 평균 선형 치수(mean linear dimension)를 가지며, 더 바람직하게는 5 내지 50 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는다. 팽창 수용 다공들은 바람직하게 10 nm 내지 2.5 미크론 사이의 평균 선형 치수를 가지며, 더 바람직하게는 10 내지 250 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는다. 이러한 방식으로, 리튬-합금 입자들이 리튬과 합금되고 팽창할 때, 팽창 수용 다공들은 상기 리튬-합금 입자들의 팽창을 수용한다.
다공성 지지 매트릭스는 바람직하게 전기 전도성이고, 유기 중합체, 무기 세라믹(inorganic ceremic), 또는 유기 중합체와 무기 세라믹의 하이브리드 혼합체(hybrid mixture)로 만들어진다. 유기 중합체 지지 매트릭스는 로드-코일(rod-coil) 중합체, 다분지성(hyperbranched) 중합체 또는 그 조합으로 만들어질 수 있다. 무기 세라믹 지지 매트릭스는 IV-VI 족 전이 금속 화합물로부터 만들어질 수 있으며, 상기 화합물은 질화물, 탄화물, 산화물 또는 그 조합이다.
도 1은 방전 상태에서의 리튬-이온 배터리용 고성능 애노드 물질의 개략도;
도 2는 충전 상태에서의 리튬-이온 배터리용 고성능 애노드 물질의 개략도;
도 3은 다공들이 다공성 중합체의 내부 및 외부에 위치된 상기 다공성 중합체의 SEM 이미지를 도시하는 도면; 및
도 4는 다른 것들을 능가하는 Sn/PANI 구조적 장점을 나타내는 Sn 애노드 용량 비교를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따르면, 충전 상태에서 고성능 애노드 물질(100)은 1 이상의 팽창 수용 다공들(140) 내에 포함된 1 이상의 리튬-합금 입자들(110)로 구성되고, 상기 입자들 및 다공들은 다공성 채널들(130)이 포함된 지지 매트릭스(120)에 의해 둘러싸인다(도 1). 바람직하게는, 리튬-합금 입자들(110)은 나노크기의 입자들로, 당업자에게 나노입자들로도 알려져 있다. 본 발명의 목적을 위해, 나노크기의 입자들 또는 나노입자들은 직경이 나노미터(nm)로 측정되고 적어도 1 이상의 직경 측정치가 999 nm이거나 그보다 작은 미시적인 입자들이다. 리튬-합금 입자들(110)은, 예시적으로 주석, 실리콘, 게르마늄, 납, 안티몬, 알루미늄, 주석 합금 및 실리콘 합금을 포함하는, 여하한의 금속 또는 리튬과 합금한 합금일 수 있다. 예시를 위해, 주석 합금만이 주석의 다-성분(multicomponent: 2원, 3원 등) 합금 시스템들을 포함하며, 실리콘 합금은 실리콘의 다-성분(2원, 3원 등) 합금 시스템들을 포함한다.
팽창 수용 다공(140) 내에 포함된 적어도 1 이상의 리튬-합금 입자(110) - 상기 입자 및 다공은 다공성 채널들(130)이 포함된 지지 매트릭스(120)에 의해 둘러싸임 - 는 복합 입자(180)라고도 칭해진다. 도 1에 도시된 리튬-합금 입자들(110)이 구형 입자들로 도시되었지만, 대안예에서 고성능 애노드 물질(100)은 예시적으로 회전타원체(spheroid) 또는 다면체를 포함하여, 여하한의 비-구형 및 다면체 형상의 리튬-합금 입자들(110)로 구성될 수 있다. 또한, 팽창 수용 다공들(140)도 구형일 필요는 없다. 또한, 도 1에 도시된 리튬-합금 입자들(110)은 비-리튬화(non-lithiated) 입자들을 나타낸다. 리튬화되지 않은(unlithiated) 입자들로도 알려진 비-리튬화 입자들은 본 발명에서 아직 리튬으로 합금되지 않은 리튬-합금 입자들(110)로서 정의된다. 이론에 구속되지 않고, 본 발명자들은, 리튬과 합금하면, 리튬-합금 입자들(110)이 리튬화되지 않은 상태에 있을 때보다 크기에 있어 2 배 내지 5 배 팽창한다고 믿고 있다.
구형 리튬-합금 입자들(110)의 공간 팽창은 입방체화된(cubed) 입자들의 반경에 비례한다. 나노크기의 1 차 리튬-합금 입자들(110)은 전체 부피 팽창을 최소화한다. 본 발명의 목적을 위해, "1 차 입자들"이라는 용어는 나노크기의 개별 리튬-합금 입자들(110)을 일컫는다. 또한, 2 차 리튬-합금 입자들(도시되지 않음)은 지지 매트릭스(120) 내에 에워싸일 수 있고, 팽창 수용 다공들(140) 내에 포함될 수 있으며, 여기서 "2 차 입자들"은 1 차 입자들(110)의 집합체(agglomeration)를 일컫는다. 따라서, 리튬-합금 입자들(110)은 1 차 리튬-합금 입자들(110) 및/또는 2 차 리튬-합금 입자들을 포함할 수 있다.
리튬-합금 입자들(110)은 지지 매트릭스(120) 내에 나노-분산(nano-disperse)된다. 복합 입자들(180)은 바람직하게 1 내지 999 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는 리튬-합금 입자들(110), 및 약 2 nm 내지 5 미크론(㎛) 사이의 평균 선형 치수를 갖는 팽창 수용 다공들(140)을 갖는다. 본 발명의 목적을 위해, "평균 선형 치수"라는 용어는 각각 각자의 방향으로 입자 또는 다공의 3 개의 치수를 나타내는 3 개의 직교 축선, 예를 들어, X, Y 및 Z 축선의 평균을 나타낸다. 더 바람직하게는, 복합 입자(180)는 5 내지 500 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는 리튬-합금 입자들(110), 및 10 nm 내지 2.5 ㎛ 사이의 평균 선형 치수를 갖는 팽창 수용 다공들(140)을 갖는다. 더욱더 바람직한 리튬-합금 입자들(110)은 5 내지 50 nm 사이의 평균 선형 치수, 및 10 내지 250 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는 팽창 수용 다공들(140)을 갖는다. 또한, 더욱더 바람직한 리튬-합금 입자들(110)은 5 내지 20 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖고, 팽창 수용 다공들(140)은 10 내지 100 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는다.
팽창 수용 다공들(140)의 평균 선형 치수는 바람직하게 리튬-합금 입자들(110)의 평균 선형 치수보다 2 배 내지 5 배 더 크다. 더 바람직하게, 팽창 수용 다공들(140)의 평균 선형 치수는 바람직하게 리튬-합금 입자들(110)의 평균 선형 치수보다 2 배 내지 4 배 더 크다. 가장 바람직하게는, 팽창 수용 다공들(140)의 평균 선형 치수는 바람직하게 리튬-합금 입자들(110)의 평균 선형 치수보다 2 배 내지 3 배 더 크다.
매트릭스(120) 내의 다공성 채널들(130)은 리튬 이온들의 확산이 상기 채널들을 통해 통과하게 한다. 팽창 수용 다공들(140)은, 충전 시에, 리튬-합금 입자들(110)이 리튬과 합금되어, 리튬화 입자들로도 알려진 리튬-합금 입자들(112)을 형성할 때, 리튬-합금 입자들(110)의 공간 팽창을 수용한다(도 2). 더욱이, 다공성 채널들(130)이 포함된 지지 매트릭스(120)는 어느 정도의 전자 전도도(electronic conductivity)를 가지며, 충전 시 리튬-합금 입자들(110)의 비교적 적은 양의 공간 팽창을 수용할 수 있다.
본 발명의 복합 입자들(180)을 이용한 배터리의 방전 시, 리튬은 리튬화 입자들(112)로부터 탈-합금(de-alloy)됨에 따라(도 2), 리튬-합금 입자들(110)이 포함된 상기 입자들(180)을 유도한다(도 1). 이제까지 설명된 본 발명은 초기에 팽창 수용 다공들(140) 내에 포함된 리튬-합금 입자들(110)로 제조된 복합 입자(180)를 예시하지만(도 1), 복합 입자(180)는 초기에 상기 다공들(140) 내에 포함된 리튬화된 입자들(112)로 제조될 수 있다(도 2). 더욱이, 리튬화되지 않은 리튬-합금 입자들(110) 및/또는 리튬화된 리튬-합금 입자들(112)은 캡슐화(encapsulation), 얽힘(entanglement), 화학 결합 및 여하한의 그 조합에 의해 지지 매트릭스(120) 내에서 결합될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 지지 매트릭스(120)는 세라믹, 예를 들어 탄화바나듐(vanadium carbide)이다. 세라믹으로 만들어진 지지 매트릭스(120)는, 바람직하게는 다공성 채널들(130), 및 그 안에 포함된 팽창 수용 다공들(140)에 의해 제공된 5 내지 80 % 사이의 보이드 공간(void space)으로 인해 매우 다공성이다. 더 바람직하게는, 보이드 공간은 10 내지 50 % 사이에 있다. 세라믹으로 만들어진 매트릭스(120)의 전자 전도도 및 견고성(rigidity)은 상기 매트릭스의 화학적 조성 및/또는 공정 파라미터들을 변경함으로써 조정된다. 또한, 전자 전도도, 이온 전도도, 전기화학적 안정성 및 열적 안정성은 상기 매트릭스의 화학적 조성 및/또는 공정 파라미터들을 변경함으로써 조정된다. 세라믹으로 만들어진 지지 매트릭스(120)는 적어도 1 이상의 IV-VI 족 전이 금속 화합물로 구성된다. 상기 화합물은 질화물, 탄화물, 산화물, 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 제 2 실시예에서, 복합 입자(180)의 지지 매트릭스(120)는 중합에 의한다. 중합체 뼈대(polymer framework)는 매우 다공성인 것이 바람직하고, 다공성 채널들(130) 및 그 안에 포함된 팽창 수용 다공들(140)에 의해 제공된 50 % 이상의 보이드 공간을 가지며, 입자들(110) 및/또는 입자들(112)과의 유해한 화학적 또는 전기적 반응을 갖지 않는다. 세라믹으로 만들어진 매트릭스(120)와 유사하게, 중합체로 만들어진 매트릭스(120)의 다공들(140)은, 각각 리튬과 합금되거나 탈-합금될 때 리튬-합금 입자들의 팽창 및 수축을 수용한다. 또한, 다공성 채널들(130)은 전해질 내의 리튬 이온들이 자유롭게 침투하게 하며, 매트릭스(120)와 조합하여, 리튬과 합금된 리튬-합금 입자들(110)의 비교적 적은 양의 팽창을 수용할 수 있다.
상기 매트릭스(120)는 전도도 또는 성능 향상제(performance enhancer), 비-전기활성(non-electroactive) 팽창 버퍼 요소, 전기활성 팽창 버퍼링 요소, 결합 요소, 접착 촉진제, 및 여하한의 그 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 중합체로부터 만들어진 매트릭스(120)가 전자적으로 전도성이 아닌 경우, 예를 들어 탄소계 물질, 금속, 합금, 금속 질화물, 금속 탄화물 합금 질화물, 합금 탄화물 및 그 조합을 포함하여, 전기활성 요소들이 추가될 수 있다. 중합체로 만들어진 매트릭스(120)가 이온 전도성이 아닌 경우, 리튬-이온 전도성 중합체들의 부가물(addition)이 추가될 수 있다. 비-전기활성 및/또는 전기활성 팽창 버퍼 요소들은, 각각 리튬과 합금되고 탈-합금될 때, 매트릭스(120)의 능력을 향상시켜, 리튬-합금 입자들(110)의 팽창 및 수축을 버퍼링하거나 수용하기 위해 추가될 수 있다. 중합체로 만들어진 매트릭스(120)는, 예시적으로 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 비닐리덴 디플루오라이드: 헥사플루오로프로필렌 코폴리머(hexafluoropropylene copolymer); EPDM; 및 SBR:CMC를 포함하여, 결합 요소 및 접착 촉진제를 포함할 수 있다. 또한, 중합체로 만들어진 매트릭스(120)는 로드(rod)/코일 중합체, 다분지성 중합체, UV 교차-결합(cross-linked) 중합체, 열 교차-결합 중합체 및 그 조합의 형태를 취할 수도 있다.
초기 처리 시 매트릭스(120) 내의 나노크기의 리튬-합금 입자들(110)의 통합(incorporation)에 대한 대안으로서, 예시적으로 SnCl2를 포함하는 리튬-합금 할로겐화물이 상기 매트릭스(120) 내에 통합될 수 있고, 후속하여 비교적 낮은 온도에서, 예를 들어 실온에서 원소 입자(elemental particle)들로 감소될 수 있다. 이 방법을 이용하는 리튬-합금 입자들(110)의 생성은 5 내지 100 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는 리튬-합금 입자들(110)을 제공할 수 있다. 또한, 리튬-합금 입자들은 단일-단계 또는 다-단계 절차를 이용하는 여하한의 물리적, 화학적 또는 생리화학적(physiochemical) 방법에 의해 상기 매트릭스(120) 내에 통합될 수 있다. 물리적인 방법은 볼 밀링(ball milling) 또는 다른 물리적 혼합 기술들로 구성될 수 있다. 화학적인 방법은 제어된 온도 프로그램, 제어된 대기(atmosphere) 및 그 조합 하에서의 화학적 반응들로 구성될 수 있다. 생리화학적 방법은 화학적 기상 증착(CVD) 공정들로 구성될 수 있다. 대안예에서는, 화학적, 물리적 그리고 생리화학적 방법들의 조합이 사용될 수 있다. 또한, 상기 매트릭스(120)는 입자들(110) 또는 입자들(112)과 독립적으로 형성될 수 있거나, 입자들(110) 또는 입자들(112)과 인 시튜(in situ)로 합성될 수 있다.
고성능 애노드 물질(100)로부터 전극을 제공하기 위해, 복수의 복합 입자들(180)은 당업자에게 알려진 방법들 및 공정들을 이용하여 전극 매트릭스 내에 함께 결합된다. 단지 예시의 목적으로, 복합 입자들(180)은 전극 매트릭스 내에 캡슐화될 수 있고, 전극 매트릭스 내에 얽힐 수 있으며, 전극 매트릭스와 화학적으로 결합될 수 있고, 또한 여하한의 조합이 행해질 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명의 고성능 애노드 물질(100)은 개선된 재충전가능한 리튬 배터리를 제공한다. 본 발명에서 설명되지 않고 도면들에 도시되지 않았지만, 상술된 고성능 애노드 물질을 이용하는 배터리는 염 및/또는 용매와 같은 전해질을 사용할 수 있거나 사용하지 않을 수 있다.
단지 예시의 목적으로, 본 발명의 성능 및 형성에 관한 2 개의 예시들이 제공된다.
실시예 1:
UV 중합체에 대한 통상적인 합성 절차는 긴 형태의 석영 비커(tall-form quartz beaker) 상에 놓이고, 광 없이 30 분 동안 기계적으로 강하게 교반된(mechanically stirred vigorously) 1g의 PC1000, 0.5g의 PC2003, 0.2g 데카하이드로나프탈렌(Decahydronaphthalene: 포로젠), 2g 니트로-메탄(nitro-methane: 용매), 및 0.02g 광-개시제(photo-initiator)를 포함한다. 그 후, 혼합물은 VCX 750 비브라-셀 울트라소니케이터(Vibra-cell ultrasonicator)를 이용하여 20 분 동안 초음파처리(sonicate)된다. 계속 저으면서, 상기 혼합물은 UV 박스 내의 UV 램프로부터 10 cm 떨어진 곳에 위치되며, 1 내지 10 분 동안 UV 조사(irradiation)가 계속된다. 그 후, 고형물(solid content)이 필터링되고, 탈-이온수를 이용하여 세정된다. 최종적으로, UV 중합체는 80 ℃의 진공 상태의 오븐에서 24 시간 동안 건조된다. UV 중합체 내부 및 외부에 다공들이 나타난 결과적인 구조체가 도 3에 도시된다.
실시예 2:
Sn 나노입자들 대 Sn/중합체 매트릭스 물질의 비-최적화 구성의 비교가 도 4에 도시된다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, Sn/중합체 매트릭스 물질의 비-최적화 구성은 양호한 주기 안정성을 나타낸다. 테스트된 Sn/PANI 복합 성분은 1:1(wt)이고, 전극 조성은 Sn/PANI: 탄소(전자 전도성 첨가제): SBR/CMC(6:4)(결합제) = 8:1:1(wt)이다. Sn/중합체 매트릭스 물질의 최적화는: 1) 양호한 주기 수명을 유지하면서, 용량을 개선하기 위해 중합체:Sn 비를 개선(refine)하는 단계; 및 2) 균일한 다공 크기 등을 얻기 위해 합성 조건들을 최적화하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 언급된 예시적인 실시예들로 제한되지 않는다. 상기 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 본 발명에 설명된 방법, 장치, 조성 등등은 예시적인 것으로, 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 변형 및 다른 이용을 수행할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 청구항의 범위에 의해 한정된다.

Claims (28)

  1. 배터리에 있어서:
    캐소드(cathode);
    분리제(separator);
    복합 입자를 갖는 애노드(anode) - 상기 복합 입자는 보이드 공간(void volume)을 정의하는 매트릭스를 갖고, 상기 보이드 공간은 복수의 다공성 채널들 및 팽창 수용 다공(expansion accommodation pore)으로 구성됨 - ; 및
    리튬-합금 입자 - 상기 리튬-합금 입자는 상기 애노드의 상기 팽창 수용 다공 내에 포함됨 - 를 포함하는 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬-합금 입자는 리튬화되지 않은 입자(unlithiated particle)인 배터리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬-합금 입자는 리튬화 입자인 배터리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 전도도 향상제(conductivity enhancer)를 포함하는 배터리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전도도 향상제는 전기활성 물질(electroactive material)인 배터리.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전도도 향상제는 이온 전도성 물질인 배터리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 결합 요소를 포함하는 배터리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 접착 촉진제(adhesion promoter)를 포함하는 배터리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 유기 중합체인 배터리.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유기 중합체는: 로드-코일 중합체(rod-coil polymer), 다분지성 중합체(hyperbranched polymer), UV 교차-결합 중합체(cross-linked polymer), 열 교차-결합 중합체, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 배터리.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 무기 세라믹(inorganic ceramic)인 배터리.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 세라믹은 IV-VI 족 전이 금속 화합물이고, 상기 화합물은: 질화물, 탄화물, 산화물, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 배터리.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 하이브리드 매트릭스(hybrid matrix)이고, 상기 하이브리드 매트릭스는 유기 중합체 및 무기 세라믹의 혼합물인 배터리.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬-합금 입자는: 주석, 실리콘, 게르마늄, 납, 안티몬, 알루미늄, 주석 합금 및 실리콘 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 조성을 갖는 배터리.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬-합금 입자는 1 내지 999 nm 사이의 평균 선형 치수(mean linear dimension)를 갖는 나노입자인 배터리.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬-합금 입자는 5 내지 500 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는 나노입자인 배터리.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬-합금 입자는 5 내지 50 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는 나노입자인 배터리.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬-합금 입자는 5 내지 20 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는 나노입자인 배터리.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 팽창 수용 다공은 2 nm 내지 5 미크론 사이의 평균 선형 치수를 갖는 배터리.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 팽창 수용 다공은 10 nm 내지 2.5 미크론 사이의 평균 선형 치수를 갖는 배터리.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 팽창 수용 다공은 10 내지 250 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는 배터리.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 팽창 수용 다공은 10 내지 100 nm 사이의 평균 선형 치수를 갖는 배터리.
  23. 제 1 항에 있어서,
    전극 매트릭스 내에 함께 결합된 복수의 상기 복합 입자들을 더 포함하는 배터리.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 복수의 복합 입자들은: 캡슐화(encapsulation), 얽힘(entanglement), 화학 결합 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법을 이용하여 상기 전극 매트릭스 내에 함께 결합되는 배터리.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬-합금 입자는: 캡슐화, 얽힘, 화학 결합 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법을 이용하여 상기 팽창 수용 다공 내에 함께 결합되는 배터리.
  26. 제 2 항에 있어서,
    상기 팽창 수용 다공의 평균 선형 치수는 상기 리튬화되지 않은 리튬-합금 입자의 평균 선형 치수보다 2 배 내지 5 배 더 큰 배터리.
  27. 제 2 항에 있어서,
    상기 팽창 수용 다공의 평균 선형 치수는 상기 리튬화되지 않은 리튬-합금 입자의 평균 선형 치수보다 2 배 내지 4 배 더 큰 배터리.
  28. 제 2 항에 있어서,
    상기 팽창 수용 다공의 평균 선형 치수는 상기 리튬화되지 않은 리튬-합금 입자의 평균 선형 치수보다 2 배 내지 3 배 더 큰 배터리.
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