KR20140116843A - 에너지 저장 장치용 코어／셸 구조의 전극 - Google Patents

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KR20140116843A
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로렌스 피. 헤츨
한 류
코리 아담 플라이셔
윌리엄 패트릭 버제스
그레고리 에프. 펜세로
터셔 케이. 샤
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어플라이드 나노스트럭처드 솔루션스, 엘엘씨.
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Abstract

에너지 저장 장치는 활성 물질 및 전해질과 접촉하는 복수의 탄소 나노 구조체(CNS)-주입된 섬유를 포함하는 적어도 하나의 전극을 포함할 수 있다.

Description

에너지 저장 장치용 코어／셸 구조의 전극{CORE/SHELL STRUCTURED ELECTRODES FOR ENERGY STORAGE DEVICES}
(관련 출원에 대한 상호 참조)
적용사항 없음
(연방으로부터 후원을 받은 연구 또는 개발에 관한 진술)
적용사항 없음
본 발명은 일반적으로 전극, 더욱 구체적으로 코어/셸 전극 구조 내의 탄소 나노 구조체에 관한 것이다.
에너지 저장 장치는 우리의 경제의 모든 측면에 널리 사용된다. 한정되지 않는 예로서, 저용량 배터리는 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더와 같은 소형 전자 장치용 전력 공급원으로 사용되고, 고용량 배터리는 하이브리드 전기 자동차 등의 구동 모터용 전력 공급원으로 사용된다. 최근, 재생 가능한 에너지원용 그리드 스케일 에너지 저장은, 빨리 저장되고 전달되는 대용량의 에너지를 필요로 한다. 전기 화학적 에너지 저장 장치와 함께 사용되는 장치는 더 큰 전기적 수요와 함께 더욱 복잡해지기 때문에, 에너지 저장 장치의 특성이 개선되어야 한다.
에너지 저장 장치는 이들의 순환 수명 및 이들의 충방전율로 특징지어질 수 있다. 이러한 특징은 주로 에너지 저장 장치의 양극 및 음극에 의해 영향받는다. 일반적으로, 에너지 저장 장치의 전극은 활성 물질 및 집전 장치를 포함한다. 활성 물질은 충방전 동안 화학적 반응, 예컨대 이온의 환원 또는 산화를 겪고, 집전 장치는 활성 물질과 그 각각의 단자 사이에서 전자를 이동시킨다. 또한, 매개하는 전해질은 양극과 음극 사이에서 이온, 예컨대 리튬 이온을 이동시킨다.
활성 물질 및 집전 장치의 조성 및 형태는 전극의 특징에 영향을 준다. 에너지 저장 장치의 충방전율은 다른 것들 사이에서, 전기 저항 및 전극의 이온 확산율에 따라 달라진다. LiFePO4, V2O5와 같은 대다수의 고용량 전극 물질은 높은 저항과 낮은 이온 확산율을 갖는다. 전극 물질의 나노 입자는, 문제를 완화시키기 위해 전극에 포함되어 왔다. 전극은 일반적으로 나노 입자 및 종래의 도전성 첨가제를 혼합함으로써 제조된다. 나노 입자는 이온 확산 경로를 감소시켜 이온 확산율을 증가시키는 역할을 한다. 나노 입자가 도전성 첨가제와 우수하게 접촉되는 것을 보증하기 위해, 첨가제의 양을 높여, 전극의 특정 용량을 필연적으로 감소시켜야 한다.
전극은 충전 및 방전의 사이클의 진행을 계속하고, 전극은 이온의 흡수 및 탈착 동안 확장 및 수축한다. 확장 및 수축은 활성 물질과 그 집전 장치 사이에서 접촉의 감소 또는 손실을 일으킨다. 이러한 역 효과는 순환 수명을 현저히 감소시킨다. 이러한 기계적 열화와 관련된 문제를 극복하기 위해, 활성 물질로서 나노-스케일 입자를 이용하는 것을 포함하는 몇몇의 시도가 제안되어 왔다. 그러나, 대부분의 선행 기술의 컴포지트 전극(composite electrodes)은 덜 만족스러운 가역 용량, 낮은 순환 안정성, 높은 비가역 용량, 및 리튬 이온 삽입 및 수축 사이클과 같은 충전/방전 사이클 동안 내부 스트레스 또는 스트레인을 감소시키는 것에 무익함과 같은 결함을 갖는다.
상기와 같은 관점에서, 더 높은 충방전율 및 증가된 순환 수명을 갖는 전극 구조체는 기술에서 실질적으로 유용할 것이다. 본 발명은 이러한 요구를 만족하고, 또한 관련된 이점들을 제공한다.
일반적으로, 여기에 개시된 실시예는 에너지 저장 장치에 사용되는 코어/셸 전극 구조의 탄소 나노 구조체에 관한 것이다.
소정의 실시예에서, 에너지 저장 장치는 활성 물질 및 전해질과 접촉하는 복수의 탄소 나노 구조체(CNS)-주입된 섬유를 포함하는 적어도 하나의 전극을 갖는다.
소정의 실시예에서, 에너지 저장 장치는 복수의 양극, 복수의 음극 및 전해질을 갖는다. 양극의 적어도 하나 및/또는 음극의 적어도 하나는 활성 물질과 접촉하는 CNS-주입된 섬유를 포함한다.
소정의 실시예에서, 전극은 활성 물질과 접촉하는 CNS-주입된 섬유를 갖는다.
소정의 실시예에서, 코어/셸 전극 구조를 제조하는 방법은, CNS-주입된 섬유를 제공하고, 활성 물질과 CNS-주입된 섬유 사이에 복수의 접촉점을 형성하기 위해 상기 CNS-주입된 섬유에 활성 물질을 적용하는 단계를 포함한다.
상기는 이하의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 개시 내용의 특징을 다소 넓게 설명했다. 본 개시 내용의 추가적인 특징 및 이점은 이하에 설명될 것이고, 이는 청구항의 대상을 형성한다.
본 개시 내용, 및 이의 이점을 더욱 완전히 이해하기 위해서, 본 개시 내용의 특정 실시예를 설명하는 첨부되는 도면과 함께 다음의 설명을 참조한다:
도 1A-1C는 이중 연속 집전 장치(bicontinuous current collector)를 통해 이동하는 경로 전자의 한정되지 않는 예를 도시한다.
도 2는 코어/셸 전극 구조의 한정되지 않는 예를 도시한다.
도 3은 적층된 구조를 갖는 에너지 저장 장치의 한정되지 않는 예를 도시한다.
도 4는 롤링된 구조를 갖는 에너지 저장 장치의 한정되지 않는 예를 도시한다.
도 5a-b는 혼합된 섬유 구조를 갖는 에너지 저장 장치의 한정되지 않는 예를 도시한다.
도 6은 CNS-주입된 탄소 섬유의 주사형 전자 현미경 사진을 도시한다.
도 7은 탄소 섬유 상의 CNS-주입된 주사형 전자 현미경 사진을 도시한다.
도 8은 활성 물질이 CNS 상에 전기 증착된 탄소 섬유 상의 CNS-주입된 주사형 전자 현미경 사진을 도시한다.
본 개시 내용은 특히 에너지 저장 장치용 코어/셸 전극 구조 내 탄소 나노 구조체에 관한 것이다.
여기에 사용되는 "전기 화학적 에너지 저장 장치(electrochemical energy storage device)" 또는 "에너지 저장 장치(energy storage device)"는 충전 가능한 및 방전 가능한 전력 저장 유닛을 말한다. 전기 저장 장치의 한정되지 않은 예는, 캐패시터, 울트라캐패시터, 슈도캐패시터, 배터리, 저용량 2차 배터리, 고용량 2차 배터리, 울트라캐패시터-배터리 하이브리드, 슈도캐패시터-배터리 하이브리드 및 에너지 저장 전지를 포함한다.
여기에 사용되는 "탄소 나노 구조체(carbon nanostructure)"(CNS, 복수의 CNSs)는 적어도 하나의 치수가 약 100 nm 미만이고, 실질적으로 탄소로 이루어지는 구조를 말한다. 탄소 나노 구조체는 그래핀, 풀러렌, 탄소 나노 튜브, 대나무와 같은(bamboo-like) 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 호른, 탄소 나노 섬유, 탄소 퀀텀 도트 등을 포함할 수 있다. 또한, CNSs는 CNSs의 얽어매진(entangled) 및/또는 연결되는(interlinked) 네트워크로 존재할 수 있다. 연결되는 네트워크는 다른 CNSs로부터 덴드리머 방식으로 나눠지는 CNSs를 함유할 수 있다. 또한, 연결되는 네트워크는 한정되지 않는 예로서, 탄소 나노 튜브가 다른 탄소 나노 튜브와 공유되는 측벽의 적어도 일부를 가질 수 있는 것과 같이 CNSs 사이에서 브릿지를 함유할 수 있다.
여기에 사용되는 "그래핀(graphene)"은 대부분 sp2 하이브리드된 탄소를 갖는 단일- 또는 몇몇의 층(예컨대 10층 미만) 2차원 탄소 시트를 말한다. 여기에 기재되는 실시예에서, 그래핀 용어의 사용이, 달리 언급하지 않는 한 그래핀의 임의의 특정한 형태에 한정되는 것으로 이해되어서는 안된다.
여기에 사용되는 "탄소 나노 튜브(carbon nanotube)"는 단일 벽 탄소 나노 튜브(SWNTs), 이중 벽 탄소 나노 튜브(DWNTs), 및 다중 벽 탄소 나노 튜브(MWNTs)를 포함하는 풀러렌계의 탄소의 임의의 다수의 원통형 동소체를 말한다. 탄소 나노 튜브는 풀러렌과 같은 구조 또는 개방형(open-ended)에 의해 캡핑될 수 있다. 탄소 나노 튜브는 다른 물질을 캡슐화한 것을 포함할 수 있다.
여기에 사용되는 "기질(substrate)"은, CNSs가 합성될 수 있고, 또한 그것에 한정되지 않지만 탄소 섬유, 그래파이트 섬유, 셀룰로오스 섬유, 유리 섬유, 금속 섬유 (예컨대 철, 알루미늄 등), 금속성 섬유, 세라믹 섬유, 금속성-세라믹 섬유, 폴리머 섬유 (예컨대 나일론, 폴리에틸렌, 아라미드 등)를 포함할 수 있는 임의의 물질, 또는 이들의 조합을 포함하는 임의의 기질을 포함하도록 하는 것이다. 기질은, 예컨대 섬유 토우(일반적으로 약 1000 내지 약 12,000 섬유를 갖는 것) 및 패브릭, 테이프, 또는 다른 섬유 브로오드 직(broadgoods) (예컨대 베일, 매트 등)과 같은 평면의 기질, 및 CNSs가 합성될 수 있는 물질에 배열되는 섬유 또는 필라멘트를 포함할 수 있다.
여기에 사용되는 "주입된(infused)"은 화학적으로 또는 물리적으로 결합되는 것을 의미하고, "주입(infusion)"은 결합 공정을 의미한다. CNS가 기질에 "주입된" 특정 방법을 "결합 모티프(bonding motif)"라고 한다.
코어/셸 전극 구조는 일반적으로 활성 물질과 접촉하는 CNS-주입된 섬유를 포함한다. 접촉은 코팅(a coating), CNS-주입된 섬유의 CNS에 삽입된 입자, CNS-주입된 섬유의 CNS 상의 입자들, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있고, 이들의 한정되지 않는 예는 도 2에 도시된다. 이론 또는 메카니즘에 제한 없이, CNS-주입된 섬유는 전극의 이중 연속 집전 장치로 작용한다. CNS-주입된 섬유의 CNS 부분은 증가된 표면적 및 더 높은 도전성을 갖는 활성 물질과 우수한 접촉을 제공한다. 또한, 일부 실시예에서, CNS-주입된 섬유의 CNS 부분은 얽어매지고, CNS는 활성 물질과 그 각각의 단자 사이에서 전자를 이동시키도록 작용할 수 있다. CNS-주입된 섬유의 섬유 부분은 강도, 유연성, 일부 실시예에서 이중 연속 집전 장치 내에서 전자를 이동시키기 위한 주요 도관을 제공한다. 여기에 논의되는 코어/셸 전극 구조는 더 높은 충방전율 및 증가된 순환 수명을 유리하게 제공하고, 특이 구조적 특성을 갖는 전극에 이동시킬 수 있는 유연성 및 기계적 강도를 더 제공한다.
도 1A-1C는 이중 연속 집전 장치를 통해 전자가 이동할 수 있는 경로의 한정되지 않는 예를 도시한다. 전자 경로는, CNS가 주입되는 섬유와 CNS 배열에 따라 달라진다. 도 1B 및 1C에 도시되는 바와 같이, 연속 네트워크를 형성하는 CNSs는 전자가 CNS에서 CNS로, CNSs에서 섬유로 이동하도록 해준다. 도 1A에 도시된 바와 같이, 비연속적 네트워크를 형성하는 CNSs는 전자가 CNSs에서 섬유로 이동하도록 해준다. 일부 실시예에서, CNS 네트워크는 연속성과 비연속성을 모두 가질 수 있다. 전기적으로 도전성인 섬유 물질, 예컨대 구리 또는 알루미늄은, 도 1A 및 1B에 도시된 바와 같이, 전자가 섬유의 종축을 따라 이동하도록 해준다. 유리와 같이 절연성인 섬유 물질은 도 1C에 도시된 바와 같이, 섬유의 종축을 따라 실질적인 전자의 흐름을 막는다. 이러한 실시예에서, 전자 흐름은 도 1C에 도시된 바와 같이 연속적 또는 실질적으로 연속적인 CNS 네트워크를 통할 것이다.
CNS-주입된 섬유의 실시예 및 제조 방법은 "CNT-Infused Metal Fiber Materials and Process Thereof" 표제의 미국 특허출원 공개 번호 2010/0159240, "CNT-Infused Carbon Fiber Materials and Process Thereof" 표제의 2010/0178825, 및 "CNT-Infused Aramid Fiber Materials and Process Thereof" 표제의 2011/0171469 및 "CNT-Infused Ceramic Fiber Materials and Process Thereof" 표제의 미국 출원 시리얼 넘버 12/611,103에서 확인될 수 있고, 이 내용은 전체가 여기에 참조로 인용된다. 일부 실시예에서, CNS-주입된 섬유의 CNSs는 섬유 종축으로부터 방사상으로 얼라인드된다. "방사상으로(radially)"는 모든 CNSs에 대해 섬유의 종축으로부터 90o 편차를 암시하는 것이 아니고, 섬유의 종축으로 얼라인드되는 것보다는 섬유로부터 바깥쪽으로 확장되는 배향이라는 것임을 유의해야 한다.
CNSs의 특성은 이중 연속 집전 장치의 특성에 영향을 줄 수 있다. 일부 실시예에서, CNS는 약 100 nm보다 큰, 약 500 nm 보다 큰, 약 1 미크론보다 큰, 약 5 미크론보다 큰, 약 50 미크론보다 큰 섬유 표면으로부터 확장될 수 있다. 본 개시 내용의 이익을 갖는 당업자는, 섬유 표면으로부터 더 확장되는 CNSs가 상한이 약 100 미크론을 초과할 때 유용할 수 있는 것을 알 수 있다. 일부 실시예에서, CNSs는 CNTs를 포함할 수 있다. 더 작은 직경의 CNTs가 바람직하지만, 약 100 nm를 초과하는 직경도 가능하다.
또한, 섬유에 CNS-주입량은 이중 연속 집전 장치의 특성에 영향을 줄 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유 표면 상의 CNSs의 밀도, 또는 CNSs로 피복된(직접 접촉으로) 섬유 표면의 퍼센트는 약 1% 내지 약 95%의 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, CNS-주입된 섬유는 섬유에 대한 CNS의 약 1중량% 내지 약 80 중량%의 범위의 양으로 CNS를 가질 수 있다.
주입에 적절한 섬유는, 그것에 한정되지 않지만, 탄소 섬유, 유리 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 폴리머(예컨대 아라미드) 섬유, 유리 상의 세라믹 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 탄소 섬유 물질의 예는, 그것에 한정되지 않지만, 탄소 필라멘트, 탄소 섬유 실, 탄소 섬유 토우, 탄소 테이프, 탄소 섬유 끈(fiber-braid), 탄소 직물(woven carbon fabric), 부직포 탄소 섬유 매트(a non-woven carbon fiber mat), 탄소 섬유 가닥(ply) 및 다른 3D 직물 구조를 포함할 수 있다.
본 개시 내용의 일부 실시예에서, 다수의 주요 섬유 물질 구조체는 직물 또는 시트와 같은 구조로 조직화될 수 있다. 이들은, 예컨대 탄소 직물, 부직포 탄소 섬유 매트 및 탄소 섬유 가닥 및 테이프를 포함한다. 이러한 고차 구조는 모 섬유(parent fiber)에 CNSs가 미리 주입되거나 주입되지 않고서, 모 토우(parent tow), 실, 필라멘트 등으로부터 어셈블리될 수 있다.
양극 활성 물질은, 그것에 한정되지 않지만, 순수 원소(황), 유기 화합물 및/또는 전이 금속 산화물과 같은 무기 화합물, 리튬과 전이 금속의 복합 산화물, 금속 설파이트, 포스페이트, 설페이트 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 적절한 유기 화합물은, 그것에 한정되지 않지만, 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아센(polyacene), 디설파이드 시스템 화합물(disulfide system compound), 폴리설파이드 시스템 화합물(polysulfide system compound), N-플루오로피리디늄염(N-fluoropyridinium salt) 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 적절한 전이 금속 산화물은, 그것에 한정되지 않지만, Li, Fe, Co, Ni, Ru 및 Mn의 산화물 (예컨대 MnOx, V2O5, V6O13, V2O5, RuOx, TiO2); 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 리튬과 전이 금속의 적절한 복합 산화물은, 그것에 한정되지 않지만, 리튬 니켈레이트(lithium nickelate), 리튬 코발테이트(lithium cobaltate), 리튬 망가네이트(lithium manganate), LiCoO2 LiNiO2, LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2, LiV3O8, LiFe3O4, Cu2V2O7, LiNi1 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, 또는 Ga, 및 x = 0.01 내지 0.3), LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn, 또는 Ta, 및 x = 0.01 내지 0.1), Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu, 또는 Zn), LiFePO4, AgXNiYO (여기서 X/Y 는 1보다 작고 0.25보다 크다) 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 적절한 금속 설파이드는, 그것에 한정되지 않지만, TiIS2, FeS, MoS2, Li2S 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
음극 활성 물질은, 그것에 한정되지 않지만, 최소의 불순물을 갖는 순수한 원소(예컨대 탄소, 실리콘 및 게르마늄), 탄소 혼합물, 도전성 폴리머 산화물, 설페이트 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 적절한 탄소는, 그것에 한정되지 않지만, 그래파이트 및 코크를 포함할 수 있다. 적절한 탄소 혼합물은, 그것에 한정되지 않지만, 금속과 혼합된 탄소, 금속성염, 산화물 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 적절한 도전성 폴리머는, 그것에 한정되지 않지만, 폴리아세틸렌을 포함할 수 있다. 적절한 산화물 및 설페이트는, 그것에 한정되지 않지만, 실리콘, 주석, 아연, 마그네슘, 철, 니켈, 바나듐, 안티몬, 납, 게르마늄 및/또는 리튬의 산화물 및 설페이트(예컨대 SnO, SiSnO3, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5, LiNiVO4, LiCoVO4, LiNiO2, Li0 .95NiOz, LiNi0 .9Co0 .1Oz, LiNi0 .98V0 .02Oz, LiNi0 .9Fe0 .1Oz, LiNi0 .95Mn0 .05Oz, LiNi0.97Ti0.03Oz, LiNi0 .97Cu0 .030Oz, LiMn2O4, Li0 .95Mn2Oz, LiMn1 .8Co0 .1Oz, LiMn0 .9Fe0 .1Oz, LiMn0.97Ti0.03Oz, and LiMn0 .97Cu0 .03Oz, 여기서 z는 1.7 내지 2.3임); 리튬 전이 금속 니트라이드; 소결된 탄소질 물질(calcined carbonaceous materials); 스피넬 화합물(예컨대 TiS2, LiTiS2, WO2, 및 LixFe(Fe2O4) 여기서 x는 0.7 내지 1.3임); Fe2O3의 리튬 화합물; Nb2O5; 철 산화물(예컨대 FeO, Fe2O3, 및 Fe3O4); 코발트 산화물(예컨대 CoO, Co2O3, 및 Co3O4); 및 유사물; 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
CNS-주입된 섬유와 활성 물질 사이에 접촉을 형성하는 것은 활성 물질로 CNS-주입된 섬유를 코팅하는 것을 포함할 수 있다. 여기에 사용되는, "코팅(coating)" 등은 임의의 특정한 정도의 코팅을 의미하지 않는다. 특히, "코트(coat)" 또는 "코팅(coating)"은 코팅에 의해 100% 커버리지를 의미하지 않는다. 일부 실시예에서, 코팅은 약 1 nm 초과일 수 있다. 본 개시 내용에 이익을 갖는 당업자는, 코팅의 두께가 활성 물질 및 CNS-주입된 섬유의 특성에 따라 달라지는 임의의 적용 가능한 상한이 될 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 당업자는, 과도한 두께의 코팅이 적용 가능할 수 있지만, 이는 여기에 언급되는 코어/셸 전극 구조의 이익을 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. 일부 실시예에서, 코팅은 약 1 nm 내지 약 10 미크론, 약 1 nm 내지 약 1 미크론, 약 10 nm 내지 약 1 미크론, 또는 약 1nm 내지 약 100 nm 범위의 두께일 수 있다.
CNS-주입된 섬유와 활성 물질 사이에 접촉의 형성은, CNSs 상에 및/또는 CNS 네트워크 내에 삽입될 수 있는 입자를 포함할 수 있다. 활성 물질의 입자는, 그것에 한정되지 않지만, 구형 및/또는 달걀형(ovular), 실질적으로 구형 및/또는 달갈형, 원반 및/또는 혈소판(platelet), 플레이크, 인대(ligamental), 바늘 모양(acicular), 섬유 모양(fibrous), 폴리고날(예컨대 큐빅), 임의로 형성된(예컨대 부서진 바위의 형태), 깎은 면이 있는(예컨대 크리스탈의 형상) 또는 이들의 임의의 하이브리드를 포함하는 임의의 형태일 수 있다. 입자는 약 1 nm 내지 약 100 미크론, 1 nm 내지 약 10 미크론, 약 1 nm 내지 약 1 미크론, 약 10 nm 내지 약 1 미크론, 또는 약 1 nm 내지 약 100 nm 범위 중 적어도 하나의 치수를 갖는 사이즈를 가질 수 있다. 입자는 다양한 조성, 사이즈, 형태, 마이크로 구조, 결정 구조 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 입자의 혼합물일 수 있다.
CNS-주입된 섬유와 활성 물질 사이의 접촉 (코팅 및/또는 입자)은 딥코팅, 페인팅, 워싱, 스프레잉, 에어로졸링, 스퍼터링, 화학 반응 기반의 증착, 전기 화학 증착, 화학 기상 증착, 물리 기상 증착 또는 이들의 임의의 조합에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 코팅은 CNS-주입된 섬유의 제조 동안 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 코팅은 후-제조법(post-production methods)에 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 활성 물질은 입자, 유체로서, 서스펜션으로, 서스펜션 내 전구체로서 또는 이들의 임의의 조합의 형태로 적용될 수 있다. "서스펜션(suspension)"은 용액을 포함하는 것임을 유의해야 한다.
일부 실시예에서, 활성 물질은 전해질과 접촉하는 높은 표면적을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 표면적은 약 0.1 m2/g 내지 약 500 m2/g, 약 1 m2/g 내지 약 500 m2/g, 약 10 m2/g 내지 약 500 m2/g 또는 약 10 m2/g 내지 약 250 m2/g의 범위일 수 있다.
활성 물질은 CNS-주입된 섬유에 대해 몇몇의 공간적 배열을 가질 수 있는데, 예컨대 주기적으로 섬유의 종축을 따라, 섬유의 축을 따라 교대로 코팅된 하나 이상의 활성 물질, CNS-주입된 섬유 상의 하나 이상의 코팅 (CNS-주입된 섬유의 오직 몇 부분 상의 다중 코팅을 포함함), 섬유에 먼 CNSs의 말단에서, CNSs 사이에서 삽입되거나, 섬유의 표면을 통해 CNSs 사이에서 삽입된 또는 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, CNSs는 활성 물질과 CNSs 사이에 접촉을 강화시키기 위해 기능화될 수 있다. 일부 실시예는 공유 기능화 및/또는 비공유 기능화, 예컨대 피-스태킹(pi-stacking), 물리흡착, 이온 결합, 반데르발스 결합 등을 포함할 수 있다. 적절한 작용기는, 그것에 한정되지 않지만, 아민(1o, 2o, 또는 3o)을 포함하는 모이어티, 아미드, 카르복실산, 알데히드, 케톤, 에테르, 에스테르, 퍼옥시드, 실릴, 유기실란, 탄화수소, 방향족 탄화수소 또는 이들의 임의의 조합; 폴리머; 에틸렌디아민 테트라아세테이트(ethylenediamine tetraacetate), 디에틸렌트리아민펜타아세트산(diethylenetriaminepentaacetic acid), 트리글리콜라믹산(triglycollamic acid) 및 피롤환을 포함하는 구조와 같은 킬레이트제; 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 당업자는, 기능화가 CNSs의 도전성을 감소시킬 수 있고, 따라서, 기능화의 정도는, CNSs의 필요한 도전성을 유지하면서, CNSs와 활성 물질 사이의 접촉에 필요한 강화를 제공해야 한다는 것을 알 수 있다.
여기에 기재되는 코어/셸 전극 구조는 표준 전극 형태, 예컨대 로드 및 디스크를 형성하도록 사용될 수 있지만, 코어/셸 전극 구조는, 직포 또는 부직포 형태, 직포 형태, 테이프 형태 등을 갖는 전극을 제공하도록 기계적으로 강해지지만 유연한 것이 유리하다. 전극 형태는 각각의 코어/셸 전극 구조; 얼라인드되고, 와인딩되고, 짜여지고(woven), 꼬아지고(braided), 엉클어지고(matted) 등, 또는 이들의 임의의 조합인 복수의 코어/셸 전극 구조; 또는 공지의 전극과 결합된 각각의 또는 복수의 코어/셸 전극 구조일 수 있다.
일부 실시예에서, 활성 물질과 접촉하는 CNS-주입된 섬유를 포함하는 코어/셸 전극은 에너지 저장 장치에 포함될 수 있다. 일반적으로, 에너지 저장 장치는 양극, 음극 및 그 사이에 전해질을 포함할 수 있다. 에너지 저장 장치는 양극에 연결된 양극 단자(positive terminal) 및 음극에 연결된 음극 단자(negative terminal)를 더 포함할 수 있다. 에너지 저장 장치는 양극과 음극 사이에 이온의 흐름을 돕기 위해 전해질 내에 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다.
전해질은 고체, 액체(수성 및/또는 비수성), 페이스트 등의 형태일 수 있다. 적절한 전해질은 보레이트염, 리튬염, 소듐염, 마그네슘염, 철염 및 비스무트염 (예컨대, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiCF3SO3, LiC4F9SO3 , LiN(CF3SO2), LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiB10Cl10, Li(1,2-디메톡시에탄)2ClO4, 저급 지방산 리튬염, LiAlO4 , LiAlCl4, LiCl, LiBr, LiI, 클로로보란 리튬(chloroboran lithium), 리튬 테트라페닐보레이트(lithium tetraphenylborate), BiSO4HSO4)과 같은 염; Li3PO4, Li4SiO4, 및 Li2SO4과 같은 리튬 화합물을 함유하는 고체 전해질; 임의의 상기 염에 첨가된 폴리에틸렌 산화물; 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 산화물 유도체, 폴리프로필렌 산화물 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 아기테이션 리신(poly agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드(polyester sulfide), 폴리비닐 알콜(polyvinyl alcohols), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)와 같은 유기 고체 전해질, 및 이온 분리기를 함유하는 폴리머; 이들의 임의의 유도체; 등; 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 한정되지 않는 예로서, 비수성 액체는, 그것에 한정되지 않지만, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 부틸렌 카보네이트(butylene carbonate), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate), 메틸 프로피오네이트(methyl propionate), 에틸 프로피오네이트(ethyl propionate), γ-부티로락톤, 1,2-디메톡시에탄, 테트라하이드로푸란, 2-메틸테트라하이드로푸란, 디메틸 설폭시드, 1,3-디옥솔란, 포름아미드, 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디옥솔란(dioxolane), 아세토니트릴(acetonitrile), 니트로메탄(nitromethane), 포스포릭 트리에스테르(phosphoric triesters), 트리메톡시메탄(trimethoxymethane), 디옥솔란 유도체(dioxolane derivatives), 설포란(sulfolane), 3-메틸-2-옥사졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체(propylene carbonate derivatives), 테트라하이드로푸란 유도체(tetrahydrofuran derivatives), 에틸 에테르(ethyl ether), 1,3-프로판설톤(propanesultone), 이온성 액체 (예컨대 메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(methylimidazolium tetrafluoroborate)), 이들의 임의의 비양자성 유도체, 및 이들의 임의의 혼합물을 포함하는 비양자성 유기 용매 내의 전해질일 수 있다.
세퍼레이터는 약 0.01 내지 약 10 미크론의 기공 직경과 약 5 미크론 내지 약 300 미크론의 두께를 가질 수 있다. 세퍼레이터는 내화학성 및 소수성을 갖는, 폴리프로필렌, 셀룰로오스 및 변형된 셀룰로오스, 폴리이미드, 유리 섬유 또는 폴리에틸렌 또는 이들의 임의의 조합과 같은 올레핀 폴리머로 이루어지는 시트 또는 부직포일 수 있다. 폴리머와 같은 고체 전해질이 적용되는 경우에, 고체 전해질은, 그것에 한정되지 않지만, 폴리(에틸렌 산화물), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), NAFION®(DuPont에서 입수한, 설폰화 테트라플루오로에틸렌계 플루오로폴리머-코폴리머), 설폰화 및 인산화 폴리머 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있는 전해질 및 세퍼레이터 모두로서 작용할 수 있다.
일부 실시예에서, 에너지 저장 장치는 적어도 일부의 음극, 적어도 일부의 양극 또는 이들의 임의의 조합과 같이 여기에 기재되는 임의의 구조에 따른 코어/셸 전극을 포함할 수 있다. 에너지 저장 장치의 모든 전극과 같이 포함되지 않는 경우에, 당업자에게 알려진 임의의 다른 전극 구조 및/또는 형태가 여기에 기재되는 임의의 구조 및/또는 형태에 따라 코어/셸 전극과 함께 사용될 수 있다. 한정되지 않는 예로서, 다른 전극 구조는 직물, 시트, 메시, 섬유, 와이어 및 두께 및/또는 직경이 약 1 nm 내지 약 10 mm인 활성물질과 같은 것을 포함할 수 있다.
에너지 저장 장치는 당업자에게 알려진 양극, 음극 및 전해질의 임의의 구조물을 가질 수 있다. 한정되지 않는 예로서, 에너지 저장 장치는 적층된 구조물, 롤링된 구조물, 혼합된 섬유 구조물, 이들의 임의의 하이브리드 또는 이들의 임의의 조합으로 전극을 가질 수 있다. 또한, 에너지 저장 장치는 단극(unipolar) 및/또는 2극(bipolar) 형태로 전극을 포함할 수 있다.
한정되지 않는 예로서, 도 3은 적층된 구조물을 갖는 에너지 저장 장치(300)를 도시한다. 금속으로 이루어지는 케이스(320)는 그 바닥에 절연체(330)를 갖는다. 전극의 어셈블리(310)는 원통형 케이스(320)로 하우징되어, 이 순서로 적층된 양극(312), 세퍼레이터(314) 및 음극(316)을 포함하는 스트립과 같은 라미네이트체가 전극 어셈블리(310)의 최외측에 배치되는 세퍼레이터와 나선형으로 와인딩된다. 케이스(320)는 전해질로 충전된다. 중앙에 개구부를 갖는 한 장의 절연지(insulating paper)(322)는 케이스(320)에 놓이는 전극 어셈블리(310) 상에 배치된다. 절연 실 플레이트(Insulating seal plate)(324)는 케이스(320)의 상부 개방부에 마운팅되고, 케이스(320)의 상부 개구부 부분을 안쪽으로 코킹(caulking)함으로써 케이스(320)에 밀폐되도록 고정된다. 양극 단자(326)은 절연 실 플레이트(324)의 중앙 개구부에 피팅된다. 양극 리드(328)의 하나의 말단은 양극(312)에 연결되고, 이의 다른 말단은 양극 단자(326)에 연결된다. 음극(316)은 음극 단자으로 기능하는 케이스(320)에 음극 리드(도시되지 않음)를 통해 연결된다.
한정되지 않은 예로서, 도 4는 롤링된 구조물을 갖는 에너지 저장 장치의 부분을 도시한다. 양극(412), 음극(416) 및 세퍼레이터(414)는 양극(412), 세퍼레이터(414), 음극(416) 및 세퍼레이터(414)의 순으로 롤링되고, 스핀들(440) 상에 와인딩되어 에너지 저장 장치(400)를 형성한다. 이 때, 롤링된 구조물(400)에서, 양극(412) 및 음극(416)은 와인딩되어, 양극(412)의 스트라이프와 같은 리드(418)는 롤링된 구조물(400)의 한쪽에 모이고, 음극(416)의 스트라이프와 같은 리드(418)는 롤링된 구조물(400)의 다른 한쪽에 모인다. 에너지 저장 장치를 형성하기 위해, 롤링된 구조물(400)은 전해질 용액을 함유하는 하우징 내에 위치될 수 있고, 양극 및 음극 단자와 적절히 연결된다.
혼합된 섬유 구조물은 일반적으로 양극과 음극 사이에 혼합되는 길어진 복수의 전극을 포함한다. 혼합된 섬유 구조물은, 그것에 한정되지 않지만, 와인딩된 전극(wound electrode), 섞어짜인 전극(interwoven electrodes)(바람직한 패턴을 갖거나 또는 임의로), 꼬인 전극(interlaced electrodes), 교차 전극(alternating electrode) 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 양극의 전부 또는 일부는 코어/셸 전극 구조일 수 있다. 일부 실시예에서, 음극의 전부 또는 일부는 코어/셸 전극 구조일 수 있다.
한정되지 않은 예로서, 도 5b는 교차 전극을 갖는 혼합된 섬유 구조물을 갖는 에너지 저장 장치(500)를 도시한다. 도 5a는 고체 전해질(514)의 코팅을 갖는 양극(512) 및 음극(516)의 구조를 도시한다. 상기 전극은 대응하는 양극 단자(526) 및 음극 단자(530)에 부착될 수 있다. 그 후, 전극/전극 단자 쌍은 필요에 따라 케이스(520) 및 추가적인 고체 전해질(514)을 갖는 에너지 저장 장치(500)로 통합될 수 있다. 추가적인 성분은 당업자에게 알려진 것이고, 필요에 따라 통합될 수 있다. 또한, 당업자는, 도 5b에 묘사된 전극 중 하나는 코어/셸 전극 형태를 포함하지 않는 전극과 교환될 수 있다.
일부 실시예에서, 여기에 개시되는 임의의 실시예에 따른 에너지 저장 장치는 다른 장치의 성분일 수 있고, 및/또는 그것에 한정되지 않지만, 센서, 소형 전자 장치, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 카메라, 캠코더, 오디오 플레이어, 하이브리드 전기 자동차, 전기 그리드 등을 포함하는 다른 장치에 사용 가능하도록 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 여기에 개시되는 임의의 실시예에 따른 에너지 저장 장치는, 그것에 한정되지 않지만, 광기전, 윈드 터빈, 연료 전지, 흐름 전지 등을 포함하는 에너지 제조 및/또는 수확 장치에 사용 가능하도록 연결될 수 있다.
본 출원의 일부 실시예는 몇몇의 사이클에 재충전 가능하고 방전 가능한 에너지 저장 장치에 대한 것이지만, 전극, 전극 형태, 에너지 저장 장치 구조물 등은 일회용 배터리와 같은 1차 저장 장치에 적용될 수 있다는 점을 유의해야 한다.
일부 실시예에서, 에너지 저장 장치는 활성 물질 및 전해질과 접촉하는 복수의 CNS-주입된 섬유를 포함하는 적어도 하나의 전극을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 에너지 저장 장치는 복수의 양극, 복수의 음극 및 전해질을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 양극 및/또는 적어도 하나의 음극은 활성 물질과 접촉하는 CNS-주입된 섬유를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전극은 활성 물질과 접촉하는 CNS-주입된 섬유를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 코어/셸 전극 구조를 제조하는 방법은, 활성 물질과 CNS-주입된 섬유 사이에 복수의 접촉점을 형성하기 위해서, CNS-주입된 섬유에 활성 물질을 적용하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예의 활성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 변형 또한 여기에 제공되는 본원발명의 정의 내에 포함된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이하 실시예는 본 발명을 한정하는 것이 아니라 설명하기 위한 것이다.
실시예 1은 CNS-주입된 탄소 섬유 상의 폴리피롤의 증착을 조사했다. CNS-주입된 탄소 섬유는, 지지 전해질로서 KCl과 함께 0.05 M 피롤을 함유하는 증착 배스에 계속적으로 공급되었다. CNS-주입된 섬유가 증착 배스를 통과할 때, 양 전위는 카운터 전극에 대항해 토우에 적용되어, CNSs의 표면 상에 피롤이 중합화 하는 것을 야기한다. 증착 배스 후에, CNS-주입된 섬유는 과잉의 피롤 및 염을 제거하기 위해 세정된 후, 건조되고, 마지막으로 컬렉팅 스풀(collecting spool) 상에 와인딩되었다. 도 6 및 7은 폴리피롤 증착 전 CNS-주입된 탄소 섬유의 주사형 전자 현미경 사진이다. CNS-주입된 탄소 섬유는 약 50 미크론 미만의 직경을 갖는 탄소 나노 튜브를 포함하는 CNSs를 갖는 약 180 미크론의 외측 직경을 갖는다. 도 8은 폴리피롤 증착 후 CNS-주입된 탄소 섬유의 주사형 전자 현미경 사진이다. 이 실시예에서, 폴리피롤은, 직경이 증가하고 몰폴로지가 변화하는 증거로서, CNSs 상에 증착되면서, 폴리피롤 증착 전에 CNSs의 구조와 비슷한 구조를 유지한다. 이러한 구조는, 활성 물질의 표면적이 동일한 물질의 시트 또는 고체 전극보다 높을 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.
상기 실시예는 본 발명을 단지 설명하는 것이고, 상기 기재된 실시예의 다수의 변형은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 고안될 수 있는 것을 알 수 있다. 예컨대, 본 명세서에서, 수많은 특정 설명은 본 발명의 예시적인 실시예의 설명 및 이해를 제공하기 위해 제공된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 하나 이상의 설명 없이 또는 그 외의 공정, 물질, 성분 등을 가지고 실시될 수 있는 것을 인식할 것이다.
또한, 일부 예에서, 공지된 구조, 물질, 또는 조작은 예시적인 실시예의 모호한 양상을 피하기 위해서 상세하게 도시하거나 기재하지 않는다. 도면에 도시된 다양한 실시예는 예시적인 것이며, 정확한 스케일로 그려지는 것은 아니다. 명세서 전체에서 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예" 또는 "일부 실시예"에 대한 참조는 실시예에 따라서 기재되는, 특정한 특징, 구조, 물질, 또는 특성은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되지만, 모든 실시예에 포함되는 것은 아니다. 따라서, 명세서 전체에서 "하나의 실시예에서", "일 실시예에서" 또는 "일부 실시예에서"의 표현은 동일한 실시예에서 모두 적용되는 것은 아니다. 또한, 특정한 특징, 구조, 물질, 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방법으로 조합될 수 있다. 따라서, 이러한 변화가 다음의 청구범위 및 상응하는 부분에 포함되는 것을 의도한다.

Claims (36)

  1. 활성 물질과 접촉하는 복수의 탄소 나노 구조체(CNS)-주입된 섬유를 포함하는 적어도 하나의 전극; 및
    전해질을 포함하는 에너지 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 CNS-주입된 섬유는 탄소 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 유리 섬유, 유기 섬유, 유리 섬유 상의 세라믹 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 에너지 저장 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 CNS-주입된 섬유는 섬유로부터 방사상으로 연장되는 복수의 CNS를 포함하는 것인, 에너지 저장 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 CNS-주입된 섬유의 적어도 일부는 얼라인드되고, 와인딩되고, 짜여지고(woven), 꼬아지고(braided), 엉클어지고(matted), 또한 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나가 되도록 형성되는 것인, 에너지 저장 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 활성 물질은 각각의 CNS-주입된 섬유를 실질적으로 코팅하는 셸인 것인, 에너지 저장 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 활성 물질은 각각의 CNS-주입된 섬유와 접촉하는 복수의 미립자인 것인, 에너지 저장 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전극은 제1활성 물질과 접촉하는 제1 복수의 탄소 나노 구조체(CNS)-주입된 섬유를 포함하는 적어도 하나의 양극 및 제2활성 물질과 접촉하는 제2 복수의 탄소 나노 구조체(CNS)-주입된 섬유를 포함하는 적어도 하나의 음극인 것인, 에너지 저장 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    양극을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 전극은 음극인, 에너지 저장 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    음극을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 전극은 양극인, 에너지 저장 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전극은 적층된 구조로 형성되는 것인, 에너지 저장 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전극은 롤링된 구조로 형성되는 것인, 에너지 저장 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    세퍼레이터를 더 포함하는, 에너지 저장 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전해질은 고체 전해질인 것인, 에너지 저장 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는 캐패시터, 울트라캐패시터, 슈도캐패시터, 배터리, 저용량 2차 배터리, 고용량 2차 배터리, 울트라캐패시터-배터리 하이브리드, 슈도캐패시터-배터리 하이브리드 및 에너지 저장 전지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인, 에너지 저장 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는 광기전, 윈드 터빈 및 연료 전지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나와 사용 가능하도록 연결되는 것인, 에너지 저장 장치.
  16. 제1항의 상기 에너지 저장 장치를 포함하는 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 장치는 센서, 소형 전자 장치, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 카메라, 캠코더, 오디오 플레이어 및 하이브리드 전기 자동차로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인, 장치.
  18. 복수의 양극;
    복수의 음극; 및
    전해질을 포함하는 에너지 저장 장치로:
    적어도 하나의 상기 양극 및/또는 적어도 하나의 상기 음극은 활성 물질과 접촉하는 탄소 나노 구조체(CNS)-주입된 섬유를 포함하는, 에너지 저장 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 CNS-주입된 섬유는 탄소 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 유리 섬유, 유기 섬유, 유리 섬유 상의 세라믹, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 에너지 저장 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 CNS-주입된 섬유는 섬유로부터 방사상으로 연장되는 복수의 CNS를 포함하는 것인, 에너지 저장 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 CNS-주입된 섬유는 얼라인드되고, 와인딩되고, 짜여지고(woven), 꼬아지고(braided), 엉클어지고(matted), 또한 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나가 되도록 형성되는 복수의 CNS-주입된 섬유인 것인, 에너지 저장 장치.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 활성 물질은 상기 CNS-주입된 섬유를 실질적으로 코팅하는 셸인 것인, 에너지 저장 장치.
  23. 제18항에 있어서,
    세퍼레이터를 더 포함하는 에너지 저장 장치.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 전해질은 고체 전해질인 것인, 에너지 저장 장치.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는 캐패시터, 울트라캐패시터, 슈도캐패시터, 배터리, 저용량 2차 배터리, 고용량 2차 배터리, 울트라캐패시터-배터리 하이브리드, 슈도캐패시터-배터리 하이브리드, 및 에너지 저장 전지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인, 에너지 저장 장치.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는 광기전, 윈드 터빈, 및 연료 전지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나와 사용 가능하도록 연결되는 것인, 에너지 저장 장치.
  27. 제18항의 에너지 저장 장치를 포함하는 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 장치는 센서, 소형 전자 장치, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 카메라, 캠코더, 오디오 플레이어 및 하이브리드 전기 자동차로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인, 장치.
  29. 활성 물질과 접촉하는 탄소 나노 구조체(CNS)-주입된 섬유를 포함하는 전극.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 CNS-주입된 섬유는 탄소 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 유리 섬유, 유기 섬유, 유리 섬유 상의 세라믹, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 전극.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 CNS-주입된 섬유는 섬유로부터 방사상으로 연장되는 복수의 CNS를 포함하는 것인, 전극.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 CNS-주입된 섬유는 얼라인드되고, 와인딩되고, 짜여지고(woven), 꼬아지고(braided), 엉클어지고(matted), 또한 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나가 되도록 형성되는 복수의 CNS-주입된 섬유인 것인, 전극.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 활성 물질은 CNS-주입된 섬유를 실질적으로 코팅하는 셸인 것인, 전극.
  34. 활성 물질과 CNS-주입된 섬유 사이에 복수의 접촉점을 형성하기 위해 탄소 나노 구조체(CNS)-주입된 섬유에 활성 물질을 적용하는 단계를 포함하는, 코어-셸 전극 구조체를 제조하는 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 적용은 딥 코팅, 페인팅, 워싱, 스프레잉, 에어로졸링, 스퍼터링, 전기 화학 증착 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 방법.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 활성 물질은 복수의 입자, 유체, 서스펜션으로, 서스펜션 내 전구체로서, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 형태로 존재하는 것인, 방법.
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