KR20150123905A - 전해 전지에서의 전극으로서의 알칼리 금속 층간삽입 물질 - Google Patents

전해 전지에서의 전극으로서의 알칼리 금속 층간삽입 물질 Download PDF

Info

Publication number
KR20150123905A
KR20150123905A KR1020157026934A KR20157026934A KR20150123905A KR 20150123905 A KR20150123905 A KR 20150123905A KR 1020157026934 A KR1020157026934 A KR 1020157026934A KR 20157026934 A KR20157026934 A KR 20157026934A KR 20150123905 A KR20150123905 A KR 20150123905A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
anode
electrolyte membrane
cathode
alkali metal
electrochemical cell
Prior art date
Application number
KR1020157026934A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102202085B1 (ko
Inventor
사이 브하바라주
Original Assignee
세라마테크, 인코오포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 세라마테크, 인코오포레이티드 filed Critical 세라마테크, 인코오포레이티드
Publication of KR20150123905A publication Critical patent/KR20150123905A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102202085B1 publication Critical patent/KR102202085B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054—Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562—Solid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/136—Electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/002—Inorganic electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y02E60/122—

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 발명은 애노드 전극(20)을 수용하는 애노드액 구획(15); 캐소드 전극(30)을 수용하는 캐소드액 구획(25); 및 애노드액 구획(15)을 캐소드 구획(25)으로부터 분리시키는 고체 알칼리 이온 전도성 전해질 막(35)을 포함하는 전기화학 전지(10)를 제공한다. 일부 경우에서, 전해질 막(35)은 나트륨 이온 전도성 전해질 막 및 리튬 이온 전도성 막으로부터 선택된다. 일부 경우에서, 애노드(20) 또는 캐소드(30) 중 적어도 하나는 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함한다.

Description

전해 전지에서의 전극으로서의 알칼리 금속 층간삽입 물질 {ALKALI METAL INTERCALATION MATERIAL AS AN ELECTRODE IN AN ELECTROLYTIC CELL}
<관련 출원의 상호참조>
본 출원은 2013년 3월 4일에 출원된 미국 가출원 61/772,356 (발명의 명칭: "전해 전지에서의 전극으로서의 알칼리 금속 층간삽입 물질"); 2013년 3월 4일에 출원된 미국 가출원 61/772,306 (발명의 명칭: "이차 배터리에서의 전극으로서의 알칼리 금속 층간삽입 물질"); 및 2012년 1월 16일에 출원된 미국 가출원 61/587,044를 우선권 주장하는 2013년 1월 15일에 출원된 미국 특허 출원 13/742,184 (발명의 명칭: 산 애노드액의 전기분해를 위한 복합 고체 전해질)를 우선권 주장하며, 이러한 출원의 전체 개시내용은 본원에 참조로 포함된다.
<발명의 분야>
본 발명은 일반적으로 전해 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고체 알칼리 이온 전도성 전해질 막 및 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 하나 이상의 전극을 포함하는 전해 전지를 제공한다. 일부 경우에서, 층간삽입 물질은 나트륨 및 리튬으로부터 선택된 알칼리 금속을 포함한다.
알칼리 이온을 선택적으로 수송하는 고체 알칼리 이온 전도성 전해질 막을 포함하는 전해 전지가 관련 기술분야에 공지되어 있다. 전해 전지에서 알칼리 이온 선택적 막을 가짐으로써, 알칼리 이온이 전지의 애노드액 구획과 캐소드액 구획 사이로 통과되게 하면서 다른 화학물질은 그의 본래 구획에서 유지된다. 따라서, 알칼리 이온 특이적 막을 사용함으로써, 전해 전지는 달리 막이 없이 발생하는 것보다 더 효율적이도록 그리고 여러 화학물질 반응을 생성하도록 제작될 수 있다.
고체 알칼리 이온 전도성 전해질 막은 이온 전도성, 이온 선택적, 수불투과성, 화학적 안정성, 전자 절연에 대한 것을 포함하나, 이에 제한되지 않는 다양한 이유, 및 유사한 이유를 위해 전기화학 전지에서 사용된다. 예로서, NaSICON (Na 수퍼 이온 전도성) 막은 나트륨 양이온을 선택적으로 수송하며, LiSICON (Li 수퍼 이온 전도성) 막은 리튬 양이온을 선택적으로 수송한다. 고체 알칼리 이온 전도성 전해질 막의 다른 예에는 베타 알루미나, 나트륨-전도성 유리 등이 포함된다.
고체 알칼리 이온 전도성 막을 포함하는 전해 전지를 사용하여 매우 다양한 여러 화학물질을 제조하고 다양한 화학 공정을 수행한다. 일부 경우에서, 이러한 전해 전지는 알칼리 염을 그의 상응하는 산으로 전환시킨다. 다른 경우에서, 또한 이러한 전해 전지를 사용하여 알칼리 금속을 혼합된 알칼리 염으로부터 분리할 수 있다. 이에 따라, 몇몇 이러한 전해 전지를 사용하여 금속, 예컨대 나트륨, 리튬, 칼륨을 정제할 수 있다.
그의 용도에도 불구하고, 고체 알칼리 이온 전도성 막을 포함하는 전해 전지가 반드시 그의 단점 또는 도전과제가 없는 것은 아니다. 예를 들어, 몇몇 이러한 전해 전지는 비교적 비효율적이다. 보다 구체적으로는, 몇몇 이러한 전지는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 비교적 높은 양의 전압 강하에 처한다. 또한, 몇몇 이러한 전해 전지는 전지가 기능할 때 전해질 구획에서의 낮은 pH의 산 및/또는 캐소드액 구획에서의 높은 pH의 염기를 발생시킬 수 있기 때문에, 이러한 전지의 내용물은 고체 알칼리 이온 전도성 막을 저하시키거나 손상시킴으로써 전지가 덜 효율적이 되게 하거나 심지어 가동불가능해지게 한다.
따라서, 고체 알칼리 이온-전도성 막에 의해 분리된 캐소드액 구획 및 애노드액 구획을 포함하는 전해 전지가 공지되어 있으나, 도전과제가 여전히 존재한다. 이에 따라, 특정한 통상의 전해 전지 대신에 다른 전해 전지를 증가시키거나 또는 심지어 이로 대체하기 위한 관련 기술분야에서의 개선이 있을 것이다.
본 발명은 통상적으로 고체 알칼리 이온 전도성 전해질 막 및 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 하나 이상의 전극을 포함하는 전해 전지에 관한 것이다. 전지는 임의의 적합한 부품을 가질 수 있으나, 일부 비제한적인 실행에서, 전지는 애노드 전극을 수용하는 애노드액 구획; 캐소드 전극을 수용하는 캐소드액 구획; 및 애노드액 구획과 캐소드액 구획을 분리시키는 고체 나트륨 또는 리튬 이온 전도성 전해질 막을 포함한다. 전지에서, 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나는 이어 염기 물질 (예를 들어, 탄소, 산화니켈, 산화망간, 인산철 등)로 및/또는 그의 상부에 층간삽입되는 알칼리 금속 (예를 들어, 나트륨 또는 리튬)을 포함하는 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함한다.
다른 비제한적인 실행에서, 본 발명은 애노드 전극을 수용하는 애노드액 구획, 여기서 애노드는 나트륨 금속 층간삽입 물질을 포함함; 캐소드 전극을 수용하는 캐소드액 구획; 및 애노드액 구획과 캐소드액 구획 사이에 위치한 고체 나트륨 이온 전도성 전해질 막을 포함하며, 여기서 애노드는 전해질 막에 커플링되거나 그의 상부에 배치되는 것인 전기화학 전지에 관한 것이다.
한 실시양태에서, 본 발명은 이차 전지 (또는 재충전가능한 배터리)의 형태이다. 재충전가능한 배터리는 종종 양극 및 음극을 갖는 것으로 지칭됨이 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 본원에 걸쳐 사용되는 "음극"은 "애노드"와 상호 교환가능하게 사용될 수 있고, "양극"은 "캐소드"와 상호 교환가능하게 사용될 수 있고, "음극 구획"은 "애노드액"과 상호 교환가능하게 사용될 수 있고, "양극 구획"은 "캐소드액"과 상호 교환가능하게 사용될 수 있다.
이차 기초 이차 전지는 고체 알칼리 금속 이온 전도성 전해질 막 및 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 음극 (또는 애노드)을 포함할 수 있다. 기재된 이차 전지가 임의의 적합한 부품을 포함할 수 있음에도 불구하고, 일부 비제한적인 실행에서, 전지는 음극을 수용하는 애노드액 구획; 양극 (또는 캐소드)을 수용하는 캐소드액 구획; 및 음극을 양극으로부터 분리시키는 고체 나트륨 또는 리튬 금속 이온 전도성 전해질 막을 포함한다. 양극은 이러한 실행에서 양극으로서 기능할 수 있는 임의의 적합한 물질 (예를 들어, Ni(OH)2, NiOOH 등)을 포함할 수 있으나, 일부 경우에서, 양극은 제1 층간삽입 물질과 상이하고 (예를 들어, 상이한 전위를 가짐), 전해질 막의 제2 측면에 커플링된 제2 알칼리 금속 층간삽입 물질을 임의로 포함한다. 음극은 임의의 적합한 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함할 수 있으나, 일부 경우에서, 음극은 MXC6을 포함하며, 여기서 M은 Na 또는 Li이다. 유사하게, 양극이 층간삽입 물질을 포함하는 경우, 양극은 음극의 층간삽입 물질과 상이한 (예를 들어, 전위에 있어서) 임의의 적합한 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 예로서, 양극은 MXNiO, MXMnO2, 또는 MXFey(PO4)z를 포함하며, 여기서 M은 Na 또는 Li이고, 0.2 ≤ x ≤ 1이다.
일부 비제한적인 실행에서, 기재된 전지는 음극을 수용하는 애노드액 구획을 포함하며, 여기서 음극은 제1 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함한다. 이러한 실행에서, 전지는 또한 양극을 포함하는 캐소드액 구획을 포함하며, 여기서 양극은 제1 알칼리 금속 층간삽입 물질과 상이한 제2 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함한다. 또한, 이러한 실행에서, 전지는 음극을 양극으로부터 분리시키는 고체 알칼리 금속 이온 전도성 전해질 막을 포함하며, 여기서 제1 및 제2 알칼리 금속 층간삽입 물질은 전해질 막과 직접 접촉하고, 전해질 막은 나트륨 이온 전도성 전해질 막 및 리튬 이온 전도성 막으로부터 선택된다.
다른 비제한적인 실행에서, 전지는 음극을 수용하는 애노드액 구획을 포함하며, 여기서 음극은 제1 나트륨 층간삽입 물질 (예를 들어, NaxC6, 여기서 x는 약 1 내지 약 3임)을 포함한다. 이러한 실행에서, 전지는 양극을 수용하는 캐소드액 구획을 추가로 포함하며, 여기서 양극은 제1 나트륨 층간삽입 물질과 상이한 전기 전위를 갖는 제2 나트륨 층간삽입 물질을 포함한다. 또한, 이러한 실행에서, 전지는 음극을 양극으로부터 분리시키는 고체 나트륨 이온 전도성 전해질 막을 포함하며, 여기서 제1 및 제2 나트륨 층간삽입 물질은 전해질 막과 직접 접촉한다.
다른 비제한적인 실행에서, 기재된 본 발명은 제1 표면 및 제2 표면 (제1 표면의 실질적으로 반대측임)을 포함하는 고체 알칼리 금속 이온 전도성 전해질 막에 관한 것이며, 여기서 전해질 막은 나트륨 이온 전도성 전해질 막 및 리튬 이온 전도성 막으로부터 선택된다. 이러한 실행에서, 제1 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 음극이 제1 표면에 부착된다.
본 발명의 이러한 특징 및 이점은 다음의 개시내용 및 첨부된 청구범위로부터 더 충분히 명백해지거나, 또는 하기 기재된 바와 같은 본 발명의 실시에 의해 알게 될 수 있을 것이다.
본 발명의 상기 기재된 및 다른 특징 및 이점이 수득되고 용이하게 이해될 것인 방식을 위해, 상기 간단히 기재된 본 발명의 더 구체적인 개시내용은 첨부된 도면에서 예시되는 그의 구체적인 실시양태를 참조로 할 것이다. 도면 (및 그의 다양한 부분)이 정확한 축척을 만들지는 않으며, 본 발명의 단지 몇몇 대표적인 실시양태를 도시하고, 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않음을 이해하면서, 본 발명이 다음의 수반하는 도면을 사용함으로써 추가로 구체적으로 그리고 상세히 기재되고 설명될 것이다.
도 1은 전해 전지가 고체 알칼리 이온 전도성 전해질 막 상에 배치된 애노드 전극을 포함하는 것인 전해 전지의 대표적인 실시양태의 계통도를 도시하고;
도 2는 애노드가 전해질 막으로부터 분리된 것인 전지의 대표적인 실시양태의 계통도를 도시하고;
도 3은 애노드 및 캐소드 전극이 각각 전해질 막의 반대 표면 상에 배치되는 것인 전지의 대표적인 실시양태의 계통도를 도시하고;
도 4는 애노드 및 캐소드가 각각 전해질 막으로부터 분리되어 배치되는 것인 전지의 대표적인 실시양태의 계통도를 도시하고;
도 5는 전지를 사용하여 그의 캐소드액 구획에서 용융된 나트륨을 발생시키는 것인 전지의 대표적인 실시양태의 계통도를 도시하고;
도 6은 전지가 각각 상이한 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 음극 및 양극을 포함하고, 전지가 방전되는 공정에 있는 것인 알칼리 금속계 이차 전지의 대표적인 실시양태의 계통도를 도시하고;
도 7은 전지가 재충전되는 공정에 있는 것인 도 1의 이차 전지의 대표적인 실시양태의 계통도를 도시하고;
도 8은 전지가 알칼리 이온 전도성 전해질 막으로부터 분리된 양극을 포함하고, 전지가 방전되는 공정에 있는 것인 이차 전지의 대표적인 실시양태의 계통도를 도시하고;
도 9는 전지가 전지의 전해질 막에 커플링된 코팅을 포함하고, 전지가 방전되는 공정에 있는 것인 이차 전지의 대표적인 실시양태의 계통도를 도시하고;
도 10은 탄소 코팅을 포함하는 전해질 막으로부터 분리된 음극 및 양극을 포함하는 이차 전지의 대표적인 실시양태의 계통도를 도시하고;
도 11은 본 발명의 대표적인 실시양태에 따른 NaSICON 막 상의 탄소 코팅의 층의 안정성을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 12는 NaSICON 막 상의 탄소 코팅의 존재가 NaSICON 내성을 증가시키지 않음을 예시하는 그래프를 도시하고;
도 13은 전지에서의 음극 및 양극이 전해질 막으로부터 분리되고, 전해질 막이 도 10에서의 전지의 탄소 코팅을 포함하지 않는 것인 실험 전해 전지의 대표적인 실시양태의 계통도를 도시한다.
본원에 걸쳐, "한 실시양태," "실시양태," 또는 유사한 말에 대한 언급은 실시양태와 관련하여 기재된 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 본 발명의 하나 이상의 실시양태에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본원에 걸쳐 어구 "한 실시양태에서," "실시양태에서," "또 다른 실시양태," 및 유사한 말의 출현은 반드시 그러한 것은 아니나 모두 동일한 실시양태를 지칭하는 것일 수 있다. 추가적으로, 다음의 개시내용이 기재된 본 발명의 다양한 부품 및 측면의 몇몇 실시양태, 실행, 및 실시예를 지칭하나, 모든 기재된 실시양태, 실행, 및 실시예는 모든 관점에서 단지 예시적인 것으로 그리고 임의의 방식으로 제한하는 것이 아닌 것으로 간주되어야 한다.
게다가, 본 발명의 기재된 특징, 구조, 또는 특성은 하나 이상의 실시양태에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 다음의 개시내용에서, 본 발명의 실시양태의 철저한 이해를 제공하기 위해 적합한 애노드 전극, 캐소드 전극, 알칼리 금속 층간삽입 물질, 알칼리 이온 전도성 전해질 막 등의 예와 같은 수적으로 구체적인 상술이 제공된다. 그러나, 통상의 기술자는 본 발명이 하나 이상의 특정한 상술 없이 또는 다른 방법, 부품, 물질 등으로 실시될 수 있음을 인지할 것이다. 다른 경우에서, 본 발명의 측면을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 널리 공지된 구조, 물질, 또는 작업을 상세히 나타내거나 기재하지 않는다.
본 발명의 일부 실시양태는 고체 알칼리 이온 전도성 전해질 막 및 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 하나 이상의 전극을 포함하는 전해 전지를 제공한다. 기재된 전지가 임의의 적합한 부품을 포함할 수 있으나, 도 1은 전해 전지(10)가 애노드 전극(20)을 포함하는 애노드액 구획(15); 캐소드 전극(30)을 포함하는 캐소드액 구획(25); 애노드액 구획(15)을 캐소드액 구획(25)으로부터 분리시키는 알칼리 이온 전도성 전해질 막(35); 제1 말단(40); 및 제2 말단(45)을 포함하는 것인 대표적인 실시양태를 나타낸다. 기재된 전지의 더 양호한 이해를 제공하기 위해, 도 1에 나타낸 전지의 부품 각각의 간단한 개시내용이 하기에 보다 상세히 논의되어 있다.
애노드액(15) 및 캐소드액(25) 구획과 관련하여, 이러한 구획은 임의의 적합한 형상일 수 있고 전지(10)를 의도한대로 기능하게 하는 임의의 다른 적합한 특성을 가질 수 있다. 예로서, 애노드액 구획 및 캐소드액 구획은 각각 관형이거나, 직사각형이거나, 불규칙하거나, 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 게다가, 두 구획은 서로에 관해 임의의 적합한 공간 관계를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1은 애노드액 구획(15) 및 캐소드액 구획(25)이 서로에 대해 인접한 실시양태를 나타내나, 다른 실시양태에서 (나타내지 않음), 한 구획 (예를 들어, 애노드액 구획)이 다른 구획 (예를 들어, 캐소드액 구획) 내에 (적어도 부분적으로) 배치되나, 두 구획의 내용물은 알칼리 이온 전도성 전해질 막(35) 및 임의의 다른 구분된 벽에 의해 분리된 채로 유지된다.
애노드(20)와 관련하여, 전지(10)는 전지를 의도한대로 기능하게 하는 (예를 들어, 임의의 목적하는 전기화학 반응을 수행하게 하는) 임의의 적합한 애노드를 포함할 수 있다. 적합한 애노드 물질의 몇몇 예에는 알칼리 금속 층간삽입 물질, 집전 장치 금속 (예를 들어, 구리, 알루미늄 등), 치수 안정성 애노드-티타늄 상의 백금 (DSA), 백금담지 티타늄, 이산화루테늄 (IV) (RuO2), 텅스텐, 탄소, 및/또는 다른 적합한 공지된 또는 신규한 애노드 물질이 포함되나, 이에 제한되지 않는다. 그러나, 일부 실시양태에서, 애노드는 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함한다.
애노드(20)가 층간삽입 물질을 포함하는 경우, 층간삽입 물질은 전지가 기능하게 하고 또한 전지가 가동될 때 애노드에서의 알칼리 금속 (예를 들어, Na 또는 Li)이 산화되어 알칼리 이온 (Na+ 또는 Li+)을 형성하게 하는 임의의 알칼리 금속 함유 물질을 포함할 수 있다. 게다가, 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질은 전해질 막(35)의 저항을 거의 내지 전혀 증가시키지 않는 물질을 포함한다 (하기 논의됨). 다시 말해, 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질은 그를 통해 알칼리 이온을 용이하게 수송하고 알칼리 이온이 애노드액 구획(15)으로부터 캐소드액 구획(25)으로 들어가는 속도에 거의 내지 전혀 악영향을 미치지 않는다.
애노드(20)가 층간삽입 물질을 포함하는 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질은 염기 물질, 예컨대 탄소 (예를 들어, 흑연, 중간세공 탄소, 붕소-도핑된 다이아몬드, 탄소, 및/또는 그래핀), 산화니켈, 산화망간, 인산철 등이 층간삽입된 나트륨 금속을 포함한다. 사실상, 일부 실시양태에서, 애노드(20)는 NaxC6 (여기서 x는 약 0 내지 약 3임), NaxNiO, NaxMnO2, NaxNiO2, NaxAlO2, NaxCoO2, (여기서 x는 약 0.2 내지 약 1임), 및/또는 NaxFey(PO4)z (여기서 x는 약 0 내지 약 3이고, y는 약 1이고, z는 약 1 내지 약 3임)를 포함한다.
다른 실시양태에서, 애노드(20)에서의 층간삽입 물질은 염기 물질, 예컨대 탄소 (예를 들어, 흑연, 중간세공 탄소, 붕소-도핑된 다이아몬드, 탄소, 및/또는 그래핀), 산화니켈, 산화망간, 인산철 등에 및/또는 그의 상부에 층간삽입된 리튬 금속을 포함한다. 사실상, 일부 실시양태에서, 애노드(20)는 LixC6 (여기서 x는 약 0 내지 약 3임), LixNiO, LixMnO2, LixCoO2, LixMn2O4 (여기서 x는 약 0.2 내지 약 1임), 및/또는 LixFey(PO4)z (여기서 x는 약 0 내지 약 1이고, y는 약 1이고, z는 약 1 내지 약 1임)를 포함한다. 또한, 애노드가 임의의 적합한 구성을 가질 수 있으나, 일부 실시양태에서, 애노드는 코팅, 와이어, 펠트, 플레이트, 튜브, 메시, 발포체, 및/또는 다른 적합한 애노드 구성을 포함한다.
애노드(20)가 알칼리 이온 전도성 전해질 막(35)과 관련하여 임의의 공간 관계를 가질 수 있으나 (하기 논의됨), 일부 실시양태에서 (도 1에 나타낸 바와 같이), 애노드(20)는 애노드액 구획(15)과 접하는 막(35)의 제1 측면(50)에 커플링되거나 그의 상부에 배치된다. 전해질 막 상에 (예를 들어, 코팅으로서) 배치된 애노드의 층간삽입 물질을 가짐으로써 몇몇 특징을 갖는 전지(10)를 제공할 수 있으나, 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질을 전해질 막 상에 배치함으로써, 알칼리 이온 (예를 들어, Na+ 또는 Li+)이 애노드로부터 그리고 전해질 막을 통해 (예를 들어, 전류가 애노드와 캐소드(30) 사이를 통과할 때) 그리고 캐소드액 구획(25)으로 직접 들어갈 수 있다.
그러나, 다른 실시양태에서, 도 2는 애노드(20)가 전해질 막(35)으로부터 분리된 일부 실시양태를 나타낸다. 몇몇 이러한 실시양태에서, 애노드가 전해질 막으로부터 분리되는 경우, 층간삽입 물질은 임의로 애노드를 제조하기 위해 사용된 전부가 아니면 대부분의 물질을 구성한다. 몇몇 다른 실시양태에서, 애노드는 층간삽입 물질로 적어도 부분적으로 코팅된 기재 (예를 들어, 탄소 기재, 와이어, 메시, 플레이트, 발포체, 텅스텐 등)를 포함한다.
애노드(20)가 층간삽입 물질을 포함하는 경우, 층간삽입 물질은 임의의 적합한 방식으로 전해질 막(35)에 커플링되거나 (도 1에 나타낸 바와 같음) 또는 애노드 상에 배치되거나, 그에 커플링되거나, 또는 달리 그의 일부로서 형성될 수 있다 (도 2에 나타낸 바와 같음). 사실상, 일부 실시양태에서, 애노드(20)의 층간삽입 물질은 화학적 증착 ("CVD"), 물리적 증착 ("PVD"), 스퍼터링, 캐스팅, 펄스 레이저 침착, DC 자전관(magnetron) 스퍼터링, 성형, 압출, 및/또는 전해질 막 상에 애노드의 층간삽입 물질을 배치할 수 있거나 또는 달리 애노드를 성형할 수 있는 임의의 다른 적합한 기법과 같은 방법을 통해 전해질 막 및/또는 애노드 (예를 들어, 애노드 기재) 상에 배치된다. 추가적으로, 층간삽입 물질이 단일 층으로서 기재 (예를 들어, 전해질 막(35), 애노드(20), 및/또는 애노드 기재의 제1 측면(50))에 첨가될 수 있으나, 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질의 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 이상의 층이 기재에 첨가되어 애노드를 성형한다.
일부 실시양태에서, 애노드가 성형되는 경우 (예를 들어, 층간삽입 물질이 전해질 막(35), 애노드 기재 등의 상부에 배치되는 경우) 애노드(20)의 층간삽입 물질이 알칼리 금속 (예를 들어, Na 또는 Li)을 포함하나, 다른 실시양태에서, 층간삽입 물질의 염기 물질 (예를 들어, 탄소, 산화니켈, 산화망간, 인산철 등)이 먼저 기재 (예를 들어, 전해질 막, 애노드 기재 등) 상에 코팅되고, 이어서 알칼리 금속이 염기 물질로 로딩된다. 이러한 로딩은 임의의 적합한 방식으로 달성될 수 있으나, 일부 실시양태에서, 로딩은 층간삽입 물질이 전지(10)에 첨가되기 전에 및/또는 전지가 기능할 때 달성된다.
애노드(20)가 층간삽입 물질을 포함하고 층간삽입 물질이 기재 (예를 들어, 전해질 막(35)의 제1 측면(50) (도 1에 나타낸 바와 같음), 전해질 막으로부터 분리된 애노드(20) (도 2에 나타낸 바와 같음) 등) 상에 코팅되는 경우, 층간삽입 물질은 (전체로서) 전지(10)가 기능하게 하는 임의의 적합한 두께일 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 애노드의 층간삽입 물질은 약 50μm, 약 25μm, 약 10μm, 약 5μm, 및 약 1μm로부터 선택된 치수만큼 얇다. 그러나, 일부 실시양태에서, 애노드의 층간삽입 물질은 약 55μm, 약 100 μm, 약 500μm, 약 1mm, 약 5mm, 및 약 1cm로부터 선택된 치수만큼 두껍다. 다른 실시양태에서, 애노드의 층간삽입 물질의 두께는 상기 언급된 치수의 임의의 적합한 조합 또는 하위범위 사이이다 (예를 들어, 약 250μm 내지 약 520μm).
애노드(20) 이외에, 일부 실시양태에서, 애노드액 구획(15)은 애노드액 용액(55)을 포함한다 (도 1 및 2에 나타낸 바와 같음). 이와 관련하여, 애노드액 용액은 전지(10)가 기능하게 하고 목적하는 화학 반응을 수행하게 하는 임의의 적합한 화학물질 또는 화학물질들을 포함할 수 있다. 적합한 애노드액 용액의 몇몇 예에는 물, 포름아미드, 메틸 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 아세트아미드, 플루오로아세트아미드, 메틸 아세트아미드, 1,2-프로판디올, 에틸렌 글리콜, 1,3-프로필렌 글리콜, Na2SO4, NaNO3, Li2SO4, LiNO3, NaI, Na2S, NaCl, LiI, Li2S, 및/또는 LiCl을 포함하는 수성 용액 및/또는 비수성 용액이 포함되나, 이에 제한되지 않는다. 사실상, 전해질 막(35)이 나트륨 이온을 선택적으로 수송하도록 구성된 일부 실시양태에서, 애노드액 용액은 NaI, Na2S, NaCl, Na2SO4, 및 NaNO3의 수성 용액을 포함한다. 대조적으로, 전해질 막이 리튬 이온을 선택적으로 수송하도록 구성된 일부 실시양태에서, 애노드액 용액은 LiI, Li2S, 또는 LiCl의 수성 용액을 포함한다.
이제 고체 알칼리 이온 선택적 전해질 막(35)에 관하여, 전지(10)는 전지가 목적하는 전기화학 반응을 유발하게 하는 임의의 고체 알칼리 이온 선택적 전해질 막을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 알칼리 이온 전도성 전해질 막(35) 물질은 β"-알루미나 세라믹 전해질 세퍼레이터, 및 알칼리 금속 수퍼 이온 전도성 (MeSICON) 물질 (여기서 "Me"는 알칼리 금속을 나타냄)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. MeSICON 물질의 몇몇 예에는 세라믹 NaSICON 유형 물질 (제한 없이 임의의 적합한 공지된 또는 신규한 NaSICON 물질을 포함함) 및 LiSICON 유형 물질 (제한 없이 임의의 적합한 공지된 또는 신규한 LiSICON 물질을 포함함)이 포함되나, 이에 제한되지 않는다. 애노드(20)가 나트륨을 함유하는 층간삽입 물질 (예를 들어, NaxC6, 여기서 x는 약 0 내지 약 3임)을 포함하는 일부 실시양태에서, 전해질 막은 NaSICON 유형 물질을 포함한다. 대조적으로, 애노드가 리튬을 함유하는 층간삽입 물질 (예를 들어, LixC6)을 포함하는 일부 실시양태에서, 전해질 막은 LiSICON 유형 물질을 포함한다.
이제 캐소드 전극(30)과 관련하여, 전지(10)는 전지가 임의의 목적하는 화학 반응을 수행하게 하는 임의의 적합한 캐소드(30) 물질을 포함할 수 있다. 적합한 캐소드 물질의 몇몇 예에는 전해질 막(35)의 제2 측면(60) 상에 배치된 제2 알칼리 금속 층간삽입 물질 (도 2에 나타낸 바와 같음), 니켈, 스테인리스강 합금, 흑연, 탄소, 티타늄, 니켈 코발트 철 합금 (예를 들어, KOVAR® 합금), 전기-촉매 (예를 들어, 백금), 용융된 금속 (예를 들어, 용융된 나트륨), 다른 공지된 또는 신규한 캐소드 물질, 및 그의 조합이 포함되나, 이에 제한되지 않는다. 그러나, 일부 실시양태에서, 캐소드는 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함한다.
캐소드(30)가 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 실시양태에서, 캐소드는 전지(10)가 기능하게 하는 임의의 적합한 층간삽입 물질을 포함할 수 있다. 전해질 막(35)이 나트륨 이온에 대해 선택적인 것인 일부 실시양태에서 (예를 들어, NaSICON 유형 물질을 포함함), 캐소드(30)에서 사용된 층간삽입 물질은 염기 물질, 예컨대 탄소 (예를 들어, 흑연, 중간세공 탄소, 붕소-도핑된 다이아몬드, 탄소, 및/또는 그래핀), 산화니켈, 산화망간, 인산철 등이 층간삽입된 나트륨을 포함한다. 이와 관련하여, 캐소드에서 사용될 수 있는 적합한 나트륨 층간삽입 물질의 몇몇 예에는 NaxNiO, NaxMnO2, NaxNiO2, NaxAlO2, NaxCoO2 (여기서 x는 약 0.2 내지 약 1임) 및/또는 NaxFey(PO4)z (여기서 x는 약 0 내지 약 3이고, y는 약 1이고, z는 약 1 내지 약 3임)가 포함되나, 이에 제한되지 않는다.
전해질 막(35)이 리튬을 선택적으로 수송하는 일부 실시양태에서 (예를 들어, LiSICON 유형 물질을 포함함), 캐소드(30)는 리튬 층간삽입 물질을 포함한다. 사실상, 전해질 막이 리튬 선택적인 물질을 포함하는 일부 실시양태에서, 캐소드는 LixNiO, LixMnO2, LixCoO2, LixMn2O4 (여기서 x는 약 0.2 내지 약 1임), 및/또는 LixFey(PO4)z (여기서 x는 약 0 내지 약 3이고, y는 약 1이고, z는 약 1 내지 약 3임)를 포함한다.
캐소드(30)가 알칼리 이온 전도성 전해질 막(35)과 관련하여 임의의 공간 관계를 가질 수 있으나, 일부 실시양태에서 (도 3에 나타낸 바와 같이), 캐소드(30)는 캐소드액 구획(15)과 접하는 막(35)의 제2 측면(60)에 커플링된다. 이러한 실시양태에서, 캐소드의 위치는 전지(10)에 몇몇 이점을 제공할 수 있으며, 이는 제한 없이 전지가 애노드(20)와 캐소드 사이의 비교적 적은 양의 전압 강하로 가동되기에 효율적인 방식을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서 (도 4에 나타낸 바와 같이), 캐소드(30)는 전해질 막(35)으로부터 분리된다. 일부 실시양태에서, 캐소드가 전해질 막으로부터 분리되는 경우, 층간삽입 물질은 캐소드를 제조하기 위해 사용된 전부가 아니면 대부분의 물질을 구성한다. 몇몇 다른 실시양태에서, 캐소드는 층간삽입 물질이 적어도 부분적으로 코팅된 기재 (예를 들어, 탄소 기재, 와이어, 메시, 플레이트, 발포체 등)를 포함한다.
캐소드(30)가 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 경우, 층간삽입 물질은 임의의 적합한 방식으로 전해질 막(35) 상에 배치되거나 (도 3에 나타낸 바와 같음); 또는 캐소드에 커플링되거나, 그의 상부에 배치되거나, 또는 달리 그의 일부로서 성형될 수 있다 (도 4에 나타낸 바와 같음). 사실상, 일부 실시양태에서, 캐소드(20)의 층간삽입 물질은 애노드(20)를 위한 층간삽입 물질을 성형하고/하거나 배치하기 위해 상기 논의된 방법 (예를 들어, CVD, PVD, 스퍼터링, 캐스팅 등) 중 하나 이상을 통해 기재 (예를 들어, 전해질 막의 제2 측면(60)), 캐소드 기재 (예를 들어, 탄소 기재, 와이어, 메시, 플레이트, 발포체 등) 상에 배치된다. 또한, 캐소드가 층간삽입 물질의 코팅을 포함하는 경우, 층간삽입 물질은 제한 없이 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 이상을 비롯한 임의의 적합한 개수의 층으로 기재 (예를 들어, 전해질 막, 캐소드 기재 등) 상에 침착될 수 있다.
캐소드(30)가 층간삽입 물질을 포함하는 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질이 캐소드액 구획(25)의 기재 (예를 들어, 전해질 막(35)의 제2 측면(60), 캐소드 기재 등) 상에 침착되는 경우 물질이 알칼리 금속 (예를 들어, Na 또는 Li)을 포함하나, 다른 실시양태에서, 층간삽입 물질의 염기 물질 (예를 들어, 산화니켈, 산화망간, 인산철 등)이 먼저 기재 상에 코팅되고, 이어서 알칼리 금속이 염기 물질에 및/또는 그의 상부에 로딩된다. 이러한 로딩은 임의의 적합한 방식으로 달성될 수 있으나, 일부 비제한적인 실시양태에서, 로딩은 캐소드가 전지(10)에 첨가되기 전에, 전지의 가동 전에, 및/또는 전지가 가동될 때 발생한다.
캐소드(30)가 층간삽입 물질의 코팅을 포함하는 경우, (예를 들어, 전해질 막(35), 캐소드 기재 등의 상부의) 층간삽입 물질의 코팅은 전지(10)가 기능하게 하는 임의의 적합한 두께일 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 캐소드의 층간삽입 물질은 약 50μm, 약 25μm, 약 10μm, 약 5μm, 및 약 1μm로부터 선택된 치수만큼 얇다. 그러나, 일부 실시양태에서, 캐소드의 층간삽입 물질은 약 55μm, 약 100 μm, 약 500μm, 약 1mm, 약 5mm, 및 약 1cm로부터 선택된 치수만큼 두껍다. 다른 실시양태에서, 캐소드의 층간삽입 물질은 상기 언급된 치수의 임의의 적합한 조합 또는 하위범위 사이의 두께를 갖는다 (예를 들어, 약 250μm 내지 약 520μm 또는 약 10μm 내지 약 5mm).
캐소드(30) 이외에, 일부 실시양태에서 (도 4에 나타낸 바와 같이), 캐소드액 구획(25)은 캐소드액 용액(65) (또는 캐소드액 물질)을 포함한다. 이와 관련하여, 캐소드액 용액은 전지(10)가 목적하는 화학 반응을 수행하게 하는 임의의 적합한 화학물질 또는 화학물질들을 포함할 수 있다. 캐소드액 용액(65)에서 적합한 물질의 몇몇 예에는 용융된 나트륨, 수산화나트륨, 글리세롤, 물, 메탄올, 보락스, 사붕산나트륨 10수화물, 메타붕산나트륨 4수화물, 규산나트륨, 붕산, 수소화붕소나트륨, 인산나트륨, 인산수소나트륨, 나트륨 글리세롤, 탄산나트륨, 에틸렌, 프로필렌, 이온성 액체 (예를 들어, N-메톡시에틸-N-메틸-피롤리디늄, 부틸메틸-피롤리디늄, 프로필메틸-피롤리디늄, 트리에틸-술포늄, 디에틸메틸술포늄, 에틸-디메틸-암모니오-(트리메틸암모니오)-디히드로보레이트, 피리디늄, 피롤리디늄, 4차 암모늄, 4차 포스포늄, 트리술포늄, 및 술포늄 화합물 등), 또 다른 적합한 액체, 및 상기의 임의의 적합한 조합이 포함되나, 이에 제한되지 않는다.
이제, 말단(40) 및 (45) (도 4에 나타냄)과 관련하여, 전지(10)는 전지와 전원 (예를 들어, 도 4에 나타낸 전원(70))을 전기적으로 연결할 수 있는 임의의 적합한 말단을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 말단은 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있고 임의의 적합한 형상 및 임의의 적합한 크기일 수 있다. 추가적으로, 전원 공급은 애노드(20)와 캐소드(30) 사이에 적합한 양의 전압 및 전류를 제공할 수 있고 달리 전해 전지와 함께 사용하기에 적합한 임의의 공지된 또는 신규한 전원 공급일 수 있다.
상기 언급된 부품 이외에, 전지(10)는 임의로 임의의 다른 적합한 부품을 포함할 수 있다. 한 예에서 (나타내지 않음), 전지는 전지가 기능할 때 물질이 전지에 첨가되게 하고/하거나 이로부터 제거되게 하는 하나 이상의 구획에 대한 하나 이상의 유출구 및/또는 유입구 채널을 포함한다. 또 다른 예에서, 도 4는 전지(10)가 임의로 온도 관리 시스템(75)을 포함하는 실시양태를 나타낸다. 이러한 실시양태에서, 전지는 적합한 가동 온도 범위 내로 전지를 유지시킬 수 있는 임의의 적합한 유형의 온도 관리 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 온도 관리 시스템의 몇몇 예에는 가열기, 냉각기, 하나 이상의 온도 센서, 및 적절한 온도 조절 회로가 포함되나, 이에 제한되지 않는다.
기재된 전지(10)는 이것이 목적하는 화학 반응을 수행하게 하는 임의의 적합한 방식으로 개질될 수 있다. 한 예에서, 전지의 일부 실시양태의 애노드(20) 및 캐소드(30)는 모두 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함한다. 몇몇 이러한 실시양태에서, 애노드를 위해 사용되는 층간삽입 물질은 캐소드를 위해 사용된 것과 상이한 물질을 포함한다. 또 다른 예에서, 전지의 일부 실시양태는 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 애노드를 포함하나, 캐소드는 (층간삽입 물질 대신에) 통상의 캐소드 물질을 포함한다. 또 다른 예에서, 전지의 일부 실시양태는 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 캐소드를 포함하나, 애노드는 (층간삽입 물질과 대비되는) 통상의 애노드 물질을 포함한다.
이제 기재된 전지(10)가 기능하는 방식에 관해, 전지는 실질적으로 임의의 적합한 방식으로 기능할 수 있다. 한 예에서, 도 4는 전지(10)가 기능하고 전자 (e-)가 애노드(20)로부터 (예를 들어, 제1 말단(40)을 통해) 흐를 때, (예를 들어, 애노드에 존재하는 알칼리 금속 층간삽입 물질로부터의) 알칼리 금속 M, 예컨대 Na 또는 Li이 산화되어 알칼리 이온 (예를 들어, Na+ 또는 Li+)을 형성함을 예시한다. 도 4는 이러한 알칼리 이온 (M+)이 이어서 알칼리 이온 전도성 전해질 막(35)을 통해 그리고 이어서 캐소드액 구획(25)으로 수송됨을 나타낸다.
전지(10)의 가동 방법의 한 비제한적인 예에서, 도 5는 전지(100)를 사용하여 용융된 나트륨을 합성하는 실시양태를 나타낸다. 이러한 전지는 임의의 적합한 부품을 포함할 수 있으나, 도 5는 전지(100)가 다음을 포함하는 실시양태를 나타낸다: 전해질 막(35) (예를 들어, NaSICON 유형 막)의 제1 표면(50) 상에 배치된 나트륨 층간삽입 화합물을 포함하는 애노드(20); 나트륨 함유 화합물 (예를 들어, NaX, 여기서 X는 나트륨 양이온과 배합되어 이온성 화합물을 형성할 수 있는 음이온을 포함하며, NaX의 몇몇 예에는 NaS, Na2S, NaI, NaCl, Na2SO4, NaNO3 등이 포함될 수 있음)을 포함하는 애노드액 용액(55); 및 용융된 나트륨 캐소드(30). 도 5는 전지(100)가 가동되고 나트륨 함유 용액 (예를 들어, NaX)이 애노드(20)에 의해 이온화될 때, 나트륨 양이온 (예를 들어, Na+)이 캐소드액 구획(25)으로 선택적으로 수송되며, 여기서 이들이 용융된 나트륨 캐소드(30)와 배합되면서 음이온 (예를 들어, S-, I-, Cl- 등)이 침전되는 물질 (예를 들어, 황의 경우에) 또는 버블링 제거되는 물질 (예를 들어, 요오드 및 염소의 경우에)을 형성함을 나타낸다.
기재된 전지(10)는 임의의 적합한 가동 온도에서 기능할 수 있다. 다시 말해, 전류가 애노드(20)와 캐소드(30) 사이를 통과할 때, 애노드는 전지가 기능하게 하는 임의의 적합한 온도를 가질 수 있다. 사실상, 전극이 나트륨을 포함하는 일부 실시양태에서, 전지는 약 100℃ 미만, 보다 구체적으로는 97℃ 미만, 또는 나트륨의 융점 미만의 가동 온도에서 기능한다. 전극이 리튬을 포함하는 다른 실시양태에서, 전지는 약 200℃ 미만, 보다 구체적으로는 181℃ 미만, 또는 리튬의 융점 미만의 가동 온도에서 기능한다.
기재된 전지(10)의 상기 언급된 이점 및 특징 이외에, 전지는 몇몇 다른 유리한 특징을 가질 수 있다. 사실상, 층간삽입 물질을 포함하고 전해질 막(35)에 커플링된 전극 (예를 들어, 애노드(20))을 포함하는 전지(10)의 일부 실시양태는 더 효율적으로 가동될 수 있고 (예를 들어, 애노드와 캐소드(30) 사이의 적은 전압 강하를 경험함), 이어서 일부 경쟁 전해 전지에서 발생한다. 추가적으로, 층간삽입 물질을 포함하는 전극 (예를 들어, 애노드)을 포함하는 전지의 일부 실시양태는 용융된 나트륨 및/또는 매우 다양한 다른 화합물의 합성을 위해 유용할 수 있다 (상기 기재된 바와 같음).
한 실시양태에서, 전지는 이차 전지 또는 재충전가능한 배터리이다. 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 이차 전지는 방전 및 재충전될 수 있고, 본원은 두 상태 모두에 대한 전지 배열 및 방법을 기재한다. 용어 "재충전"은 그의 다양한 형태에서 제2 충전을 암시하나, 통상의 기술자는 재충전에 관한 논의가 제1 충전 또는 초기 충전에 대해 유효하고 이에 해당하거나, 그 반대일 것임을 이해할 것이다. 따라서, 본원의 목적을 위해, 용어 "재충전," "재충전된," 및 "재충전가능한"은 각각 용어 "충전," "충전된," 및 "충전가능한"과 상호 교환가능하여야 한다.
몇몇 개시된 실시양태는 그의 음극으로서 알칼리 금속 층간삽입 물질을 사용하는 알칼리 금속계 이차 전지를 제공한다. 기재된 이차 전지는 임의의 적합한 부품을 포함할 수 있으나, 도 6은 알칼리 금속계 이차 전지(110)가 제1 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 음극(120)을 포함하는 애노드액 구획(115); 양극(30)을 포함하는 캐소드액 구획(125); 음극(120)을 양극(130)으로부터 분리시키는 알칼리 이온 전도성 전해질 막(135); 제1 말단(140); 및 제2 말단(145)을 포함하는 것인 대표적인 실시양태를 나타낸다. 기재된 전지의 더 양호한 이해를 제공하기 위해, 도 6에 나타낸 전지의 부품 각각의 간단한 개시내용이 하기에 보다 상세히 논의된다. 이러한 논의 후, 전지가 어떻게 기능하는지에 대한 일부 실시양태의 간단한 개시내용이 제공된다.
이제 전지(110)의 다양한 부품에 관해, 전지는 (상기 언급된 바와 같이) 애노드액 구획(115) 및 캐소드액 구획(125)을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 두 구획은 임의의 적합한 형상일 수 있고 전지(110)가 의도한대로 기능하게 하는 임의의 다른 적합한 특징을 가질 수 있다. 예로서, 음극 구획 및 양극 구획은 각각 관형이거나, 직사각형이거나, 불규칙하거나, 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 게다가, 두 구획은 서로에 관해 임의의 적합한 공간 관계를 가질 수 있다. 예로서, 도 6은 음극 구획(115) 및 양극 구획(125)이 서로에 대해 인접한 실시양태를 나타내나, 다른 실시양태에서 (나타내지 않음), 한 구획 (예를 들어, 음극 구획)이 (적어도 부분적으로) 다른 구획 (예를 들어, 양극 구획) 내에 배치되나, 두 구획의 내용물은 알칼리 이온 전도성 전해질 막(135) 및 임의의 다른 구분된 벽에 의해 분리된 채로 유지된다.
음극(120)과 관련하여, 전지(110)는 전지가 의도한대로 기능하게 하는 (예를 들어, 방전 및/또는 재충전되게 하는) 임의의 적합한 음극(120)을 포함할 수 있다. 적합한 음극 물질의 한 예에는 알칼리 금속 층간삽입 물질이 포함되나, 이에 제한되지 않는다. 이와 관련하여, 층간삽입 물질은 음극이 전극으로서 기능하게 하고, 또한 전지가 방전될 때 음극에서의 알칼리 금속 (예를 들어, Na 또는 Li)이 산화되어 알칼리 이온 (Na+ 또는 Li+)을 형성하게 하고, 또한 전지가 재충전될 때 알칼리 이온이 환원되게 하고 층간삽입 물질이 층간삽입되게 하는 임의의 알칼리 금속 함유 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질은 전해질 막의 저항을 거의 내지 전혀 증가시키지 않는 물질을 포함한다 (하기 논의됨). 다시 말해, 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질은 그를 통해 알칼리 이온을 용이하게 수송하고 알칼리 이온이 음극 구획(115)으로부터 양극 구획(125)으로 들어가는 속도에 거의 내지 전혀 악영향을 미치지 않는다.
일부 실시양태에서, 음극(120)에서의 층간삽입 물질은 탄소 (예를 들어, 흑연, 중간세공 탄소, 붕소-도핑된 다이아몬드, 탄소, 및/또는 그래핀)가 층간삽입된 나트륨 금속을 포함한다. 사실상, 일부 실시양태에서, 음극(120)은 NaxC6, NaxCo2O4 및/또는 경질 탄소로 층간삽입된 나트륨을 포함하며, 여기서 x는 약 0 내지 약 3이다.
다른 실시양태에서, 음극(120)에서의 층간삽입 물질은 탄소 (예를 들어, 흑연, 중간세공 탄소, 붕소-도핑된 다이아몬드, 탄소, 및/또는 그래핀)에 및/또는 그의 상부에 층간삽입된 리튬 금속을 포함한다. 사실상, 일부 실시양태에서, 음극은 LixC6을 포함하며, 여기서 x는 약 0 내지 약 3이다.
음극(120)이 알칼리 이온 전도성 전해질 막(135)과 관련하여 임의의 공간 관계를 가질 수 있으나 (하기 논의됨), 일부 실시양태에서, 음극은 음극 구획(115)과 접하는 막의 제1 측면(150) 상에 배치되거나 또는 이에 커플링된다 (도 6에 나타낸 바와 같음). 전해질 막에 커플링된 음극의 층간삽입 물질이 여러 특징을 갖는 전지(110)를 제공할 수 있으나, 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질이 전해질 막에 커플링됨으로써, 알칼리 이온 (예를 들어, Na+ 또는 Li+)이 직접 음극으로부터 그리고 전해질 막을 통과하고 (예를 들어, 전지가 방전될 때), 직접 전해질 막으로부터 다시 음극으로 들어갈 수 있다 (예를 들어, 전지가 재충전될 때).
음극(120)이 전해질 막(135)에 커플링되는 경우, 음극은 임의의 적합한 방식으로 전해질 막에 커플링될 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 음극(120)의 층간삽입 물질은 화학적 증착 ("CVD"), 물리적 증착 ("PVD"), 스퍼터링, 캐스팅, 펄스 레이저 침착, DC 자전관 스퍼터링, 및/또는 음극의 층간삽입 물질을 전해질 막에 커플링시킬 수 있는 임의의 다른 적합한 기법과 같은 방법을 통해 전해질 막 상에 배치된다. 추가적으로, 층간삽입 물질이 단일 층으로서 전해질 막에 첨가될 수 있으나, 일부 실시양태에서, 층간삽입 물질의 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 이상의 층이 전해질 막의 제1 측면(50)에 첨가된다.
일부 실시양태에서, 음극(120)의 층간삽입 물질이 전해질 막(135)에 커플링되는 경우 물질이 알칼리 금속 (예를 들어, Na 또는 Li)을 포함하나, 다른 실시양태에서, 층간삽입 물질의 염기 물질 (예를 들어, 탄소)이 먼저 전해질 막 상에 코팅되고, 이어서 알칼리 금속이 염기 물질로 로딩된다. 이러한 로딩은 임의의 적합한 방식으로 달성될 수 있으나, 일부 비제한적인 실시양태에서, 로딩은 음극의 제조 동안, 전지의 가동 이전에 및/또는 전지가 가동될 때 발생한다.
음극(120)의 층간삽입 물질이 전해질 막(135)에 커플링되는 경우, 층간삽입 물질은 (전체로서) 전지(110)가 기능하게 하는 임의의 적합한 두께일 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 음극의 층간삽입 물질은 약 50μm, 약 25μm, 약 10μm, 및 약 5μm, 및 약 1μm로부터 선택된 치수만큼 얇다. 그러나, 일부 실시양태에서, 음극의 층간삽입 물질은 약 55μm, 약 100μm, 약 500μm, 약 1mm, 약 5mm, 및 약 1cm로부터 선택된 치수만큼 두껍다. 다른 실시양태에서, 음극의 층간삽입 물질의 두께는 상기 언급된 치수의 임의의 적합한 조합 또는 하위범위 사이이다 (예를 들어, 약 250μm 내지 약 500μm).
일부 실시양태에서, 음극(120) 이외에, 음극 구획(115)은 음의 전해질 용액을 추가로 포함한다. 음의 전해질 용액은 전지(110)가 기능하게 하는 임의의 적합한 화학물질 또는 화학물질들을 포함할 수 있다.
이전에 언급된 바와 같이, 전지(110)는 또한 고체 알칼리 이온 선택적 전해질 막(135)을 포함한다. 이와 관련하여, 알칼리 이온 전도성 전해질 막(135) 물질은 β"-알루미나 세라믹 전해질 세퍼레이터, 및 알칼리 금속 수퍼 이온 전도성 (MeSICON) 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 여기서 "Me"은 알칼리 금속을 나타낸다. MeSICON 물질의 몇몇 예에는 세라믹 NaSICON-유형 물질 (제한 없이, 임의의 적합한 공지된 또는 신규한 NaSICON 물질을 포함함) 및 LiSICON-유형 물질 (제한 없이, 임의의 적합한 공지된 또는 신규한 LiSICON 물질을 포함함)이 포함되나, 이에 제한되지 않는다. 음극(120)이 나트륨을 함유하는 층간삽입 물질 (예를 들어, NaxC6, 여기서 x는 약 0 내지 약 3임)을 포함하는 일부 실시양태에서, 전해질 막은 NaSICON-유형 물질을 포함한다. 대조적으로, 음극이 리튬을 함유하는 층간삽입 물질 (예를 들어, LixC6)을 포함하는 일부 실시양태에서, 전해질 막은 LiSICON-유형 물질을 포함한다.
이제 양극(130)과 관련하여, 전지(110)는 전지가 의도한대로 충전 및 방전되게 하는 임의의 적합한 양극(130)을 포함할 수 있다. 적합한 양극의 몇몇 예에는 전해질 막(135)의 제2 측면(155) (도 6에 나타낸 바와 같이)에 커플링된 제2 알칼리 금속 층간삽입 물질 및 전해질 막으로부터 분리된 전극 물질이 포함되나, 이에 제한되지 않는다.
양극(130)이 전해질 막(135)의 제2 측면(155)에 커플링된 제2 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 실시양태에서, 양극은 전지가 기능하게 하고 음극(120)에서 사용된 제1 층간삽입 물질과 상이한 (예를 들어, 상이한 전위를 갖는) 임의의 적합한 층간삽입 물질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 일부 실시양태에서, 기재된 전지(110)는 고체 상태의 재충전가능한 배터리를 포함한다.
음극(120)이 나트륨 층간삽입 물질 (예를 들어, NaxC6)을 포함하는 일부 실시양태에서, 양극(130)에서 사용된 제2 층간삽입 물질도 또한 나트륨을 포함한다. 이와 관련하여, 양극에서 사용될 수 있는 적합한 나트륨 층간삽입 물질의 몇몇 예에는 NaxNiO, NaxMnO2, NaxNiO2, NaxAlO2, NaxCoO2 (여기서 x는 약 0.2 내지 약 1임) 및/또는 NaxFey(PO4)z (여기서 x는 약 0 내지 약 3이고, y는 약 1이고, z는 약 1 내지 약 3임)가 포함되나, 이에 제한되지 않는다. 사실상, 음극이 NaxC6을 포함하는 일부 실시양태에서, 양극은 NaxMnO2를 포함한다.
음극(120)이 리튬 층간삽입 물질 (예를 들어, LixC6)을 포함하는 일부 실시양태에서, 양극(130)은 제1 리튬 층간삽입 물질과 상이한 제2 리튬 층간삽입 물질을 포함한다. 사실상, 음극이 리튬 층간삽입 물질 (예를 들어, LixC6)을 포함하는 일부 실시양태에서, 양극은 LixNiO, LixMnO2, LixCoO2, LixMn2O4 (여기서 x는 약 0.2 내지 약 1임) 및/또는 LixFey(PO4)z (여기서 x는 약 0 내지 약 3이고, y는 약 1이고, z는 약 1 내지 약 3임)를 포함한다. 사실상, 음극이 LixC6을 포함하는 일부 실시양태에서, 양극은 LixMnO2를 포함한다.
양극(130)이 제2 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하고, 이러한 물질이 전해질 막(135)의 제2 측면(155)에 커플링되는 경우, 양극은 임의의 적합한 방식으로 전해질 막에 커플링될 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 양극(130)의 층간삽입 물질은 음극(120)의 제1 층간삽입 물질을 전해질 막의 제1 측면(150)에 커플링하기 위해 사용되는 방법 중 하나 이상을 통해 (예를 들어, CVD, PVD, 스퍼터링, 캐스팅 등을 통해) 전해질 막 상에 배치된다. 또한, 제2 층간삽입 물질은 제한 없이 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 이상을 비롯한 임의의 적합한 개수의 층으로 전해질 막의 제2 측면 상에 침착될 수 있다.
일부 실시양태에서, 양극(130)의 층간삽입 물질이 전해질 막(135)의 제2 측면(155)에 커플링되는 경우 물질이 알칼리 금속 (예를 들어, Na 또는 Li)을 포함하나, 다른 실시양태에서, 제2 층간삽입 물질의 염기 물질 (예를 들어, 산화니켈, 산화망간, 인산철 등)이 먼저 전해질 막 상에 코팅되고, 이어서 알칼리 금속이 염기 물질에 및/또는 그의 상부에 로딩된다. 이러한 로딩은 임의의 적합한 방식으로 달성될 수 있으나, 일부 비제한적인 실시양태에서, 로딩은 양극의 제조 동안, 전지의 가동 이전에 및/또는 전지가 가동할 때 발생한다.
양극(130)의 제2 층간삽입 물질이 전해질 막(135)에 커플링되는 경우, 제2 층간삽입 물질은 전지(110)가 기능하게 하는 임의의 적합한 두께일 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 양극의 층간삽입 물질은 약 50μm, 약 25μm, 약 10μm, 및 약 5μm, 및 약 1μm로부터 선택된 치수만큼 얇다. 그러나, 일부 실시양태에서, 양극의 층간삽입 물질은 약 55μm, 약 100μm, 약 500μm, 약 1mm, 및 약 5mm, 및 약 1cm로부터 선택된 치수만큼 두껍다. 다른 실시양태에서, 양극의 제2 층간삽입 물질은 상기 언급된 치수의 임의의 적합한 조합 또는 하위범위 사이의 두께를 갖는다 (예를 들어, 약 250μm 내지 약 500μm 또는 약 10μm 내지 약 5mm).
일부 실시양태에서, 양극(130)으로서 제2 알칼리 금속 층간삽입 물질을 사용하는 대신에, 기재된 전지는 배터리가 방전 및 충전되게 하는 실질적으로 임의의 다른 공지된 또는 신규한 양극 물질을 포함할 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 양극은 와이어, 펠트, 플레이트, 튜브, 메시, 발포체, 및/또는 양극이 전해질 막(135)으로부터 분리되게 하는 다른 적합한 양극 구성을 포함한다. 게다가, 일부 실시양태에서, 양극은 니켈 발포체, 전지의 가동 온도에서 용융되지 않는 나트륨 복합물 (제한 없이, 나트륨/황 물질 포함), 수산화니켈 (Ni(OH)2) (예를 들어, 전지가 적어도 부분적으로 방전되는 경우), 옥시수산화니켈 (NiOOH) (예를 들어, 전지가 적어도 부분적으로 충전되는 경우), 및/또는 또 다른 적합한 물질로부터 선택되나, 이에 제한되지 않는 물질을 포함한다.
양극(130)이 제2 층간삽입 물질을 포함하지 않는 일부 실시양태에 따라, 도 8은 양극 구획(125)이 양의 전해질 용액(152)을 포함함을 나타낸다. 이러한 실시양태에서, 양의 전해질은 전지(110)가 의도한대로 기능하게 하는 임의의 적합한 알칼리 이온 전도성 물질을 포함할 수 있다. 양의 전해질 용액(152)에서의 적합한 물질의 몇몇 예에는 수산화나트륨, 글리세롤, 물, 보락스, 사붕산나트륨 10수화물, 메타붕산나트륨 4수화물, 규산나트륨, 붕산, 수소화붕소나트륨, 인산나트륨, 인산수소나트륨, 나트륨 글리세롤, 탄산나트륨, 에틸렌, 프로필렌, 이온성 액체 (예를 들어, N-메톡시에틸-N-메틸-피롤리디늄, 부틸메틸-피롤리디늄, 프로필메틸-피롤리디늄, 트리에틸-술포늄, 디에틸메틸술포늄, 에틸-디메틸-암모니오-(트리메틸암모니오)-디히드로보레이트, 피리디늄, 피롤리디늄, 4차 암모늄, 4차 포스포늄, 트리술포늄, 및 술포늄 화합물 등), 또 다른 적합한 액체, 및 상기의 임의의 적합한 조합이 포함되나, 이에 제한되지 않는다.
이제 말단(140) 및 (145)에 관하여 (도 8에 나타냄), 전지(10)는 전지를 제한 없이 하나 이상의 다른 전지를 비롯한 외부 회로와 전기적으로 연결할 수 있는 임의의 적합한 말단을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 말단은 임의의 적합한 물질 및 임의의 적합한 크기의 임의의 적합한 형상을 포함할 수 있다.
상기 언급된 부품 이외에, 전지(110)는 임의로 임의의 다른 적합한 부품을 포함할 수 있다. 비제한적인 예시로서, 도 8은 전지(110)가 임의로 온도 관리 시스템(160)을 포함하는 실시양태를 나타낸다. 이러한 실시양태에서, 전지는 전지를 적합한 가동 온도 범위 내로 유지시킬 수 있는 임의의 적합한 유형의 온도 관리 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 온도 관리 시스템의 몇몇 예에는 가열기, 냉각기, 하나 이상의 온도 센서, 및 적절한 온도 조절 회로가 포함되나, 이에 제한되지 않는다.
기재된 전지(110)는 이것이 충전 및 방전되게 하는 임의의 적합한 방식으로 개질될 수 있다. 이러한 개질의 한 예에서, 도 9는 코팅 층(165)이 전해질 막(135)의 제2 측면(155) 상에 배치되는 일부 실시양태를 나타낸다. 이러한 예에서, 코팅 층은 제한 없이 전해질 막(135)을 양의 전해질 용액(152)의 성분 (예를 들어, 염기성 물질)으로부터 보호하는 것, 및 달리 막의 가동가능한 수명을 증가시키는 것을 비롯한 임의의 적합한 기능을 수행할 수 있다. 코팅 층이 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있으나, 일부 실시양태에서, 코팅 층은 탄소, 층간삽입 물질 (예를 들어, NaxNiO, NaxMnO2, NaxFey(PO4)z, NaxNiO2, NaxAlO2, NaxCoO2, LixNiO, LixMnO2, LixCoO2, LixMn2O4, 및 LixFey(PO4)z), 산화니켈, 산화망간, 인산철, 또는 그의 조합)을 포함한다. 사실상, 일부 실시양태에서, 보호 층은 탄소를 포함한다.
전지(110)가 전해질 막(135)의 제2 측면(155) 상에 코팅 층(165)을 포함하는 경우, 코팅 층은 전지가 의도한대로 기능하게 하는 임의의 적합한 두께일 수 있다. 사실상, 일부 실시양태에서, 코팅 층은 약 50μm, 약 25μm, 약 10μm, 약 5μm, 및 약 1 μm로부터 선택된 치수만큼 얇다. 그러나, 일부 실시양태에서, 코팅 층은 약 55μm, 약 100μm, 약 500μm, 약 1mm, 약 5mm, 및 약 1cm로부터 선택된 치수만큼 두껍다. 다른 실시양태에서, 코팅 층은 상기 언급된 치수의 임의의 적합한 조합 또는 하위범위 사이의 두께를 갖는다 (예를 들어, 약 250μm 내지 약 500μm 또는 약 10μm 내지 약 5mm).
이제 기재된 이차 전지(110)가 기능하는 방식에 관하여, 전지는 실질적으로 임의의 적합한 방식으로 기능할 수 있다. 한 예에서, 도 6은 전지(110)가 방전되고 전자 (e-)가 음극(120)으로부터 흐를 때 (예를 들어, 제1 말단(140)을 통해), 음극에서의 알칼리 금속 M, 예컨대 Na 또는 Li이 산화되어 알칼리 이온 (예를 들어, Na+ 또는 Li+)을 형성함을 예시한다. 도 6은 이러한 알칼리 이온 (M+)이 음극(120)으로부터, 알칼리 이온 전도성 전해질 막(135)을 통해, 그리고 이어서 양극 구획(125)으로 (예를 들어, 양극(130) 및/또는 양의 전해질 용액(152)으로) 수송됨을 나타낸다. 예를 들어, 전지가 NaxC6을 포함하는 음극 및 NaxMnO2를 포함하는 양극을 포함하는 일부 실시양태에서, 음극은 전지가 방전될 때 나트륨 이온을 양극에 제공한다.
대조적인 예에서, 도 7은 기재된 이차 전지(110)가 재충전되고 전자 (e-)가 외부 전원 (나타내지 않음), 예컨대 재충전기로부터 음극(120)으로 흐를 때 (예를 들어, 제1 말단(140)을 통해), 전지가 방전되는 경우 (도 6에 나타낸 바와 같음) 발생하는 화학 반응이 역방향이 됨을 나타낸다. 구체적으로, 도 7은 전지(110)가 재충전될 때, 알칼리 이온 (Na+ 또는 Li+)이 양극 구획(125)으로부터 (예를 들어, 양극(130)으로부터), 알칼리 이온 전도성 전해질 막(135)을 통해, 그리고 음극(120)으로 수송됨을 나타내며, 여기서 알칼리 이온이 환원되고 음극(120)으로 또는 그의 상부로 다시 층간삽입된다. 예를 들어, 전지가 NaxC6을 포함하는 음극 및 NaxMnO2를 포함하는 양극을 포함하는 일부 실시양태에서, 양극은 전지가 재충전될 때 나트륨 이온을 음극에 제공한다.
한 비제한적인 예에서, 전지(110)에 대한 양극(30) 반반응 (충전이 정방향임)은 다음과 같으며: LiCoO2 ↔ Li1 - nCoO2 + nLi+ + ne-, 음극(120) 반반응은 다음과 같다: nLi+ + ne- + C ↔ LinC.
기재된 전지(110)는 임의의 적합한 가동 온도에서 기능할 수 있다. 다시 말해, 전지가 방전 및/또는 재충전될 때, 음극(120)은 이것이 고체인 채로 유지되게 하는 임의의 적합한 온도를 가질 수 있다. 사실상, 전극이 나트륨을 포함하는 일부 실시양태에서, 전지는 약 100℃ 미만, 보다 구체적으로는 97℃ 미만, 또는 나트륨의 융점 미만의 가동 온도에서 기능한다. 전극이 리튬을 포함하는 다른 실시양태에서, 전지는 약 200℃ 미만, 보다 구체적으로는 181℃ 미만, 또는 리튬의 융점 미만의 가동 온도에서 기능한다.
기재된 전지(10)의 상기 언급된 이점 및 특징 이외에, 전지는 여러 다른 유리한 특징을 가질 수 있다. 한 예에서, 음극(120)이 전지가 기능할 때 고체인 알칼리 금속 층간삽입 물질 (예를 들어, NaxC6 또는 LixC6)을 포함하기 때문에, 전지의 일부 실시양태는 비교적 낮은 온도에서 기능한다. 그 결과, 전지의 이러한 실시양태는 전지가 기능할 때 가열하기 위한 에너지를 거의 내지 전혀 필요로 하지 않고/않거나 전지로부터 열을 방산할 수 있다. 추가적으로, 전지가 용융된 음극을 포함하는 특정한 통상의 재충전가능한 배터리보다 낮은 온도에서 가동될 수 있기 때문에, 전지는 사용하거나 취급하기에 덜 위험할 수 있다. 또 다른 예에서, 전지의 일부 실시양태는 여러 번 재충전될 수 있고, 전지가 기능할 때 위험한 화학물질을 방출하지 않고, 몇몇 통상의 배터리보다 적은 열 에너지를 필요로하기 때문에, 전지의 이러한 실시양태는 비교적 환경 친화적일 수 있다.
다음의 실시예는 전해질 막(35)이 층간삽입 물질로서 기능할 수 있는 (또는 기능하도록 개질될 수 있는) 탄소의 층으로 코팅되는 경우 막의 기능성을 예시하기 위해 제공한다. 이러한 실시예는 단지 예시로서 제공되고, 다음의 실시예는 본 발명에 따라 제조될 수 있는 포괄적인 또는 완전한 본 발명의 많은 유형의 실시양태가 아닌 것으로 해석된다.
실시예 1
본 실시예에서, 전해 전지 (예를 들어, 재충전가능한 배터리)(200)를 도 10에서의 것과 유사한 부품을 포함하도록 구성하였다. 구체적으로, 전지(10)가 에틸렌 글리콜 및 38 중량% 농도로 NaI를 함유하는 음의 전해질 용액(215)과 접촉하는 니켈 와이어 애노드(210)를 수용하는 애노드액 구획(205)을 포함하도록 구성하였다. 또한, 전지가 30 중량% 농도로 보락스를 포함하는 수성 용액을 포함하는 양의 전해질 용액(230)에 배치된 옥시수산화니켈 캐소드(225)를 수용하는 캐소드 구획(220)을 포함하도록 구성하였다. 추가적으로, 도 10은 전지(200)가 캐소드(225)와 접하는 탄소의 층(240)을 포함하는 NaSICON 막(235)을 추가로 포함함을 나타낸다. 또한, 도 10은 전지(200)가 제1 말단(245), 제2 말단(250), 및 백금 기준(255)을 포함함을 나타낸다.
도 11에서의 그래프는 전지(200)가 90℃에서 3주의 기간 동안 충전 및 방전되는 경우, 탄소 층(240)이 보락스 용액(230)에서 그의 안정성이 실질적으로 유지되었음을 나타낸다.
도 12는 도 10의 전지(200)의 가동을 도 13의 전지(300) (도 10에서의 전지(200)와 동일한 설비를 가지나, 탄소 층(240)이 없음)와 비교하는 경우 (전기화학 임피던스 분광학, "EIS"를 통해), 탄소 층(240)을 갖는 도 10의 전지(200)가 탄소 층이 없는 도 13의 전지(300)보다 높은 저항을 가지지 않았음을 추가로 나타낸다. 이와 관련하여, 선(305)은 코팅되지 않은 NaSICON(235)을 갖는 전지(300)에서의 전극의 EIS 측정을 나타내고, 선(310)은 코팅되지 않은 NaSICON(235)을 갖는 전지(300)에서의 전극 및 막(235)의 EIS 측정을 나타내고, 선(315)은 코팅된 NaSICON(235)을 갖는 전지(200)에서의 전극의 EIS 측정을 나타내고, 선(320)은 코팅되지 않은 NaSICON(235)을 갖는 전지(200)에서의 전극 및 막(235)의 EIS 측정을 나타낸다. 이에 따라, 도 12는 예상과는 대조적으로 전지(200)에서의 탄소 코팅(240)이 전지의 기능에 거의 내지 전혀 악영향을 미치지 않았음을 나타낸다. 이에 따라, 염기 물질 (예를 들어, 탄소)을 갖는 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 전극 (예를 들어, 애노드(20) 및/또는 캐소드(30))이 전지의 기능에 거의 내지 전혀 악영향을 미치지 않을 것으로 이론이 제시되었다.
본 발명의 특정한 실시양태 및 실시예가 예시되고 기재되었으나, 본 발명의 취지로부터 유의하게 출발하지 않으면서 많은 변경이 생각날 것이고, 보호의 범위는 오직 수반하는 청구범위의 범위에 의해 제한된다.

Claims (29)

  1. 애노드 전극을 포함하는 애노드액 구획;
    캐소드 전극을 포함하는 캐소드액 구획; 및
    애노드액 구획과 캐소드 구획을 분리시키는 고체 알칼리 이온 전도성 전해질 막
    을 포함하며, 여기서 전해질 막은 나트륨 이온 전도성 전해질 막 및 리튬 이온 전도성 막으로부터 선택되고, 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나가 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 것인
    전기화학 전지.
  2. 제1항에 있어서, 애노드가 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  3. 제2항에 있어서, 애노드가 전해질 막의 제1 표면 상에 직접 배치된 것인 전기화학 전지.
  4. 제2항에 있어서, 애노드액 구획이 나트륨-함유 물질을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  5. 제4항에 있어서, 나트륨-함유 물질이 용매에 용해된 것인 전기화학 전지.
  6. 제4항에 있어서, 나트륨-함유 물질이 Na2S, NaI, NaCl, Na2SO4 및 NaNO3으로부터 선택된 화합물을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  7. 제1항에 있어서, 전해질 막이 NaSICON-유형 물질을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  8. 제1항에 있어서, 전해질 막이 LiSICON-유형 물질을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  9. 제1항에 있어서, 애노드액 구획이 리튬-함유 물질을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  10. 제9항에 있어서, 리튬-함유 물질이 Li2S, LiI 및 LiCl로부터 선택된 화합물을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  11. 제4항에 있어서, 전지가 가동되어 캐소드액 구획에서 용융된 나트륨을 형성하는 것인 전기화학 전지.
  12. 제1항에 있어서, 캐소드가 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  13. 제12항에 있어서, 알칼리 금속 층간삽입 물질이 전해질 막의 제2 표면 상에 직접 배치된 것인 전기화학 전지.
  14. 제1항에 있어서, 층간삽입 물질이 탄소, 및 나트륨 및 리튬으로부터 선택된 알칼리 금속을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  15. 제1항에 있어서, 애노드액 구획이 수성 용매 또는 비수성 용매를 포함하는 것인 전기화학 전지.
  16. 제1항에 있어서, 캐소드액 구획에서 수산화나트륨을 형성하는 전기화학 전지.
  17. 제1항에 있어서, 알칼리 금속 층간삽입 화합물이 NaXNiO2, NaXMnO2, NaXFePO4, LiXCoO2 및 LiMn2O4 중 하나 이상을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  18. 제1항에 있어서, 알칼리계 이차 전지인 전기화학 전지.
  19. 제1 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 음극을 포함하는 음극 구획;
    양극을 포함하는 양극 구획; 및
    음극을 양극으로부터 분리시키는 고체 알칼리 금속 이온 전도성 전해질 막
    을 포함하며, 여기서 제1 알칼리 금속 층간삽입 물질은 전해질 막의 제1 측면에 커플링되고, 전해질 막은 나트륨 이온 전도성 전해질 막 및 리튬 이온 전도성 막으로부터 선택된 것인
    알칼리 금속계 이차 전지.
  20. 제19항에 있어서, 양극이, 제1 알칼리 금속 층간삽입 물질과 상이하고 제1 측면의 실질적으로 반대측인 전해질 막의 제2 측면에 커플링된 제2 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 것인 이차 전지.
  21. 제19항에 있어서, 전해질 막이 NaSICON-유형 물질을 포함하는 것인 이차 전지.
  22. 제19항에 있어서, 전해질 막이 LiSICON-유형 물질을 포함하는 것인 이차 전지.
  23. 제19항에 있어서, 제1 알칼리 금속 층간삽입 물질이 NaxC6을 포함하며, 여기서 x ≤ 3인 이차 전지.
  24. 제19항에 있어서, 제1 알칼리 금속 층간삽입 물질이 LixC6을 포함하며, 여기서 x ≤ 3인 이차 전지.
  25. 제20항에 있어서, 제2 알칼리 금속 층간삽입 물질이 NaxNiO, NaxMnO2, NaxNiO2, NaxAlO2, NaxCoO2 및 NaxFePO4로부터 선택되며, 여기서 0.2 ≤ x ≤ 1인 이차 전지.
  26. 제19항에 있어서, 양극이 전해질 막으로부터 분리된 것인 이차 전지.
  27. 제26항에 있어서, 제1 측면의 반대측인, 전해질 막의 제2 측면 상에 배치된 탄소 층을 추가로 포함하는 이차 전지.
  28. 제1 표면, 및 제1 표면의 실질적으로 반대측인 제2 표면을 갖는 고체 알칼리 금속 이온 전도성 전해질 막을 포함하며,
    여기서 전해질 막은 나트륨 이온 전도성 전해질 막 및 리튬 이온 전도성 막으로부터 선택되고;
    제1 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 음극이 제1 표면에 부착된 것인
    알칼리 금속 이온 전도성 전해질 막.
  29. 제28항에 있어서, 제1 알칼리 금속 층간삽입 물질과 상이한 제2 알칼리 금속 층간삽입 물질을 포함하는 양극이 제2 표면에 부착된 것인 전해질 막.
KR1020157026934A 2013-03-04 2014-03-04 전해 전지에서의 전극으로서의 알칼리 금속 층간삽입 물질 KR102202085B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361772306P 2013-03-04 2013-03-04
US201361772356P 2013-03-04 2013-03-04
US61/772,306 2013-03-04
US61/772,356 2013-03-04
PCT/US2014/020392 WO2014138110A1 (en) 2013-03-04 2014-03-04 Alkali metal intercalation material as an electrode in an electrolytic cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150123905A true KR20150123905A (ko) 2015-11-04
KR102202085B1 KR102202085B1 (ko) 2021-01-13

Family

ID=51491883

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157026934A KR102202085B1 (ko) 2013-03-04 2014-03-04 전해 전지에서의 전극으로서의 알칼리 금속 층간삽입 물질

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP2965379B1 (ko)
JP (1) JP6546099B2 (ko)
KR (1) KR102202085B1 (ko)
ES (1) ES2817901T3 (ko)
WO (1) WO2014138110A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180084840A (ko) * 2015-11-23 2018-07-25 나노텍 인스트러먼츠, 인코포레이티드 높은 활성의 질량 부하량을 갖는 수퍼커패시터 전극 및 셀

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9722279B2 (en) * 2014-12-24 2017-08-01 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. All-solid-state metal-metal battery comprising ion conducting ceramic as electrolyte
JP6549944B2 (ja) * 2015-09-10 2019-07-24 三洋化成工業株式会社 リチウムイオン電池
EP4040145A1 (en) 2021-02-09 2022-08-10 Unisense A/S A solid-contact ion-selective electrode

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005038720A (ja) * 2003-07-15 2005-02-10 Sony Corp 負極の製造方法および電池の製造方法
JP2005063958A (ja) * 2003-07-29 2005-03-10 Mamoru Baba 薄膜固体リチウムイオン二次電池およびその製造方法
JP2009301726A (ja) * 2008-06-10 2009-12-24 Kazu Tomoyose リチウムイオン電池の製法及びリチウム電池の製法
JP2012094410A (ja) * 2010-10-27 2012-05-17 Dainippon Printing Co Ltd 全固体二次電池、および全固体二次電池の製造方法
KR20120095949A (ko) * 2009-11-05 2012-08-29 세라마테크, 인코오포레이티드 나트륨 이온 전도성 세라믹 분리판을 갖는 고체-상태 나트륨계 2차 전지

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9516850D0 (en) * 1995-08-17 1995-10-18 Programme 3 Patent Holdings High temperature storage battery
US7390591B2 (en) * 2002-10-15 2008-06-24 Polyplus Battery Company Ionically conductive membranes for protection of active metal anodes and battery cells
JP4048243B2 (ja) * 2003-12-01 2008-02-20 独立行政法人産業技術総合研究所 二次電池及びその製造方法
US7282295B2 (en) * 2004-02-06 2007-10-16 Polyplus Battery Company Protected active metal electrode and battery cell structures with non-aqueous interlayer architecture
US8182943B2 (en) * 2005-12-19 2012-05-22 Polyplus Battery Company Composite solid electrolyte for protection of active metal anodes
JP5144845B2 (ja) * 2008-01-31 2013-02-13 株式会社オハラ 固体電池
JP2009301727A (ja) * 2008-06-10 2009-12-24 Kazu Tomoyose リチウム電池の製法
WO2010073978A1 (ja) * 2008-12-26 2010-07-01 独立行政法人産業技術総合研究所 リチウム二次電池
JP5354580B2 (ja) * 2009-01-28 2013-11-27 独立行政法人産業技術総合研究所 リチウム−空気電池
JP5333184B2 (ja) * 2009-03-16 2013-11-06 トヨタ自動車株式会社 全固体二次電池
JP5310284B2 (ja) * 2009-06-11 2013-10-09 トヨタ自動車株式会社 金属二次電池
US20110039162A1 (en) * 2009-08-11 2011-02-17 Samsung Electronics Co., Ltd. All-solid secondary battery and positive electrode used therefor
JP2011228162A (ja) * 2010-04-21 2011-11-10 National Institute Of Advanced Industrial & Technology リチウム−水電池による水素製造と燃料電池の組み合わせ
WO2012096993A2 (en) * 2011-01-10 2012-07-19 Ceramatec, Inc. Control of ph kinetics in an electrolytic cell having acid-intolerant alkali-conductive membrane
JP2012212648A (ja) * 2011-03-24 2012-11-01 Tokyo Univ Of Science ナトリウム二次電池用電極およびナトリウム二次電池
ES2733323T3 (es) * 2012-01-16 2019-11-28 Enlighten Innovations Inc Electrolito sólido conductor de ion alcalino compuesto

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005038720A (ja) * 2003-07-15 2005-02-10 Sony Corp 負極の製造方法および電池の製造方法
JP2005063958A (ja) * 2003-07-29 2005-03-10 Mamoru Baba 薄膜固体リチウムイオン二次電池およびその製造方法
JP2009301726A (ja) * 2008-06-10 2009-12-24 Kazu Tomoyose リチウムイオン電池の製法及びリチウム電池の製法
KR20120095949A (ko) * 2009-11-05 2012-08-29 세라마테크, 인코오포레이티드 나트륨 이온 전도성 세라믹 분리판을 갖는 고체-상태 나트륨계 2차 전지
JP2012094410A (ja) * 2010-10-27 2012-05-17 Dainippon Printing Co Ltd 全固体二次電池、および全固体二次電池の製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180084840A (ko) * 2015-11-23 2018-07-25 나노텍 인스트러먼츠, 인코포레이티드 높은 활성의 질량 부하량을 갖는 수퍼커패시터 전극 및 셀

Also Published As

Publication number Publication date
JP6546099B2 (ja) 2019-07-17
EP2965379B1 (en) 2020-07-08
WO2014138110A1 (en) 2014-09-12
EP2965379A1 (en) 2016-01-13
JP2016515287A (ja) 2016-05-26
ES2817901T3 (es) 2021-04-08
KR102202085B1 (ko) 2021-01-13
EP2965379A4 (en) 2016-11-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10355305B2 (en) Alkali metal intercalation material as an electrode in an electrolytic cell
KR102114716B1 (ko) 나트륨-할로겐 2차 전지
US9263770B2 (en) Method for providing electrical potential from a sodium-based secondary cell
US9614251B2 (en) High-performance rechargeable batteries with nanoparticle active materials, photochemically regenerable active materials, and fast solid-state ion conductors
US8968902B2 (en) Low temperature molten sodium secondary cell with sodium ion conductive electrolyte membrane
JP6570510B2 (ja) 溶融ナトリウム−ｆｓａ電解質を有する低温電池
KR102139516B1 (ko) 고체 알칼리 이온 전도성 전해질 멤브레인의 열화 방지
JP2018511922A (ja) ナトリウムイオン伝導性セラミックセパレータを有するナトリウムアルミニウム電池
KR102202085B1 (ko) 전해 전지에서의 전극으로서의 알칼리 금속 층간삽입 물질
EP2973838B1 (en) Low temperature secondary cell with sodium intercalation electrode
KR20160096071A (ko) 나트륨-할로겐 2차 전지
KR20190009420A (ko) 알칼리 금속 전도성 세라믹 세퍼레이터를 사용하는 알칼리 금속 이온 배터리
US20150030896A1 (en) Sodium-halogen secondary cell
JP2015530722A (ja) 電池の電荷移動機構

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant