KR20160117647A - 마그네슘계 배터리 - Google Patents

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KR20160117647A
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마사키 마츠이
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도요타 모터 엔지니어링 앤드 매뉴팩쳐링 노스 아메리카, 인코포레이티드
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Abstract

마그네슘-이온 배터리와 같은 전기화학 디바이스는 제 1 활성 재료를 포함하는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치된 전해질을 포함한다. 전해질은 마그네슘 화합물, 예컨대 마그네슘 염을 포함할 수 있다. 대표적인 예시들에서, 개선된 활성 재료는 15족 칼코게나이드, 특히 비스무트 칼코게나이드, 예컨대 비스무트 산화물 또는 다른 칼코게나이드를 포함한다. 다양한 예시들에서, 개선된 활성 재료는 예시적인 배터리의 양 또는 음의 전극에 사용될 수 있다.

Description

마그네슘계 배터리{MAGNESIUM-BASED BATTERY}
본 출원은 2010년 6월 21일에 출원된 미국 특허 출원 일련번호 12/819,325의 우선권을 주장하며, 이는 본 명세서에서 인용 참조된다.
본 발명은 배터리, 특히 재충전가능한 배터리, 예컨대 재충전가능한 마그네슘-이온 배터리와 같은 전기화학 디바이스들에 관한 것이다.
재충전가능한 배터리들, 특히 리튬-이온 배터리들은 엄청난 상업적 이용성을 갖는다. 에너지 밀도는 중요한 특성이며, 더 높은 에너지 밀도가 다수의 적용들에 대해 바람직하다.
마그네슘-이온 배터리의 마그네슘 이온은 리튬 이온의 단일 전하와는 대조적으로 2 개의 전기 전하를 갖는다. 개선된 전극 재료들은 고에너지 밀도 배터리들을 개발하기 위해 매우 유용할 것이다.
본 발명의 목적은 마그네슘계 배터리인 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 예시들은 활성 재료를 포함하는 전극을 갖는 마그네슘계 배터리들을 포함하며, 상기 활성 재료는 비스무트(Bi)와 같은 15족 원소를 포함한다. 몇몇 예시들에서, 활성 재료는 15족 원소의 칼코게나이드(chalcogenide), 예컨대 인, 비소, 안티몬, 비스무트와 같은 15족 원소의 산화물, 황화물, 셀렌화물 또는 텔루륨화물을 포함한다. 특정한 예시는 비스무트 산화물을 포함하는 활성 재료이다. 예를 들어, 비스무트 산화물은 입자들, 예컨대 미크론-스케일, 서브-미크론 또는 나노스케일 Bi2O3 입자들로서 존재할 수 있다. 예시들은 재충전가능한 마그네슘-이온 배터리들을 포함한다.
본 발명의 예시들은 재충전가능한 마그네슘-이온 배터리들과 같은 전기화학 디바이스들을 위한 개선된 활성 재료들을 포함한다. 새로운 활성 재료는 배터리의 양의 전극 또는 음의 전극에 사용될 수 있다.
몇몇 대표적인 실시예들에서, 음의 전극은 마그네슘 금속일 수 있으며, 양의 전극은 비스무트 및/또는 다른 15족 원소의 화합물을 포함하는 활성 재료를 포함할 수 있다. 양의 전극은 비스무트 산화물을 포함할 수 있다. 양의 전극은 전자 전도성 재료 및/또는 바인더(binder)를 더 포함할 수 있다.
또 다른 대표적인 실시예들에서, 양의 전극 재료는 종래의 여하한의 활성 재료일 수 있으며, 음의 전극은 15족 화합물과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 새로운 활성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 음의 전극은 비스무트 산화물을 포함할 수 있으며, 전자 전도성 재료 및/또는 바인더를 더 포함할 수 있다.
예시적인 배터리들은 음의 전극, 양의 전극 및 전해질 층을 포함할 수 있다. 전해질 층은 전해질 용액에 잠긴 분리기에 의해 제공될 수 있다. 전해질 용액은 배터리의 타입에 따라 마그네슘 이온들 또는 다른 활성 이온을 포함한다. 예를 들어, 전해질은 비-수성 용액(non-aqueous liquid) 및 마그네슘 염을 포함할 수 있다.
개선된 활성 재료는 탄소와 같은 전기 전도성 재료 그리고 중합체 바인더(polymer binder)와 같은 바인더 재료를 더 포함할 수 있다.
예시적인 마그네슘계 배터리는 활성 재료를 포함하는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치된 전해질을 포함하며, 상기 전해질은 마그네슘 염을 포함하고, 상기 활성 재료는 15족 화합물, 예를 들어 15족 칼코게나이드, 예컨대 비스무트 화합물, 특히 비스무트 산화물을 포함한다. 다수의 예시들에서, 제 1 전극은 배터리의 양의 전극 또는 음의 전극일 수 있다.
예시적인 마그네슘-이온 배터리는 활성 재료를 포함하는 양의 전극, 금속성 마그네슘 또는 마그네슘 합금과 같은 마그네슘-함유 금속을 포함하는 음의 전극, 그리고 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치된 마그네슘 염을 포함하는 전해질을 포함한다. 상기 활성 재료는 15족 화합물, 예를 들어 15족 칼코게나이드, 예컨대 비스무트 화합물, 예를 들어 비스무트 산화물을 포함한다.
또 다른 예시적인 마그네슘-이온 배터리는 제 1 활성 재료를 포함하는 양의 전극, 제 2 활성 재료를 포함하는 음의 전극, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치된 전해질을 포함하고, 상기 전해질은 마그네슘 염을 포함한다. 상기 활성 재료는 15족 화합물, 예를 들어 15족 칼코게나이드, 예컨대 비스무트 화합물, 특히 비스무트 산화물을 포함한다. 제 2 활성 재료는 전해질의 마그네슘 이온들과 전해질적으로(electrolytically) 상호작용할 수 있는 여하한의 재료를 포함할 수 있다. 전극들은 활성 재료 이외에도 바인더 및 전기 전도성 재료를 포함할 수 있으며, 집전체(current collector)에 지지될 수 있다.
도 1은 마그네슘 금속의 음의 전극 및 새로운 활성 재료를 포함하는 양의 전극을 포함하는 마그네슘-이온 배터리를 나타낸 도면;
도 2는 음의 전극 내에 새로운 활성 재료를 갖는 마그네슘-이온 배터리를 나타낸 도면;
도 3a 내지 도 3c는 입자 크기의 함수로서, 3 개의 사이클에 대하여 마그네슘/비스무트 산화물 반쪽 전지(half cell)에 대한 충전-방전 곡선들을 나타낸 도면들이다.
본 발명의 예시들은 배터리들, 특히 재충전가능한 배터리들과 같은 전기화학 디바이스들을 포함한다. 예시들은 마그네슘계 배터리들을 포함하며, 구체적으로는 마그네슘-이온 배터리의 전극들 내에 활성 재료들로서 사용되는 재료들을 포함한다. 특히, 예시적인 배터리는 적어도 15족 원소를 포함하는 전극 활성 재료를 포함한다. 예를 들어, 활성 재료는 15족 원소의 칼코게나이드를 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 개선된 활성 재료들은 예시적인 배터리의 음극 및/또는 양극 내에 사용될 수 있다.
특정 예시에서 - 이로 제한되지 않음 -, 마그네슘-이온 배터리를 위한 개선된 활성 재료는 비스무트 산화물을 포함한다.
재충전가능한 마그네슘-이온 배터리는 높은 용량 밀도로 인해 고에너지 배터리 시스템일 것으로 예상된다. 특히, 리튬-이온 배터리들에 비해, 마그네슘 이온은 마그네슘 이온당 2 개의 전자들을 이동시킨다. 하지만, 이전에는 높은 용량 밀도의 장점을 충분히 활용할 수 있는 우수한 음극 또는 양극 활성 재료들이 존재하지 않았다.
본 발명의 예시들에서, 15족 원소를 포함하는 개선된 활성 재료들은 재충전가능한 배터리를 위한 활성 재료로서 사용된다. 예시적인 전극들은 비스무트, 안티몬, 비소 또는 인으로 구성된 원소들의 그룹들로부터 적어도 하나의 원소의 화합물, 예컨대 칼코게나이드를 포함하는 활성 재료를 포함한다. 대표적인 예시들은 비스무트, 안티몬 및 비소 또는 이들의 몇몇 조합의 칼코게나이드들이다. 바람직한 활성 재료는 비스무트, 예컨대 비스무트 화합물, 이를테면 비스무트 칼코게나이드를 포함한다. 새로운 활성 재료들의 특정 예시들은 15족 원소들의 칼코게나이드들, 예컨대 이의 산화물들, 황화물들 및 셀렌화물들을 포함한다. 칼코게나이드는 1 이상의 16족 원소들, 예컨대 산소, 황, 셀레늄 및 텔루륨 중 1 이상을 포함할 수 있다.
개선된 활성 재료의 특정 예시는 비스무트 산화물을 포함한다. 예를 들어, 비스무트 (Ⅲ) 산화물, Bi2O3는 개선된 활성 재료에 사용될 수 있다. 다른 예시들은 비스무트 황화물, 비스무트 셀렌화물, 안티몬 산화물, 안티몬 황화물, 안티몬 셀렌화물, 비소 산화물, 비소 황화물, 안티몬 셀렌화물, 혼합된 칼코게나이드들, 예컨대 1 이상의 15족 원소들의 황화 셀렌화물(selenide sulfides) 등을 포함한다.
활성 재료는 전기 전도성 재료 및 바인더를 더 포함할 수 있다. 예시적인 전기 전도성 재료들은 탄소 입자들, 예컨대 카본 블랙(carbon black)을 포함한다. 예시적인 바인더들은 중합체들을 포함한다.
도 1은 개선된 양의 전극 활성 재료를 갖는 재충전가능한 마그네슘-이온 배터리를 나타낸다. 배터리는 마그네슘 금속을 포함하는 음의 전극(10), 전해질 층(12), 양의 전극(14), 집전체(16), 음의 전극 하우징(18), 양의 전극 하우징(20) 및 시일링 개스킷(sealing gasket: 22)을 포함한다. 전해질 층(12)은 전해질 용액에 잠긴 분리기를 포함하고, 양의 전극(14)은 집전체(16)에 의해 지지된다. 이 예시에서, 양의 전극은 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 활성 재료, 전도성 탄소 및 바인더를 포함한다. 예를 들어, 양의 전극은 비스무트 산화물, 다른 15족 칼코게나이드, 또는 다른 15족 화합물을 포함할 수 있다.
도 2는 새로운 활성 재료가 재충전가능한 마그네슘 배터리의 음의 전극에 사용되는 또 다른 예시를 나타낸다. 배터리는 음의 전극(30), 집전체(32), 전해질 층(34), 양의 전극(36), 집전체(38), 음의 전극 하우징(40), 개스킷(42) 및 양의 전극 하우징(44)을 포함한다. 전해질 층(34)은 전해질 용액에 잠긴 분리기를 포함하고, 양 및 음의 전극들은 각각의 집전체들에 의해 지지된다. 이 예시에서, 음의 전극은 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 활성 재료, 전도성 탄소 및 바인더를 포함한다. 예를 들어, 음의 전극은 비스무트 산화물, 다른 15족 칼코게나이드, 또는 다른 15족 화합물을 포함할 수 있다. 양의 전극은 이러한 재충전가능한 배터리들의 양의 전극들에 사용되는 종래의 여하한의 활성 재료, 예컨대 다른 산화물을 포함할 수 있으며, 전도성 탄소 및 바인더를 더 포함할 수 있다. 재충전가능한 배터리에서, 마그네슘 이온들은 충전/방전 사이클 동안 제 1 및 제 2 활성 재료들 사이에서 이동한다.
도 3a 내지 도 3c는 3 개의 비스무트 산화물 전극들에 대한 충전/방전 곡선들의 비교를 나타낸다. 전반적으로, 전극 구성들은 제 2 사이클 후에 지속적으로(consistently) 300 밀리암페어-시간/그램 이상의 에너지 밀도를 나타내었다.
도 3a는 20 ㎚의 평균 입자 직경을 갖는 나노스케일의 비스무트 산화물 입자들에 대한 충전/방전 곡선들을 나타낸다. 도 3b는 100 ㎚의 평균 직경을 갖는 서브미크론스케일의 비스무트 산화물 입자들에 대한 곡선들을 나타낸다. 도 3c는 10 미크론의 평균 직경을 갖는 마이크로스케일의 비스무트 산화물 입자들에 대한 곡선들을 나타낸다.
상기 도면들은 초기 3 개의 사이클들 동안 마그네슘/비스무트 산화물 반쪽 전지에 대한 곡선들을 나타낸다. 나노스케일의 재료(도 3a)의 제 1 사이클 동안, 나노스케일의 Bi2O3 입자 기반 전극 구성은 641 mAh/g의 방전 용량을 갖지만, 용량의 약 40 %만이 가역되었다(reversible). 제 2 및 제 3 사이클들에 대하여, 쿨롬 효과(Coulombic efficiency)는 약 80 %로 점차 개선되었으며, 300 mAh/g보다 높은 계속적으로 안정한 방전 용량이 추가 사이클들에서 얻어졌다. 비스무트 산화물의 경우, 300 mAh/g의 용량은 2,670 mAh/㎤(milliamp-hours per cubic centimeter)에 대응하며, 이는 2,061 mAh/㎤의 리튬 금속에 대한 수치(figure)와 비교된다. 따라서, 마그네슘/비스무트 산화물 시스템은 부피 용량 밀도(volumetric capacity density)에 대하여 리튬-이온 배터리들을 넘어서는 상당한 포텐셜 장점들을 갖는다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 결과들은 넓은 범위의 입자 크기에 걸쳐 개선된 특성들이 얻어지는 것을 나타낸다. 300 밀리암페어-시간/그램(mAh/g 또는 mAhg- 1)보다 큰 에너지 밀도가 재충전가능한 마그네슘 배터리에 대해 얻어진 것은 처음이다.
따라서, 개선된 활성 재료는 15족 원소, 예컨대 비스무트를 포함할 수 있으며, 이는 산화물, 황화물, 셀렌화물 또는 텔루륨화물과 같은 칼코게나이드의 형태로 되어있을 수 있다. 개선된 활성 재료는 재충전가능한 배터리와 같은 전기화학 디바이스의 양 또는 음의 전극에 사용될 수 있다. 활성 재료는 1 이상의 15족 원소들, 예컨대 1 이상의 15족 원소들의 산화물, 황화물, 셀렌화물 또는 텔루륨화물(또는 이들의 조합)을 포함할 수 있다.
예시적인 재충전가능한 배터리는 전해질 층, 예컨대 마그네슘 이온들을 포함하는 비-수성 전해질(non-aqueous electrolyte) 층을 포함한다. 본 명세서에 설명된 다수의 예시들은 마그네슘-이온 배터리들에 관한 것이다. 하지만, 다른 예시들은 다른 알칼리 토금속 이온계 배터리들, 예컨대 칼슘-이온계 배터리들을 포함한다. 또한, 예시들은 알루미늄-이온계 배터리들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 배터리는 각각 칼슘 금속 또는 알루미늄 금속을 포함하는 음의 전극을 포함할 수 있으며, 전해질은 적절한 전해질 활성 이온 종들을 포함한다. 몇몇 예시들에서, 배터리는 복수의 전해질 활성 이온 종들을 이용하여 작용할 수 있다. 본 발명에 따른 개선된 활성 재료들을 이용할 수 있는 다른 예시적인 재충전가능한 이온 배터리들은 베릴륨 이온, 스트론튬 이온 및 바륨 이온계 배터리들을 포함한다.
전해질 층은 양의 전극과 음의 전극 사이에 전기적 격리를 유지하도록 돕는 분리기를 포함할 수 있다. 분리기는 섬유, 입자, 웹(web), 다공성 시트, 또는 전극들 사이의 물리적인 접촉 및/또는 단락의 위험성을 감소시키도록 구성된 재료의 다른 형태를 포함할 수 있다. 분리기는 단일 요소일 수 있거나, 입자 또는 섬유와 같은 복수의 개별 스페이서 요소들(discrete spacer elements)을 포함할 수 있다. 전해질 층은 전해질 용액이 내입된(infused) 분리기를 포함할 수 있다. 몇몇 예시들에서는, 예를 들어 중합체 전해질을 이용함으로써 분리기가 생략될 수 있다.
전해질 층은 비-수성 용매, 예컨대 유기 용매, 그리고 활성 이온의 염, 예를 들어 마그네슘 염을 포함할 수 있다. 마그네슘 염에 의해 제공된 마그네슘 이온들은 활성 재료(들)와 전해질적으로 상호작용한다. 전해질은 마그네슘 이온들을 포함하거나 제공하는 전해질, 예컨대 마그네슘 염을 포함하는 비-수성 또는 비양성자성 전해질일 수 있다. 전해질은 유기 용매를 포함할 수 있다. 마그네슘 이온들은 마그네슘 염 또는 착물로서, 또는 여하한의 적절한 형태로서 존재할 수 있다.
전해질은 다른 화합물들, 예를 들어 이온 전도도를 향상시키는 첨가제들을 포함할 수 있으며, 몇몇 예시들에서는 첨가제들로서 산성 또는 염기성 화합물들을 포함할 수 있다. 전해질은 액체, 겔 또는 고체일 수 있다. 전해질은, 예를 들어 가소화 중합체(plasticized polymer)를 포함하는 중합체 전해질일 수 있으며, 마그네슘 이온들이 내입되거나 마그네슘 이온들을 포함하는 중합체를 포함할 수 있다. 몇몇 예시들에서, 전해질은 용융염(molten salt)을 포함할 수 있다.
마그네슘 금속을 포함하는 음의 전극을 포함하는 배터리의 예시에서, 마그네슘은 시트, 리본, 입자 또는 다른 물리적인 형태로 존재할 수 있다. 마그네슘은 실질적으로 순수한 마그네슘 금속으로서 또는 몇몇 다른 형태로 존재할 수 있다. 예를 들어, 음의 전극은 마그네슘-함유 금속, 예컨대 마그네슘 합금을 포함할 수 있다. 마그네슘-함유 전극은 집전체에 의해 지지될 수 있다.
집전체는 금속 또는 다른 전기 전도성 시트를 포함할 수 있으며, 그 위에 전극이 지지된다. 금속 시트는 알루미늄, 구리, 또는 다른 금속 또는 합금을 포함할 수 있다. 몇몇 예시들에서는, 금속 하우징이 집전체의 기능을 제공할 수 있다. 다른 전도성 재료들, 예컨대 전기 전도성 중합체들이 집전체로서 사용될 수 있다.
전극에 사용되는 바인더는 전극 구성요소들을 바인딩할 수 있는 여하한의 재료를 포함할 수 있다. 다수의 바인더들이 배터리 분야에 알려져 있으며, 예를 들어 다수의 중합체 바인더들이 알려져 있고 또한 사용될 수 있다.
활성 재료는, 예를 들어 1 nm 내지 100 미크론, 더 구체적으로는 1 nm 내지 20 미크론, 예컨대 10 nm 내지 10 미크론 범위의 평균(중간 또는 중앙) 직경(또는 다른 유사한 단면 직경)을 갖는 미립자일 수 있다. 몇몇 예시들에서, 입자들은 나노스케일이고, 예를 들어 1 nm 내지 1 미크론, 예컨대 1 nm 내지 100 nm 범위의 평균(중간 또는 중앙) 직경(또는 다른 유사한 단면 직경)을 갖는다. 하지만, 본 발명은 어떤 특정한 평균 입자 크기 또는 특정한 크기 분포로 제한되지 않는다.
도 1 및 도 2에 예시된 것과 같은 예시들은 버튼 전지(button cell)의 형태로 되어 있을 수 있다. 하지만, 본 발명은 특정 형태의 배터리로 제한되지 않는다. 본 발명의 예시들은 버튼 전지들, 다른 둥근 전지들, 원통형 전지들, 직사각형 또는 다른 각형 전지들(prismatic cells) 등과 같은 여하한의 적절한 형태의 인자로 병렬 및/또는 직렬로 전기 연결된 1 이상의 전지들을 갖는 배터리들을 포함한다. 또한, 예시적인 장치는 롤-업(roll-up) 배터리 형태들, 그리고 슈퍼캐패시터 및/또는 연료 전지 등을 갖는 배터리의 조합들을 포함한다.
또한, 본 발명의 예시들은 다양한 전동식 장치(electrically-powered apparatus), 예컨대 가전 장치(consumer electronic devices), 의료 장치, 전기 또는 하이브리드 자동차, 또는 본 발명의 예시들에 따른 배터리들을 포함하는 다른 장치를 포함한다.
15족 화합물(예를 들어, 15족 칼코게나이드, 예컨대 비스무트 화합물, 특히 비스무트 산화물)을 포함하는 활성 재료는 추가 원소 성분들을 포함할 수 있다. 예시들은 비스무트 및 희토류 원소들의 혼합된 산화물들, 다른 전이 금속들 또는 다른 산화물들을 포함한다.
또한, 예시적인 활성 재료들은 1 이상의 15족 원소들(예를 들어, 인, 비소, 안티몬 및 비스무트로부터 선택된 1 이상의 원소) 및 1 이상의 칼코겐들(예를 들어, 산소, 황, 셀레늄 및 텔루륨으로부터 선택된 1 이상의 원소)의 화합물들을 포함한다. 대표적인 예시들은 산화물, 셀렌화물, 황화물, 텔루륨화물, 황화 셀렌화물(selenide sulfides), 텔루륨화 셀렌화물(selenide tellurides), 텔루르화 황화물(sulfide tellurides) 등을 포함한다. 이러한 화합물들은 1 이상의 15족 원소들을 포함할 수 있으며, 1 이상의 다른 금속들을 더 포함할 수 있다. 활성 재료들은 작동 온도에서 고체 재료들인 것이 바람직하다.
본 발명의 예시들은 1차(비-재충전가능한, 예를 들어 마그네슘) 배터리들 및 2차(재충전가능한, 예를 들어 마그네슘 이온) 배터리들 둘 모두를 포함한다. 특정 예시들은 재충전가능한 마그네슘-이온 배터리들을 포함한다. 마그네슘계 배터리라는 용어는 1차 및 2차 배터리들, 즉 마그네슘 배터리들과 마그네슘-이온 배터리들 둘 모두를 포함한다. 본 발명의 예시들은 종래의 리튬-이온 재충전가능한 배터리들보다 큰 에너지 밀도를 갖는 재충전가능한 마그네슘-이온 배터리들을 포함하는 여하한의 마그네슘계 배터리를 포함한다.
전극들은 여하한의 적합한 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 페이스트(paste)가 활성 재료, 바인더 및 전기-전도성 재료(예를 들어, 흑연질 탄소 입자들 또는 카본 블랙)의 입자들로 형성될 수 있다. 페이스트는 전기 전도성 기판, 예컨대 집전체에 증착될 수 있으며, 필요에 따라 열 처리될 수 있다.
배터리, 예컨대 재충전가능한 마그네슘-이온 배터리를 제조하는 개선된 공정은 전해질에 의해 분리된 제 1 및 제 2 전극들을 제공하는 단계를 포함하며, 적어도 하나의 전극은 15족 화합물, 예컨대 15족 칼코게나이드, 예를 들어 비스무트 화합물, 예컨대 비스무트 칼코게나이드, 예를 들어 비스무트 산화물을 포함한다.
본 발명은 앞서 설명된 예시적인 예시들로 제한되지 않는다. 설명된 예시들은 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 해당 기술 분야에서 본 발명의 변형, 원소들의 다른 조합, 그리고 다른 이용들이 가능할 것이다. 본 발명의 범위는 청구항들의 범위에 의해 정의된다.
이상, 본 발명을 설명하였으며, 특허 청구 범위는 청구항에 기재되어 있다.

Claims (5)

  1. 배터리인 장치에 있어서,
    15족 칼코게나이드(chalcogenide)로 형성된 활성 재료를 포함하는 양극(anode);
    음극(cathode); 및
    상기 양극과 상기 음극 사이에 위치된 전해질을 포함하고,
    상기 전해질은 마그네슘 화합물을 포함하고,
    상기 배터리는 재충전가능한 마그네슘-이온 배터리이며, 여기서 마그네슘 이온들은 충전 및 방전 사이클 동안 상기 양극 및 음극 사이에서 이동하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 15족 칼코게나이드는 인, 비소, 안티몬 및 비스무트로 구성된 그룹으로부터 1 이상의 원소들을 포함하는 화합물이며,
    산소, 황, 셀레늄 및 텔루륨으로 구성된 그룹으로부터 1 이상의 원소들을 더 포함하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 재료는 비스무트 칼코게나이드를 포함하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비스무트 칼코게나이드는 비스무트 산화물인 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 재충전가능한 마그네슘-이온 배터리는 적어도 300 mAh/g(milliamp-hours/gram)의 에너지 밀도를 갖는 장치.
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