KR20170019424A - 하이브리드 전기화학 전지 - Google Patents

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KR20170019424A
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마허 에프. 엘-카디
리차드 비. 카너
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더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

제1 캐패시터 전극인 적어도 한 부분 및 제1 배터리 전극을 갖는 제1 컨덕터를 가진 하이브리드 전기화학 전지가 개시된다. 하이브리드 전기화학 전지는 제2 캐패시터 전극인 적어도 한 부분과 제2 배터리 전극인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터를 추가로 포함한다. 전해질은 제1 컨덕터 및 제2 컨덕터 둘 다와 접촉한다. 일부 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지는 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 간에 이온 수송을 용이하게 하면서, 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 간에 물리적 접촉을 방지하기 위해 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 사이에 세퍼레이터를 추가로 포함한다.

Description

하이브리드 전기화학 전지{HYBRID ELECTROCHEMICAL CELL}
정부 지원
이 연구는 부분적으로 이집트 고등 교육부에 의해 대학원 연구 장학금-선교 프로그램을 통해 지원되었다.
우선권
이 출원은 2014년 6월 16일자로 출원된 미국 가 출원 제62/012,835호의 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 그 전체가 본 명세서에 참고로 인용된다.
발명의 분야
본 개시물은 전기화학 전지에 관한 것으로, 특히, 배터리에 전형적인 에너지 밀도 및 슈퍼캐패시터에 전형적인 전력 밀도를 갖는 하이브리드 전기화학 전지에 관한 것이다.
배터리는 스마트폰, 태블릿, 및 랩톱 컴퓨터와 같은 휴대용 전자기기에 파워를 공급하기 위해 사용된다. 배터리는 현대 생활의 다양한 측면에 영향을 미쳐왔다. 배터리에 대한 수많은 응용이 있다. 또한, 배터리는 전기 및 하이브리드 전기 자동차의 개발뿐만 아니라 태양 및 풍력으로부터 재생가능 에너지 생산에 필수이다. 배터리는 전기화학 반응을 통해 많은 양의 전하를 저장하며 일반적으로 재충전하는 데 몇 시간이 걸린다. 필요한 것은 슈퍼캐패시터처럼 빠르게 재충전이 가능하고 배터리와 같이 많은 양의 전하를 저장하는 하이브리드 전기화학 전지이다.
요약
제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 적어도 한 부분을 갖는 제1 컨덕터를 가진 하이브리드 전기화학 전지가 개시된다. 하이브리드 전기화학 전지는 제2 캐패시터 전극인 적어도 한 부분과 제2 배터리 전극인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터를 추가로 포함한다. 전해질은 제1 컨덕터 및 제2 컨덕터 둘 다와 접촉한다.
일부 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지는 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 간에 이온 수송을 용이하게 하면서, 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 간에 물리적 접촉을 방지하기 위해 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 사이에 세퍼레이터를 추가로 포함한다. 또한, 하이브리드 전기화학 전지의 적어도 하나의 예시적인 구현예는 리튬-이온(Li-이온) 화학물에 의존한다. 하이브리드 전기화학 전지의 다른 예시적인 구현예는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 및 니켈-금속 하이드라이드(Ni-MH) 화학물에 기초한다. 또한, 하이브리드 전기화학 전지의 일부 구현예는 운송을 위해 전기 자동차에 파워를 공급할 수 있는 크기이지만, 다른 구현예는 이식가능 의료 기기에 파워를 공급하기에 충분히 작은 크기이다.
특정 구현예에서, 큰 표면적 물질의 표면 상에 전하를 저장하도록 설계된 슈퍼캐패시터를 포함하는 에너지 저장 기술이 본원에서 일반적으로 설명된다. 일부 응용에서, 개시된 슈퍼캐패시터는 초 단위로 에너지를 캡처하고 방출하며 수백만 사이클을 통해 이를 수행할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 높은 전하 저장 용량과 슈퍼캐패시터의 신속한 재충전을 제공하는 슈퍼캐패시터와 배터리를 결합하는 파워 시스템을 사용하여 보다 큰 전하 저장 용량을 제공하는 개선이 본원에서 더 기술된다. 사실, 본 발명자들은 사용자의 이동성을 제한하는 비교적 느린 재충전 시간을 갖는 배터리와는 대조적으로 비교적 빠른 에너지 재충전 시간을 갖는 전기화학적 에너지 저장을 포함하는 디바이스에 대한 몇가지 오랫동안 느껴온 충족되지 않은 요구를 해결하는 방법, 디바이스 및 시스템을 확인하고 설명하였다.
특정 측면에서, 비제한적 예로서 전기 및 하이브리드 전기 자동차를 포함한 다양한 응용을 위한 슈퍼캐패시터 및 배터리의 조합에 기초한 파워 시스템, 방법 및 디바이스가 본원에서 기재된다. 예를 들어, 전기 자동차는 종종 다음의 에너지 저장 시스템 중 하나에 의해 파워를 공급받는다: 연료 전지, 배터리 또는 슈퍼캐패시터. 그러나 한 유형의 기존 에너지 저장장치만을 설치하는 것은 종종 충분하지 않다.
또한, 일반적으로 입수가능한 슈퍼캐패시터 및 배터리-기반의 파워 시스템의 운영 비용은 비싸고 이들은 크기가 상대적으로 크다. 결과적으로, 이러한 파워 시스템은 스마트폰, 태블릿 및 이식가능 의료 기기와 같은 휴대용 전자장치에는 실제적인 방식으로 사용할 수 없다.
본원에 설명된 주제의 장점은 강력하고 다양하다. 예를 들어, 본원에 기술된 주제의 한 가지 이점은 슈퍼캐패시터의 높은 전력 밀도를 가진 배터리의 높은 에너지 밀도를 제공하는 하이브리드 전기화학 전지이다. 일부 구현예에서, 본원에 제공된 하이브리드 전기화학 전지는 전자 변환기 및/또는 부피가 큰 패키징을 필요로 하지 않는다. 또 다른 예로서, 본원에 기술된 주제는 배터리를 슈퍼캐패시터에 병렬로 반드시 배선할 필요가 없기도 하고, 슈퍼캐패시터와 배터리 간에 파워 흐름을 제어하기 위해 요구되는 고가의 전자 변환기 배터리를 반드시 필요로 하지도 않는, 슈퍼캐패시터와 배터리를 결합하는 하이브리드 전기화학 전지를 제공한다.
일 측면에서, 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 단일 부분을 갖는 제1 컨덕터를 갖는 하이브리드 전기화학 전지를 제공하는 방법, 디바이스 및 시스템이 본원에서 설명된다. 예를 들어, 하이브리드 전기화학 전지는 제2 캐패시터 전극인 적어도 한 부분과 제2 배터리 전극인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터를 추가로 포함한다. 특정 응용에서, 전해질은 제1 컨덕터 및 제2 컨덕터와 접촉한다.
일부 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지는 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 간에 이온 수송을 여전히 용이하게 하면서, 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 간에 물리적 접촉을 방지하기 위해 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 사이에 세퍼레이터를 추가로 포함한다. 또한, 하이브리드 전기화학 전지의 적어도 하나의 예시적인 구현예는 리튬-이온(Li-이온) 화학물에 의존한다. 하이브리드 전기화학 전지의 다른 예시적인 구현예는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 및/또는 니켈-금속 하이드라이드(Ni-MH) 화학물에 기초한다. 또한, 하이브리드 전기화학 전지의 일부 구현예는 운송을 위해 전기 자동차에 파워를 공급할 수 있는 크기이지만, 다른 구현예는 이식가능 의료 기기에 파워를 공급하기에 충분히 작은 크기이다.
일 측면에서, 다음을 포함하는 하이브리드 전기화학 전지를 포함하는 방법, 디바이스 및 시스템이 본원에 제공된다: (a) 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 적어도 한 부분을 갖는 제1 컨덕터; (b) 제2 캐패시터 전극인 적어도 한 부분 및 제2 배터리 전극인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터; 및 (c) 제1 컨덕터 및 제2 컨덕터 모두와 접촉하는 전해질. 일부 구현예에서, 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 간에 물리적 접촉을 방지 또는 감소시키는 방식으로 구성되고, 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 간에 이온 수송을 용이하게 하는, 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 사이에 세퍼레이터를 포함하는 하이브리드 전기화학 전지를 포함하는 방법, 디바이스 및 시스템이 본원에서 제공된다. 일부 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지는 리튬-이온(Li-이온) 화학물을 포함한다. 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지의 제1 컨덕터는 네거티브이고 리튬 이온으로 도핑된다. 특정 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지는 그래파이트 음극을 포함하는 제1 컨덕터를 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 네가티브 배터리 전극은 다음을 포함한다: 경질 탄소, 실리콘 합금 및/또는 복합 합금 </ g0>. 특정 구현예에서, 제2 배터리 전극은 층상 금속 산화물 양극을 포함하고, 제2 캐패시터 전극은 활성탄 양극을 포함한다. 일부 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지가 제공되며, 제2 양극 배터리 전극은 다음을 포함한다: 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 니켈 망간 코발트 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물, 리튬 티탄 산화물 또는 리튬 철 인산염. 특정 응용에서, 제2 캐패시터 전극과 제2 배터리 전극이 딜리네이트된다. 일부 구현예에서, 제2 캐패시터 전극 및 제2 배터리 전극은 하나의 전지 상에 병렬로 내부적으로 연결되며, 캐패시터 전극은 패터리의 고 충전 및 방전율을 방지 또는 감소시키는 버퍼로서 작용한다. 일부 구현예에서, 제2 캐패시터 전극과 제2 배터리 전극 간에 비율은 약 1:1이다. 일부 응용에서, 제2 캐패시터 전극의 부분과 제2 배터리 전극 간에 비율은 약 1:10 내지 약 10:1의 범위 내이다. 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지의 바람직한 전력 밀도는 제2 캐패시터 전극의 부분과 제2 배터리 전극 간에 비율의 증가로 달성된다. 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지의 에너지 밀도는 제2 캐패시터 전극의 부분과 제2 배터리 전극 간에 비율의 감소로 달성된다. 또 다른 구현예 또는 추가의 구현예에서, 제2 캐패시터 전극 은 이중층에 전하가 저장되는 전기 이중층 캐패시터(EDLC)를 포함한다. 이들 추가의 구현예들 중 일부에서, 제2 캐패시터 전극은 활성탄을 포함한다.
또 다른 측면에서, 다음을 포함하는 하이브리드 전기화학 전지를 제공하는 방법, 디바이스 및 시스템이 본원에 기술된다: (a) 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 적어도 한 부분을 갖는 제1 컨덕터; (b) 제2 캐패시터 전극인 적어도 한 부분 및 제2 배터리 전극인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터; 및 (c) 전하가 이중층에 저장되는 전기 이중층 캐패시터(EDLC)를 적어도 하나의 제2 캐패시터 전극이 포함하는 경우, 제1 컨덕터 및 제2 컨덕터 모두와 접촉하는 전해질. 이들 추가의 구현예들 중 일부에서, 제2 캐패시터 전극은 상호연결된 주름진 탄소-기반 네트워크(ICCN)를 포함한다. 특정 구현예에서, 상호연결된 주름진 탄소-기반 네트워크(ICCN) 전극은 주름진 탄소층을 포함하는 복수의 확장 및 상호연결된 탄소층을 포함한다. 일부 구현예에서, 각각의 확장 및/또는 상호연결된 탄소층은 약 1 원자 두께인 적어도 하나의 주름진 탄소 시트를 포함한다. 일부 구현예에서, 각각의 확장 및 상호연결된 탄소층은 복수의 주름진 탄소 시트를 포함한다. 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 단면 주사 전자 현미경(SEM) 및 프로필로메트리로부터 측정된 ICCN의 두께는 약 7 또는 약 8 ㎛이다. 일부 구현예에서, ICCN을 구성하는 복수의 확장 및 상호연결된 탄소층의 두께 범위는 약 5㎛ 내지 100㎛이다. 추가의 또는 부가적 구현예에서, 제2 캐패시터 전극은 인터칼레이션 의사-캐패시턴스를 통해 전하를 저장하기 위해 리독스 활성이다. 이들 구현예들 중 일부에서, 제2 캐패시터 전극은 오산화 니오븀(Nb2O5)를 포함한다.
또 다른 측면에서, 다음을 포함하는 하이브리드 전기화학 전지를 포함하는 방법, 디바이스 및 시스템이 본원에서 기술된다: (a) 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 적어도 한 부분을 갖는 제1 컨덕터; (b) 제2 캐패시터 전극인 적어도 한 부분 및 제2 배터리 전극인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터; 및 (c) 하이브리드 전기화학 전지가 마이크로-스케일로 통합되는 경우, 제1 컨덕터 및 제2 컨덕터 둘 다와 접촉하는 전해질. 특정 응용에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지는 크기 및 형상에서 융통성이 있다. 일부 구현예에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지는 이식가능 의료 기기, 스마트 카드, 라디오 주파수 식별(RFID) 태그, 무선 센서 또는 착용가능 전자장치에 통합된다. 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지는 자가 파워 시스템에 통합된다. 일부 응용에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지는 디바이스의 태양 전지의 후면 상에 제조된다. 일부 구현예에서, 제2 캐패시터 전극 및 제2 배터리 전극 각각은 길이(L), 폭(W) 및 전극 자리간(I)을 갖는 전극 자리를 갖는다. 특정 구현예에서, 길이(L)는 약 4000 ㎛ 내지 약 5000 ㎛이고, 폭은 약 300 ㎛ 내지 약 1800 ㎛이고, 전극 자리간(I)은 약 100 ㎛ 내지 약 200 ㎛이다. 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지에서 전극 자리의 폭(W) 및 전극 자리들간 상호간격(I)의 소형화는 이온 확산 경로를 감소시킨다.
또 다른 측면에서, 다음을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지를 포함하는 방법, 디바이스 및 시스템이 본원에서 제공된다: (a) 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 적어도 한 부분을 갖는 제1 컨덕터; (b) 제2 캐패시터 전극인 적어도 한 부분 및 제2 배터리 전극인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터; 및 (c) 하이브리드 전기화학 전지가 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 및/또는 니켈-금속 하이드라이드(Ni-MH) 화학물에 의존하거나 포함하는 경우, 제1 컨덕터 및 제2 컨덕터와 접촉하는 전해질. 특정 구현예에서, 제1 컨덕터는 포지티브이며, 방전 동안 니켈 수산화물(Ni(OH) 2)로 환원하는 옥시수산화 니켈(NiOOH)을 포함한다. 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 제2 캐패시터 전극 및 제2 배터리 전극은 양극이다. 일부 구현예에서, 제2 캐패시터 전극 및 제2 배터리 전극은 딜리네이트된다. 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 제2 캐패시터 전극과 제2 배터리 전극 간에 비율은 약 1:1이다. 일부 구현예에서, 제2 캐패시터 전극의 부분과 제2 배터리 전극 간에 비율은 약 1:10 내지 약 10:1이다. 일부 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지의 전력 밀도는 제2 캐패시터 전극의 부분과 제2 배터리 전극 간에 비율의 증가로 달성된다. 특정 응용에서, 하이브리드 전기화학 전지의 에너지 밀도는 제2 캐패시터 전극의 부분과 제2 배터리 전극 간에 비율의 감소로 달성된다. 일부 응용에서, 하이브리드 전기화학 전지는 크기 및 형상에서 융통성이 있다. 일부 구현예에서, 제2 캐패시터 전극 및 제2 배터리 전극 각각은 길이(L), 폭(W) 및 전극 자리간(I)을 갖는 전극 자리를 갖는다. 특정 구현예에서, 길이(L)는 약 4000 ㎛ 내지 약 5000 ㎛이고, 폭(W)은 약 300 ㎛ 내지 약 1800 ㎛ 범위이고, 상호간격(Ⅰ)은 약 100 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 범위이다. 일부 구현예에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지에서 전극 자리의 폭(W) 및 전극 자리들간 상호간격(I)의 소형화는 이온 확산 경로를 감소시킨다.
다른 측면에서, 하이브리드 전기화학 전지를 제조하는 방법이 제공되며, 방법은 제1 컨덕터, 제2 컨덕터 및 전해질을 제공하는 단계를 포함하며: (a) 제1 컨덕터는 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 단일 부분을 가지며; (b) 제2 컨덕터는 제2 캐패시터 전극인 적어도 한 부분 및 제2 배터리 전극인 적어도 한 다른 부분을 가지며; (c) 전해질은 제1 컨덕터 및 제2 컨덕터와 접촉한다.
또 다른 측면에서, 리튬-이온(Li-이온) 물질을 포함하는 마이크로-하이브리드 전기화학 전지를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다공성 포지티브 및 음극 물질을 ICCN 상호맞물림 패턴 상에 성장시키는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 ICCN 패턴은 소비자 등급의 광디스크 버너 드라이브를 사용하여 만들어지며, 다음의 일련의 단계를 포함한다: (a) 그래파이트 필름을 형성하기 위해 물 내에 그래파이트 산화물(GO) 분산액이 광학 디스크 상에 드롭캐스트되어 공기 중에서 건조되는, 제1 단계; (b) 이미징 또는 드래프팅 소프트웨어로 만들어진 마이크로-패턴이 GO-코팅된 광학 디스크 상에 직접 인쇄되고, GO 필름이 레이저로부터 에너지를 흡수하여 ICCN 패턴으로 전환되는, 제2 단계; (c) 애노드 및 캐소드 전극 물질들이 ICCN 스캐폴드 상에 순차적으로 전착되고, 전압 제어 및 전류 제어 전착이 ICCN의 3차원(3D) 구조에 걸쳐 활성 물질들의 콘포멀 코팅을 보장하기 위해 사용되는, 제3 단계; (d) 니켈-주석 합금, 실리콘, 또는 그래파이트 마이크로-입자들이 애노드에 대응하는 ICCN 상에 전착되는, 제4 단계; 및 (e) 마이크로-하이브리드 전기화학 전지가 부하 하에 있을 때 연속된 전자 흐름을 허용하는 이온들을 제공하기 위해 전해질 드롭이 첨가되는, 제5 단계.
본원에 기술된 주제의 또 다른 측면은 Ni-Cd 및/또는 Ni-MH 화학물에 의존하는 마이크로-하이브리드 전기화학 전지를 제조하는 방법을 제공하며, 방법은 다공성 포지티브 및 네가티브 전극 물질을 ICCN 상호맞물림 패턴 상에 성장시키는 단계를 포함하며, ICCN 패턴은 다음의 일련의 단계들을 포함한다: (a) 그래파이트 필름을 형성하기 위해 물 내에 그래파이트 산화물(GO) 분산액이 광학 디스크 상에 드롭캐스트되어 공기 중에서 건조되는, 제1 단계; (b) 이미징 또는 드래프팅 소프트웨어로 만들어진 마이크로-패턴이 GO-코팅된 광학 디스크 상에 직접 인쇄되고, GO 필름이 레이저로부터 에너지를 흡수하여 ICCN 패턴으로 전환되는, 제2 단계; (c) 전압 제어 및 전류 제어 전착이 ICCN의 3차원(3D) 구조에 걸쳐 활성 물질들의 콘포멀 코팅을 보장하기 위해 사용되고, 란탄 니켈(LaNi5) 또는 팔라듐(Pd)과 같은 금속이 애노드의 일부를 형성하는 제2 배터리 전극을 구성하는 ICCN 마이크로 전극들 상에 전착되는, 제3 단계; (d) 애노드에 대응하는 ICCN에 수산화 카드뮴(Cd(OH)2)이 첨가되는, 제 4 단계; 및 (e) 마이크로-하이브리드 전기화학 전지가 부하 하에 있을 때 연속된 전자 흐름을 허용하는 이온들을 제공하기 위해 전해질 드롭이 첨가되는, 제5 단계.
당업자는 첨부된 도면과 관련하여 다음 상세한 설명을 읽은 후에 본 개시물의 범위를 이해하고 이의 부가적인 측면들을 실현할 것이다.
도면의 간단한 설명
이 명세서에 포함되어 이의 일부를 형성하는 첨부된 도면은 본 개시물의 여러 측면을 도시하고, 설명과 함께, 본 개시물의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 개시물에 따른 리튬 이온(Li-이온) 기반의 하이브리드 전기화학 전지의 비제한적인 예시적 도면이다.
도 2는 하이브리드 전기화학 전지용 캐패시터 전극을 구성하는데 사용 가능한 상호연결된 주름진 탄소-기반 네트워크(ICCN)의 샘플을 선으로 도시한 비제한적인 예시도이다.
도 3은 Li-이온 기반 마이크로-하이브리드 전기화학 전지를 도시하는 비제한적인 예시도다.
도 4는 도 3의 마이크로-크기의 리튬-이온 하이브리드 전기화학 전지의 제조를 도시하는 프로세스 흐름도의 비제한적 예시도이다.
도 5는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 및/또는 니켈-금속 하이드라이드(Ni-MH) 화학물의 하이브리드 전기화학 전지를 구현하기에 적합한 구현예의 비제한적인 예시도이다.
도 6은 Ni-Cd 또는 Ni-MH 화학물에 기초한 마이크로 크기의 하이브리드 전기화학 전지의 비제한적인 예시도이다.
도 7은 도 6의 마이크로 크기의 하이브리드 전기화학 전지의 제조를 예시하는 프로세스 흐름도의 비제한적인 예시도이다.
도 8a는 종래 기술의 리튬-이온 캐패시터에 대한 전압 대 시간의 충전-방전 그래프이다.
도 8b는 종래 기술의 리튬-이온 배터리에 대한 전압 대 시간의 충전-방전 그래프이다.
도 8c는 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지에 대한 전압 대 시간의 구현예의 충전-방전 그래프의 비제한적 예시도이다.
도 9는 리독스 활성 오산화 니오븀(Nb2O5)을 포함하는 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지에 대한 전압 대 시간의 충전-방전 그래프의 비제한적인 예시도이다.
도 10a는 종래 기술의 니켈-탄소 슈퍼캐패시터에 대한 충전-방전 곡선을 도시하는 그래프이다.
도 10b는 종래의 Ni-Cd 배터리 및 종래의 Ni-MH 배터리 모두에 대한 충전-방전 곡선을 도시하는 그래프이다.
도 10c는 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지를 포함하는 Ni-Cd 및 Ni-MH 화학물 중 어느 하나의 구현예에 대한 전압 대 시간의 충전-방전 그래프의 비제한적 예시도이다.
도 11은 본 개시물의 캐패시터, 슈퍼캐패시터, 리튬-이온 캐패시터, 배터리 및 하이브리드 전기화학 전지에 대한 전력 밀도 대 에너지 밀도를 비교하는 라곤 플롯의 비제한적인 예시도이다.
도 12a는 내부에 통합된 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지를 갖는 이식가능 의료 기기의 비제한적 예시도이다.
도 12b는 내부에 통합된 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지를 갖는 스마트 카드의 비제한적 예시도이다.
도 12c는 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지가 내부에 통합된 라디오 주파수 식별(RFID) 태그의 비제한적인 예시도이다.
도 12d는 내부에 통합된 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지를 갖는 무선 센서의 비제한적 예시도이다.
도 12e는 내부에 통합된 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지를 갖는 착용가능 디바이스의 비제한적 예시도이다.
도 12f는 에너지 수확 시스템을 구현하기 위해 태양 전지와 통합된 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지를 갖는 태양 전지의 비제한적인 예시도이다.
상세한 설명
첨부된 도면에 비추어 다음의 설명을 읽을 때, 당업자는 본 개시물의 개념을 이해할 것이고, 본원에서 특별히 다루지 않은 이들 개념의 응용을 인식할 것이다. 이들 개념들 및 응용들은 비제한적이며 본 개시물 및 첨부된 청구 범위의 범주 내에 속한다는 것을 이해해야 한다.
본원에 기술된 주제의 특징은 하이브리드 전기화학 전지이다. 특정 구현예에서, 본원에 기재된 하이브리드 전기화학 전지는 니켈-카드뮴(Ni-Cd), 니켈-금속 하이드라이드(Ni-MH) 및/또는 리튬-이온(Li-이온) 배터리를 포함한다. 예를 들어, 도 1은 본 개시물에 따른 리튬-이온 기반 하이브리드 전기화학 전지(10)의 비제한적 구조를 도시한다. 하이브리드 전기화학 전지(10)는 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 단일 부분(14)을 갖는 제1 컨덕터(12)를 포함한다. 하이브리드 전기화학 전지(10)의 리튬-이온 기반 화학물에서, 제1 컨덕터(12)는 네거티브이고 리튬 이온으로 도핑된다. 하이브리드 전기화학 전지(10)는 제2 캐패시터 전극(18)인 적어도 한 부분과 제2 배터리 전극20)인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터(16)를 포함한다. 전해질(22)은 제1 컨덕터(12) 및 제2 컨덕터(16) 둘 다와 접촉한다. 제1 컨덕터(12)와 제2 컨덕터(16) 사이의 세퍼레이터(24)는 제1 컨덕터(12)와 제2 컨덕터(16) 사이의 물리적 접촉을 방지하면서, 제1 컨덕터와 제2 컨덕터 간에 이온 수송을 용이하게 한다. 제2 캐패시터 전극(18) 및 제2 배터리 전극(20)은 도 1에 수평 점선(26)에 의해 딜리네이트된다. 도시된 바와 같이, 제2 캐패시터 전극(18)의 부분과 제2 배터리 전극(20) 간에 비율은 약 1:1이다. 그러나, 제2 캐패시터 전극(18)의 부분과 제2 배터리 전극(20) 간에 비율은 1:10 내지 10:1(2:9, 3:8, 4:7, 5:6, 6:5, 7:4, 8:3 및 9:2를 포함하여 -이들로 한정되는 것은 아니다- 이들 종단점들 사이 내 모든 비율을 포함한다)의 범위일 수 있음을 알아야 한다. 제2 캐패시터 전극(18)의 부분이 제2 배터리 전극(20)에 비해 증가함에 따라, 하이브리드 전기화학 전지(10)의 전력 밀도는 증가하고 에너지 밀도는 감소한다. 마찬가지로, 제2 배터리 전극(20)의 부분이 제2 캐패시터 전극(18)에 비해 증가함에 따라, 하이브리드 전기화학 전지(10)의 에너지 밀도는 증가하고 전력 밀도는 감소한다. 제2 배터리 전극(20)에 대한 제2 캐패시터 전극(18)의 비율은 주어진 응용에 대해 미리 결정된다. 예를 들어, 제2 배터리 전극(20)에 대한 제2 캐패시터 전극(18)의 큰 비율은 회생 제동 시스템에서 에너지를 신속하게 캡처하기 위해 바람직한 반면, 제2 배터리 전극(20)에 대한 제2 캐패시터 전극(18)의 작은 비율은 휴대용 전기 드릴과 같은 전동 공구에 에너지 부여에 바람직할 수도 있을 것이다.
하이브리드 전기화학 전지(10)를 이해함에 있어, 전형적인 리튬 이온 배터리는 그래파이트 음극 및 층상 금속 산화물 양극을 포함한다. 대조적으로, 리튬 이온 캐패시터는 그래파이트 음극 및 활성탄 양극으로 만들어진다. 두 설계에서 음극은 그래파이트이기 때문에, 이들 두 디바이스는 배터리와 배터리 양극을 병렬로 연결하여 하나의 전지로 통합할 수 있다. 캐패시터 전극은 배터리의 고 충전 및 방전율을 방지하는 버퍼로서 작용한다. 이것은 잠재적으로 하이브리드 전지의 배터리 부분의 수명을 10배 연장할 수 있어, 하이브리드 전기화학 전지(10)에 의해 파워가 공급되는 제품의 수명 동안 결코 대체될 필요가 없는 에너지 저장 시스템이 되게 한다. 또한, 배터리 및 캐패시터의 양극이 동일한 동작 전압 및 전류 콜렉터를 가진다면, 이들을 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 양극으로 함께 블렌드하는 것이 가능하다. 결과적으로, 특정 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지(10)은 배터리와 슈퍼캐패시터와의 조합을 갖는 종래의 파워 시스템에서 사용되는 4개의 전극 대신 단지 2개의 전극을 갖는다. 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지(10)의 단순화된 구조 및 설계는 제조 비용을 감소시키고 하이브리드 자동차에 파워를 효율적으로 공급하게 한다. 또한, 하이브리드 전기화학 전지(10)는 배터리 기술 및 슈퍼캐패시터 기술을 한 유형의 전해질을 사용하는 단일 전지로 결합시킴으로써, 가외의 전류 콜렉터, 전해질 및 패키징을 제거한다. 이는 하이브리드 전기화학 전지(10)가 배터리와 슈퍼캐패시터 간에 파워 흐름 제어를 위해 인터페이스 전자장치에 배터리 및 슈퍼캐패시터를 결합하는 종래의 파워 시스템보다 높은 에너지 밀도를 제공한다는 것을 의미한다. 하이브리드 전기화학 전지(10)는 상업적 전극 물질, 콜렉터, 세퍼레이터, 바인더 및 전해질을 사용하여 제조되며, 산업 수준까지 쉽게 확장가능한 제조 프로세스를 가능하게 한다.
일부 구현예에서, 사용되는 제1 배터리 전극 물질은 그래파이트를 포함한다. 다른 물질도 적합하다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 제1 배터리 전극은 경질 탄소, 실리콘, 복합 합금 Sn(M)-기반 및 Sn(O)-기반, 및 이들의 조합을 포함한다.
특정 구현예에서, 제2 배터리 전극 물질은: 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 니켈 망간 코발트 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물, 리튬 티타늄 산화물 및/또는 리튬 철 인산염, 및 이들의 조합을 포함한다.
일부 구현예에서, 제2 캐패시터 전극(18)은 전하가 이중층에 저장되는 전기 이중층 캐패시터(EDLC)를 포함하는 물질로 만들어진다. 일부 구현예에서, 제2 캐패시터 전극(18)은 상호연결된 주름진 탄소-기반 네트워크(ICCN)(28) 또는 활성탄을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 제2 캐패시터 전극(18)은 인터칼레이션 의사-캐패시턴스를 통해 전하를 저장하기 위해 리독스 활성이다. 적어도 하나의 구현예에서, 제2 캐패시터 전극(18)은 오산화 니오븀(Nb2O5)을 포함한다.
또 다른 또는 추가의 구현예에서, 리튬-이온이 전극들 간에 이동하기 위한 전도성 매질을 제공하는 2개의 전극 및 전해질 용액을 포함하거나 구성되는 리튬 이온 배터리가 제공된다. 특정 응용에서, 두 전극은 이들의 내부 내외로 리튬 이온이 이동할 수 있게 한다. 전하 반응에서, 본원에 기술된 주제의 특정 구현예에서, 리튬 이온은 포지티브 물질로부터 디인터칼레이트되고 네거티브 물질 내로 인터칼레이트된다. 유사하게, 일부 구현예에서, 그 반대가 방전시에 발생한다. 리튬 이온의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션은, 특정 응용에서, 외부 회로(도시 생략)에서 전자의 흐름을 유발한다.
본원에 기술된 주제의 또 다른 이점은, 전극 내외로, 예를 들면, 리튬 이온을 포함한, 이온의 증가된 이동을 제공하는 방법, 디바이스 및 시스템이다. 순수 리튬 이온 배터리의 문제점은 배터리 전극 내외로 리튬 이온이 느리게 이동한다는 것이다. 본원에 기술된 바와 같이, 일부 응용에서, 리튬 이온-기반 하이브리드 전기화학 전지(10)에 슈퍼캐패시터 전극의 통합은 탄소 전극의 표면 상에 이온의 흡착을 통해 또는 층상 배터리 물질의 벌크 대신에 산화물 전극의 표면 부근에서 빠른 리독스 반응을 통해 전하를 저장함으로써 충전-방전 프로세스를 가속시킨다. 예를 들어, 탄소 슈퍼캐패시터 전극에서, 전하는 탄소와 전해질 사이의 계면에서 전기 이중층(electric double)에 저장된다. 본원에서, 그리고 본원에 기술된 방법, 디바이스 및 시스템의 이들 응용에서, 전극과 전해질 간 계면은 탄소 전극 자체의 표면에 전기 전하 및 전극 표면으로부터 작은 거리에 용액 내에 방출된 이온의 전하로 구성된 전기 이중층으로 생각된다. 이 전기 이중층은 전극에 전위가 인가될 때 형성되고, 충전 전류(비-패러데이 전류)가 하이브리드 전기화학 전지(10)를 통과하게 한다. 이들 반응은 아래에 설명된다.
다음의 식은 예를 들어, 제1 배터리 전극으로서 그래파이트를 사용하고 제2 배터리 전극으로서 리튬화된 금속 산화물을 사용하고 제2 캐패시터 전극으로서 탄소를 사용할 때 하이브리드 전기화학 전지(10)의 특정 구현예의 전하 저장 메카니즘을 기술한다. 양극에서 전하 저장은 이중층 흡착 캐패시턴스와 리튬 이온 삽입과의 조합을 통해 발생한다.
Figure pct00001
이 방식에서, LiMO 2 은 LiCoO 2 와 같은 금속 산화물 포지티브 물질을 나타내며, x은 분수 0 < x < 1이다. C는 탄소의 고 표면적 폼(form)이고, e + 은 홀이며, A - 은 전해질 네거티브 이온이고,
Figure pct00002
는 탄소 전극과 전해질 간 계면에 형성된 전기 이중층(EDL)을 지칭한다.
음극에서, 그래파이트 내외로의 리튬 이온 삽입은 다음 식에 의해 설명된다.
Figure pct00003
도 2는 이는 단일의 주름진 탄소 시트(30)와 같은 주름진 탄소층을 포함하는 복수의 확장된 상호연결된 탄소층으로 구성되는 상호연결된 주름진 탄소-기반 네트워크(ICCN)(28)의 샘플을 선으로 도시한 비제한적인 예시도이다. 일 구현예에서, 확장 및 상호연결된 탄소층 각각은 하나의 원자 두께인 적어도 하나의 주름진 탄소 시트를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 확장 및 상호연결된 탄소층 각각은 복수의 주름진 탄소 시트(30)를 포함한다. 이 특정 예에서, 단면 주사 전자 현미경(SEM) 및 프로필로메트리로부터 측정된 ICCN(28)의 두께는 약 7.6 ㎛ 부근인 것으로 밝혀졌다. 일 구현예에서, ICCN(28)을 구성하는 복수의 확장 및 상호연결된 탄소층의 두께 범위는 약 1㎛ 내지 약 100㎛이다. 일부 구현예에서, ICCN(28)을 구성하는 복수의 확장 및 상호연결된 탄소층의 두께는 약 2㎛ 내지 약 90㎛, 약 3㎛ 내지 약 80㎛, 약 4㎛ 내지 약 70㎛, 약 5㎛ 내지 약 60㎛, 약 5㎛ 내지 약 50㎛, 약 5㎛ 내지 약 40㎛, 약 5㎛ 내지 약 30㎛, 약 5㎛ 내지 약 20㎛, 약 5㎛ 내지 약 10㎛, 약 5㎛ 내지 약 9㎛, 또는 약 6㎛ 내지 약 8㎛일 수 있다.
일부 구현예에서, 본 개시물에 따른 하이브리드 전기화학 전지는 또한 새로운 세대의 전자장치에 비교적 많은 수의 적용을 가능하게 할 마이크로-스케일로 제조된다. 예를 들어, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지는, 일부 구현예에서, 이식가능 의료 기기, 스마트 카드, 라디오 주파수 식별(RFID) 태그, 무선 센서 및 심지어 착용가능 전자장치에 통합된다. 통합된 마이크로-하이브리드 전기화학 전지는, 일부 응용에서, 태양, 기계 및 열원으로부터 에너지를 더 잘 추출하여 보다 효율적으로 자가 파워 시스템을 만드는 방법으로도 사용된다. 특정 구현예에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지는 또한 일몰 후 사용하기 위해 하루 동안 생성된 파워를 저장하기 위해 휴대용 디바이스 및 옥상 설치 모두에서 태양 전지의 후면 상에 제작되어, 그리드에의 연결이 가능하지 않을 때 주야로 전기를 제공하도록 돕는다. 이들 각각의 응용은 본원에서 설명된 마이크로-하이브리드 전기화학 전지의 크기 및 형상의 융통성에 부분적으로 기초하여 본원에 기술된 주제에 의해 가능해진다. 또한, 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 더 얇은 휴대용 전자장치를 가능하게 하는 배터리용의 얇은 폼 팩터가 제공된다.
도 3은 리튬 이온-기반 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)를 예시하는 비제한적인 도면이다. 마이크로 하이브리드 전기화학 전지(32)는 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 단일 부분(36)을 갖는 제1 컨덕터(34)를 포함한다. 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)의 리튬 이온-기반 화학에서, 제1 컨덕터(34)는 네거티브 이며, 리튬-이온으로 도핑된다. 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)는 제2 캐패시터 전극(40)인 적어도 한 부분 및 제2 배터리 전극(42)인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터(38)를 포함한다. 전해질(44)은 제1 컨덕터(34) 및 제2 컨덕터(38) 모두와 접촉한다. 제2 캐패시터 전극(40) 및 제2 배터리 전극(42) 각각은 길이(L), 폭(W) 및 전극 자리간(I)을 갖는 전극 자리를 갖는다. 예시적인 밀리미터 스케일 구현예에서, 길이(L)는 약 4800 ㎛이고, 폭(W)은 약 330 ㎛ 내지 약 1770 ㎛ 범위이고, 전극 자리간(I)은 전형적으로 약 150 ㎛이다. 이들 치수는 예시적이지만, 전극 자리의 폭(W) 및 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32) 내의 전극 자리들 간 상호 간격(I)의 추가의 소형화는 이온 확산 경로를 감소시켜 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)가 훨씬 더 높은 전력 밀도를 갖게 됨을 알아야 한다. 예시적인 센티미터 스케일 구현예에서, 길이(L)는 약 1.2 cm이고, 폭(W)은 약 0.05 cm 내지 약 0.2 cm 범위이고, 상호 간격(I)은 전형적으로 약 0.05 cm이다.
일부 구현예에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)는 ICCN 상호맞물림 패턴 상에 다공성 양 및 음극 물질을 성장시킴으로써 통합된다. 일반적으로, 패턴화된 ICCN으로 만들어진 전극을 갖는 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)를 제조하는 방법은 탄소-기반 산화막을 갖는 기판을 수용하는 초기 단계를 전형적으로 포함한다. 일단 기판이 수용되면, 다음 단계는 탄소-기반 산화막의 일부를 ICCN으로 환원시키기에 충분한 전력 밀도를 갖는 광빔을 생성하는 것을 포함한다. 또 다른 단계는 소정 패턴에 연관된 소정의 전력 밀도 데이터에 따라 컴퓨터화된 제어 시스템을 통해 광빔의 전력 밀도를 조정하면서, 컴퓨터화된 제어 시스템을 통해 소정의 패턴으로 탄소-기반 산화막을 가로질러 광빔을 지향시키는 것을 포함한다. 광빔을 발생하기 위한 예시적인 광원은 780 nm 레이저, 녹색 레이저, 및 플래시 램프를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 광원의 광빔 방출은 근적외선 내지 자외선 파장 범위일 수 있다.
마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)를 제조하기 위한 예시적인 프로세스가 도 4에 개략적으로 도시되었다. 일부 구현예에서, ICCN 패턴은 소비자-급 디지털 다목적 디스크(DVD) 버너 드라이브를 사용하여 생성된다. 제1 단계에서, 물에서의 그래파이트 산화물(GO) 분산액은 DVD 디스크 상에 드롭캐스트되고 공기 중에서 건조되어 그래파이트 산화막(46)을 형성한다(단계 100). 이미징 또는 드래프팅 소프트웨어로 만들어진 마이크로-패턴은 GO-코팅된 DVD 디스크(48) 상에 직접 인쇄된다(단계 102). GO 필름은 레이저(50)로부터 에너지를 흡수하고 ICCN 패턴으로 전환된다. 레이저(50)의 정밀도로, DVD 버너 드라이브는 원하는 ICCN 회로를 생성하기 위해 컴퓨터 설계 패턴을 GO 필름 상에 렌더링한다. 특정 응용에서, ICCN 패턴은 3개의 단자를 갖도록 설계된다: ICCN 슈퍼캐패시터형 전극 및 2개의 배터리 전극. 일부 구현예에서, 슈퍼캐패시터 전극의 용량은 활성탄 마이크로-입자의 전기 영동 피착에 의해 증가된다.
또 다른 또는 추가의 구현예에서, 애노드 및/또는 캐소드 물질은 ICCN 스캐폴드 상에 순차적으로 전착된다. 전압 제어 및 전류 제어 전착은 ICCN의 3차원(3D) 구조 전반에 걸쳐 활성 물질의 콘포멀 코팅을 보장하기 위해 사용된다. 예를 들어, 캐소드의 일부를 형성하고 용융 질산 리튬(LiNO3) 및 수산화 리튬(LiOH)에서 이산화망간(MnO2)의 리튬화(lithiation)가 뒤따르는 제2 배터리 전극(42)(도 3)을 구성하는 ICCN 마이크로전극 상에 이산화망간(MnO2)이 전착된다(단계 104). 일부 구현예에서, 폴리아닐린은 캐소드 물질에 대한 대안으로서 사용된다. 다음에, 니켈-주석 합금, 실리콘 또는 심지어 그래파이트 마이크로-입자는 애노드에 대응하는 ICCN 상에 전착된다(단계 106). 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)를 완성하기 위해, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)가 부하 하에 있을 때 연속적인 전자 흐름을 허용하는 이온을 제공하기 위해 전해질(52) 드롭이 첨가된다(단계 108).
일부 구현예에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)는 Ni-Cd 또는 Ni-MH 배터리의 화학물이 Ni-탄소 비대칭 슈퍼캐패시터와 결합된다는 것을 제외하고, 리튬 이온-기반 하이브리드 전기화학 전지(10)(도 1 참조)와 유사한 방식으로 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 및 니켈-금속 하이드라이드(Ni-MH) 화학물을 사용하여 실현된다.
도 5는 본 개시물에 따른 Ni-Cd 및 Ni-MH 화학물을 위한 하이브리드 전기화학 전지(54) 에 대한 비제한적인 구조를 도시한다. 일부 구현예에서, 하이브리드 전기화학 배터리 전지(54)는 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 단일 부분(58)을 갖는 제1 컨덕터(56)를 포함한다. 일부 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지(54)의 Ni-Cd 및/또는 Ni-MH 기반 화학물 중 어느 하나에서, 제1 컨덕터(56)는 포지티브며, 방전 동안 니켈 수산화물(Ni(OH)2)로 환원하는 옥시수산화 니켈(NiOOH) 을 포함한다. 일부 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지(54)는 제2 캐패시터 전극(62)인 적어도 한 부분 및 제2 배터리 전극(64)인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터(60)를 포함한다. 일부 구현예에서, 제2 배터리 전극(64) 상에 모인 이온은 금속 하이드라이드 경우엔 X로 표시되는 금속 하이드라이드 또는 Ni-Cd 경우엔 Y로 표시되는 Cd(OH)2 을 포함한다. 특정 응용에서, 전해질(66)은 제1 컨덕터(56) 및 제2 컨덕터(60) 모두와 접촉하여, 제1 컨덕터(56)와 제2 컨덕터(60) 사이의 세퍼레이터(68)는 제1 컨덕터(56)와 제2 컨덕터(60) 간에 접촉을 방지하며, 아울러 제1 컨덕터(56)와 제2 컨덕터(60) 간에 이온 수송을 용이하게 한다. 일부 구현예에서, 제2 캐패시터 전극(62) 및 제2 배터리 전극(64)은 도 5에 수평 점선(69)에 의해 딜리네이트된다. 도시된 바와 같이, 제2 캐패시터 전극(62)과 제2 배터리 전극(64) 간에 비율은 1:1이다. 그러나, 제2 캐패시터 전극(62)의 부분과 제2 배터리 전극(64) 간에 비율은 1:10 내지 10:1(2:9, 3:8, 4:7, 5:6, 6:5, 7:4, 8:3 및 9:2를 포함하여 -이들로 한정되는 것은 아니다- 이들 종단점들 사이 내 모든 비율을 포함한다)의 범위일 수 있다.
일부 구현예에서, 제2 캐패시터 전극(62)의 부분이 제2 배터리 전극(64)에 비해 증가함에 따라, 하이브리드 전기화학 전지(54)의 전력 밀도가 증가하고 에너지 밀도가 감소한다. 마찬가지로, 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 제2 배터리 전극(64)의 부분이 제2 캐패시터 전극(62)에 비해 증가함에 따라, 하이브리드 전기화학 전지(54)의 에너지 밀도가 증가하고 전력 밀도가 감소한다. 특정 응용에서, 제2 배터리 전극(64)에 대한 제2 캐패시터 전극(62)의 비율은 주어진 응용에 대해 미리 결정된다. 예를 들어, 제2 배터리 전극(64)에 대한 제2 캐패시터 전극(62)의 큰 비율은 회생 제동 시스템에서 에너지를 신속하게 캡처하기 위해 바람직한 반면, 제2 배터리 전극(64)에 대한 제2 캐패시터 전극(62)의 작은 비율은 휴대용 전기 드릴과 같은 전동 공구에 에너지 부여에 바람직할 수도 있을 것이다.
특정 용도에서, 이 설계는 전기 이중층에 전하가 저장되는 활성탄으로 만들어진 음극을 사용하며, 양극은 물질의 벌크 내에서 리독스 반응을 통해 전하가 저장되는 의사캐패시티브(일반적으로 NiOOH)이다. 알칼리성 수용액은 Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리와 동일한 방식으로 전해질로서 사용된다. 종래의 Ni-Cd 비대칭 슈퍼캐패시터와 동일하게, Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리의 양극이 NiOOH이기 때문에, 특정 구현예에서, 배터리 및 캐패시터 음극을 병렬로 연결함으로써 한 전지로 두 디바이스의 통합이 제공된다. 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 하나의 전극으로 배터리 및 캐패시터 음극의 블렌드 또한 제공된다.
도 6은 Ni-Cd 또는 Ni-MH 화학물에 기초한 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)를 나타내는 비제한적 도면이다. 일부 구현예에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 배터리 전지(70)는 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 단일 부분(74)을 갖는 제1 컨덕터(72)를 포함한다. 또 다른 또는 추가의 구현예에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)의 제조 중에, 제1 컨덕터(56)는 포지티브이고 Ni-Cd 또는 Ni-MH 화학물과 함께 사용하기 위해 NiOOH로 도핑된다. 일부 구현예에서, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)는 제2 캐패시터 전극(78)인 적어도 한 부분 및 제2 배터리 전극(80)인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터(76)를 포함한다. 일부 구현예에서, 전해질(82)은 제1 컨덕터(72) 및 제2 컨덕터(76) 모두와 접촉한다. 예를 들면, 제2 캐패시터 전극(78) 및 제2 캐패시터 전극(80) 각각은 길이(L), 폭(W) 및 전극 자리간(I)을 갖는 전극 자리를 갖는다. 예시적인 구현예에서, 길이(L)는 약 4800 ㎛이고, 폭(W)은 약 330 ㎛ 내지 약 1770 ㎛ 범위이고, 전극 자리간(I)은 전형적으로 약 150 ㎛이다. 이들 치수는 예시적이지만, 전극 자리의 폭(W) 및 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70) 내의 전극 자리들 간 상호 간격(I)의 추가의 소형화는 이온 확산 경로를 감소시켜 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)가 훨씬 더 높은 전력 밀도를 갖게 됨을 알아야 한다.
리튬 이온 기반 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)의 제조와 유사하게, 특정 구현예에서, Ni-Cd 또는 Ni-MH 화학물에 기초한 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)는 ICCN 상호맞물림 패턴 상에 다공성 포지티브 및 음극 물질을 성장시킴으로써 통합된다. 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)를 제조하기 위한 예시적인 프로세스가 도 7에 개략적으로 도시되었다. 단계(100) 및 단계(102)는 도 4에 도시된 것과 동일하게 완료된다. 그러나, 단계(102) 이후에 ICCN 스캐폴드 상의 애노드 및 캐소드 물질을 순차적으로 전착시키는 Ni-Cd 또는 Ni-MH 화학물을 수용하기 위한 새로운 단계가 추가된다. 리튬-이온 기반의 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(32)의 제조에서와 같이, 전압 제어 및 전류 제어 전착은 ICCN의 3D 구조 전반에 걸쳐 활성 물질의 콘포멀 코팅을 보장하기 위해 사용된다. 애노드의 일부를 형성하는 제2 배터리 전극(80)을 구성하는 ICCN 마이크로 전극 상에 란탄 니켈(LaNi5) 또는 팔라듐(Pd)과 같은 금속이 전착된다(단계 110). 다음에, 애노드에 대응하는 ICCN에 Cd(OH)2가 첨가된다(단계 112). 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)를 완성하기 위해, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)가 부하 하에 있을 때 연속한 전자 흐름을 허용하는 이온을 제공하기 위해 전해질(82) 드롭이 첨가된다(단계 114).
Ni-MH 및 Ni-Cd 기반 하이브리드 전기화학 전지의 전기화학적 반응이 다음에 기술된다:
Ni-MH 기반 하이브리드 전기화학 전지
ㆍ음극
Figure pct00004
ㆍ양극 상에서
Figure pct00005
Ni-MH 전지의 음극 내 금속(M)은 실제로 수소 저장 합금이다. 이것은 수소를 가역적으로 저장할 수 있는 새로운 일 그룹의 금속간 화합물에서 온다. 많은 다른 화합물이 이 응용을 위해 개발되었지만, 희토류-기반 AB5-형 합금이 가장 광범위하게 채택된다. 이러한 유형의 합금에서, A 성분은 하나 이상의 희토류 원소로 이루어지며, B는 주로 Ni, Co, Mn 및 Al과 같은 전이 금속으로 이루어진다. 캐패시터 전극은 전기 이중층에 전하를 저장한다.
Figure pct00006
은 탄소 전극과 전해질 사이의 계면에 형성된 전기 이중층(EDL)을 말하며, e - 는 전극측으로부터의 전자이고
Figure pct00007
는 전해질측으로부터의 양이온이다. Ni-MH 하이브리드 전기화학 전지에서, 옥시수산화 니켈(NiOOH)은 하전된 양극 내 활성 물질이다. 방전 중에, 이것은 외부 회로로부터 전자를 받아들임으로써, 더 낮은 원자가 상태의 수산화니켈, Ni(OH)2 로 환원한다. 이들 반응은 전지의 충전 중엔 반대로 된다.
Ni-Cd 기반 하이브리드 전기화학 전지
ㆍ음극
Figure pct00008
ㆍ양극 상에서
Figure pct00009
Ni-Cd 기반 하이브리드 전기화학 전지에서, 음극은 카드뮴 금속 및 고 표면적 탄소로 구성된다. 충전 동안, Ni(OH)2는 높은 원자가 상태로 산화되고 전자를 외부 회로로 방출한다. 이들 전자는 Cd(OH)2를 원소 카드뮴으로 환원시킴으로써 음극에 그리고 전기 이중층에 저장된다.
도 8a는 종래 기술의 리튬 이온 캐패시터에 대한 전압 대 시간의 충전-방전 그래프이다. 충전률 및 방전률은 도 8b에 도시된 리튬 이온 배터리 충전률 및 방전률과 비교하여 비교적 급격하다. 도 8c는 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지에 대한 전압 대 시간의 비제한적인 충전-방전 그래프이다. 이 경우에, 그리고 본 개시물의 특정 구현예에서, 하이브리드 전기화학 전지는 리튬 이온 캐패시터 및 리튬 이온 배터리 모두에 적합한 충전률 및 방전율을 갖는다는 것에 유의한다. 결과적으로, 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지는 리튬 이온 캐패시터 및 리튬 이온 배터리 모두의 최상의 특성을 공유하며, 따라서 "슈퍼-배터리"로 간주될 수 있다.
하이브리드 전기화학 전지의 충전-방전 그래프의 형상은 제2 캐패시터 전극의 유형에 의해 제어된다. 예를 들어, 도 8c는 ICCN(28) 또는 활성탄과 같은 이중층 캐패시터 전극을 사용할 때의 경우를 설명한다. 그러나, 리독스 활성 Nb2O5를 사용할 때, 거동은 도 9에 도시되었다. 다른 물질도 적합하다.
도 10a는 종래 기술의 니켈-탄소 슈퍼캐패시터에 대한 충전-방전 곡선을 도시하는 그래프이다. 대조적으로, 도 10b는 종래 기술의 Ni-Cd 배터리 및 종래의 Ni-MH 배터리 모두에 대한 충전-방전 곡선을 도시하는 그래프이다. 도 10c는 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지를 포함하는 구현예에 대한 Ni-Cd 및 Ni-MH 화학물 중 어느 하나에 대한 전압 대 시간의 충전-방전 그래프의 비제한적인 도시이다. 본질적으로, 도 10c의 충전-방전 그래프는 니켈-탄소 슈퍼캐패시터 및 Ni-Cd 또는 Ni-MH 배터리의 전기화학적 성질의 조합의 결과로 생각할 수 있다.
라곤 플롯은 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지의 개선된 전기화학적 저장 능력을 강조하는데 유용하다. 도 11은 고-파워 요구 부하를 위해 설계된 상이한 에너지 저장 디바이스와 하이브리드 전기화학 전지의 성능을 비교하는 라곤 플롯이다. 라곤 플롯은 테스트된 모든 디바이스에 대해 패키지된 전지의 중량 에너지 밀도 및 전력 밀도를 보여준다. 라곤 플롯은 통상적인 슈퍼캐패시터와 비교하여 에너지 밀도의 성능이 크게 증가한 것을 보여준다. 주목할 만한 것으로는, 리튬 이온 슈퍼캐패시터와 비교하여, 본원에 기술된 주제의 특정 구현예의 하이브리드 전기화학 전지는 리튬 이온 슈퍼캐패시터보다 최대 10배 더 많은 에너지 및 대략 동일 내지는 약간 더 큰 전력 밀도를 저장한다. 예를 들어, 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지는 20 와트-시간/킬로그램(Wh/kg) 내지 약 200 Wh/kg의 범위의 에너지 밀도를 갖는다. 또한, 리튬 이온 전지가 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있을지라도, 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지보다 거의 두 자리수 낮은 크기의 제한된 파워 성능을 갖는다. 예를 들어, 본 개시물의 하이브리드 전기화학 전지는 거의 103 와트/킬로그램(W/kg) 내지 약 104 W/kg 범위의 전력 밀도를 갖는다. 하이브리드 전기화학 하이브리드의 이 탁월한 에너지 및 파워 성능은 다양한 응용에서 리튬 이온 슈퍼캐패시터를 포함한 배터리 및 슈퍼캐패시터를 완전히 대체 및/또는 보완할 것이다. 또한, 마이크로-하이브리드 전기화학 전지에서 마이크로-전극들의 폭 및 마이크로-전극들 사이의 공간의 더 작은 소형화는 이온 확산 경로를 감소시킬 것이며, 따라서 더 높은 전력 밀도를 갖는 마이크로-하이브리드 전기화학 전지가 되게 할 것이다.
마이크로-하이브리드 전기화학 전지의 개시된 구현예에 대한 응용은 다양하다. 다음 목록은 단지 예일뿐이다. 예를 들어, 도 12a는 내부에 통합된 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)를 갖는 이식가능 의료 기기(84)의 비제한적 예시도이다. 도 12b는 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)가 내부에 통합된 스마트 카드(86)의 비제한적 예시도이다.. 도 12c는 내부에 통합된 본 개시물의 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)을 갖는 라디오 주파수 식별(RFID) 태그(88)의 비제한적인 예시적인 도면이다. 도 12d는 내부에 통합된 본 개시물의 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)를 갖는 무선 센서(90)의 비제한적인 예시적인 도면이다. 도 12e는 내부에 통합된 본 개시물의 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)을 갖는 착용가능 디바이스(92)의 비제한적 예시도이다. 도 12f는 자가 파워 시스템을 실현하기 위해 태양 전지(94)와 통합된 본 개시물의 마이크로-하이브리드 전기화학 전지(70)이 자가 파워 시스템을 구현하는 태양 전지(94)의 비제한적인 예시적인 도면이다. 본 구현예와의 통합으로부터 이익을 얻을 수 있을 그외 다른 자가 파워 시스템은 진동형 에너지 수확 시스템, 풍력 에너지 수확 시스템, 및 온도 차동형 에너지 수확 시스템을 포함하는데, 그러나 이들로 한정되지 않는다.
당업자는 본 개시물의 구현예에 대한 개선 및 수정을 인식할 것이다. 이러한 모든 개선 및 수정은 본원에 개시된 개념 및 다음의 청구 범위의 범주 내에서 고려된다.

Claims (61)

  1. 하이브리드 전기화학 전지에 있어서,
    (a) 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 적어도 한 부분을 갖는 제1 컨덕터;
    (b) 제2 캐패시터 전극인 적어도 한 부분 및 제2 배터리 전극인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터; 및
    (c) 상기 제1 컨덕터 및 상기 제2 컨덕터 모두와 접촉하는 전해질
    을 포함하는 하이브리드 전기화학 전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 컨덕터와 상기 제2 컨덕터 간에 물리적 접촉을 방지 또는 감소시키는 방식으로 구성되고, 상기 제1 컨덕터와 상기 제2 컨덕터 간에, 이온 수송을 용이하게 하는, 상기 제1 컨덕터와 상기 제2 컨덕터 사이에 세퍼레이터를 추가로 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 하이브리드 전기화학 전지는 리튬-이온(Li-이온) 물질 또는 화학물을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 컨덕터는 네거티브이고 리튬 이온들로 도핑된, 하이브리드 전기화학 전지.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 컨덕터는 그래파이트 음극을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 배터리 전극은 경질 탄소를 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 배터리 전극은 실리콘 합금을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  8. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 배터리 전극은 복합 합금을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  9. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극은 층상 금속 산화물 양극을 포함하고, 상기 제2 배터리 전극은 활성탄 양극을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  10. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 배터리 전극은 리튬 코발트 산화물을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  11. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 배터리 전극은 리튬 망간 산화물을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  12. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 배터리 전극은 리튬 니켈 산화물을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  13. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 배터리 전극은 리튬 니켈 망간 코발트 산화물을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  14. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 배터리 전극은 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  15. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 배터리 전극은 리튬 티타늄 산화물을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  16. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 배터리 전극은 리튬 철 인산염을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  17. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극 및 상기 제2 배터리 전극은 딜리네이트된, 하이브리드 전기화학 전지.
  18. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극 및 상기 제2 배터리 전극은 하나의 전지 상에 병렬로 내부에 연결되고, 상기 제2 캐패시터 전극은 상기 하이브리드 전기화학 전지의 고속 충전 및 방전율을 방지 또는 감소시키는 버퍼링을 제공하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  19. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극의 적어도 한 부분과 상기 제2 배터리 전극 간에 비율은 약 1:1인, 하이브리드 전기화학 전지.
  20. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극의 적어도 한 부분과 상기 제2 배터리 전극 간에 비율은 약 1:10 내지 약 10:1의 범위 내인, 하이브리드 전기화학 전지.
  21. 청구항 3에 있어서, 상기 하이브리드 전기화학 전지의 바람직한 전력 밀도는 상기 제2 캐패시터 전극의 적어도 한 부분과 상기 제2 배터리 전극 간에 비율의 증가로 달성되는, 하이브리드 전기화학 전지.
  22. 청구항 3에 있어서, 상기 하이브리드 전기화학 전지의 에너지 밀도는 상기 제2 캐패시터 전극의 적어도 한 부분과 상기 제2 배터리 전극 간에 비율의 감소로 달성되는, 하이브리드 전기화학 전지.
  23. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극은 전하가 이중층에 저장되는 전기 이중층 캐패시터(EDLC)를 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  24. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극은 활성탄을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  25. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극은 상호연결된 주름진 탄소-기반 네트워크(ICCN)를 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  26. 청구항 25에 있어서, 상기 상호연결된 주름진 탄소-기반 네트워크(ICCN) 전극은 주름진 탄소층을 포함하는 복수의 확장 및 상호연결된 탄소층을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  27. 청구항 26에 있어서, 각각의 확장 및 상호연결된 탄소층은 약 1 원자 두께인 적어도 하나의 주름진 탄소 시트를 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  28. 청구항 26에 있어서, 각각의 확장 및 상호연결된 탄소층은 복수의 주름진 탄소 시트를 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  29. 청구항 26에 있어서, 단면 주사 전자 현미경(SEM) 및 프로필로메트리로부터 측정된 상기 ICCN의 두께는 약 7 ㎛ 내지 약 8 ㎛ 범위인, 하이브리드 전기화학 전지.
  30. 청구항 26에 있어서, 상기 ICCN을 구성하는 상기 복수의 확장 및 상호연결된 탄소층의 두께의 범위는 약 5㎛ 내지 100㎛인, 하이브리드 전기화학 전지.
  31. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극은 인터칼레이션 의사-캐패시턴스를 통해 전하를 저장하기 위해 리독스 활성인, 하이브리드 전기화학 전지.
  32. 청구항 31에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극은 오산화 니오븀을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  33. 청구항 3에 있어서, 이식가능 의료 기기과 함께 마이크로-하이브리드 전기화학 전지로서 통합된, 하이브리드 전기화학 전지.
  34. 청구항 3에 있어서, 스마트 카드와 함께 마이크로-하이브리드 전기화학 전지로서 통합된, 하이브리드 전기화학 전지.
  35. 청구항 3에 있어서, 라디오 주파수 식별(RFID) 태그와 함께 마이크로-하이브리드 전기화학 전지로서 통합된, 하이브리드 전기화학 전지.
  36. 청구항 3에 있어서, 무선 센서와 함께 마이크로-하이브리드 전기화학 전지로서 통합된, 하이브리드 전기화학 전지.
  37. 청구항 3에 있어서, 착용가능 전자 디바이스와 함께 마이크로-하이브리드 전기화학 전지로서 통합된, 하이브리드 전기화학 전지.
  38. 청구항 3에 있어서, 에너지 수확기가 통합된 마이크로-하이브리드 전기화학 전지로서 통합된, 하이브리드 전기화학 전지.
  39. 청구항 3에 있어서, 태양 전지와 통합된, 하이브리드 전기화학 전지.
  40. 청구항 3에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극 및 상기 제2 배터리 전극은 길이(L), 폭(W) 및 상호 간격(I)을 갖는 전극 자리들을 갖는, 하이브리드 전기화학 전지.
  41. 청구항 40에 있어서, 길이(L)가 약 4000 ㎛ 내지 약 5000 ㎛이고, 폭이 약 300 ㎛ 내지 약 1800 ㎛이고, 상호 간격(I)이 약 100 ㎛ 내지 약 200 ㎛인, 하이브리드 전기화학 전지.
  42. 청구항 40에 있어서, 상기 길이(L)는 약 0.5 cm 내지 약 1.5 cm이고, 상기 폭(W)은 약 0.05 cm 내지 약 0.2 cm이고, 상호 간격(I)은 약 0.01 cm 내지 약 0.05 cm인, 하이브리드 전기화학 전지.
  43. 청구항 40에 있어서, 상기 전극 자리들의 폭(W) 및 상기 하이브리드 전기화학 전지의 상기 전극 자리들 사이의 상호간격(I)의 소형화는 이온 확산 경로들을 감소시키는, 하이브리드 전기화학 전지.
  44. 청구항 1에 있어서, 상기 하이브리드 전기화학 전지는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 및/또는 니켈-금속 하이드라이드(Ni-MH) 화학물들을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  45. 청구항 44에 있어서, 상기 제1 컨덕터는 포지티브이고, 방전동안 수산화 니켈(Ni(OH)2)로 환원하는 니켈 수산화물(NiOOH)을 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지.
  46. 청구항 44에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극 및 상기 제2 배터리 전극은 양극들인, 하이브리드 전기화학 전지.
  47. 청구항 44에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극 및 상기 제2 배터리 전극은 딜리네이트된, 하이브리드 전기화학 전지.
  48. 청구항 44에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극의 적어도 일부와 상기 제2 배터리 전극 간에 비율은 약 1:1인, 하이브리드 전기화학 전지.
  49. 청구항 44에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극의 적어도 한 부분과 상기 제2 배터리 전극 간에 비율은 약 1:10 내지 약 10:1인, 하이브리드 전기화학 전지.
  50. 청구항 44에 있어서, 상기 하이브리드 전기화학 전지의 전력 밀도는 상기 제2 캐패시터 전극의 적어도 한 부분과 상기 제2 배터리 전극 간에 비율의 증가로 달성되는, 하이브리드 전기화학 전지.
  51. 청구항 44에 있어서, 상기 하이브리드 전기화학 전지의 에너지 밀도는 상기 제2 캐패시터 전극의 적어도 한 부분과 상기 제2 배터리 전극 간에 비율의 감소로 달성되는, 하이브리드 전기화학 전지.
  52. 청구항 44에 있어서, 상기 제2 캐패시터 전극 및 상기 제2 배터리 전극 각각은 길이(L), 폭(W) 및 상호 간격(I)을 갖는 전극 자리들을 갖는, 하이브리드 전기화학 전지.
  53. 청구항 52에 있어서, 상기 길이(L)는 약 4000 ㎛ 내지 5000 ㎛이고, 상기 폭(W)은 약 300 ㎛ 내지 약 1800 ㎛이고, 상기 상호 간격(I)은 약 100 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 범위인, 하이브리드 전기화학 전지.
  54. 청구항 52에 있어서, 상기 길이(L)는 약 0.5cm 내지 약 1.5cm이고, 상기 폭(W)은 약 0.05cm 내지 약 0.2cm이고, 상호간격(I)은 약 0.01cm 내지 약 0.05cm인, 하이브리드 전기화학 전지.
  55. 청구항 52에 있어서, 상기 전극 자리들의 폭(W) 및 상기 하이브리드 전기화학 전지 내 상기 전극 자리들 사이의 상호간격(I)의 소형화는 이온 확산 경로들을 감소시키는, 하이브리드 전기화학 전지.
  56. 청구항 1에 있어서, 상기 하이브리드 전기화학 전지의 에너지 밀도는 20 와트-시간/킬로그램(Wh/kg) 내지 약 200 Wh/kg 범위인, 하이브리드 전기화학 전지.
  57. 청구항 1에 있어서, 상기 하이브리드 전기화학 전지의 전력 밀도는 거의 103 와트 /킬로그램(W/kg) 내지 약 104 W/kg의 범위인, 하이브리드 전기화학 전지.
  58. 하이브리드 전기화학 전지의 제조 방법에 있어서,
    ● 제1 캐패시터 전극 및 제1 배터리 전극 둘 다인 단일 부분을 갖는 제1 컨덕터를 제조하는 단계;
    ● 제2 캐패시터 전극인 적어도 한 부분과 제2 배터리 전극인 적어도 한 다른 부분을 갖는 제2 컨덕터를 제조하는 단계; 및
    ● 상기 제1 컨덕터 및 상기 제2 컨덕터 모두에 전해질을 첨가하는 단계를 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지의 제조 방법.
  59. 청구항 58에 있어서, 상기 제2 컨덕터를 제조하는 단계는,
    ● 탄소-기반 산화막을 갖는 기판을 수용하는 단계; 및
    ● 상기 탄소-기반 산화막의 부분들을 전기적으로 도전성인 복수의 확장 및 상호연결된 탄소층들로 환원시켜 상호연결된 주름진 탄소-기반 네트워크(ICCN)를 형성하는 광빔을 발생하는 단계를 포함하는, 하이브리드 전기화학 전지의 제조 방법.
  60. 리튬-이온(Li-이온) 물질을 포함하는 마이크로-하이브리드 전기화학 전지의 제조 방법에 있어서, 상기 방법은 ICCN 상호맞물림 패턴들 상에 다공성의 포지티브 및 음극 물질들을 성장시키는 단계로서, ICCN 패턴은 소비자-급의 광학 디스크 버너 드라이브를 사용하여 생성되는 것인, 단계를 포함하는 것으로,
    (a) 그래파이트 필름을 형성하기 위해 물 내에 그래파이트 산화물(GO) 분산액이 광학 디스크 상에 드롭캐스트되어 공기 중에서 건조되는, 제1 단계;
    (b) 이미징 또는 드래프팅 소프트웨어로 만들어진 마이크로-패턴이 상기 GO-코팅된 광학 디스크 상에 직접 인쇄되고, 상기 GO 필름이 레이저로부터 에너지를 흡수하여 ICCN 패턴으로 전환되는, 제2 단계;
    (c) 애노드 및 캐소드 전극 물질들이 ICCN 패턴 상에 순차적으로 전착되고, 전압 제어 및 전류 제어 전착이 상기 ICCN의 3차원(3D) 구조에 걸쳐 활성 물질들의 콘포멀 코팅을 보장하기 위해 사용되는, 제3 단계;
    (d) 니켈-주석 합금, 실리콘, 또는 그래파이트 마이크로-입자들이 애노드에 대응하는 상기 ICCN 패턴 상에 전착되는, 제4 단계; 및
    (e) 상기 마이크로-하이브리드 전기화학 전지가 부하 하에 있을 때 연속된 전자 흐름을 허용하는 이온들을 제공하기 위해 전해질 드롭이 첨가되는, 제5 단계
    의 일련의 단계들을 포함하는 방법.
  61. 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 및/또는 니켈-금속 하이드라이드(Ni-MH) 화학물들에 의존하는 마이크로-하이브리드 전기화학 전지를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은 다공성의 포지티브 및 음극 물질들을 ICCN 상호맞물림 패턴들 상에 성장시키는 단계로서, 상기 ICCN 패턴은 광학 디스크 버너 드라이브를 사용하여 생성되는 것인, 단계를 포함하며,
    (a) 그래파이트 필름을 형성하기 위해 물 내에 그래파이트 산화물(GO) 분산액이 광학 디스크 상에 드롭캐스트되어 공기 중에서 건조되는, 제1 단계;
    (b) 이미징 또는 드래프팅 소프트웨어로 만들어진 마이크로-패턴이 상기 GO-코팅된 광학 디스크 상에 직접 인쇄되고, 상기 GO 필름이 레이저로부터 에너지를 흡수하여 ICCN 패턴으로 전환되는, 제2 단계;
    (c) 전압 제어 및 전류 제어 전착이 ICCN의 상기 3차원(3D) 구조에 걸쳐 활성 물질들의 콘포멀 코팅을 보장하기 위해 사용되고, 란탄 니켈(LaNi5) 또는 팔라듐(Pd)과 같은 금속이 애노드 전극의 일부를 형성하는 제2 배터리 전극을 구성하는 ICCN 마이크로 전극들 상에 전착되는, 제3 단계;
    (d) 상기 애노드 전극에 대응하는 상기 ICCN에 수산화 카드뮴(Cd(OH)2)이 첨가되는, 제 4 단계; 및
    (e) 상기 마이크로-하이브리드 전기화학 전지가 부하 하에 있을 때 연속된 전자 흐름을 허용하는 이온들을 제공하기 위해 전해질 드롭이 첨가되는, 제5 단계
    의 일련의 단계들을 포함하는 방법.
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