KR20170101853A - 리튬 금속 전극 - Google Patents

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Abstract

리튬 금속 전극이 본 발명에 개시되어 있다. 리튬 금속 전극은, 리튬 금속 층, 복수의 게이트 층들 및 복수의 홀들을 갖는 집전층을 포함한다. 게이트 층은 홀들에 대응하여 배치된다. 리튬 금속 층 및 게이트 층들은 대응하여 배치된다. 리튬 금속(층)의 전기-화학적 반응 면은, 형성되기 전에 게이트 층 및 집전층에 의해 커버된다. 게이트 층이 전해질과 같은 매질들로부터 리튬 이온들과 합금되는 동안, 합금된 게이트 층은 이온 액세스를 리튬 금속 층에 제공할 수 있어서 리튬 금속 층은 리튬 이온들을 전기 공급 시스템의 화학적 시스템에 다시 피드백할 수 있다. 또한, 동시에 모든 게이트 층들의 전위는 리튬 금속 층의 전위와 동일하게 유지될 수 있다.

Description

리튬 금속 전극{LITHIUM METAL ELECTRODE}
이 출원은 2014년 7월 16일 출원된 제 103124343 호 및 2015년 6월 5일 출원된 제 104118226호 인 대만 특허 출원에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 내용들은 전체가 참조로서 여기에 포함되어 있다.
본 발명은 전극에 관한 것으로, 특히 게이트 층들(gate layers)을 갖는 전극에 관한 것이다.
현재의 비-리튬 배터리 시스템과 비교하면, 리튬 배터리 시스템은 높은 작동 전압(3.6V 까지), 높은 에너지 밀도(120Wh/㎏), 경량, 긴 수명, 환경 친화적, 기타 등등의 장점을 갖는다. 리튬 배터리 시스템의 연구사에 따르면, 초기에 개발된 리튬 배터리는 매우 높은 에너지 밀도를 갖는 재충전할 수 있는 리튬 금속 배터리이나, 반면에 전해질에 대한 매우 높은 화학 반응 능력으로 인해 안정성 및 안전에 심각한 문제가 있다. 리튬 금속 배터리 시스템의 안전 문제를 고려하면, 재충전형 리튬 배터리의 개발은 점차 재충전형 리튬-합금 배터리 시스템 및 재충전형 리튬-이온 배터리 시스템에 주력한다. 그러나, 리튬-이온 배터리 시스템의 전해질은, 증발, 점화가 필연적으로 발생하는 유기 용매(organic solvents )를 포함하는 액체이다. 게다가, 불량한 밀봉으로 인해 전해질이 누출되어 안전 문제를 야기한다. 최근에는, 안전을 확보하기 위해, 재충전형 리튬 폴리머 배터리 시스템이 개발되고 있다. 원래의 유기 용매는, 리튬 배터리 시스템의 안전(성)을 향상시키기 위해 폴리머 전해질(polymer electrolyte)에 의해 대체되었다.
그렇지만, 최신 휴대용 스마트 전기장치가 지속적으로 시판되고 있다. 장치의 성능은 모든 세대에서 향상되고 있다. 배터리 시스템의 성능에 관해서는, 배터리 시스템의 성능은, 안전 요건을 제외하고, 배터리 시스템의 용량이 장치의 작동 기간을 충분히 유지하는 것을 보장하기 위해 매우 중요하다. 결과적으로, 배터리 시스템의 용량은 다시 중요한 개발 문제가 된다. 과거에는, 리튬 금속 배터리 시스템의 개발이 안전 문제로 인해 유보되었다. 리튬-이온 및 리튬 폴리머 시스템들과 비교하면, 리튬 금속 시스템의 에너지 밀도는 다른 시스템들 보다 훨씬 더 높다. 그러나, 리튬 금속은 높은 화학적 작용(chemical activity)을 갖고 있기에, 리튬 금속이 적절한 조건하에서 저장되거나 작동되지 않으면 극단적인 산화-환원 반응이 발생한다. 실제로, 리튬 금속 배터리 시스템은, 리튬 금속의 안전(성), 처리과정(processing) 및 저장의 문제가 극복될 수 있어야만 현재의 스마트 전기장치에 아주 적합하다.
따라서, 리튬 금속 전극(lithium metal electrode)이 상기 문제들을 극복하기위해 제공된다.
본 발명의 목적은 리튬 금속 전극을 제공하기 위한 것이다. 리튬 금속(층)의 전기-화학적 반응 면(electrical-chemical reaction side)은, 리튬 금속이 종래의 리튬-기반 전극 구조(lithium-based electrode structure) 처럼 형성되게끔 처리될 수 있도록 집전층(current collector layer) 및 게이트 층(gate layer)에 의해 커버된다. 종래의 리튬-기반 배터리 시스템과 비교하면, 동일한 과정이, 더 높은 에너지 밀도를 갖는 배터리 시스템을 생산하게끔 리튬 금속 전극에 가해질 수 있다.
본 발명의 목적은 리튬 금속 전극을 제공하기 위한 것이다. 게이트 층은 매질의 조건하에서 리튬 이온들 및/또는 리튬 금속 층과 합금할 수 있다. 게이트 층의 구조는, 느슨하게 패킹된 격자(loosen-packed lattice)를 통해 형성된 많은 기공으로 인해 게이트 층의 볼륨이 팽창하도록 원래 상태로부터 미립자의 합금-머드 상태(alloy-mud state)로 점차 전이된다. 전기-화학적 반응 경로는 합금된 게이트 층을 통해 리튬 이온들 및 리튬 금속 층에 제공될 수 있다.
본 발명의 목적은 리튬 금속 전극을 제공하기 위한 것인데, 이는 리튬-기반 배터리를 형성하게끔 종래의 캐소드 전극(cathode electrode)에 조립될 수 있다.
본 발명은, 리튬 금속 층, 여러개의 게이트 층 및 집전층을 포함하는 리튬 금속 전극을 개시한다. 집전층은, 게이트 층이 대응하여 배치되는 복수의 홀들(holes)를 갖는다. 리튬 금속 층 및 게이트 층들은 대응하여 배치된다. 본 발명의 리튬 금속 전극의 게이트 층들은, 매질 조건하에서 리튬 이온들 및/또는 리튬 금속 층으로 합금할 수 있다. 게이트 층들의 구조는, 느슨하게 패킹된 격자(loosen-packed lattice)를 통해 형성된 많은 기공으로 인해 게이트 층의 볼륨이 팽창하도록 원래 상태로부터 미립자의 합금-머드 상태로 점차 전이된다. 전기-화학적 반응 경로는 합급된 게이트 층을 통해 리튬 이온들 및 리튬 금속 층에 제공될 수 있다. 또한, 리튬 금속 전극은, 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬-기반 배터리를 형성하게끔 종래의 캐소드 전극에 조립될 수 있다.
본 발명은, 배터리 시스템을 위한 리튬 금속 전극으로, 리튬 금속 전극은, 복수의 홀들을 갖는 제1 집전층(current collector layer); -상기 각각의 홀들은 개구를 갖음-. 상기 개구를 커버하고, 적어도 리튬 이온 또는 리튬 금속과 비가역적으로 합금할 수 있는 금속 재료를 포함하는 복수의 게이트 층들; 및 - 상기 게이트 층은 비가역적 합금 반응 후에 미립자 합금-머드 상태로 전이됨-. 제1 집전층 및 게이트 층들을 통해 커버되는 전기-화학적 반응 면(side)을 갖는 리튬 금속층; 을 포함하며, 상기 리튬 금속 전극은 배터리 시스템에 적용되기 전에 정상조건에서 저장되고 작동(stored and operated)된다.
추가로 본 발명은, 배터리 시스템을 위한 리튬 금속 전극으로, 리튬 금속 전극은, 복수의 홀들을 갖는 제1 집전층(current collector layer); -상기 각각의 홀들은 개구를 갖음-. 상기 개구를 커버하고, 적어도 리튬 이온 또는 리튬 금속과 비가역적으로 합금할 수 있는 금속 재료를 포함하는 복수의 게이트층들; -상기 게이트 층은 비가역적 합금 반응 후에 미립자 합금-머드 상태로 전이됨-. 제1 집전층 및 게이트 층들을 통해 커버되는 상부 및 하부 전기-화학적 반응 면을 갖는 리튬 금속층; 및 리튬 금속 전극의 에지를 밀봉하는 패키지 유닛; 을 포함하며, 상기 리튬 금속 전극은 배터리 시스템에 적용되기 전에 정상조건에서 저장되고 작동(stored and operated)된다. 또한, 리튬 금속 전극을 포함하는 배터리 시스템에서, 배터리 시스템은, 리튬 금속 전극은 두개의 제1 전극을 통해 샌드위치되며; 각각의 제1 전극은, 활성 재료 층; 활성 재료 층의 한쪽 면에 배치되는 제2 집전층; 및 활성 재료 층의 다른쪽 면에 배치되는 분리층을 포함한다.
본 발명의 추가 적용 범주는 이하의 상세 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 상세 설명 및 특정 실례는, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 한편, 단지 예시로서 주어진 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 사상 및 범주 내에서 다양한 변형 및 수정은 상세 설명으로부터 당업자에게는 명백해질 것이다.
본 발명의 리튬 금속 전극은, 매질의 조건하에서 리튬 이온들 및/또는 리튬 금속 층과 합금할 수 있는 게이트 층을 지니며, 리튬-기반 배터리를 형성하게끔 종래의 캐소드 전극(cathode electrode)에 조립될 수 있는, 높은 에너지 밀도를 갖는 배터리 시스템을 생산할 수 있다.
본 발명은, 본 발명을 제한하지 않으며, 단지 하기의 예시로 주어진 상세 설명으로부터 완전하게 이해될 것이다.
도 1a, 1b, 1c 및 1d 는 본 발명의 리튬 금속 전극을 도시한다.
도 2a는 도 1a 에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 2b는 도 1b 에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 2c는 도 1c 에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 2d는 도 1d 에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 3a, 3b, 3c 및 3d 는 본 발명의 이온 전도층을 더 포함하는 리튬 금속 전극을 도시한다.
도 4a는 도 3a에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 4b는 도 3b에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 4c는 도 3c에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 4d는 도 3d에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 5a, 5b, 및 5c 는 본 발명의 리튬 금속 전극을 도시한다.
도 5d는 본 발명의 이온 전도층을 더 포함하는 리튬 금속 전극을 도시한다.
도 6a는 도 5a 에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 6b는 도 5b 에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 6c는 도 5c 에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 6d는 도 5d 에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 7a, 7b 및 7c는 본 발명의 리튬 금속 전극을 도시한다.
도 8a는 도 7a에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 8b는 도 7b에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 8c는 도 7c에 따라 합금된 게이트 층을 도시한다.
도 9a는 본 발명의 리튬 금속 전극을 포함하는 셀(cell)을 도시한다.
도 9b는 본 발명의 리튬 금속 전극의 패키지(package)를 도시한다.
본 발명은, 순수 리튬 금속을 포함하지만, 극도로 통제된 환경 대신에 정상적인 조건하에서 여전히 저장(축적)될 수 있고 작동될 수 있는 리튬 금속 전극을 제공하기 위한 것이다. 높은 에너지 밀도 및 높은 안전성을 갖는 배터리 시스템은 종래의 캐소드 전극에 리튬 금속 전극의 조립을 통해 형성될 수 있다. 본 발명의 리튬 금속 전극은, 리튬 금속 층(lithium metal layer), 복수의 게이트 층들(gate layers) 및 집전층(current collector layer)을 포함한다. 집전층은, 복수의 홀들(holes)을 갖는다. 게이트 층들은 홀들에 대응하여 배치된다. 리튬 금속 층 및 게이트 층들은 대응한다. 리튬 금속 층은, 게이트 층들에 인접하여 배치될 수 있거나 게이트 층들로부터 떨어져서(away from) 배치될 수 있다. 리튬 금속 층이 게이트 층들에 인접하여 배치되므로, 리튬 금속 층은 게이트 층에 더 접촉하거나 접촉하지 않는다. 매질의 첨가를 통해서, 게이트 층들이 합금되고 리튬 금속 층이 산화-환원 반응을 진행될 수 있도록 반응 경로들(reaction paths)이 형성된다. 또한, 본 발명의 리튬 금속 전극은 높은 에너지 밀도를 갖는 배터리 시스템을 형성하게끔 종래의 캐소드 전극에 용이하게 조립될 수 있다.
도 1a 및 2a 를 참조하면, 도 1a 는 본 발명의 리튬 금속 전극을 도시하며; 도 2a 는 도 1a에 따라 리튬 금속 전극의 합금된 게이트 층을 도시한다.
리튬 금속 전극(10A)의 부분 단면도에서, 도 1a를 참조하면, 리튬 금속 층(12)은 바닥(최저부)에 배치되며, 리튬 금속의 전기-화학적 반응 면(S)이 집전층 및 게이트 층에 의해 커버된다. 복수의 홀들(H)을 갖는 집전층(14)은 리튬 금속 층(12)에 인접하여 배치된다. 리튬 금속 층(12)로부터 떨어져서, 게이트 층(142)이 리튬 금속 층(12)과 접촉하지 않고 홀들(H)의 개구들(O)상에 배치되어 집전층(14)의 표면을 부분적으로 커버한다.
리튬 금속 전극(10A)의 구조에 기초하여, 리튬 금속 전극(10A)이 배터리 시스템(미도시 됨)에 적용될 때, 리튬 금속 전극(10A)은 캐소드 전극(cathode electrode)에 조립될 수 있는 애노드 전극(anode electrode)일 수 있다. 배터리 시스템의 전기-화학적 반응이 발생하기 전에, 그때 게이트 층(142)의 구조가 안정되고 양호한 형태가 되도록, 게이트 층들(142)은 리튬 이온들 및 리튬 금속과 반응하지 않는다. 따라서, 리튬 금속 층(12)은 매질로부터 집전층(14) 및/또는 게이트 층(142)의 보호하에 있다. 한편, 리튬 금속 층(12)은 처리과정 동안 더 높은 온도 및 더 높은 압력을 겪는다. 배터리 시스템의 전기-화학적 반응이 발생하면, 즉 캐소드 및 애노드 전극 사이에 전압구배(voltage gradient)가 존재하여, 매질 및 캐소드 전극을 통해 제공되는 리튬 이온들은 충전 조건하에서 캐소드 전극으로부터 리튬 금속 전극(10A)으로 이동을 시작한다. 리튬 합금들은 리튬 금속 전극(10A)의 게이트 층들(142)과 반응하는 리튬 이온들 및/또는 리튬 금속을 통해 형성된다. 게이트 층들(142)의 결정 격자(crystal lattices)는 합금화 반응 처리과정 및 반응 기간(시간)에 증가에 의해 점차 파괴(분해)되어, 게이트 층들(142)의 결정 격자는 불규칙(무질서)한 머디 합금 재료들(disorderly muddy alloyed materials)로 변형된다. 게이트 층들(142) 및 리튬 이온들의 합금화 반응을 유지하고 처리함으로서, 점점 더 많은 머디 합금 재료들이 형성될수 있으며 머디 합금 재료들(muddy alloyed materials)이 매질(medium)(전해질과 같은)를 통해 홀들(H)에 채워진다. 마침내, 많은 전기-화학적 반응 경로들이, 매질을 흡수한(soaking) 머디 합금 재료들 내부의 미세 기공을 통해, 홀들(H) 내부에 형성되어서, 리튬 금속 층(12)은 매질에 침지(immerged)된다. 리튬 금속 층(12)이 매질에 침지되면, 리튬 금속 전극(10A)의 집전층(14) 및 게이트 층들(142)의 전위(potentials)는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 리튬 금속 층(12)의 전위에 가까워 진다. 위에서 언급된 매질은 액체상 전해질, 고체상 전해질, 겔-타입 전해질, 액체 이온 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 만들어진다.
더 엄밀히 말하면, 캐소드 및 애노드 전극 사이에 전압 구배가 존재하지 않으므로, 배터리 시스템 내부의 화학 반응을 위한 원동력(driving force)이 없으며, 즉 게이트 층들(142)은 리튬-기반 매질과 반응하지 않는다. 배터리 시스템이, 실례로서 처음으로 충전을 취하는, 즉 실례로서 형성(formation)을 취하는 충전 조건하에 있으면, 게이트 층들(142)은, 매질을 통해 리튬 합금을 형성하기 위해 단지 리튬 이온들 및/또는 리튬 금속과 반응하며, 게이트 층들(142) 및 리튬 금속 층(12) 사이에 접촉이 없기 때문에 리튬 금속 층(12)과 반응하지 않는다. 처음에, 리튬 합금은 게이트 층들(142) 및 매질의 경계면(interface)에 형성된다. 반응 기간이 증가함에 의해, 대부분의 게이트 층들(142)은 리튬 합금을 형성하기 위해 리튬 이온들 및/또는 리튬 금속과 반응하며, 게이트 층들(142)의 결정 격자들은 파괴되어 구조가 무질서한 합금 머드(disorder alloy mud)로 변형된다. 머디 리튬 합금(muddy lithium alloys)은, 매질이 리튬 합금을 통해 리튬 금속 층(12)의 표면에 도달할 수 있도록, 집전층(14)의 홀들(H)을 채운다. 명백하게, 리튬 합금을 형성하기 위해 게이트 층들(142)의 일정량이 파괴되지 않으면, 배터리 시스템 내부의 이온들 및 전자들은 교환될 수 없다. 다른 한편으로는, 충전 및 방전의 형성 또는 연계시간 후에, 합금화 반응이 매질로부터 리튬 금속 층(12)을 더 이상 분리시키지 않기 때문에 게이트 층들(142)은 파괴된다. 매질은, 홀들(H) 내부에 채워진 파괴된 게이트 층들(142)(즉, 리튬 합금)을 거쳐 흡수되어 리튬 금속 층(12)에 도달할 수 있다. 매질과 접촉한 리튬 금속 층(12)은 배터리 내부에서의 전기-화학적 반응을 진행하기 시작한다. 따라서, 합금화 과정은 비가역적이며, 즉, 무질서한 합금 재료들을 형성하기 위해 게이트 층들(142)의 금속 재료들이 파괴되면, 위에서 언급된 반응을 반전시킬 방법이 없다. 그러므로, 합금화 반응(alloying reaction) 전에, 게이트 층들(142)은, 금속(metal) 및/또는 비금속(반금속)(metalloid)의 형태의 매질을 포함하는 어떤 것과 접촉으로부터 리튬 금속 층(12)을 보호할 수 있다. 합금화 반응 후에, 게이트 층들(142)의 구조는 파괴되며 리튬 합금(lithium alloys)이 형성된다. 그 이후에, 합금 게이트 층들(12)이 원래 게이트 층들(142)를 대신한다.
리튬 금속 층(12)의 기능 중 하나는, 게이트 층들(142)의 전위를 리튬 금속 층(12)의 전위에 가깝게 유지되게 만드는 것인데, 즉, 게이트 층들(142)의 전위를 리튬 금속 형성의 전위인 상대 0 볼트(relative 0 volt)에 가깝게 만드는 것이다. 이런 조건하에서, 리튬 이온들 및 게이트 층들(142)를 통해 형성된 리튬 합금의 구성은 훨씬 더 정교하고 균일(delicate and uniform)할 수 있다.
개구들(O)을 커버하는 실시예 이외에도, 게이트 층들(142)은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 홀들(H)을 더 채울 수 있다. 합금된 게이트 층들(142)이 도 2b에 도시되어 있다. 위에서 언급된 실시예 이외에도, 게이트 층들(142)은, 도 1c에 도시된 바와 같이, 홀들(H)을 완전히 채울 수 있다. 합금된 게이트 층들(142)이 도 2c에 도시되어 있다. 비록 이들 실시예들의 게이트 층들(142)이 리튬 금속 층(12)과 어떠한 접촉도 없는 것으로 보이지만, 실제, 게이트 층들(142)은 리튬 금속 층(12)과 접촉할 수 있다. 이전의 실시예에서, 집전층(14)의 홀들(H))은 관통 홀들(through holes)로서 도시되어 있으나, 도 1d에 도시된 바와 같이, 홀들(H)은 막힌 홀들(blind holes)일 수 있다. 합금된 게이트 층들(142)이 도 2d에 도시되어 있다. 리튬 금속 층(12)은 집전층(14)의 하나의 표면을 완전히(전부) 또는 부분적으로 커버할 수 있다. 예를 들어, 홀들(H)은, 관통 홀들이므로 리튬 금속 층(12)이 개구들(O)을 커버할 수 있으며, 대응하는 게이트 층들(142)이 개구들(O)을 커버하여 홀들(H)을 채우고 또는 단지 홀들(H) 만 채운다.
과-충전 또는 과-방전으로 리튬 이온들이 집전층(14)으로 이동하기 전에 집전층(14)의 외부 표면 상에 리튬의 증착을 피하기 위해서 뿐만 아니라 집전층(14)의 외부 표면 상에 발생하는 전기도금 반응을 피하기 위해, 집전층(14)을 전기적으로 분리(격리)하게끔 리튬 금속 층(12)으로부터 떨어져 있는 여러개의 분리(격리)영역들(A)이 집전층(14)의 외부 표면 상에 배치된다. 분리영역들(A)은 전기적으로 분리(격리)되어 있다. 분리영역(A)은 층 구조의 형태 및 /또는 전기적 분리 특성(electrical isolating property)을 갖게 처리된 표면일 수 있다.
집전층(14)은 구리, 니켈, 철, 아연, 티타늄, 은, 금 및/또는 임의의 리튬-합금가능하지 않은 재료들(lithium-unalloyable materials)로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 만드는데, 즉 재료들은 리튬 이온 및/또는 리튬 금속과 합금할 수 없다. 게이트 층들(142)의 재료는 금속 재료 및/또는 비금속 재료(metalloid material)로 만들어질 수 있으며, 적어도 한 종류의 재료는 리튬 이온 및/또는 리튬 금속과 합금할 수 있는데, 즉, 게이트 층(142)은 적어도 한 종류의 리튬-합금가능한 재료를 포함한다. 리튬-함금 가능한 재료 이외에, 게이트 층(142)은 리튬 이온 및/또는 리튬 금속과 반응할 수 없는 적어도 한 종류의 재료를 더 포함한다. 게이트 층(142)의 모든 재료들은 비-합금 재료 또는 합금 재료로서 존재할 수 있다. 예를 들어, 비-합금 재료(non-alloyed material)는 패턴 증착(patterned deposition), 스퍼터링(sputtering) 및/또는 전기도금(electroplating)을 통해 형성될 수 있다. 게이트 층(142)의 리튬-합금가능한 재료(lithium-alloyable material)는 알루미늄, 합금 알루미늄, 주석, 합금 주석, 실리콘, 합금 실리콘(alloyed silicon) 또는 리튬과 합금할 수 있는 임의의 재료로 만든다. 리튬-합금가능한 재료들의 함유량은 0.1% 이상이며; 게이트 층(142)의 나머지 성분들은, 리튬 이온 및/또는 리튬 금속과 합금할 수 없는 리튬-합금 가능하지 않은 재료들이다.
리튬-합금 가능하지 않은 재료들은 구리, 니켈, 철, 티타늄, 아연, 은, 금 및/또는 임의의 리튬-합금가능하지 않은 재료들로 만든다. 예를 들어, 게이트 층들(142)이 Ni-Sn과 같은 이중-합금(dual-alloy)으로 만들어지는데, Sn은 리튬 이온 및/또는 리튬 금속과 합금할 수 있고, Ni는 리튬 이온 및/또는 리튬 금속과 합금할 수 없으며 Sn의 함유량은 0.1% 이상이다.
도 1a 내지 도 1d 및 도 2a 내지 도 2d에 따라, 리튬 금속 층은 게이트 층들로부터 떨어져서 배치되어 있다. 뒤 이은 도면들, 도 3a 내지 도 3d, 도 4a 내지 도 4d, 도 5a 내지 도 5d 및 도 6a 내지 도 6d 는 리튬 금속 층이 게이트 층에 인접하게 배치된 실시예들을 도시한다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하여, 게이트 층들에 인접하게 배치된 리튬 금속 층의 실시예들이 도시되어 있다. 리튬 금속 전극(10B)은 리튬 금속 층(12), 복수의 게이트 층들(142) 및 집전층(14)을 포함한다. 집전층(14)은 복수의 홀들(H)을 갖는다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 게이트 층들(142)은, 리튬 금속 층(12)에 인접한 홀들(H)의 개구들(O)을 커버한다. 도 3b는 개구들(O)을 커버하고 홀들(H)을 더 채우는 게이트 층들(142)을 도시하는데, 개구들(O)은 리튬 금속 층(12)에 인접해 있다. 도 3c에서, 리튬 금속 층(12)에 인접하게 배치되는 게이트 층들(142)은 개구들(O)을 커버하지 않고 홀들(H)을 채우므로 게이트 층들(142)은 집전층(14)의 표면을 커버하지 않는다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 리튬 금속 층(12)은 집전층(14)의 표면을 부분적으로 또는 완전히 커버한다. 또한 전도층(16)은, 상기 실시예들에 적용될 수 있는데, 도 3d에 도시되어 있다. 도 4a 내지 4d 는 도 3a 내지 3d에 따라 합금된 게이트 층들(142)을 도시하고 있으며, 리튬 금속 층(12), 집전층(14), 게이트 층들(142), 이온 전도층(14.ionic conductiong layer) 및 분리영역(isolation region)(미 도시됨)이 위에서 언급된 바와 같이 개시되어 있다.
집전층의 홀들/개구들에 대한 게이트 층들 및 리튬 금속 층의 다양한 상대 위치 뿐 아니라 게이트 층들에 대한 리튬 금속 층의 다양한 상태 위치에 따라, 위의 도면들에 나타난 실시예들은, 게이트 층들에 대한 리튬 금속 층의 상이한 상대 위치로서 집전층의 홀들/개구들에 대한 게이트 층들의 다양한 위치를 예시한다. 다음 도면들 5a 내지 5c에는, 홀들에 채워진 게이트 층들로서 집전층의 홀들/개구들에 대한 리튬 금속 층의 다양한 위치를 보여주는 실시예들이 도시되어 있다. 홀들에 채워진 게이트 층들의 실례 이외에도, 리튬 금속 층의 이런 실시예는 또한 게이트 층들, 이온 전도층 및 분리영역의 상이한 시행들(implements)에 적용할 수 있다.
도 5a 에서, 리튬 금속 전극(10C)은 리튬 금속 층(12), 복수의 게이트 층들(142) 및 집전층(14)을 포함한다. 집전층(14)은 게이트 층들(142)이 배치되는 복수의 홀들(H)을 갖는다. 게이트 층들(142)에 인접하는 리튬 금속 층(12)은 홀들(H)들의 개구들(O)을 커버한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 홀들(H)의 내부에 배치된 게이트 층들(142)에 인접한 리튬 금속 층(12)은, 개구들(O)을 커버하며 홀들(H)을 더 채운다. 리튬 금속 층(12)은 홀들(H)을 채우며 홀들(H) 내부의 게이트 층들(142)에 인접한다. 이러한 실시예들을 위해, 리튬 금속 층은 게이트 층과 접촉하지 않는데; 그러나 게이트 층들에 인접하는 리튬 금속 층의 그러한 실례에서, 리튬 금속 층은 게이트 층들과 접촉할 수도 있다. 도 5d에서, 이온 전도층(16)을 포함하는 리튬 금속 전극(10C)이 도시되어 있다. 도 5a 내지 도 5d에 따라, 도 6a 내지 도 6d는 리튬 금속 전극의 합금 게이트 층들을 도시한다.
하기에서, 이온 전도층의 더 성세한 설명이 개시된다. 도 7a 및 8a를 참조한다. 도 7a는 본 발명의 리튬 금속 전극을 도시하며; 도 8a는 도 7a에 따라 리튬 금속 전극의 합금된 게이트 층을 도시한다.
도시된 리튬 금속 전극(10A)는 리튬 금속 층(12), 집전층(14), 여러개의 게이트 층들(142) 및 이온 전도층(16,ionic conducting layer)을 포함한다. 이온 전도층(16)은 리튬 금속 층(12) 및 집전층(14)(게이트 층들(142)을 포함하는) 사이에 배치된다. 사실상, 이온 전도층(16)은 리튬 금속 층(12), 집전층(14) 및 게이트 층들(142)와 접촉하나, 실질적으로 리튬 금속 층(12) 및 집전층(14)과 접촉한다. 이온 전도층(16)은 다공성 구조(porous structure), 격자 구조(grid structure), 로드 구조(rod structure) 또는 그것들의 조합의 형태이다. 도 7a에서, 이온 전도층(16)은 리튬 금속 층(12) 및 집전층(14)과 접촉한다. 리튬 금속 전극(10A)의 구조는 리튬 금속 층(12), 이온 전도층(16), 개구들(O)에 배치된 게이트 층(142) 및 집전층(14)을 포함한다. 리튬 금속 층(12), 집전층(14) 및 게이트 층(142)의 특성은 위에서 개시되었다. 이온 전도층(16)의 특성은 이하에서 개시될 것이다.
무엇보다도, 이온 전도층(16)은, 리튬 금속 층(12), 집전층(14) 및 게이트 층(142)의 사이에 배치되기 때문에, 명백하게도, 이온 전도층(16)의 주요 기능은, 리튬 금속 층(12), 집전층(14) 및 게이트 층들(142) 사이에 양호한 이온 전도도(ionic conductivity)를 제공하는 것이다. 한편으로, 이온 전도층(16)의 전기 전도도(electrical conductivity)는 리튬 금속 층(12), 집전층(16) 및 게이트 층(142) 사이의 전기 전도성을 유지하거나 더욱 향상시키기에 충분해야 한다. 이온 전도층(16)의 이온 전도성 능력은 재료 본래의 특성을 기초로 할 수 있으며 액체상 전해질, 고체상 전해질, 겔-타입 전해질, 액체 이온 및/또는 이들의 조합을 기초로 한 재료와 같은 전해질 재료를 지닌 기공 자체를 기초로 할 수 있다. 이온 전도층(16)의 이온 전도성 능력과 비교하여, 전도 전도성 능력은 이온 전도층(16) 그 자체로 실행될 수 없다. 예를 들어, 전기 전도성 능력은 전기 전도성 재료로서 이용(제공)된 합금된 게이트 층들(142)을 통해 실행될 수 없다. 이것은 합금화 반응 후에, 집전층(14) 및 리튬 금속 층(12)이 전기적으로 연결되게 만들기 위해 게이트 층들(142)이 이온 전도층(16)의 기공을 채우도록 게이트 층들(142)의 격자들은 느슨해지고 볼륨은 팽창되기 때문이다. 게다가, 이온 전도층(16)은 리튬 금속 층(12)과 접촉하므로 이온 전도층(16)은 임의의 조건 하에서 리튬 금속 층(12)과 합금할 수 없다. 도 7a에서, 공핍층(162,depletion layer)은, 양 단부에 게이트 층들(142) 및 이온 전도층(16)을 갖는 개구(O) 내부에 배치된다. 공핍층(162)은, 배터리 시스템의 전기-화학적 반응이 발생하기 전에 빈 공간이다. 또는, 공핍층(162)은. 액체상 전해질, 고체상 전해질, 겔-타입 전해질, 액체 이온 등과 같은 전해질로 채워진다. 따라서, 전기-화학적 반응이 발생함으로서, 게이트 층(142)을 통해 형성된 머디 합금 재료들 및 리튬 이온들은 점차 공핍층(162)을 채우고 추가로 이온 전도층(16)도 채운다. 즉, 전기-화학적 반응이 발생한 후에, 공핍층(162) 및 이온 전도층(16) 양자의 전기 전도도는, 머디 합금 재료들 및/또는 전해질의 필러들(fillers)을 통해 제공될 수 있거나 향상될 수 있다. 그러므로, 리튬 금속 층(12), 집전층(14) 및 게이트 층(142)은 전기 및 이온 전도성일 수 있다. 그 구조가 도 8a에 도시되어 있다. 이온 전도층(16)은, 그 자체로 전도성 재료들을 함유하기에 전기적 전도성 일 수 있다. 또한, 이온 전도층(16)은, 합금 게이트 층(142)을 통해 형성된 머디 합금 재료들이 채워 진 후에 전기적 전도성 일 수 있다. 세라믹 재료, 폴리머 재료, 액체상 전해질, 고체상 전해질, 겔-타입 전해질, 액체이온 이외에, 이온 전도층(16)은 이온 전도층(16)의 기공을 지닌 위에서 언급된 모든 재료들의 조합 또는 전도성 재료로 만들어질 수 있으며, 전도성 재료는 그라파이트(graphite), 그라핀(graphene), 카본 입자(carbon particles), 카본 튜브(carbon tube), 금속 입자 및/또는 전도 재료(conducting material)로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 이온 전도층(16)의 기공을 지닌 재료들의 조합은, 패턴 증착, 스퍼터링 및/또는 전기도금을 통해 금속/비금속/합금된 전도성 재료 상에 금속 박막(thin metal film)을 형성하는 시행들을 더 포함한다. 세라믹 재료는 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물 또는 산 금속(acidized metal)(예컨대, 금속 인산염) 기타 등등을 포함한다. 이온 전도층(16)의 많은 기공들 덕분에, 기공들은 이온 이동 통로로서 이용된다. 한편으로, 기공들은 집전층(14) 및 리튬 금속 층(12)을 위한 전기적 통로로서 이용되는 팽창 볼륨(swelling volume)을 갖는 합금된 게이트 층들(142)을 통해 채워진다.
또한, 게이트 층(142)의 대응 위치에서, 이온 전도층(16)은, 도 7b에 도시된 바와 같이, 리튬 금속 전극(10A)의 집전층(14)의 개구들(O)의 다른 단부를 부분적으로 채운다. 이온 전도층(16)은 리튬 금속 층(12) 및 게이트 층(142)과 접촉한다. 배터리 시스템의 전기-화학적 반응이 발생한 후에, 게이트 층(142)을 통해 형성된 머디 합금 재료들 및 리튬 이온들이 점차 이온 전도층(16)을 채워서, 전기 전도성을 제공하기 위해, 도 8b에 도시된 바와 같이, 리튬 금속 층(12)과 접촉한다.
도 7c에 도시된 리튬 금속 전극(10A)의 이온 전도층(16)은 로드 구조(rod structure)의 형태이다. 이 실시예에 도시된 이온 전도층(16)은 집전층(14) 및 리튬 금속 층(12)을 완전히 커버할 수 없다. 이온 전도층(16)은, 리튬 금속 층(12)에 대면하는 집전층(14)의 표면 상에 균등하게 형성될 수 있으며, 즉 이온 전도층(16)은 집전층(14)의 홀들/개구들로부터 떨어져서 형성될 수 있다. 이온 전도층(16)의 재료는 금속 재료, 합금 재료, 및/또는 전도성 카본 재료와 같은 전도성 재료로부터 단지 선택될 수 있다. 또는 이온 전도층(16)의 재료는, 전기 전도성을 향상시키기 위해, 전도성 재료의 조합, 폴리머 재료 및 이온 전도층(16)의 기공들일 수 있으며, 이온 전도층(16)의 기공들을 지닌 재료들의 조합은 패턴 증착, 스퍼터링 및/또는 전기도금을 통해 금속/비금속/합금된 전도성 재료 상에 금속 박막을 형성하는 시행들을 더 포함한다. 로드-형상의 이온 전도층(16)은 다공성 구조이어서 이온 전도층(16)의 기공들(pores)은 이온 이동 경로로서 이용될 수 있다. 한편으로, 이온 전도층(16)의 단부는 리튬 금속 층(12)과 접촉하므로 리튬 금속 층(12)은 다른 층들과 전기적으로 접촉할 수 있다. 전기-화학적 반응이 발생함으로, 게이트 층(142)을 통해 형성된 머디 합금 재료들 및 리튬 이온들은 로드 이온 전도층(16)의 기공을 채워서, 도 8c에 도시된 바와 같이, 리튬 금속 층(12)과 접촉한다.
이온 전도층(16)의 전기 전도성 능력은 금속 재료, 합금 재료들 및 전도성 카본 재료들의 성분을 통해서 또는 합금 게이트 층들(142)을 통해 형성된 머디 합금 재료들을 통해서 수행될 수 있으며, 전도성 카본 재료들은 그라파이트, 그라핀, 카본 입자들, 카본 튜브, 금속 입자들 등을 포함한다. 또한, 리튬 금속 층(12) 및 집전층(14) 사이에 형성된 리튬 수지상 조직(lithium dendrites)을 통해 이온 전도층(16)의 전기 전도성 능력을 더 제공할 수 있다. 위에서 언급한 일부 또는 모든 구조는 이온 전도층(16)의 전기 전도성 능력을 실현시키위해 선택적으로 결합될 수 있다. 리튬 금속 전극(10A)의 전위로서 형성되는 리튬 수지상 조직은 상대적 0 볼트에 가깝다. 이런 조건하에서, 집전층(14)의 전위는 리튬 금속의 형성 전위인 리튬 금속 층(12)의 전위에 가깝기에 리튬 이온들은 집전층(14)의 표면에 증착된다. 즉, 리튬 수지상 조직은, 집전층(14)의 이온 전도층(16)에 인접한 표면으로부터 리튬 금속 층(12)을 향해서 형성되게끔 시작한다. 이온 전도층(16)의 기공들 내부에 형성된 리튬 수지상 조직이 리튬 금속 층(12)과 접촉할 때까지, 다공성 리튬-기반 이온 전도층(16)은 리튬 금속 층(12) 및 집전층(14) 사이에 형성된다. 즉, 리튬 금속 층(12) 및 집전층(14) 사이에 형성된 리튬 수지상 조직은 이온 전도층(16)의 일부이며, 도 7c에 도시된 유사한 구조를 갖는다. 종래의 배터리 시스템과 비교하면, 리튬 수지상 조직의 형성은 분리기의 손상을 초래할 것인데, 이는 내부 결핍(internal shortage)으로 이어져서 배터리 시스템에 유해하다. 그러나, 본 발명의 리튬 수지상 조직은 리튬 금속 층(12) 및 집전층(14) 사이에 형성되므로 손상이 만들어지지 않는다. 반대로, 리튬 수지상 조직의 형성은 리튬 금속 층(12) 및 집전층(14) 사이의 전기 전도성 능력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 배터리 시스템의 내부 저항을 감소시킬 수 있다.
도 9a에는, 본 발명의 리튬 금속 전극을 포함하는 셀(cell)이 도시되어 있는데, 여기에서 리튬 금속 전극(10A)은 도 7a에 도시된 실시예를 기초로 한다.
배터리 셀(BC)은 두개의 제1 전극(20) 및 하나의 제2 전극(10A)를 포함한다. 각각의 제1 전극(20)은 활성 재료 층(22,active material layer), 제1 집전층(24) 및 분리 층(26,separator layer)을 갖는다. 제1 집전층(24)은 활성 재료 층(22)의 한쪽 면에 배치되고, 분리 층(26)은 활성 재료 층(22)의 다른쪽 면에 배치되는데, 즉, 활성 재료 층(22)은 제1 집전층(24) 및 분리 층(26)을 통해서 샌드위치된다. 제2 전극(10A)은 두개의 제1 전극(20)을 통해 샌드위치된다. 제2 전극(10A)은, 홀들(H)을 갖는 제2 집전층(14), 홀들(H)의 개구들(O)의 단부에 배치되는 복수의 게이트 층(142), 이온 전도층(16), 리튬 금속 층(12), 이온 전도층(16), 홀들(H)을 갖는 제2 집전층(14) 및 홀들(H)의 개구들(O)의 단부에 배치되는 게이트 층(142)의 순서로 포함한다. 즉, 제2 전극(10A)의 두개의 면들 상의 제2 집전층(14)은 두개의 제1 전극들(20)의 분리 층(26)에 대응하여 인접한다.
도 9b에서, 본 발명의 리튬 금속 전극의 패키지를 도시한다. 패키지 유닛(30,package unit)은 제2 전극(10A)의 에지를 밀봉하도록 작용하여서 밀봉된 제2 전극(10A)는 정상적인 환경에 노출될 수 있다. 패키지 유닛(30)은 수분-차단 재료, 가스-차단 재료 또는 그것들의 조합으로 만들어지며; 패키지 유닛(30)의 구성은 아마도 프레임과 같은 임의의 형태이다. 패키지 유닛(30)은 단일-층 실리콘 프레임(single-layer silicon frame) 또는 다중-층 실리콘 프레임(multi-layer silicon frame)일 수 있다. 이 실시예에서, 패키지 유닛(30)은 세개-층 실리콘 프레임 이다. 그러나, 패키지 유닛(30)은 제2 전극(10A)에 대해 필수 요소는 아니다. 예를 들면, 패킹 전에, 제1 전극(20)을 제2 전극(10A)에 먼저 조립한다.
분리 층(26,separator layer)을 통해 매질(예컨대, 전해질)을 흡수한(soaks) 제1 전극(20)은, 배터리 셀(BC)이 형성되게끔 적절한 처리과정(얘컨대, 고온 프레싱)을 통해 제2 전극(10A)에 조립된다. 일단 배터리 셀(BC)이 충전되기 시작하면, 매질은 제1 전극(20)으로부터 제2 전극(10A)로 흐르게 되어 많은 양의 리튬 이온들이 제2 전극(10A)을 향해서 이동한다. 리튬 이온들은 집전층(14)의 개구들(O)로 이동하여 게이트 층들(142)에 도달한다. 게이트 층들(142)은 합금되기 시작하여 점차적으로 점점 더 많은 머디 합금 재료들이 형성된다. 따라서, 제2 집전층(14), 게이트 층들(142) 및 이온 전도층(16)의 전위는 리튬 금속 층(12)의 전위에 가까워지는데, 즉, 전체 제2 전극(10A)의 전위는 상대 0 볼트에 가깝게 된다.
여러번의 충전 및 방전 후에, 여러번의 합금 및 비합금 반응(alloying and dealloying reactions)이 발생했다. 매질의 리튬 이온들의 일부 손실이 있을 것이다. 리튬 이온들을 잃는 일부 이유는 일부 불완전하게 환원된 합금 게이트 층들이 매질에서 해리되거나 일부 리튬 수지상 조직(lithium dendrites)이 형성되기 때문일 것이다. 그러므로, 배터리 시스템의 성능을 향상시키기 위해 리튬 금속 층(12)의 리튬 이온들은 홀들(H) 내부에 채워진 머디 합금 재료들을 통해 배터리 셀로 계속해서 피드백될 수 있다.
기술된 본 발명은 다양한 방법으로 변형될 수 있음이 명백하다. 이러한 변형들은 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 것으로 간주되며, 모든 이러한 수정들은 하기 청구항의 범주 내에 포함되게 의도되는 것은 당업자에게는 명백하다.

Claims (25)

  1. 배터리 시스템을 위한 리튬 금속 전극에 있어서,
    복수의 홀들을 갖는 제1 집전층(current collector layer); -상기 각각의 홀들은 개구를 갖음-.
    상기 개구를 커버하고, 적어도 리튬 이온 또는 리튬 금속과 비가역적으로 합금할 수 있는 금속 재료를 포함하는 복수의 게이트 층들; 및 - 상기 게이트 층은 비가역적 합금 반응 후에 미립자 합금-머드 상태로 전이됨-.
    제1 집전층 및 게이트 층들을 통해 커버되는 전기-화학적 반응 면(side)을 갖는 리튬 금속층; 을 포함하며,
    상기 리튬 금속 전극은 배터리 시스템에 적용되기 전에 정상조건에서 저장되고 작동(stored and operated) 되는, 리튬 금속 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    게이트 층은 개구를 더 커버하는, 리튬 금속 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    게이트 층은 홀을 더 커버하고 채우는, 리튬 금속 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    게이트 층은 홀을 더 채우는, 리튬 금속 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    게이트 층은 제1 집전층을 부분적으로 커버하는, 리튬 금속 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    홀들은 적어도 하나의 관통 홀들 및 막힌 홀들 인, 리튬 금속 전극.
  7. 제6항에 있어서,
    홀들은 리튬 금속층을 통해 더 커버되는, 리튬 금속 전극.
  8. 제6항에 있어서,
    홀들의 개구들은 리튬 금속층을 통해 더 커버되고 채워지는, 리튬 금속 전극.
  9. 제6항에 있어서,
    홀들의 개구들은 리튬 금속층을 통해 더 채워지는, 리튬 금속 전극.
  10. 제6항에 있어서,
    제1 집전층은 리튬 금속층을 통해 완전히 더 커버되는, 리튬 금속 전극.
  11. 제1항에 있어서,
    게이트 층들은 리튬 금속층에 인접하게 배치되어 리튬 금속층과 더 접촉하지 않거나 접촉하는, 리튬 금속 전극.
  12. 제1항에 있어서,
    게이트 층들은 리튬 금속으로부터 떨어져서 배치되는, 리튬 금속 전극.
  13. 제1항에 있어서,
    리튬 금속층에 인접하게 배치되는 이온 전도층을 더 포함하며, 상기 이온 전도층은 리튬 금속 층과 합금 반응(alloy reaction)하지 않는, 리튬 금속 전극.
  14. 제13항에 있어서,
    이온 전도층은 제1 집전층과 적어도 부분적으로 접촉하거나, 리튬 금속층과 적어도 부분적으로 접촉하거나, 게이트 층들과 적어도 부분적으로 접촉하거나, 그것들의 조합과 부분적으로 접촉하는, 리튬 금속 전극.
  15. 제13항에 있어서,
    이온 전도층은 더욱 더 전기 전도성 인, 리튬 금속 전극.
  16. 제13항에 있어서,
    이온 전도층은 다공성 구조, 격자 구조, 로드 구조 또는 그것들의 조합의 형태인, 리튬 금속 전극.
  17. 제13항에 있어서,
    이온 전도층은 세라믹 재료, 폴리머 재료, 전도성 카본 재료, 금속 재료, 합금 재료, 전도성 재료 또는 그것들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 더 만들어지는, 리튬 금속 전극.
  18. 제1항에 있어서,
    제1 집전층은 구리, 니켈, 철, 아연, 금, 은, 티타늄 또는 리튬-합금가능하지 않은 재료로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 만들어지는, 리튬 금속 전극.
  19. 제1항에 있어서,
    금속 재료는 알루미늄, 주석, 합금 알루미늄, 합금 주석 또는 그것들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 리튬 금속 전극.
  20. 제19항에 있어서,
    매질은 액상 전해질, 고체상 전해질, 겔-타입 전해질, 액체 이온 또는 그것들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 만들어지는, 리튬 금속 전극.
  21. 제19항에 있어서,
    리튬-합금가능한 재료는 합금 재료 또는 비-합금 재료이며, 리튬-합금가능한 재료의 함유량은 0.1% 이상 인, 리튬 금속 전극.
  22. 제1항에 있어서,
    적어도 리튬 금속 층으로부터 떨어져 있으며, 제1 집전층의 표면에 배치되고, 전기적 분리 층(electrical-isolated layer) 또는 전기적-분리-처리된 표면(electrical-isolation-treated surface)인 분리영역(isolation region)을 더 포함하는, 리튬 금속 전극.
  23. 배터리 시스템을 위한 리튬 금속 전극에 있어서,
    복수의 홀들을 갖는 제1 집전층(current collector layer); -상기 각각의 홀들은 개구를 갖음-.
    상기 개구를 커버하고, 적어도 리튬 이온 또는 리튬 금속과 비가역적으로 합금할 수 있는 금속 재료를 포함하는 복수의 게이트층들; -상기 게이트 층은 비가역적 합금 반응 후에 미립자 합금-머드 상태로 전이됨-.
    제1 집전층 및 게이트 층들을 통해 커버되는 상부 및 하부 전기-화학적 반응 면을 갖는 리튬 금속층; 및
    리튬 금속 전극의 에지를 밀봉하는 패키지 유닛; 을 포함하며,
    상기 리튬 금속 전극은 배터리 시스템에 적용되기 전에 정상조건에서 저장되고 작동(stored and operated) 되는, 리튬 금속 전극.
  24. 제23항에 있어서,
    패키지 유닛은 수분-차단 재료, 가스-차단 재료 또는 그것들의 조합으로 만들어지는, 리튬 금속 전극.
  25. 제23항의 리튬 금속 전극을 포함하는 배터리 시스템에서,
    리튬 금속 전극은 두개의 제1 전극을 통해 샌드위치되며;
    각각의 제1 전극은 ,
    활성 재료 층;
    활성 재료 층의 한쪽 면에 배치되는 제2 집전층; 및
    활성 재료 층의 다른쪽 면에 배치되는 분리층을 포함하는, 배터리 시스템.
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