KR20170129630A - 금속-이온 배터리 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

금속-이온 배터리 및 그 제조 방법이 제공된다. 금속-이온 배터리는 양극, 세퍼레이터, 음극 및 전해질을 포함한다. 양극은 세퍼레이터에 의해 음극으로부터 분리되고, 전해질은 양극과 음극 사이에 배치된다. 특히, 전해질은 은 할라이드(silver halide), 구리 할라이드(copper halide), 코발트 할라이드(cobalt halide), 철 할라이드(ferric halide), 아연 할라이드(zinc halide), 인듐 할라이드(indium halide), 카드뮴 할라이드(cadmium halide), 니켈 할라이드(nickel halide), 주석 할라이드(tin halide), 크롬 할라이드(chromium halide), 란타넘 할라이드(lanthanum halide), 이트륨 할라이드(yttrium halide), 티타늄 할라이드(titanium halide), 망간 할라이드(manganese halide), 몰리브덴 할라이드(molybdenum halide) 또는 이들의 조합을 포함한다.

Description

금속-이온 배터리 및 이의 제조 방법{METAL-ION BATTERY AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 에너지 저장 장치(energy storage device) 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 금속-이온 배터리(metal-ion battery) 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄은 지구상에서 가장 풍부한 금속이며, 알루미늄으로 제조된 전자 장치는 비용이 거의 들지 않는 이점을 갖는다. 전기화학적 충전/방전 반응(electrochemical charge/discharge reactions) 동안 3번의 전자이동(electron transfer)을 포함하는, 알루미늄-기반 레독스-커플(redox-couple)은 비교적 높은 저장 용량(storage capacity)을 제공한다. 또한, 반응성과 가연성(flammability)이 낮기 때문에, 이러한 알루미늄-이온 배터리는 상당한 안전성 향상을 제공할 수 있다.
그러나 조건부 금속-이온 배터리(conditional metal-ion batteries)는 낮은 방전 전압(discharge voltage), 낮은 저장 용량 및 불명확한 방전 전압 평형(discharge voltage plateaus)을 나타낸다. 따라서 상기 문제점을 해결하기 위한 신규 배터리를 개발할 필요가 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 개시는 금속-이온 배터리와 같은, 에너지 저장 장치를 제공한다. 금속-이온 배터리는 양극(positive electrode); 세퍼레이터(separator); 음극(negative electrode) 및 양극과 음극 사이에 배치된 전해질(electrolyte)을 포함하고, 양극은 세퍼레이터에 의해 음극으로부터 분리된다. 전해질은 이온성 액체(ionic liquid), 알루미늄 할라이드(aluminum halide) 및 금속 할라이드(metal halide)를 포함하며, 여기서 금속 할라이드는 은 할라이드(silver halide), 구리 할라이드(copper halide), 코발트 할라이드(cobalt halide), 철 할라이드(ferric halide), 아연 할라이드(zinc halide), 인듐 할라이드(indium halide), 카드뮴 할라이드(cadmium halide), 니켈 할라이드(nickel halide), 주석 할라이드(tin halide), 크롬 할라이드(chromium halide), 란타넘 할라이드(lanthanum halide), 이트륨 할라이드(yttrium halide), 티타늄 할라이드(titanium halide), 망간 할라이드(manganese halide), 몰리브덴 할라이드(molybdenum halide) 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명은 금속-이온 배터리의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 양극 및 음극을 제공하는 단계; 음극에서 양극을 분리하는 세퍼레이터를 제공하는 단계; 및 전해질을 제공하는 단계를 포함하며, 전해질은 양극과 음극 사이에 배치된다. 전해질은 이온성 액체, 알루미늄 할라이드 및 금속 할라이드를 포함하며, 여기서 금속 할라이드는 은 할라이드(silver halide), 구리 할라이드(copper halide), 코발트 할라이드(cobalt halide), 철 할라이드(ferric halide), 아연 할라이드(zinc halide), 인듐 할라이드(indium halide), 카드뮴 할라이드(cadmium halide), 니켈 할라이드(nickel halide), 주석 할라이드(tin halide), 크롬 할라이드(chromium halide), 란타넘 할라이드(lanthanum halide), 이트륨 할라이드(yttrium halide), 티타늄 할라이드(titanium halide), 망간 할라이드(manganese halide), 몰리브덴 할라이드(molybdenum halide) 또는 이들의 조합을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-이온 배터리의 개략도이다.
도 2 내지 도 12는 본 발명의 예에 따른 금속-이온 배터리의 충전 및 방전 동안 시간에 따른 전압을 나타낸 그래프이다.
이하의 상세한 설명에서, 설명의 목적으로, 개시된 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정한 세부 사항들이 설명된다. 그러나 하나 이상의 실시예는 이들 특정한 세부 사항 없이 실시될 수 있음이 명백하다. 다른 예에서, 도면을 단순화하기 위해 공지된 구조 및 장치는 개략적으로 도시된다.
본 발명은 금속-이온 배터리를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 금속-이온 배터리의 전해질은 알루미늄 할라이드 및 루이스 산(Lewis acid)으로 작용할 수 있는 금속 할라이드를 포함한다. 따라서 금속-이온 배터리의 충전 및 방전 동안, 금속 할라이드는 할로메탈레이트(halometallate)를 형성할 수 있고, 할로메탈레이트는 할로알루미네이트 음이온(haloaluminate anion)의 이온 크기와 다른 이온 크기를 갖는 할로메탈레이트 음이온(halometallate anion)을 포함하며, 그 결과 삽입(intercalation)-탈리(deintercalation) 과정에서 이온성 액체는 가역성이다. 또한, 본 개시 내용의 일부 실시예에 따르면, 할로메탈레이트 음이온(halometallate anion)은 (할로알루미네이트 음이온(haloaluminate anion)과 동일한) 사면체 구조(tetrahedral configuration)를 가질 수 있고 할로알루미네이트 음이온보다 작은 이온 크기를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면 할로메탈레이트 음이온은 삼각 구조(trigonal configuration)를 가질 수 있다. 따라서 할로알루미네이트(haloaluminate)는 (그래파이트(graphite)와 같은) 활성 물질(active material)에 삽입(intercalation)되기에 더 쉽거나, 활성 물질(active material)에 할로알루미네이트(haloaluminate)가 삽입(intercalation)되도록 하여, 금속-이온 배터리의 방전 전압 및 전체 용량을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-이온 배터리의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 금속-이온 배터리(100)는 양극(10), 음극(12) 및 세퍼레이터(14)를 포함할 수 있으며, 세퍼레이터(14)는 양극(10)과 음극(12) 사이에 배치될 수 있다. 세퍼레이터(14)는 양극(10)과 음극(12)의 전기적 단락(electrical shorting)을 저지할 수 있다. 금속-이온 배터리(100)는, 금속-이온 배터리(100) 내부 및 양극과 음극 사이에 배치되고, 양극(10)과 음극(12)을 접촉시키는 전해질(20)을 포함할 수 있다. 일차 배터리도 본 발명에 포함되지만, 금속-이온 배터리(100)는 재충전 가능한 이차 배터리(rechargeable secondary battery)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 양극(10)은 집전층(current-collecting layer; 11) 및 집전층(11) 위에 배치된 활성 물질(active material; 13)을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 양극(10)은 집전층(11) 및 활성 물질(13)로 이루어질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 집전층(11)은 탄소천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 탄소지(carbon paper)와 같은 전도성 탄소 기판(conductive carbon substrate)일 수 있다. 예를 들어, 전도성 탄소 기판은 약 1mΩ·㎠ 내지 6mΩ·㎠의 시트 저항(sheet resistance) 및 65wt% 초과의 탄소 함량을 가질 수 있다. 활성 물질(13)은 층상 활성층(layered active layer) 또는 층상 활성층의 응집체(agglomeration of the layered active layer)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 활성 물질(13)은 (천연 그래파이트, 인조 그래파이트, 메조상 탄소 마이크로비드(mesophase carbon microbead), 열분해 그래파이트(pyrolytic　graphite), 발포 그래파이트(foamed graphite), 플레이크 그래파이트(flake graphite) 또는 팽창 그래파이트(expanded graphite)를 포함하는) 그래파이트, 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브 또는 이들의 조합과 같은 삽입된 탄소 물질(intercalated carbon material)일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 활성 물질(13)은 층상 이중 수산화물(layered double hydroxide), 층상 산화물(layered oxide), 층상 칼로게나이드(layered chalcogenide) 또는 이들의 조합일 수 있다. 활성층(active layer; 13)은 약 0.05 내지 0.95의 다공성(porosity), 예를 들어 약 0.3 내지 0.9의 다공성을 가질 수 있다. 활성 물질(13)은 집전층(11) 위에서 바로 성장할 수 있다(즉, 활성층과 집전층 사이에는 다른 층이 없다). 또한, 활성 물질(13)은 접착제를 통해 집전층(11)에 부착될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 세퍼레이터(14)의 물질은 유리 섬유, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 부직포(nonwoven fabric), 목재 섬유(wood fiber), 폴리에테르 술폰(PES), 세라믹 섬유 또는 이들의 조합일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 음극(12)은 금속 또는 금속의 합금, 집전층, 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 음극(12)은 금속 또는 금속의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 음극(12)은 집전층일 수도 있다. 또한, 음극(12)은 집전층 및 (집전층 위에 배치되는) 금속 또는 금속의 합금으로 이루어질 수 있다. 음극은 은, 구리, 철, 코발트, 알루미늄, 아연, 인듐, 카드뮴, 니켈, 주석, 크롬, 란타넘, 이트륨, 티타늄, 망간, 텅스텐, 탄탈륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 금속-이온 배터리의 전체 용량을 증가시키고 충전 및 방전 중에 금속-이온 배터리의 열 폭주(thermal runaway)를 억제하기 위해, 음극은 (Li와 같은) 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 아니다. 집전층은 탄소천, 탄소 펠트(carbon felt) 또는 탄소지(carbon paper)와 같은 전도성 탄소 기판일 수 있다. 예를 들어, 전도성 탄소 기판은 약 1mΩ·㎠ 내지 6mΩ·㎠의 시트 저항(sheet resistance) 및 65wt% 초과의 탄소 함량을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전해질(20)은 이온성 액체, 알루미늄 할라이드 및 금속 할라이드를 포함할 수 있다. 이온성 액체에 대한 금속 할라이드 및 알루미늄 할라이드의 총 몰의 몰 비는 적어도 약 1.1 또는 적어도 약 1.2일 수 있고, 예를 들면 약 1.1 내지 2.1이거나, 약 1.1, 약 1.3, 약 1.5 또는 약 1.8일 수 있다. 이온성 액체에 대한 금속 할라이드 및 알루미늄 할라이드의 총 몰의 몰 비가 1.1 미만인 경우, 전해질은 루이스-중성(Lewis-neutral)이어서, 그 결과 삽입(intercalation)을 위한 활성 성분의 양이 감소하거나 삽입(intercalation)에 불리해진다. 이온성 액체에 대한 금속 할라이드 및 알루미늄 할라이드의 총 몰의 몰 비가 2.1을 초과하는 경우, 금속 할라이드 및 알루미늄 할라이드는 이온성 액체에 용해되기 어려워 혼화성 유체(miscible fluid)를 얻는 것이 어려워진다. 이온성 액체는 100℃ 미만의 융점을 가질 수 있다. 예를 들어, 이온성 액체는 실온 이온성 액체(room temperature ionic liquid; RTIL)일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 이온성 액체는 우레아(urea), N-메틸우레아(N-methylurea), 콜린 클로라이드(choline chloride), 에틸콜린 클로라이드(ethylchlorine chloride), 알칼리 할라이드, 디메틸 술폭시드(dimethyl sulfoxide), 메틸술포닐메탄(methylsulfonylmethane), 알킬이미다졸륨 염(alkylimidazolium salt), 알킬피리디늄 염(alkylpyridinium salt), 알킬플루오로피라졸륨 염(alkylfluoropyrazolium salt), 알킬트리아졸륨 염(alkyltriazolium salt), 아랄킬암모늄 염(aralkylammonium salt), 알킬알콕시암모늄 염(alkylalkoxyammonium salt), 아랄킬포스포늄 염(aralkylphosphonium salt), 아랄킬술포늄 염(aralkylsulfonium salt) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 전해질은 전기 전도성을 증가시키고 점도를 낮추기 위해 첨가제를 더 포함할 수 있다.
금속 할라이드는 가역성 전해질 시스템(reversible electrolyte system)을 제공하기 위해, 루이스 산(Lewis acid)으로서 작용하는 금속 플루오라이드(fluoride), 금속 클로라이드(chloride) 또는 금속 브로마이드(bromide)를 포함할 수 있다. 또한, 금속-이온 배터리의 전체 용량을 증가시키고 충전 및 방전 동안 금속-이온 배터리의 열 폭주(thermal runaway)를 억제하기 위해, 금속 할라이드는 알칼리 할라이드 또는 알칼리 토금속 할라이드가 아니다. 금속 할라이드는 (은 플루오라이드(silver fluoride), 은 클로라이드(silver chloride), 또는 은 브로마이드(silver bromide)와 같은) 은 할라이드, (구리 플루오라이드, 구리 클로라이드, 구리 브로마이드와 같은) 구리 할라이드, (철 플루오라이드, 철 클로라이드 또는 철 브로마이드와 같은) 철 할라이드, (코발트 플루오라이드, 코발트 클로라이드 또는 코발트 브로마이드와 같은) 코발트 할라이드, (아연 플루오라이드, 아연 클로라이드 또는 아연 브로마이드와 같은) 아연 할라이드, (인듐 플루오라이드, 인듐 클로라이드 또는 인듐 브로마이드와 같은) 인듐 할라이드, (카드뮴 플루오라이드, 카드뮴 클로라이드 또는 카드뮴 브로마이드와 같은) 카드뮴 할라이드, (니켈 플루오라이드, 니켈 클로라이드 또는 니켈 브로마이드와 같은) 니켈 할라이드, (주석 플루오라이드, 주석 클로라이드 또는 주석 브로마이드와 같은) 주석 할라이드, (크롬 플루오라이드, 크롬 클로라이드 또는 크롬 브로마이드와 같은) 크롬 할라이드, (란타넘 플루오라이드, 란타넘 클로라이드 또는 란타넘 브로마이드와 같은) 란타넘 할라이드, (이트륨 플루오라이드, 이트륨 클로라이드 또는 이트륨 브로마이드와 같은) 이트륨 할라이드, (티타늄 플루오라이드, 티타늄 클로라이드 또는 티타늄 브로마이드와 같은) 티타늄 할라이드, (망간 플루오라이드, 망간 클로라이드 또는 망간 브로마이드와 같은) 망간 할라이드, (몰리브덴 플루오라이드, 몰리브덴 클로라이드 또는 몰리브덴 브로마이드와 같은) 몰리브덴 할라이드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 여기서, 본 명세서의 금속 할라이드는 다양한 원자가를 갖는 적어도 하나의 금속 할라이드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서의 구리 클로라이드는 CuCl, CuCl2 또는 이들의 조합일 수 있고; 철 클로라이드는 FeCl2, FeCl3 또는 이들의 조합일 수 있고; 코발트 클로라이드는 CoCl3, CoCl2 또는 이들의 조합일 수 있고; 크롬 클로라이드는 CrCl2, CrCl3 또는 이들의 조합일 수 있고; 아연 클로라이드는 ZnCl2, ZnCl4 또는 이들의 조합일 수 있고; 주석 클로라이드는 SnCl2, SnCl4 또는 이들의 조합일 수 있으며; 망간 클로라이드는 MnCl2, MnCl3 또는 이들의 조합일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명의 금속 할라이드는 알루미늄 할라이드를 포함할 수 없다. 그 결과, 금속-이온 배터리의 충전 및 방전 동안, 금속 할라이드는 할로알루미네이트 음이온(haloaluminate anion)의 이온 크기와 다른 이온 크기를 갖는 할로메탈레이트 음이온(halometallate anion)을 포함하는, 할로메탈레이트(halometallate)를 형성할 수 있다.
금속-이온 배터리의 충전 및 방전 동안 전해질 내에서 적어도 2종의 다양한 할로메탈레이트(halometallate)(다양한 할로메탈레이트 중 하나는 할로알루미네이트(haloaluminate)임)를 형성하기 위해, 본 발명의 전해질은 (알루미늄 플루오라이드, 알루미늄 클로라이드 또는 알루미늄 브로마이드와 같은) 알루미늄 할라이드를 포함할 수 있다, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 알루미늄 할라이드에 대한 금속 할라이드의 몰 비는 1:100 내지 1:1이다. 알루미늄 할라이드에 대한 금속 할라이드의 몰 비가 너무 낮으면, 금속 할라이드의 삽입(intercalation)에 의해 생성되는 용량이 불충분하고, 금속-이온 배터리는 알루미늄 할라이드의 통상적인 삽입(intercalation)을 유지한다. 알루미늄 할라이드에 대한 금속 할라이드의 몰 비가 너무 높으면, 금속 할라이드 및 알루미늄 할라이드가 이온성 액체에 용해되기 어려워 혼화성 유체를 얻지 못하고, 침전물이 형성된다.
본 발명의 금속 할라이드를 (그래파이트와 같은) 활성 물질에 삽입(intercalation)하여 형성된 방전 플랫폼(discharge platform)이 알루미늄 클로라이드를 활성 물질에 삽입(intercalation)하여 형성된 방전 플랫폼(약 1.8V)보다 낮기 때문에, 본 발명의 금속 할라이드는 금속-이온 배터리의 충전 및 방전 동안에 알루미늄 클로라이드보다 그래파이트 전극으로 삽입(intercalation)되기 더 쉽다. 음극에 의해 사용되는 금속은 금속 할라이드의 금속과 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 본 발명의 금속 할라이드가 (구리 클로라이드, 코발트 클로라이드, 철 클로라이드, 크롬 클로라이드, 아연 클로라이드, 주석 클로라이드 또는 망간 클로라이드와 같은) 구리 할라이드, 철 할라이드, 코발트 할라이드, 크롬 할라이드, 아연 할라이드, 주석 할라이드 또는 망간 할라이드인 경우, 금속-이온 배터리의 충전 및 방전 동안 2가 금속을 갖는 (클로로메탈레이트(chlorometallate))와 같은) 할로메탈레이트(halometallate)가 형성된다. 2가 금속을 갖는 할로메탈레이트의 삼각 구조로 인해, 할로알루미네이트(haloaluminate)는 (그래파이트와 같은) 활성 물질에 더 쉽게 삽입(intercalation)되거나, 할로알루미네이트(haloaluminate)를 활성 물질에 강제로 삽입(intercalation)시켜서, 금속-이온 배터리의 방전 전압 및 총 용량을 향상시킨다. 한편, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 본 발명의 금속 할라이드가 FeCl2인 경우, 금속-이온 배터리의 충전 및 방전 후에 FeCl2로부터 유도된 할로메탈레이트(halometallate)의 음이온(예를 들면, FeCl3-)이 형성될 수 있고, 여기서 FeCl3 -의 이온 크기(1.68Å, 삼각 구조의 높이)는 할로알루미네이트(haloaluminate)의 음이온의 이온 크기(5.28Å)보다 작다. 그 결과, 상대적으로 작은 크기를 갖는 금속 할라이드는 (그래파이트와 같은) 활성 물질에 더 쉽게 삽입(intercalation)되거나, 할로알루미네이트(haloaluminate)를 활성 물질에 강제로 삽입시켜서, 금속-이온 배터리의 방전 전압 및 전체 용량을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 금속-이온 배터리의 충전 및 방전 후의 본 발명의 금속 클로라이드로부터 유도된 할로메탈레이트(halometallate)의 음이온의 이온 크기는 약 5.20Å 미만일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명은 또한 전술한 금속-이온 배터리의 제조 방법을 제공한다. 방법은 양극 및 음극을 제공하는 단계; 양극과 음극을 분리하는 세퍼레이터를 제공하는 단계; 및 양극 및 음극 사이에 배치된 전해질을 제공하는 단계를 포함할 수 있고, 여기서 전해질은 이온성 액체, 알루미늄 할라이드 및 본 발명의 금속 할라이드를 포함할 수 있으며, 금속 할라이드는 은 할라이드, 구리 할라이드, 코발트 할라이드, 철 할라이드, 아연 할라이드, 인듐 할라이드, 카드뮴 할라이드, 니켈 할라이드, 주석 할라이드, 크롬 할라이드, 란타넘 할라이드, 이트륨 할라이드, 티타늄 할라이드, 망간 할라이드, 몰리브덴 할라이드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 양극은 전기화학적 방법 또는 증기상 삽입(vapor phase intercalation)에 의해 제조된 선-삽입 물질(pre-intercalated material)로 제조될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전해질이 이온성 액체, 금속 할라이드 및 알루미늄 할라이드를 포함하는 경우, 금속 할라이드 및 알루미늄 할라이드가 동시에 이온성 액체에 첨가되어 전해질을 얻을 수 있다. 다음으로, 전해질은 양극과 음극 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전해질이 이온성 액체, 금속 할라이드 및 알루미늄 할라이드를 포함하는 경우, 이온성 액체의 일부는 미리 금속 할라이드와 혼합될 수 있고, 그 결과물이 양극 및 음극 사이에 배치될 수 있다. 다음으로, 양극과 음극 사이에 바이어스 전압(bias voltage)을 인가할 수 있고, 그 후 금속 할라이드가 이온성 액체가 반응하여 할로메탈레이트(halometallate)를 형성할 수 있다. 할로메탈레이트(halometallate)는 양극에 삽입(intercalation)될 수 있다. 바이어스(bias)를 인가한 후에, 남은 이온성 액체는 알루미늄 할라이드와 혼합될 수 있고, 그 결과물이 양극과 음극 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 금속 할라이드로부터 유도된 할로메탈레이트(halometallate)는 활성 물질로 삽입(intercalation)되어 양극으로서 선-삽입 물질(pre-intercalated material)을 얻는다. 선-삽입 물질(pre-intercalated material)은 알루미늄 할라이드로부터 유도된 할로알루미네이트가 더 용이하게 활성 물질에 삽입(intercalation)되도록 할 수 있고, 이로써 금속-이온 배터리의 방전 전압 및 전체 용량을 향상시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전해질이 이온성 액체, 금속 할라이드 및 알루미늄 할라이드를 포함하는 경우, 이온성 액체의 일부는 미리 알루미늄 할라이드와 혼합될 수 있고, 그 결과물이 양극 및 음극 사이에 배치될 수 있다. 다음으로, 양극과 음극 사이에 바이어스 전압(bias voltage)을 인가할 수 있고, 그 후 알루미늄 할라이드를 이온성 액체와 반응시켜 할로알루미네이트(haloaluminate)를 형성시킨다. 할로알루미네이트는 양극에 삽입(intercalation)할 수 있다. 바이어스를 인가한 후에, 남은 이온성 액체는 금속 할라이드와 혼합될 수 있고, 그 결과물은 양극과 음극 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 알루미늄 할라이드로부터 유도된 할로알루미네이트는 활성 물질에 삽입(intercalation)되어 양극으로서 선-삽입 물질(pre-intercalated material)을 얻는다. 선-삽입 물질(pre-intercalated material)은 금속 할라이드로부터 유도된 할로메탈레이트(halometallate)가 활성 물질 내로 더 쉽게 삽입(intercalation)되도록 촉진할 수 있으며, 이에 의해 금속-이온 배터리의 방전 전압 및 전체 용량을 향상시킨다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선-삽입 물질(pre-intercalated material)을 제조하는 방법은 금속 할라이드 가스를 생성하기 위해 금속 할라이드를 가열하는 단계; 및 금속 할라이드 가스를 양극에 선-삽입(pre-intercalation)시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선-삽입 물질(pre-intercalated material)을 제조하는 방법은 알루미늄 할라이드 가스를 제조하기 위해 알루미늄 할라이드를 가열하는 단계; 및 양극에 알루미늄 할라이드 가스를 선-삽입(pre-intercalation)시키는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예에 대하여 상세히 설명하여 기술분야의 일반적 지식을 가지는 자가 용이하게 실현할 수 있게 한다. 본 발명의 개념은 여기서 설명된 예시적인 실시예들에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다. 명확성을 위해 주지된 부분에 대한 설명은 생략하고, 동일한 참조 번호는 전체적으로 동일한 구성 요소를 지칭한다.
예
실시예 1 :
알루미늄 호일(두께 0.025mm)을 절단하여 알루미늄 전극을 얻었다. 다음으로, (트레이드 번호 Whatman GFA의 2층인) 세퍼레이터가 제공되었다. 그 후, (집전 기판(current-collecting substrate) 위에 배치된 활성층을 포함하며, 집전 기판은 탄소 섬유지(carbon fiber paper)이고, 활성층은 팽창 그래파이트(53mg)인) 그래파이트 전극이 제공되었다. 다음으로, (음극으로 작용하는) 알루미늄 전극, 세퍼레이터 및 (양극으로 작용하는) 그래파이트 전극을 순차적으로 배치하고 알루미늄 플라스틱 주머니 내에 밀봉하였다. 그 후, (알루미늄 클로라이드(AlCl3), 철 클로라이드(FeCl2) 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride; [EMIm]Cl)를 포함하며, [EMIm]Cl에 대한 AlCl3 및 FeCl2의 몰 비는 약 1:13이고, AlCl3 및 FeCl2의 몰 비는 약 1.4:1인) 전해질을 알루미늄 플라스틱 주머니에 주입하여, 금속-이온 배터리(1)를 얻었다.
다음에, 성능을 분석하기 위해 NEWARE 배터리 분석기로 실시예 1의 금속-이온 배터리(1)를 약 1000mA/g의 전류 밀도(current density)에서 (약 2.6V까지) 충전하고 (약 0.3V까지) 방전시켰다. 표 1에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(1)의 최대 비용량(specific capacity)은 약 159mAh/g이다. 도 2는 실시예 1의 금속-이온 배터리(1)의 충전 및 방전 동안의 시간에 대한 전압을 도시한 그래프이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 2.0V 내지 2.6V 범위의 복수의 충전 플랫폼과 2.2V 내지 1.0V 범위의 복수의 방전 플랫폼이 관찰되었다. 또한, 금속-이온 배터리(1)는 (약 1000mA/g의 전류 밀도에서) 약 400회 이상의 충전/방전 사이클 후에도 여전히 동작 가능하였다.
재현성
실시예 2:
알루미늄 호일(두께 0.025mm)을 절단하여 알루미늄 전극을 얻었다. 다음으로, (트레이드 번호 Whatman GFA의 2층인) 세퍼레이터가 제공되었다. 그 후, (집전 기판 위에 배치된 활성층을 포함하고, 여기서 집전 기판은 탄소 섬유지(carbon fiber paper)이며, 활성층은 팽창 그래파이트(57mg)인) 그래파이트 전극이 제공되었다. 다음으로, (음극으로 작용하는) 알루미늄 전극, 세퍼레이터 및 (양극으로 작용하는) 그래파이트 전극을 순차적으로 배치하고 알루미늄 플라스틱 주머니 내에 밀봉하였다. 그 후, (알루미늄 클로라이드(AlCl3), 철 클로라이드 (FeCl2) 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride; [EMIm]Cl)을 포함하며, FeCl2 대 AlCl3의 몰 비는 약 1:13이고, [EMIm]Cl에 대한 AlCl3 및 FeCl2의 몰 비는 약 1.4:1인) 전해질을 알루미늄 플라스틱 주머니에 주입하여, 금속-이온 배터리(2)를 얻었다.
다음으로, 성능을 분석하기 위해 NEWARE 배터리 분석기로 실시예 2의 금속-이온 배터리(2)를 약 1000mA/g의 전류 밀도에서 (약 2.6V까지) 충전하고 (약 0.3V까지) 방전하였다. 표 1 및 도 3에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(2)의 최대 비용량(specific capacity)은 약 173.3mAh/g이다.
실시예 3:
실시예 3은 FeCl2 대 AlCl3의 몰 비가 1:13에서 1:27로 감소하고 팽창 그래파이트의 양이 53mg에서 42mg으로 감소한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 수행되었다. 이렇게 하여 금속-이온 배터리(3)를 얻었다.
다음에, 성능을 분석하기 위해 NEWARE 배터리 분석 장치로 실시예 3의 금속-이온 배터리(3)를 약 1000mA/g의 전류 밀도에서 (약 2.6V까지) 충전하고 (약 0.3V까지) 방전하였다. 표 1 및 도 4에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(3)의 최대 비용량(specific capacity)은 약 176mAh/g이다.
실시예 4:
실시예 4는 FeCl2 대 AlCl3의 몰 비가 1:13에서 3:11로 증가하고 팽창 그래파이트의 양을 57mg에서 63mg으로 증가시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 수행되었다. 이와 같이 하여, 금속-이온 배터리(4)를 얻었다.
다음에, 성능을 분석하기 위해 NEWARE 배터리 분석 장치로 실시예 4의 금속-이온 배터리(4)를 약 1000mA/g의 전류 밀도로 (약 2.8V까지) 충전하고 (약 0.3V까지) 방전하였다. 표 1 및 도 5에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(4)의 최대 비용량(specific capacity)은 약 169mAh/g이다.
비교예 1:
알루미늄 호일(두께 0.025mm)을 절단하여 알루미늄 전극을 얻었다. 다음으로, (트레이드 번호 Whatman GFA의 2층인) 세퍼레이터가 제공되었다. 그 후, (집전 기판 위에 배치된 활성층을 포함하며, 집전 기판은 탄소 섬유지(carbon fiber paper)이고, 활성층은 팽창 그래파이트(59mg)인) 그래파이트 전극이 제공되었다. 다음으로, (음극으로 작용하는) 알루미늄 전극, 세퍼레이터 및 (양극으로 작용하는) 그래파이트 전극을 순차적으로 배치하고 알루미늄 플라스틱 주머니 내에 밀봉하였다. 그 후, (알루미늄 클로라이드(AlCl3) 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride; [EMIm]Cl)를 포함하고, AlCl3 대 [EMIm]Cl의 몰 비가 약 1.4:1인) 전해질을 알루미늄 플라스틱 금속-이온 배터리(5)를 얻는다.
다음으로, 성능을 분석하기 위해 NEWARE 배터리 분석 장치로 비교예 1의 금속-이온 배터리(5)를 약 1000mA/g의 전류 밀도에서 (약 2.45V까지) 충전하고 (약 1.5V까지) 방전하였다. 표 1 및 도 6에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(5)의 최대 비용량(specific capacity)은 약 72.1mAh/g이다.
금속 클로라이드 최대 비용량 (mAh/g)
금속-이온 배터리(1) AlCl3/FeCl2 (13:1) 161
금속-이온 배터리(2) AlCl3/FeCl2 (13:1) 173.3
금속-이온 배터리(3) AlCl3/FeCl2 (27:1) 176
금속-이온 배터리(4) AlCl3/FeCl2 (11:3) 169
금속-이온 배터리(5) AlCl3 72.1
표 1에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(5)(알루미늄 클로라이드와 [EMIm]Cl로 이루어진 금속-이온 배터리(5)의 전해질)에 비해서, 금속-이온 배터리(2)의 전해질이 AlCl3 및 FeCl2를 모두 포함하기 때문에, 금속-이온 배터리(2)의 최대 비용량이 금속-이온 배터리(5)보다 약 2.4배 더 높고, 금속-이온 배터리(2)의 충전/방전 플랫폼이 증가한다.
실시예 5:
알루미늄 호일(두께 0.025mm)을 절단하여 알루미늄 전극을 얻었다. 다음으로, (트레이드 번호 Whatman GFA의 2층인) 세퍼레이터가 제공되었다. 그 후, (집전 기판 위에 배치된 활성층을 포함하고, 집전 기판이 탄소 섬유지이고, 활성층이 팽창 그래파이트(77mg)인) 그래파이트 전극이 제공되었다. 다음으로, (음극으로 작용하는) 알루미늄 전극, 세퍼레이터 및 (양극으로 작용하는) 그래파이트 전극을 순차적으로 배치하고 알루미늄 플라스틱 주머니 내에 밀봉하였다. 그 후, (알루미늄 클로라이드(AlCl3), 아연 클로라이드(ZnCl2), 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride; [EMIm]Cl)를 포함하며, 여기서 ZnCl2 대 AlCl3의 몰 비가 약 1:13이고, [EMIm]Cl에 대한 AlCl3 및 ZnCl2의 몰 비는 약 1.4:1인) 전해질을 알루미늄 플라스틱 주머니에 주입하여, 금속-이온 배터리(6)를 얻었다.
다음에, 성능을 분석하기 위해 실시예 5의 금속-이온 배터리(6)를 NEWARE 배터리 분석 장치로 약 1000mA/g의 전류 밀도로 (약 2.7V까지) 충전하고 (약 0.2V까지) 방전하였다. 표 2에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(6)의 최대 비용량(specific capacity)은 약 106mAh/g이다. 도 7은 실시예 5의 금속-이온 배터리(6)의 충전 및 방전 동안의 시간에 대한 전압을 도시한 그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 1.9V 내지 2.7V 범위의 다수의 충전 플랫폼과 2.3V 내지 0.2V 범위의 다수의 방전 플랫폼이 관찰되었다.
실시예 6:
알루미늄 호일(두께 0.025mm)을 절단하여 알루미늄 전극을 얻었다. 다음으로, (트레이드 번호 Whatman GFA의 2층인) 세퍼레이터를 제공하였다. 그 후, (집전 기판 위에 배치된 활성층을 포함하며, 집전 기판은 탄소 섬유지(carbon fiber paper)이고, 활성층은 팽창 그래파이트(66mg)인) 그래파이트 전극이 제공되었다. 다음으로, (음극으로 작용하는) 알루미늄 전극, 세퍼레이터 및 (양극으로 작용하는) 그래파이트 전극을 순차적으로 배치하고 알루미늄 플라스틱 주머니 내에 밀봉하였다. 그 후, (알루미늄 클로라이드(AlCl3), 구리 클로라이드(CuCl2) 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride; [EMIm]Cl)를 포함하며, 여기서 CuCl2 대 AlCl3의 몰비는 약 1:13이고, [EMIm]Cl에 대한 AlCl3 및 CuCl2의 몰 비는 약 1.4:1인) 전해질을 알루미늄 플라스틱 주머니에 주입하여, 금속-이온 배터리(7)를 얻었다.
다음에, 성능을 분석하기 위해 실시예 6의 금속-이온 배터리(7)를 NEWARE 배터리 분석 장치로 약 1000mA/g의 전류 밀도로 (약 2.7V까지) 충전하고 (약 0.25V까지) 방전하였다. 표 2에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(7)의 최대 비용량(specific capacity)은 약 112mAh/g이다. 도 8은 실시예 6의 금속-이온 배터리(7)의 충전 및 방전 동안의 시간에 대한 전압을 도시한 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 1.9V 내지 2.7V 범위의 복수의 충전 플랫폼과 2.3V 내지 0.25V 범위의 복수의 방전 플랫폼이 관찰되었다.
실시예 7:
알루미늄 호일(두께 0.025mm)을 절단하여 알루미늄 전극을 얻었다. 다음으로, (트레이드 번호 Whatman GFA의 2층인) 세퍼레이터를 제공하였다. 그 후, (집전 기판 위에 배치된 활성층을 포함하며, 집전 기판은 탄소 섬유지(carbon fiber paper)이고, 활성층은 팽창 그래파이트(66mg)인) 그래파이트 전극이 제공되었다. 다음으로, (음극으로 작용하는) 알루미늄 전극, 세퍼레이터 및 (양극으로 작용하는) 그래파이트 전극을 순차적으로 배치하고 알루미늄 플라스틱 주머니 내에 밀봉하였다. 그 후, (알루미늄 클로라이드(AlCl3), 망간 클로라이드(MnCl2), 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride; [EMIm]Cl)를 포함하며, MnCl2 대 AlCl3의 몰 비는 약 1:13이고, [EMIm]Cl에 대한 AlCl3 및 MnCl2의 몰 비는 약 1.4:1인) 전해질을 알루미늄 플라스틱 주머니에 주입하여, 금속-이온 배터리(8)를 얻었다.
다음에, 성능을 분석하기 위해 실시예 7의 금속-이온 배터리(8)를 NEWARE 배터리 분석 장치로 약 1000mA/g의 전류 밀도에서 (약 2.7V로) 충전하고 (약 0.3V까지) 방전하였다. 표 2 및 도 9에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(8)의 최대 비용량(specific capacity)은 약 162mAh/g이다.
금속 클로라이드 최대 비용량 (mAh/g)
금속-이온 배터리(5) AlCl3 72
금속-이온 배터리(6) AlCl3/ZnCl2 (13:1) 106
금속-이온 배터리(7) AlCl3/CuCl2 (13:1) 112
금속-이온 배터리(8) AlCl3/MnCl2 (13:1) 162
표 2에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(6)~(8)의 전해질이 AlCl3 및 ZnCl2 (CuCl2 또는 MnCl2) 모두 포함하기 때문에, 금속-이온 배터리(5)(알루미늄 클로라이드 및 [EMIm]Cl로 이루어지는 금속-이온 배터리(5)의 전해질)에 비해, 금속-이온 배터리(6)~(8)의 최대 비용량은 금속-이온 배터리(5)의 최대 비용량의 1.38~2.25 배이며, 금속-이온 배터리(6)~(8)의 충전/방전 플랫폼이 증가한다.
실시예 8:
탄소지(carbon paper)(두께 0.24㎜, CeTech Co., Ltd.사)를 절단하여 음극을 얻었다. 다음으로, (트레이드 번호 Whatman GFA의 2층인) 세퍼레이터가 제공되었다. 그 후, (집전 기판 위에 배치된 활성층을 포함하고, 집전 기판이 탄소 섬유지이고, 활성층이 팽창 그래파이트(128mg)인) 그래파이트 전극이 제공되었다. 다음에, 음극, 세퍼레이터 및 (양극으로 작용하는) 그래파이트 전극을 순차적으로 배치하고, 알루미늄 플라스틱 주머니 내에 밀봉하였다. 그 후, (알루미늄 클로라이드(AlCl3), 철 클로라이드(FeCl2) 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride; [EMIm]Cl)를 포함하며, FeCl2 대 AlCl3의 몰 비는 약 1:13이고, [EMIm]Cl에 대한 AlCl3 및 FeCl2의 몰 비는 약 1.4:1인) 전해질을 알루미늄 플라스틱 주머니에 주입하여 금속-이온 배터리(9)를 얻었다.
다음으로, 성능을 분석하기 위해 실시예 8의 금속-이온 배터리(9)를 NEWARE 배터리 분석 장치로 약 1000mA/g의 전류 밀도에서 (약 2.7V까지) 충전하고 (약 0.2V까지) 방전하였다. 표 3 및 도 10에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(9)의 최대 비용량(specific capacity)은 약 96mAh/g이다.
실시예 9:
스테인리스 스틸 호일(두께 0.1mm, Nippon Steel Corporation에서 트레이드 번호 YUS190으로 제조 및 판매됨)(스테인리스 스틸 호일의 주성분은 철 및 크롬임)을 절단하여 스테인레스 전극을 얻었다. 다음으로, (트레이드 번호 Whatman GFA의 2층인) 세퍼레이터를 제공하였다. 그 후, (집전 기판 위에 배치된 활성층을 포함하고, 집전 기판이 탄소 섬유지(carbon fiber paper)이고, 활성층이 팽창 그래파이트 (62mg)인) 그래파이트 전극을 제공하였다. 다음으로, (음극으로 작용하는) 스테인리스 전극, 세퍼레이터 및 (양극으로 작용하는) 그래파이트 전극을 순차적으로 배치하고 알루미늄 플라스틱 주머니 내에 밀봉하였다. 그 후, (알루미늄 클로라이드(AlCl3), 철 클로라이드(FeCl2) 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride; [EMIm]Cl)를 포함하고, FeCl2 대 AlCl3의 몰 비가 약 1:13이고 [EMIm]Cl에 대한 AlCl3 및 FeCl2의 몰 비는 약 1.4:1인) 전해질을 알루미늄 플라스틱 주머니에 주입하여, 금속-이온 배터리(10)를 얻었다.
다음으로, 성능을 분석하기 위해 실시예 9의 금속-이온 배터리(10)를 NEWARE 배터리 분석기로 약 1000mA/g의 전류 밀도에서 (약 3.3V) 충전하고 및 (약 0.2V까지) 방전하였다. 표 3 및 도 11에 도시된 바와 같이, 금속-이온 배터리(10)의 최대 비용량(specific capacity)은 약 87mAh/g이다.
실시예 10:
구리 호일(두께 0.025mm, Alfa Aesar에서 판매 및 제조)을 절단하여 구리 전극을 얻었다. 다음으로, (트레이드 번호 Whatman GFA의 2층인) 세퍼레이터를 제공하였다. 그 후, (집전 기판 위에 배치된 활성층을 포함하며, 집전 기판은 탄소 섬유지(carbon fiber paper)이고, 활성층은 팽창 그래파이트(66mg)인) 그래파이드 전극이 제공되었다. 다음으로, (음극으로 작용하는) 구리 전극, 세퍼레이터 및 (양극으로 작용하는) 그래파이트 전극을 순차적으로 배치하고 알루미늄 플라스틱 주머니 내에 밀봉하였다. 그 후, (알루미늄 클로라이드(AlCl3), 철 클로라이드(FeCl2) 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride; [EMIm]Cl)를 포함하고, FeCl2 대 AlCl3의 몰 비가 약 1:13이며, [EMIm]Cl에 대한 AlCl3 및 FeCl2의 몰 비는 약 1.4:1인) 전해질을 알루미늄 플라스틱 주머니에 주입하여, 금속-이온 배터리(11)를 얻었다.
다음으로, 성능을 분석하기 위해, 실시예 10의 금속-이온 배터리(11)를 NEWARE 배터리 분석기로 약 1000mA/g의 전류 밀도에서 (약 3.3V까지) 충전하고 (약 0.3V까지) 방전하였다. 표 3 및 도 12에 나타난 바와 같이, 금속-이온 배터리(11)의 최대 비용량(specific capacity)은 약 105mAh/g이다.
음극 금속 클로라이드 최대 비용량 (mAh/g)
금속-이온 배터리(5) 알루미늄 AlCl3 72
금속-이온 배터리(9) 탄소지(carbon paper) AlCl3/FeCl2(13:1) 96.1
금속-이온 배터리(10) 스테인레스 스틸 호일 AlCl3/FeCl2(13:1) 87
금속-이온 배터리(11) 구리 호일 AlCl3/FeCl2(13:1) 105
표 3에 나타난 바와 같이, 알루미늄 전극을 탄소지, 스테인레스 스틸 호일 또는 구리 호일로 대체할 때, 금속-이온 배터리(9)~(11)의 전해질이 AlCl3 및 FeCl2 모두를 포함하기 때문에, 금속-이온 배터리(9)~(11)의 최대 비용량(specific capacity)은 금속-이온 배터리(5)의 약 1.38~1.55배이고, 금속-이온 배터리(9)~(11)의 충전/방전 플랫폼이 증가한다.
개시된 방법들 및 재료들에 대해 다양한 수정들 및 변형들이 이루어질 수 있음이 명백하다. 명세서 및 예는 단지 예시적인 것으로 고려되어야 하며, 본 발명의 진정한 범위는 다음의 청구 범위 및 그 등가물에 의해 지시되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 금속-이온 배터리로서,
    양극;
    세퍼레이터(separator);
    음극; 및
    상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 전해질;을 포함하고,
    상기 양극은 상기 세퍼레이터에 의해 상기 음극으로부터 분리되며;
    상기 전해질은 이온성 액체(ionic liquid), 알루미늄 할라이드(aluminum halide) 및 금속 할라이드(metal halide)를 포함하며, 상기 금속 할라이드는 은 할라이드(silver halide), 구리 할라이드(copper halide), 코발트 할라이드(cobalt halide), 철 할라이드(ferric halide), 아연 할라이드(zinc halide), 인듐 할라이드(indium halide), 카드뮴 할라이드(cadmium halide), 니켈 할라이드(nickel halide), 주석 할라이드(tin halide), 크롬 할라이드(chromium halide), 란타넘 할라이드(lanthanum halide), 이트륨 할라이드(yttrium halide), 티타늄 할라이드(titanium halide), 망간 할라이드(manganese halide), 몰리브덴 할라이드(molybdenum halide) 또는 이들의 조합인, 금속-이온 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 할라이드 및 상기 알루미늄 할라이드의 전체 몰 대 상기 이온성 액체의 몰 비는 1.1:1 내지 2.1:1인, 금속-이온 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 할라이드 대 상기 알루미늄 할라이드의 몰 비는 1:100 내지 1:1인, 금속-이온 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극은 집전층(current-collecting layer) 및 활성 물질(active material)로 이루어지는, 금속-이온 배터리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 집전층은 전도성 탄소 기판(conductive carbon substrate)인, 금속-이온 배터리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전도성 탄소 기판은 탄소천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 탄소지(carbon paper)인, 금속-이온 배터리.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 활성 물질(active material)은 층상 활성층(layered active layer)인, 금속-이온 배터리.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 활성 물질은 그래파이트(graphite), 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 또는 이들의 조합인, 금속-이온 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 그래파이트는 천연 그래파이트(natural graphite), 인조 그래파이트(artificial graphite), 메조상 탄소 마이크로비드(mesophase carbon microbead), 열분해 그래파이트(pyrolytic　graphite), 발포 그래파이트(foamed graphite), 플레이크 그래파이트(flake graphite), 팽창 그래파이트(expanded graphite) 또는 이들의 조합인, 금속-이온 배터리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 음극은 금속 또는 상기 금속의 합금; 집전층(current-collecting layer); 또는 이들의 조합을 포함하는, 금속-이온 배터리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 금속 또는 상기 금속의 합금은 은, 구리, 철, 코발트, 알루미늄, 아연, 인듐, 카드뮴, 니켈, 주석, 크롬, 란타넘, 이트륨, 티타늄, 망간, 텅스텐, 탄탈륨 또는 몰리브덴을 포함하는, 금속-이온 배터리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 금속-이온 배터리의 충전 및 방전 후에, 상기 금속 할라이드는 상기 이온성 액체와 반응하여 할로메탈레이트(halometallate)를 형성하고, 상기 알루미늄 할라이드는 상기 이온성 액체와 반응하여 할로알루미네이트(haloaluminate)를 형성하는, 금속-이온 배터리.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 할로메탈레이트(halometallate)의 음이온의 이온 크기는 상기 할로알루미네이트(haloaluminate)의 음이온의 이온 크기보다 작은, 금속-이온 배터리.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 이온성 액체는 우레아(urea), N-메틸우레아(N-methylurea), 콜린 클로라이드(choline chloride), 에틸콜린 클로라이드(ethylchlorine chloride), 알칼리 할라이드(alkali halide), 디메틸 술폭시드(dimethyl sulfoxide), 메틸술포닐메탄(methylsulfonylmethane), 알킬이미다졸륨 염(alkylimidazolium salt), 알킬피리디늄 염(alkylpyridinium salt), 알킬플루오로피라졸륨 염(alkylfluoro-pyrazolium salt), 알킬트리아졸륨 염(alkyltriazolium salt), 아랄킬암모늄염(aralkylammonium salt), 알킬알콕시암모늄 염(alkylalkoxyammonium salt), 아랄킬포스포늄 염(aralkylphosphonium salt), 아랄킬술포늄 염(aralkylsulfonium salt) 또는 이들의 조합을 포함하는, 금속-이온 배터리.
  15. 금속-이온 배터리의 제조 방법으로서,
    양극 및 음극을 제공하는 단계;
    상기 양극을 상기 음극으로부터 분리하는 세퍼레이터를 제공하는 단계; 및
    전해질을 제공하는 단계;를 포함하고, 상기 전해질은 상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치되며, 상기 전해질은 이온성 액체, 알루미늄 할라이드 및 금속 할라이드를 포함하고, 상기 금속 할라이드는 은 할라이드, 구리 할라이드, 코발트 할라이드, 철 할라이드, 아연 할라이드, 인듐 할라이드, 카드뮴 할라이드, 니켈 할라이드, 주석 할라이드, 크롬 할라이드, 란타넘 할라이드, 이트륨 할라이드, 티타늄 할라이드, 망간 할라이드, 몰리브덴 할라이드 또는 이들의 조합인, 금속-이온 배터리의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 양극은 전기화학적 방법 또는 증기상 삽입(vapor phase intercalation)에 의해 제조된 선-삽입 물질(pre-intercalated material)로 제조되는, 금속-이온 배터리의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 선-삽입 물질(pre-intercalated material)을 제조하는 방법은:
    상기 이온성 액체와 상기 금속 할라이드를 혼합하여 혼합물을 얻는 단계, 여기서 상기 이온성 액체와 상기 금속 할라이드가 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되고,
    상기 금속 할라이드를 상기 이온성 액체와 반응시켜 할로메탈레이트(halometallate)를 형성시키는 단계; 및
    상기 양극과 상기 음극 사이에 바이어스 전압(bias voltage)을 인가하여 상기 할로메탈레이트(halometallate)가 상기 양극에 삽입(intercalation)되어, 양극으로서 상기 선-삽입 물질을 얻는 단계; 를 포함하는, 금속-이온 배터리의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 선-삽입 물질(pre-intercalated material)을 제조하는 방법은:
    상기 이온성 액체와 상기 알루미늄 할라이드를 혼합하여 혼합물을 얻는 단계, 여기서 상기 이온성 액체와 상기 알루미늄 할라이드가 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되고;
    상기 알루미늄 할라이드를 상기 이온성 액체와 반응시켜 할로알루미네이트(haloaluminate)를 형성하는 단계; 및
    상기 양극과 상기 음극 사이에 바이어스 전압(bias voltage)을 인가하여 상기 할로알루미네이트(haloaluminate)가 상기 양극에 삽입(intercalation)하여, 양극으로서 상기 선-삽입 물질를 얻는 단계; 를 포함하는, 금속-이온 배터리의 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 선-삽입 물질(pre-intercalated material)을 제조하는 방법은:
    상기 금속 할라이드를 가열하여 금속 할라이드 가스(metal halide gas)를 생성시키는 단계; 및
    상기 양극에 상기 금속 할라이드 가스를 선-삽입(pre-intercalation)시키는 단계; 를 포함하는, 금속-이온 배터리의 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 선-삽입 물질(pre-intercalated material)을 제조하는 방법은:
    상기 알루미늄 할라이드를 가열하여 알루미늄 할라이드 가스(aluminum halide gas)를 생성시키는 단계; 및
    상기 양극에 상기 알루미늄 할라이드 가스를 선-삽입(pre-intercalation)시키는 단계; 를 포함하는, 금속-이온 배터리의 제조 방법.
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