KR20180014040A - 재충전 가능한 리튬 배터리를 위한 캐소드 첨가제 - Google Patents

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KR20180014040A
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존 비. 굿이너프
규성 박
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보드 오브 리전츠 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템
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Abstract

본 개시내용은 재충전 가능한 리튬 배터리를 위한 리튬 니트라이드 캐소드 첨가제, 첨가제와 캐소드 활성 물질의 혼합물, 첨가제를 함유하는 캐소드, 첨가제를 함유하는 캐소드를 지니는 전기화학 전지, 및 첨가제를 함유하는 캐소드를 지니는 재충전 가능한 배터리에 관한 것이다.

Description

재충전 가능한 리튬 배터리를 위한 캐소드 첨가제
본 개시 내용은 재충전 가능한 리튬 배터리를 위한 캐소드 첨가제에 관한 것이다.
배터리 및 전기화학 전지의 기본 원리
배터리는 두 개의 주요 타입, 즉, 1차 배터리 및 2차 배터리로 나누어진다. 1차 배터리는 한번 사용되고 이후에 소진된다. 2차 배터리는 또한 흔히 사용 후에 이러한 배터리가 재충전된 후 다시 사용될 수 있기 때문에 재충전 가능한 배터리라 불리워진다. 재충전 가능한 배터리에서, 각각의 충전/방전 과정은 사이클(cycle)이라 불린다. 재충전 가능한 배터리는 결국 이들의 사용 가능한 수명의 마지막에 도달하지만, 통상적으로 많은 충전/방전 사이클 후에만 도달한다.
재충전 가능한 배터리는 전기화학 전지 및 임의로 다른 물질들, 예컨대, 전지를 보호하기 위한 케이싱(casing), 및 배터리를 외부 세계와 접속시킬 수 있는 와이어(wire) 또는 다른 연결기(connector)를 포함한다. 전기화학 전지는 두 전극들, 즉, 캐소드라 불리는 양극, 및 애노드라 불리는 음극, 전극들을 분리시켜 배터리가 단선되지 않게 하는 절연체, 및 두 전극들 간의 화학적 반응의 이온성 성분을 운반하고 전자 성분이 전지의 외부로 운반되게 하는 전해질을 포함한다. 애노드는 화학적 반응의 환원제이고, 캐소드는 산화제이고, 그에 따라서, 방전 시에 전자가 애노드에서 캐소드로 유동하고, 애노드에서 캐소드로 전지 내부에서 유동하는 양이온에 의해 충전-보완된다. 이러한 과정은 화학적 반응이 완료될 때까지 소정 시간 Δt 동안 소정 전압에서 소정 전류를 전달함으로써 외부 회로에서 반응의 화학적 에너지를 전력으로 변환시킨다. 충전된 전지가 개회로(open-circuit)로 불리는 전류 차단기를 지니는 경우, 전자는 유동할 수 없지만, 전지 내부의 이온은 충전-보완되지 않으면서 유동할 수 있다. 그 결과, 캐소드는 개회로 상에서 양으로 하전되는데, 이는 캐소드가 양극으로 불리는 이유이다.
전해질에 의해 전극들 사이에서 운반되는 양이온은 "작용 이온(working ion)"으로 불린다. 재충전 가능한 배터리는 작용 양이온 이후에 명명된다. 예를 들어, 리튬 2차 배터리에서 포지티브 이온(positive ion)이 리튬 이온(Li+)이다. 나트륨 2차 배터리에서, 이는 나트륨 이온(Na+)이다.
배터리를 재충전하기 위해, 동일한 과정이 전력의 적용에 의해 반대로 일어난다. 전기 에너지를 배터리에 공급함으로써, 전자는 캐소드를 떠나고, 애노드로 들어가도록 유도된다. 캐소드 및 애노드에서 전체 전하를 중성으로 유지하기 위해서, 포지티브 이온은 캐소드를 떠나고, 전해질로 들어가고, 포지티브 이온은 또한 전해질을 떠나고, 애노드로 들어간다. 재충전 가능한 배터리에서 전기-에너지 저장의 효율은 두 전극들 사이의 화학적 반응의 가역성에 좌우된다.
전해질에서 이온 전도도는 전극에서 전자 전도도보다 여러 번 더 적기 때문에, 배터리는 얇은 전해질에 의해 분리되는 대면적 전극을 지닌다. 따라서, 전극은 두꺼워질 필요가 없으며, 이들의 전자 전도도는 이들이 금속성 집전체와 접촉되는 한 높을 필요가 없다. 결과적으로, 전자 및 이온을 교환하는 활성 물질을 함유하는 것에 더하여, 애노드 및 캐소드는 금속 백킹(metal backing) 이외의 다른 물질을 함유할 수 있는데, 여기에 활성 물질의 슬러리가 적용되고 건조된다. 슬러리는 흔히, 활성 물질 이외에, 이를 백킹 및 전도성 물질, 예컨대, 탄소 입자에 접착시키는 것을 돕는 결합제를 함유한다. 슬러리가 건조되면, 이는 금속 백킹 상에 코팅을 형성시킨다.
재충전 가능한 배터리에 대한 몇 가지 중요한 특성들은 에너지 밀도, 전력 밀도, 커패시티(capacity), 특히 가역적 커패시티(reversible capacity), 방전 용량(rate capability), 사이클 수명, 열 안정성, 비용 및 안전성을 포함한다. 이러한 모든 특성들은 배터리를 형성시키기 위해 사용되는 물질들의 선택에 의해 영향을 받는다. 배터리의 커패시티는 완전한 방전 동안 시간 Δt 내에 단위 중량 당 전극들 사이의 일정한 전류에서 운반되는 전자 전하의 양이고, 에너지 밀도는 방전 동안 평균 전압과 커패시티의 곱이다. 이 둘 모두는 전류를 증가시키면 감소되고, 그에 따라서 전력이 전달된다. 더욱이, 재충전 가능한 배터리의 사이클 수명은 커패시티가 이의 원래의 커패시티의 80%로 하락하기 전에 충전/방전 사이클의 횟수로 정의된다. 커패시티 하락은 전극들 사이의 화학적 반응의 가역성의 손실에 의해 초래된다. 예를 들어, 다수의 재충전 가능한 리튬 배터리는 이들이 순환됨에 따라서 가역적 커패시티의 손실을 경험하는데, 그 이유는 Li+이 강한 환원 애노드의 표면에서 포집된 후, 거기에서 패시베이팅 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 층으로서 남아 이들이 캐소드 및 애노드에서 들어가고 나가는 것을 불가능하게 만드는 경향이 있기 때문이다. 에너지 밀도는 배터리의 커패시티에 비례하기 때문에, 가역적인 커패시티의 이러한 손실은 또한 사이클 횟수의 증가로 재충전 가능한 배터리의 에너지 밀도를 감소시킨다.
추가의 리튬은 종래에 가역적 커패시티 및 에너지 밀도 손실을 감소시키려는 시도로 재충전 가능한 배터리에 도입되었다. 한 가지 그러한 배터리에서, 리튬 금속은 애노드 상에 바로 증착되었지만, 이는 제작 비용을 증가시키고, 애노드의 균일성 및 기계적 안정성을 저하시켜 다른 문제들을 초래하였다. 또 다른 배터리에서, Li2NiO2가 캐소드에 첨가되었지만, 이러한 물질은 단지 400 mAh/g의 실제 커패시티를 지니고, 이는 유용하기에 충분한 커패시티에 기여하지 않았다. 또한, Li2NiO2에서 산소(O)는 시간에 따라 상당히 반응되어 다른 문제들을 초래하였고, 이는 배터리의 열 안정성을 감소시켰다. 추가의 또 다른 배터리에서, Li2MoO3가 캐소드에 첨가되었지만, 이러한 물질은 단지 250 mAh/g의 실제 커패시티를 지니고, 그에 따라서 충전 커패시티에 기여하는데 있어서 Li2NiO2보다 훨씬 더 좋지 않았다. 또한, Li2MoO3에서 몰리브데넘(Mo)이 배터리 사용 동안 전해질에 용해되어 또한 다른 문제들을 초래하였다.
본 개시 내용은 재충전 가능한 리튬 배터리를 위한 리튬 니트라이드 캐소드 첨가제, 첨가제와 캐소드 활성 물질의 혼합물, 첨가제를 함유하는 캐소드, 첨가제를 함유하는 캐소드를 지니는 전기화학 전지, 및 첨가제를 함유하는 캐소드를 지니는 재충전 가능한 배터리에 관한 것이다.
특히, 본 개시 내용은 리튬 (Li)을 포함하는 캐소드 활성 물질, 및 일반식 LiaQbX를 지니는 리튬 니트라이드를 포함하는 캐소드로서, 상기 식에서, 2 ≤ a ≤ 5이고, 0 ≤ b이고, a 및 b가 하전된-균형잡힌 화합물(charged-balanced compound)을 얻도록 조절되고, X가 N, P, 또는 As를 포함하고, Q가 산소 (O), 불소 (F), 수소 (H), 탄소 (C), 황 (S), 염소 (Cl), 셀레늄 (Se), 브롬 (Br), 요오드 (I), 티탄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 몰리브덴 (Mo), 텅스텐 (W), 니오븀 (Nb), 나트륨 (Na), 칼륨 (K), 마그네슘 (Mg), 베릴륨 (Be), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 바륨 (Ba), 스칸듐 (Sc), 이트륨 (Y), 알루미늄 (Al), 갈륨 (Ga), 지르코늄 (Zr), 또는 아연 (Zn) 중 적어도 하나를 포함하는 캐소드를 제공한다.
본 개시 내용은 또한, 분명하게 상호간에 배제적이지 않는 한, 서로 임의의 조합으로 사용될 수 있는 추가의 구체예를 제공하는데, 여기서 a) 리튬 니트라이드는 리튬 니트라이드 입자 상에 리튬-산소 층을 추가로 포함하는 입자를 포함하고; b) 캐소드는 5 wt% 또는 그 미만의 리튬 니트라이드를 포함하고(여기서, wt%는 캐소드 활성 물질과 리튬 니트라이드의 총 중량으로 측정됨); c) 캐소드는 적어도 0.1 wt%의 리튬 니트라이드를 포함하고(여기서, wt%는 캐소드 활성 물질과 리튬 니트라이드의 총 중량으로 측정됨); d) 캐소드 활성 물질은 리튬 코발트 옥사이드 (LiCoO2)를 포함할 수 있는 리튬 금속 옥사이드를 포함하고; e) 캐소드 활성 물질은 리튬 아이언 포스페이트 (LiFePO4)를 포함할 수 있는 리튬 금속 포스페이트를 포함하고; f) 캐소드는 추가로 집전체, 결합제, 전도도 향상제, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함할 수 있다.
본 개시 내용은 추가로 애노드, 전해질, 및 상기에 또는 달리 본원의 어느 곳에 기재된 어떠한 캐소드를 포함하는 전기화학 전지를 제공한다. 또한, 추가의 구체예에서, 리튬 니트라이드는 전지의 가역적 커패시티를 리튬 니트라이드의 이론적 커패시티의 적어도 50%까지 증가시킬 수 있고, 전기화학 전지는 재충전 가능한 리튬 배터리, 또는 이 둘 모두에 위치될 수 있다.
본 구체예 및 이의 이점의 보다 완전한 이해가 본 개시 내용의 구체예에 대한 첨부된 도면과 함께 이해되는 하기 설명을 참조함으로써 얻어질 수 있다.
도 1은 Li3N에 대한 초기 충전 전압 곡선이다.
도 2는 단독의 또는 1 wt% 또는 2 wt%의 Li3N과 함께인 LiCoO2에 대한 초기 충전 전압 곡선이다.
도 3은 리튬 니트라이드 캐소드 첨가제를 함유하는 캐소드의 단면 개략적 다이어그램이다(비축척).
본 개시 내용은 리튬 니트라이드 캐소드 첨가제에 관한 것이다. 이는 또한 이러한 첨가제를 함유하는 캐소드, 캐소드에서 이러한 첨가제를 함유하는 전기화학 전지, 및 적어도 하나의 캐소드에서 이러한 첨가제를 함유하는 재충전 가능한 배터리를 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "니트라이드"는 일반적으로 닉토겐 족(Pnictogen Group)으로도 불리는 주기율 표의 질소 족(VB/15 족)으로부터의 원소를 함유하는 화합물을 지칭하는 것이고, 달리 화학식으로 명시되지 않는 한, 질소 (N) 화합물로 제한되지 않는다.
캐소드에 존재하는 리튬 니트라이드는 전기화학적 분해에 의해 추가의 Li+를 제공할 수 있다. 이러한 추가의 Li+는 순환 동안 SEI 형성 또는 다른 부반응으로 손실되는 캐소드 활성 물질 또는 애노드 활성 물질에 원래 존재하는 Li+를 대체할 수 있다. 이는 캐소드 사용을 향상시키고, i) 가역적 커패시티 손실, ii) 에너지 밀도 손실, 또는 ii) 달리 이상적인 전기화학 전지 또는 리튬 니트라이드가 결핍된 재충전 가능한 리튬-이온 배터리에 비해 순환가능한 Li+ 이용가능성의 감소로 인한 어떠한 다른 유리한 특성들의 감소 중 어느 하나 또는 이들의 조합의 감소를 줄이거나 이의 개시를 지연시킬 수 있다.
리튬 니트라이드는 실질적으로 순수한 형태로 또는 어떠한 다양한 도펀트를 지니는 화합물을 포함할 수 있다. 리튬 니트라이드는 일반식 LiaX로 표현되고, 여기서 X는 질소 (N), 인 (P), 또는 비소 (As)이고, 2 ≤ a ≤ 5이다. 리튬 니트라이드는 특히 Li3N, Li3P, 및 Li3As를 포함한다. 임의의 도펀트를 지니는 리튬 니트라이드는 일반식 LiaQbX로 포현될 수 있고, 여기서 Q는 하나 이상의 도펀트(들)이고, 2 ≤ a ≤ 5이고, 0 ≤ b이고, a 및 b는 하전된-균형잡힌 화합물을 얻기 위해 조절된다. Q는 산소 (O), 불소 (F), 수소 (H), 탄소 (C), 황 (S), 염소 (Cl), 셀레늄 (Se), 브롬 (Br), 요오드 (I), 티탄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 몰리브덴 (Mo), 텅스텐 (W), 니오븀 (Nb), 나트륨 (Na), 칼륨 (K), 마그네슘 (Mg), 베릴륨 (Be), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 바륨 (Ba), 스칸듐 (Sc), 이트륨 (Y), 알루미늄 (Al), 갈륨 (Ga), 지르코늄 (Zr), 또는 아연 (Zn)일 수 있다.
리튬 니트라이드는 어떠한 캐소드 또는 캐소드 활성 물질에 첨가될 수 있다. 이는 어떠한 요망되는 유리한 특성의 감소의 특정량의 줄어듦 또는 이의 개시의 지연을 얻기에 충분한 어떠한 양으로 첨가될 수 있다. 리튬 니트라이드의 양은 캐소드 활성 물질이 너무 희석되는 경우 발생할 수 있는 것과 같은 어떠한 단점을 방지하거나 감소시키는 것으로 제한될 수 있다. 그러나, 분자당 높은 개수의 Li+는 심각한 단점을 초래하는 어떠한 양보다 훨씬 낮은 소량의 리튬 니트라이드가 상당한 이점을 얻기에 충분할 수 있다는 것을 의미한다. 일부 예에서, 캐소드 중 리튬 니트라이드의 양(어떠한 집전체 배제)은 20 wt% 또는 그 미만, 5 wt% 또는 그 미만, 2 wt % 또는 그 미만, 1 wt % 또는 그 미만, 또는 0.5 wt % 또는 그 미만일 수 있다. 이는 또한 적어도 0.01 wt%, 적어도 0.1 wt%, 적어도 0.5 wt%, 또는 적어도 1 wt %일 수 있다. 이는 또한 이러한 끝점들의 조합들 중에서 달라질 수 있다(여기서, 그러한 양 또는 그 미만은 적어도 그러한 양보다 많은 것이다).
재충전 가능한 리튬 배터리에서 사용 가능한 어떠한 캐소드 활성 물질은 리튬 니트라이드의 첨가로부터 유리할 수 있다. 일반적으로, 리튬-이온 배터리에서 캐소드 활성 물질은 전이 금속, 특히, 하나 초과의 산화 상태에 안정하게 존재할 수 있는 전이 금속, 예컨대, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Nb, 및 Mo를 함유하는 화합물이다. 하나 초과의 전이 금속은 캐소드 활성 물질에서 발견될 수 있다. 또한, 캐소드 활성 물질 화합물은 단지 하나의 산화 상태에 안정하게 존재하는 금속, 예컨대, Mg, Al, 또는 Ga을 함유할 수 있다. 어떠한 금속에 더하여, 캐소드 활성 물질은 준금속(metalloid), 예컨대, 게르마늄 (Ge) 또는 붕소 (B)를 함유할 수 있다. 캐소드 활성 물질 화합물은 또한 비금속, 특히, 산소 (O)-함유 비금속, 예컨대, 옥사이드, 포스페이트, 설페이트, 실리케이트, 또는 바나데이트를 함유한다. 비금속은 또한 S 또는 S-함유 비금속일 수 있다. 적합한 캐소드 물질의 예는 리튬 금속 옥사이드, 예컨대, 리튬 코발트 옥사이드 (LiCoO2) 및 리튬 망간 옥사이드 (LiMnO4), 리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드 (LiNiMnCoO2), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드 (LiNiCoAlO2) , 리튬 금속 포스페이트, 예컨대, 리튬 아이언 포스페이트 (LiFePO4), 리튬 망간 포스페이트 (LiMnPO4), 및 리튬 아이언 코발트 포스페이트 (LiFeCoPO4)를 포함한다. 캐소드 활성 물질은 하나 초과의 그러한 화합물의 혼합물을 포함할 수 있다.
캐소드 활성 물질에 첨가되는 경우, 리튬 니트라이드는 리튬 니트라이드 이론적 커패시티의 적어도 50%, 리튬 니트라이드 이론적 커패시티의 적어도 60%, 리튬 니트라이드 이론적 커패시티의 적어도 70%, 또는 리튬 니트라이드 이론적 커패시티의 적어도 80%에 상응하는 초기 가역적 커패시티 증가를 제공할 수 있다. 예를 들어, Li3N은 2308.5 mAh/g의 이론적 커패시티를 지닌다. 실제 커패시티는 도 1에 나타나 있다. 리튬 코발트 옥사이드 (LiCoO2) 캐소드 활성 물질에 첨가되는 경우, 1 wt%의 리튬 니트라이드 Li3N은 캐소드의 가역적 커패시티를, 1945.7 mAh/g의 Li3N 커패시티, 또는 이론적 커패시티의 84.2%에 상응하여, 18 mAh/g (Li3N + 캐소드 활성 물질)까지 증가시켰다(도 2). 2 wt%의 Li3N가 리튬 코발트 옥사이드 (LiCoO2) 캐소드 활성 물질에 첨가되는 경우, 가역적 커패시티는, 1584.2 mAh/g의 Li3N 커패시티, 또는 이론적 커패시티의 68.6%에 상응하여, 28.7 mAh/g (Li3N + 캐소드 활성 물질)까지 증가되었다(도 2).
리튬 니트라이드는 평균적으로 10 μm 또는 그 미만, 5 μm 또는 그 미만, 1 μm 또는 그 미만, 500 nm 또는 그 미만, 또는 100 nm 또는 그 미만의 최대 치수를 지니는 입자와 같은 소입자의 형태로 존재할 수 있다. 리튬 니트라이드 입자는 캐소드 물질 입자와 또는 캐소드 중의 또 다른 물질과 응집될 수 있다. 이들은 또한 별개이지만, 달리 캐소드와 혼합될 수 있다. 이들은 또한 별개의 층으로서 캐소드 상에 놓여질 수 있다.
리튬 니트라이드는 Li+의 방출 전에, 캐소드 활성 물질에 대한 이의 첨가 전에, 또는 캐소드에 대한 이의 첨가 전에, 산소, 물, 또는 이 둘 모두에 대한 노출을 최소화시키도록 코팅될 수 있다. 이러한 코팅은 리튬 니트라이드로 형성되거나 추후에 적용되는 코팅일 수 있다. 예를 들어, 이는 단순히 리튬 니트라이드의 산화에 의해 형성되는 리튬-산소 층일 수 있다. 리튬 니트라이드는 물과 반응하는데, 이는 전기화학 전지 또는 재충전 가능한 배터리에 Li+을 기여하는 이의 능력을 저해할 수 있다. 코팅에 더하여, 또는 이에 대한 대체로서, 공기에 대한 노출을 방지하기 위해 건조한 공간에서, 리튬 니트라이드가 형성되거나, 캐소드 활성 물질에 첨가되거나, 캐소드로 형성되거나, 전기화학적 전지 또는 배터리로 형성될 수 있다. 다수의 캐소드 활성 물질은 또한 물의 존재하에서 불안정하여, 리튬 니트라이드 처리는 기존의 캐소드-관련 건조 공간 절차로 도입될 수 있다.
리튬 니트라이드 첨가제를 함유하는 캐소드는 리튬 니트라이드 및 캐소드 활성 물질에 더하여 다른 물질들을 함유할 수 있다. 예를 들어, 이들은 금속 시트 또는 다른 집전체, 결합제, 전도도 향상제, 예컨대, 탄소, 및 이들의 임의의 조합물을 포함할 수 있다.
도 3은 리튬 니트라이드 첨가제 입자(20)뿐만 아니라 캐소드 활성 물질 입자(30)를 함유하는 캐소드(10)의 단면 개략적 다이어그램이다. 이러한 예에서, 전도도 향상제 입자(40)가 또한 결합제(50)와 함께 존재하고, 전체 혼합물은 금속 시트(60) 위에 있다.
재충전 가능한 리튬 배터리 및 전기화학 전지는 리튬-이온, 리튬-금속, 리튬-폴리머, 리튬-공기, 및 리튬-황 재충전 가능한 배터리 및 전기화학 전지를 포함할 수 있다.
리튬 니트라이드 캐소드 첨가제를 지니는 전기화학 전지는 어떠한 적합한 애노드를 지닐 수 있다. 예를 들어, 애노드는 애노드 활성 물질, 예컨대, 리튬 금속 (Li), 그라파이트 또는 또 다른 탄소 (C), 규소 (Si), 리튬 금속 합금, 예컨대, 주석 (Sn)/코발트 (Co) 합금, 또는 리튬 화합물, 예컨대, 리튬 티타네이트 (Li4Ti5O12)를 포함할 수 있다. 애노드는 하나 초과의 애노드 활성 물질을 함유할 수 있다. 애노드는 또한 어떠한 활성 물질 이외의 다른 물질들, 예컨대, 금속 시트, 결합제, 전도도 향상제, 및 이들의 임의의 조합물을 함유할 수 있다.
전해질은 b로 표시되는 전압에서 캐소드 및 애노드를 사용하기에 적합한 어떠한 전해질일 수 있다. 물과 리튬 니트라이드의 반응을 방지하기 위해서, 전해질은 비-수성일 수 있다. 비수성 전해질은 리튬 염을 지니는 비이온성 액체 또는 유기 액체와 같은 액체 전해질일 수 있다. 적합한 유기 액체는 카보네이트, 예컨대, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 및 플루오로에틸렌 카보네이트, 및 이들의 임의의 조합물을 포함한다. 적합한 유기 액체는 또한 비환형 에테르, 예컨대, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 디부틸 에테르, 디메톡시메탄, 트리메톡시메탄, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 1,2-디메톡시프로판, 및 1,3-디메톡시프로판, 환형 에테르, 예컨대, 테트라하이드로푸란, 테트라하이드로피란, 2-메틸테트라하이드로푸란, 1,4-디옥산, 1,3-디옥솔란, 및 트리옥산, 폴리에테르, 예컨대, 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (디글라임), 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (트리글라임), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (테트라글라임), 고급 글라임, 에틸렌 글리콜 디비닐에테르, 디에틸렌 글리콜 디비닐에테르, 트리에틸렌 글리콜 디비닐에테르, 디프로필렌 글리콜 디메틸 에테르, 및 부틸렌 글리콜 에테르, 및 설폰, 예컨대, 설폴란, 3-메틸 설폴란, 3-설폴렌, 및 이들의 임의의 조합물을 포함한다. 전해질은 유기 용매들을 혼합물을 포함할 수 있다. 적합한 리튬 염은 LiSCN, LiBr, LiI, LiClO4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiSO3CH3, LiBF4, LiB(Ph)4, LiPF6, LiC(SO2CF3)3, 및 LiN(SO2CF3)2, 및 이들의 임의의 조합물을 포함한다.
상기 전해질은 주로 액체이지만, 겔 또는 고체 전해질이 또한 사용될 수 있다.
전기화학 전지는 또한 전지 내에서 캐소드와 애노드를 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터(separator)를 함유할 수 있다. 전지는 추가로 접지(contact), 케이싱(casing) 또는 배선(wiring)을 함유할 수 있다. 전지는 전통적인 형태, 예컨대, 코인형 전지(coin cell) 또는 젤리 롤(jelly roll), 또는 프리즘형 전지(prismatic cell)와 같은 더욱 복합적인 전지일 수 있다.
본 개시 내용의 재충전 가능한 배터리는 단일 전기화학 전지 또는 다중 전지를 포함할 수 있다. 하나 초과의 전지를 지니는 배터리는 이러한 다중 전기화학 전지를 연결하거나 조절하는 부품을 함유할 수 있다.
보다 정교한 배터리의 경우에, 이들은 보다 복합적인 부품, 예컨대, 배터리가 과열되거나, 파열되거나, 단락되는 경우의 위험성을 방지하는 안전 장치들을 함유할 수 있다. 특히 복합적인 배터리들은 또한 전자기기, 저장 매체, 프로세서, 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에 엔코딩(encoding)되는 소프트웨어, 및 다른 복합적인 조절 부품들을 함유할 수 있다.
본 개시 내용의 재충전 가능한 배터리는 다양한 적용들에서 사용될 수 있다. 이들은 다양한 장치들에서 소비자에 의해 상호 교환 가능하게 사용할 수 있는 표준 배터리 크기 포맷의 형태일 수 있다. 이들은, 예를 들어, 툴(tool) 및 기기(appliance)들을 위한 파워 팩(power pack)일 수 있다. 이들은 카메라, 휴대폰, 게임기(gaming device), 또는 랩톱 컴퓨터(laptop computer)를 포함하는 소비재 전자기기에서 사용 가능할 수 있다. 이들은 또한, 전기 자동차, 모터사이클, 버스, 배달용 트럭(delivery truck), 기차 또는 보트와 같은 훨씬 더 큰 장치들에서 사용 가능할 수 있다. 게다가, 본 개시 내용에 따른 배터리는, 예를 들어, 스마트 그리드(smart grid)에서, 또는 공장 또는 건강관리 설비들을 위한 에너지 저장소에서, 예를 들어, 발전기를 대신하여 에너지 생산과 연관된 에너지 저장소와 같은 산업적 용도를 지닐 수 있다.
이러한 과정들의 세부 사항 및 형성될 수 있는 배터리 부품이 상기 또는 하기 실시예에서 기술된다.
본 개시 내용의 단지 예시적인 구체예들이 상세하게 상술되어 있지만, 본 개시 내용의 사상 및 의도된 범위를 벗어나지 않으면서 이러한 실시예의 변형 및 변화가 가능한 것으로 인지될 것이다. 예를 들어, 본원에 표시된 수치들은, 실험 데이터로서 보고되는 바와 같이, 수가 정확한 양이 되도록 분명하게 하지 않을 경우, 표면된 수치를 "약" 또는 "대략"으로 사소한 변동 및 이에 따른 구체예를 포함하는 것으로 이해될 것이다. 추가로, 당업자는 본원에 청구된 리튬 니트라이드 조성물이 커패시터와 같이 마찬가지로 다른 문맥에서 추가의 리튬 이온을 공급하는데 사용될 수 있다는 것을 인지할 것이다.

Claims (20)

  1. 리튬 (Li)을 포함하는 캐소드 활성 물질; 및
    일반식 LiaQbX를 지니는 리튬 니트라이드를 포함하는 캐소드로서,
    상기 식에서, 2 ≤ a ≤ 5이고, 0 ≤ b이고, a 및 b가 하전된-균형잡힌 화합물(charged-balanced compound)을 얻도록 조절되고, X가 N, P, 또는 As를 포함하고, Q가 산소 (O), 불소 (F), 수소 (H), 탄소 (C), 황 (S), 염소 (Cl), 셀레늄 (Se), 브롬 (Br), 요오드 (I), 티탄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 몰리브덴 (Mo), 텅스텐 (W), 니오븀 (Nb), 나트륨 (Na), 칼륨 (K), 마그네슘 (Mg), 베릴륨 (Be), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 바륨 (Ba), 스칸듐 (Sc), 이트륨 (Y), 알루미늄 (Al), 갈륨 (Ga), 지르코늄 (Zr), 또는 아연 (Zn) 중 적어도 하나를 포함하는, 캐소드.
  2. 제1항에 있어서, 리튬 니트라이드가 리튬 니트라이드 입자 상에 리튬-산소 층을 추가로 포함하는 입자를 포함하는, 캐소드.
  3. 제1항에 있어서, 5 wt% 또는 그 미만의 리튬 니트라이드를 포함하고, wt%가 캐소드 활성 물질과 리튬 니트라이드의 총 중량으로 측정되는, 캐소드.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 0.1 wt%의 리튬 니트라이드를 포함하고, wt%가 캐소드 활성 물질과 리튬 니트라이드의 총 중량으로 측정되는, 캐소드.
  5. 제1항에 있어서, 캐소드 활성 물질이 리튬 금속 옥사이드를 포함하는, 캐소드.
  6. 제5항에 있어서, 캐소드 활성 물질이 리튬 코발트 옥사이드 (LiCoO2)를 포함하는, 캐소드.
  7. 제1항에 있어서, 캐소드 활성 물질이 리튬 금속 포스페이트를 포함하는, 캐소드.
  8. 제7항에 있어서, 캐소드 활성 물질이 리튬 아이언 포스페이트 (LiFePO4)를 포함하는, 캐소드.
  9. 제1항에 있어서, 캐소드가 집전체, 결합제, 전도도 향상제, 또는 이들의 임의의 조합물을 추가로 포함하는, 캐소드.
  10. 애노드;
    전해질; 및
    캐소드를 포함하는, 전기화학 전지로서,
    캐소드가
    리튬 (Li)을 포함하는 캐소드 활성 물질; 및
    일반식 LiaQbX를 지니는 리튬 니트라이드를 포함하고,
    상기 식에서, 2 ≤ a ≤ 5이고, 0 ≤ b이고, a 및 b가 하전된-균형잡힌 화합물을 얻도록 조절되고, X가 N, P, 또는 As를 포함하고, Q가 산소 (O), 불소 (F), 수소 (H), 탄소 (C), 황 (S), 염소 (Cl), 셀레늄 (Se), 브롬 (Br), 요오드 (I), 티탄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 몰리브덴 (Mo), 텅스텐 (W), 니오븀 (Nb), 나트륨 (Na), 칼륨 (K), 마그네슘 (Mg), 베릴륨 (Be), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 바륨 (Ba), 스칸듐 (Sc), 이트륨 (Y), 알루미늄 (Al), 갈륨 (Ga), 지르코늄 (Zr), 또는 아연 (Zn) 중 적어도 하나를 포함하는, 전기화학 전지.
  11. 제10항에 있어서, 리튬 니트라이드가 리튬 니트라이드 입자 상에 리튬-산소 층을 추가로 포함하는 입자를 포함하는, 전기화학 전지.
  12. 제10항에 있어서, 5 wt% 또는 그 미만의 리튬 니트라이드를 포함하고, wt%가 캐소드 활성 물질과 리튬 니트라이드의 총 중량으로 측정되는, 전기화학 전지.
  13. 제10항에 있어서, 적어도 0.1 wt%의 리튬 니트라이드를 포함하고, wt%가 캐소드 활성 물질과 리튬 니트라이드의 총 중량으로 측정되는, 전기화학 전지.
  14. 제10항에 있어서, 캐소드 활성 물질이 리튬 금속 옥사이드를 포함하는, 전기화학 전지.
  15. 제14항에 있어서, 캐소드 활성 물질이 리튬 코발트 옥사이드 (LiCoO2)를 포함하는, 전기화학 전지.
  16. 제10항에 있어서, 캐소드 활성 물질이 리튬 금속 포스페이트를 포함하는, 전기화학 전지.
  17. 제16항에 있어서, 캐소드 활성 물질이 리튬 아이언 포스페이트 (LiFePO4)를 포함하는, 전기화학 전지.
  18. 제10항에 있어서, 캐소드가 집전체, 결합제, 전도도 향상제, 또는 이들의 임의의 조합물을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
  19. 제10항에 있어서, 리튬 니트라이드가 전지의 가역적 커패시티를 리튬 니트라이드의 이론적 커패시티의 적어도 50%까지 증가시키는, 전기화학 전지.
  20. 제10항에 있어서, 전기화학 전지가 재충전 가능한 리튬 배터리에 위치되는, 전기화학 전지.
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