KR20180036691A - 다가 금속 애노드를 갖는 배터리 - Google Patents

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마이클 에이. 짐머만
비. 가브릴로브 알렉세이
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아이오닉 머터리얼스, 인코퍼레이션
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Abstract

고체 이온 전도성 중합체 물질을 또한 포함하는 애노드에서 전기화학적 활성 물질로서 다가 금속을 갖는 배터리.

Description

다가 금속 애노드를 갖는 배터리
기술된 장치는 일반적으로 전기화학적으로 활성인 다가 금속 전극 및 다가 금속을 이온적으로 전도시키는 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하는 전기화학 시스템에 관한 것이다.
다가 이온은 보다 높은 에너지 밀도들에 기여할 수 있기 때문에 전기화학 시스템들에서 바람직하다. 전지의 용량이 전기화학적으로 활성인 애노드 및 캐소드 물질들의 함수이기 때문에, 전기화학적인 화학양론적 반응들에 관여된 전자들의 수는 배터리 또는 다른 전기화학 시스템의 용량과 직접 관련된다.
새로운 전기화학 전지 화학물들의 개발은 재생가능 전원들에 대한 끊임없이 증가하는 수요를 충족시키는데 중요한 성분이다. 미국 에너지부 기본 에너지 과학 사무소(Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences)의 보고서(DOE-BES 2007)는 알칼리 토양들(예: Al, Mg2 +)과 같은 다중-전자 산화환원 쌍들을 사용하여 전하 밀도의 급격한 증가 가능성을 나열한다. 표 1을 참조하면, 이 보고서와 상이한 배터리 화학물들의 일부 계산된 이론적 특성들이 도시되었다.
화학물 전위 에너지 밀도 애노드 비용 캐소드 비용
(애노드-캐소드) (V) (WhKg-1) (WhL-1) ($/Kg) ($/Kg)
Mg-S 1.77 1684 3221 3.1 0.29
Li-S 2.28 2654 2856 69.2 0.29
C6-LiCoO2 3.60(평균) 568 1901 20-40 45
마그네슘 배터리들은 풍부하고 저렴한 물질들을 사용하여 높은 에너지 밀도를 갖는 다가 금속의 한 예이다. 마그네슘과 다른 다가 금속 애노드들을 통해, 2가지 종류의 캐소드들이 사용될 수 있다. 제 1 종류는 층상 전이 금속 산화물/황화물 (예: 쉐브렐 상(Chevrel phase))과 같은 삽입 캐소드이다. 제 2 종류는 전기화학적으로 다가 금속과 반응하는 황 또는 다른 물질들과 같은 변환 캐소드들을 사용한다. 황은 풍부하고 값이 싸며 현재의 흑연/리튬 코발트 산화물 배터리들보다 2배인 이론적인 에너지 밀도들을 제공하기 때문에 특히 매력적이다(표 1 참조). 그러나 마그네슘 및 다른 다가 금속 배터리들의 주요 문제는 전해질 호환성이었다.
황 캐소드들의 사용은 전지를 통해 이동하는 폴리설파이드(polyysulfides)로 알려진 반응 중간체들의 형성과 관련된 추가적인 호환성 문제들을 추가한다.
이러한 호환성 문제들을 해결할 수 있는 전해질을 사용하는 시스템들은 거의 없었다. 복잡한 액체-전해질 제제를 사용하여 Mg/S 배터리들은 또한 처음 2개 사이클들 내에서 열악한 쿨롱(coulombic) 효율 및 상당한 용량 손실을 나타내었다.
본 실시예들은 위의 문제점들을 해결할 뿐 아니라 추가적인 장점들을 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 고체 이온 전도성 중합체 물질 및 다가 금속을 포함하는 전극을 갖는 배터리가 제공되며, 다가 금속의 이온들은 상기 고체 이온 전도성 중합체에 의해 전도되고 배터리 전극으로 및 배터리 전극으로부터 가역적으로 운반된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 배터리는: 고체 이온 전도성 중합체 및 다가 금속을 포함하는 제 1 배터리 전극으로서, 다가 금속의 이온들은 상기 고체 이온 전도성 중합체에 의해 전도되고, 상기 제 1 배터리 전극으로 및 상기 제 1 배터리 전극으로부터 가역적으로 운반되는 제 1 배터리 전극; 제 2 배터리 전극으로서, 상기 이온들은 상기 제 2 배터리 전극으로 및 상기 제 2 배터리 전극으로부터 가역적으로 운반되는, 제 2 배터리 전극; 및 제 1 및 제 2 배터리 전극 사이에 위치하며 제 1 및 제 2 배터리 전극들 사이에서 이온들의 운반을 허용하는 유전성, 이온 전도성 비-전기화학적 활성 전해질 층을 포함한다.
추가의 양상들에 따르면, 배터리는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
다가 금속이 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질에 분산되고, 다가 금속이 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질에 의해 캡슐화되거나, 또는 다가 금속이 입자화되고, 입자들이 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질에 의해 캡슐화되는, 배터리.
다가 금속 입자들이 각각 100마이크론 미만인, 배터리.
배터리 전극이 압출되는, 배터리.
전기 전도성 물질을 더 포함하는, 배터리.
상기 제 2 배터리 전극이 고체 이온 전도성 중합체 물질 및 삽입 화합물을 포함하는, 배터리.
상기 제 2 배터리 전극이 상기 고체 이온 전도성 중합체, 및 다가 이온이 제 2 배터리 전극에 진입할 때 상기 다가 이온과 반응하는 전기화학적 활성 화합물을 포함하는, 배터리.
상기 전기화학적으로 활성 화합물이 황인, 배터리.
상기 전기화학적으로 활성 화합물이 이산화망간인, 배터리.
상기 전해질 층이 상기 고체 이온 전도성 중합체를 포함하는, 배터리.
전해질 층이 압출되는, 배터리.
전해질 층이 열 성형된, 배터리.
제 1 배터리 전극이 열 성형된, 배터리.
다가 금속이 알루미늄, 마그네슘 또는 칼슘인, 배터리.
상기 다가 금속이 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 아연, 철, 스칸듐, 크롬, 구리 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는, 배터리.
전해질 층이 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하고, 상기 제 2 배터리 전극이 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질, 및 상기 다가 이온이 상기 제 2 배터리 전극으로 진입할 때 상기 다가 이온과 반응하는 전기화학적 활성 화합물을 포함하는, 배터리.
고체, 이온 전도성 중합체 물질이: 30% 초과의 결정도; 용융 온도; 유리 상태; 및 적어도 하나의 양이온성 및 음이온성 확산 이온을 포함하고, 적어도 하나의 확산 이온은 유리 상태에서 이동 가능한, 배터리.
물질이 복수의 전하 전달 착물들을 더 포함하는, 배터리.
물질이 복수의 단량체들을 포함하고, 각각의 전하 전달 착물이 단량체 상에 위치되는, 배터리.
고체 이온 전도성 중합체 물질의 전자 전도도가 실온에서 1×10-8S/cm보다 낮은, 배터리.
고체 이온 전도성 중합체 물질이 반결정질이고, 복수의 단량체들; 각각이 단량체 상에 위치되는 복수의 전하 전달 착물들을 포함하고; 고체 이온 전도성 중합체 물질의 전자 전도도가 실온에서 1×10-8S/cm보다 낮은, 배터리.
물질의 결정도가 30%보다 높은, 배터리;
물질이 양이온성 및 음이온성 확산 이온 모두를 추가로 포함하고, 각각의 확산 이온이 유리 상태에서 이동 가능하고, 물질의 결정도가 30%보다 높은, 배터리.
전하 전달 착물이 중합체와 전자 수용체의 반응에 의해 형성되는, 배터리.
물질이 유리 상태, 적어도 하나의 양이온성 및 적어도 하나의 음이온성 확산 이온을 구비하고, 각각의 확산 이온이 유리 상태에서 이동 가능한, 배터리.
물질의 용융 온도가 250℃보다 높은, 배터리.
물질의 이온 전도도가 실온에서 1×10-5S/cm보다 높은, 배터리.
물질이 단일 양이온성 확산 이온을 포함하고, 양이온성 확산 이온의 확산율이 실온에서 1.0×10-12㎡/s보다 높은, 배터리.
물질이 단일 음이온성 확산 이온을 포함하고, 음이온성 확산 이온의 확산율이 실온에서 1.0×10-12㎡/s보다 높은, 배터리.
고체 이온 전도성 중합체 물질이 복수의 단량체들을 포함하고, 단량체 당 적어도 하나의 음이온성 확산 이온이 존재하는, 배터리.
고체 이온 전도성 중합체 물질이 복수의 단량체들을 포함하고, 단량체 당 적어도 하나의 양이온성 확산 이온이 존재하는, 배터리.
1리터의 물질 당 적어도 1몰의 양이온성 확산 이온이 존재하는, 배터리.
전하 전달 착물이 중합체, 전자 수용체 및 이온성 화합물의 반응에 의해 형성되고, 각 양이온성 및 음이온성 확산 이온이 이온성 화합물의 반응 생성물인, 배터리.
물질이 적어도 하나의 이온성 화합물로 형성되고, 이온성 화합물이 다가 금속을 포함하는, 배터리.
배터리가 열가소성인, 배터리.
적어도 양이온성 확산 이온 중 하나가 1.0×10-12㎡/s보다 높은 확산율을 갖는, 배터리.
적어도 하나의 음이온성 확산 이온 중 하나가 1.0×10-12㎡/s보다 높은 확산율을 갖는, 배터리.
적어도 하나의 음이온성 확산 이온 및 적어도 하나의 양이온성 확산 이온 중 하나가 1.0×10-12㎡/s보다 높은 확산율을 갖는, 배터리.
고체 이온 전도성 중합체 물질이 복수의 단량체들을 포함하고, 각각의 단량체가 단량체의 주쇄에 위치된 방향족 또는 이종고리의 고리 구조를 포함하는, 배터리.
물질이 고리 구조에 통합된 또는 고리 구조에 인접한 골격에 위치하는 이종원자를 더 포함하는, 배터리.
이종 원자가 황, 산소 또는 질소로 이루어진 군으로부터 선택되는, 배터리.
이종 원자가 고리 구조에 인접한 단량체의 주쇄 상에 위치하는, 배터리.
이종 원자가 황인, 배터리.
물질이 파이(pi)-공액결합된, 배터리.
중합체가 복수의 단량체들을 포함하고, 단량체의 분자량이 100그램/몰보다 큰, 배터리.
물질의 이온 전도도가 등방성인, 배터리.
실온에서 1×10-4S/cm보다 높은 이온 전도도를 갖는, 배터리.
80℃에서 1×10-3S/cm보다 높은 이온 전도도를 갖는, 배터리.
-40℃에서 1×10-5S/cm보다 높은 이온 전도도를 갖는, 배터리.
물질이 불연성인, 배터리.
상기 물질의 영률이 3.0MPa 이상인, 배터리.
물질이 베이스 중합체, 전자 수용체 및 이온성 화합물의 반응 생성물인, 배터리.
베이스 중합체가 액정 중합체, 도핑되지 않은 공액결합된 중합체 또는 PPS인, 배터리.
이온성 화합물이 다가 금속을 포함하는, 배터리.
전자 수용체가 퀴논인, 배터리.
도 1은 고체 이온 전도성 중합체 물질을 함유하는 황 캐소드를 사용하는 전지의 사이클 테스트의 성능 곡선.
본 출원은 참조로서 본 명세서에 통합된 2015년 6월 8일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/172,647호를 우선권으로 주장하고, 또한 참조로서 2015년 5월 8일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/158,841호; 2014년 12월 3일자로 출원된 미국 특허출원 제14/559,430호; 2013년 12월 3일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/911,049호; 2013년 4월 11일자로 출원된 미국 특허출원 제13/861,170호; 및 2012년 4월 11일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/622,705호를 통합한다.
기술된 양상들은 전기화학적으로 활성인 다가 금속 전극 및 다가 금속을 이온적으로 전도시키는 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하는 전기화학 시스템에 관한 것이다. 이러한 다가 금속과 고체 이온 전도성 중합체 물질의 조합은 배터리 전극에서와 같이 배터리에 적용될 수 있다.
다음의 용어 설명들은 이 섹션에서 설명될 양상들, 실시예들 및 목적들의 기술을 더 자세히 설명하기 위해 제공된다. 달리 설명되거나 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어들은 본 개시사항이 속하는 기술 분야의 당업자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 개시사항의 다양한 실시예들의 검토를 용이하게 하기 위해, 특정 용어들에 대한 다음의 설명들이 제공된다:
감극제는 전기 화학적 활성 물질, 즉 전기 화학 반응 및 전기 화학적 활성 물질의 전하-전달 단계에서, 그의 산화 상태를 변화시키거나 화학 결합의 형성 또는 파괴에 참여하는 물질의 동의어이다. 전극이 하나보다 많은 전자활성 물질들을 갖는 경우, 이들은 공동-감극제(codepolarizers)로 언급될 수 있다.
열가소성은 플라스틱 물질 또는 중합체의 용융점 주변의 특정 온도 위에서 또는 용융점에서 유연하거나 성형될 수 있게 되고, 냉각시 응고되는 있는 플라스틱 물질 또는 중합체의 특성이다.
고체 전해질들은 비-용매 중합체들 및 세라믹 화합물들(결정질 및 유리질)을 포함한다.
"고체"는 무한히 긴 기간에 걸쳐 그 형상을 유지하는 능력을 특징으로 하며, 액상의 물질과 구별되고 이와 상이하다. 고체들의 원자 구조는 결정질 또는 비결 정질일 수 있다. 고체들은 혼합되거나, 복합 구조들 내의 구성 요소가될 수 있다. 그러나 본 출원 및 그 청구범위의 목적들을 위해, 고체 물질은 다르게 기술되지 않는 한, 고체, 겔 또는 액상을 통하지 않고 고체를 통해 이온 전도성인 것이 요구된다. 본 출원 및 그 청구범위의 목적을 위해, 이온 전도성을 위해 액체에 의존하는 겔화된(또는 습윤) 중합체들 및 다른 물질들은, 이들이 이온 전도성을 위해 액상에 의존한다는 점에서 고체 전해질들이 아닌 것으로 정의된다.
중합체는 전형적으로 유기이며, 탄소 기반 고분자들로 이루어지고, 각각은 하나 이상의 유형의 반복 단위들 또는 단량체들을 갖는다. 중합체들은 가볍고 연성이며, 보통 비-전도성이고, 상대적으로 낮은 온도들에서 용융된다. 중합체들은 사출, 블로잉(blow) 및 다른 성형 공정들, 압출, 프레싱, 스탬핑, 3차원 인쇄, 기계가공 및 다른 플라스틱 공정들을 통해 제품으로 제조될 수 있다. 중합체들은 전형적으로 유리 전이 온도 Tg 미만의 온도들에서 유리 상태를 갖는다. 이 유리 온도는 사슬의 유연성의 함수이며, 중합체 고분자의 세그먼트들의 배열들이 하나의 단위로 함께 움직일 수 있도록 충분한 자유-체적을 생성하기 위해, 시스템내에 충분한 진동(열) 에너지가 존재할 때 발생한다. 그러나 중합체의 유리 상태에서, 중합체의 어떠한 분절 운동도 존재하지 않는다.
중합체는 무기 비금속 물질들로 정의되는 세라믹들과 구별되고, 전형적으로 산소, 질소 또는 탄소에 공유 결합된 금속들로 이루어지고, 부서지기 쉽고, 강성이며, 비-전도성인 금속들로 구성된 화합물들이다.
일부 중합체들에서 발생하는 유리 전이는 중합체 물질이 냉각될 때 과냉각된 액체 상태와 유리 상태 사이의 중간 온도이다. 유리 전이의 열역학적 측정들은 중합체의 물리적 특성, 예컨대 온도의 함수로서 체적, 엔탈피 또는 엔트로피 및 다른 유도체 특성들을 측정함으로써 수행된다. 유리 전이 온도는 전이 온도에서 선택된 특성(엔탈피의 체적) 내의 단절과 같은 곡선상에서, 또는 기울기(열 용량 또는 열 팽창 계수)의 변화로부터 관찰된다. Tg 초과에서 Tg 미만으로 중합체를 냉각시킬 때, 중합체 분자 이동도는 중합체가 유리 상태에 도달할 때까지 느려진다.
중합체가 비정질 및 결정질 상태 모두를 포함할 수 있기 때문에, 중합체 결정도는 중합체의 양에 대한 이러한 결정질 상태의 양이고, 백분율로서 표시된다. 결정도의 백분율은 비정질 및 결정질 상태들의 상대적 영역들의 분석에 의한 중합체의 x-선 회절을 통해 계산될 수 있다.
중합체 필름은 일반적으로 중합체의 얇은 부분으로 기술되지만, 300마이크로미터 이하의 두께로 이해되어야 한다.
이온 전도도가 전기 전도도와 다른 점을 주목하는 것이 중요하다. 이온 전도도는 이온 확산율에 의존하며, 이러한 특성들은 네른스트-아인슈타인(Nernst-Einstein) 방정식에 의해 관련된다. 이온 전도도 및 이온 확산율은 이온 이동도의 측정값들이다. 이온은, 물질에서의 물질의 확산율이 양(0보다 큰)이거나, 양의 전도도에 기여할 경우, 물질 내에서 이동할 수 있다. 이러한 모든 이온 이동도 측정들은 달리 명시되지 않는 한, 실온(약 21℃)에서 이루어진다. 이온 이동도가 온도에 의해 영향을 받기 때문에, 저온들에서 검출하기가 어려울 수 있다. 장비 검출 한계들은 작은 이동도의 양을 결정하는 인자가될 수 있다. 이동도는 둘 모두 이온을 전달하는 적어도 1×10-14㎡/s 및 바람직하게는 적어도 1×10-13㎡/s의 이온 확산율이 물질 내에서 이동할 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
고체 중합체 이온 전도성 물질은 중합체를 포함하고 추가로 기술되는 바와 같이 이온들을 전도시키는 고체이다.
본 발명의 일 양상은 적어도 3개의 별개의 구성요소들: 중합체, 도펀트 및 이온성 화합물로부터 고체 이온 전도성 중합체 물질을 합성하는 방법을 포함한다. 구성요소들 및 합성 방법은 물질의 특정 애플리케이션을 위해 선택된다. 중합체, 도펀트 및 이온성 화합물의 선택은 또한 물질의 원하는 성능에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 원하는 구성요소들 및 합성 방법은 원하는 물리적 특성(예: 이온 전도도)의 최적화에 의해 결정될 수 있다.
합성:
합성 방법은 또한 최종 물질(예, 필름, 입자, 등)의 특정 구성요소들 및 원하는 형태에 따라 변할 수 있다. 그러나 이 방법은 초기에 적어도 2가지 구성요소들을 혼합하는 단계, 선택적인 제 2 혼합 단계에서 제 3 구성요소를 첨가하는 단계, 및 가열 단계에서 고체 이온 전도성 중합체 물질을 합성하기 위해 구성요소들/반응물들을 가열하는 단계의 기본 단계들을 포함한다. 본 발명의 일 양상에서, 최종 혼합물은 선택적으로 원하는 크기의 필름으로 형성될 수 있다. 도펀트가 제 1 단계에서 생성된 혼합물에 존재하지 않으면, 열 및 선택적으로 압력(정압 또는 진공)이 가해지는 동안, 도펀트는 후속적으로 혼합물에 첨가될 수 있다. 3가지 모든 구성요소들이 존재할 수 있고, 혼합 및 가열되어 단일 단계에서 고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성을 완료할 수 있다. 그러나 이러한 가열 단계는 임의의 혼합 단계와는 별도의 단계에서 이루어질 수 있거나, 혼합이 이루어지는 동안 완료될 수 있다. 가열 단계는 혼합물의 형태(예, 필름, 입자, 등)에 관계없이 수행될 수 있다. 합성 방법의 일 양상에서, 3가지 모든 구성요소들이 혼합되고, 이후 필름으로 압출된다. 필름은 가열되어 합성을 완료한다.
고체 이온 전도성 중합체 물질이 합성될 때, 색 변화가 발생하고, 이러한 색 변화는 반응물 색상이 비교적 옅은 색이고, 고체 이온 전도성 중합체 물질이 비교적 어둡거나 검은 색이기 때문에, 시각적으로 관찰될 수 있다. 이러한 색 변화는 전하 전달 착물이 형성될 때 발생하며, 합성 방법에 따라 점진적으로 또는 신속하게 발생할 수 있다고 믿어진다.
합성 방법의 일 양상은 베이스 중합체, 이온성 화합물 및 도펀트를 함께 혼합하고 혼합물을 제 2 단계에서 가열하는 것이다. 도펀트가 기체 상태일 수 있으므로, 가열 단계는 도펀트의 존재하에 수행될 수 있다. 혼합 단계는 압출기, 블렌더, 밀 또는 플라스틱 처리의 전형적인 다른 장비에서 수행될 수 있다. 가열 단계는 수 시간(예: 24시간) 지속될 수 있고, 색 변화는 합성이 완료되거나 부분적으로 완료되었다는 확실한 표시이다. 합성을 넘어서는 추가적인 가열은 물질에 부정적인 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.
합성 방법의 일 양상에서, 베이스 중합체 및 이온성 화합물은 먼저 혼합될 수 있다. 그 후, 도펀트는 중합체-이온 화합물의 혼합물과 혼합되어 가열된다. 가열은 제 2 혼합 단계 동안 또는 혼합 단계에 후속하여 혼합물에 적용될 수 있다.
합성 방법의 또 다른 양상에서, 베이스 중합체 및 도펀트는 먼저 혼합되고, 이 후 가열된다. 이러한 가열 단계는 혼합 후 또는 혼합 도중에 적용될 수 있고, 전하 전달 착물들의 형성 및 도펀드 및 베이스 중합체 사이의 반응을 나타내는 색 변화를 생성한다. 이후 이온성 화합물은 반응된 중합체 도펀트 물질에 혼합되어, 고체 이온 전도성 중합체 물질의 형성을 완료한다.
도펀트를 첨가하는 전형적인 방법들은 당업자들에게 알려졌고, 중합체 및 이온성 화합물을 함유하는 필름의 증기 도핑 및 당업자들에게 알려진 다른 도핑 방법들을 포함할 수 있다. 도핑시 고체 중합체 물질은 이온 전도성이 되고, 이러한 도핑이 고체 중합체 물질의 이온 구성요소를 활성화시켜 이들이 이온들을 확산시키는 것으로 여겨진다.
다른 비-반응성 구성요소들은 초기 혼합 단계들, 2차 혼합 단계들 또는 가열에 후속한 혼합 단계들 도중에 상술한 혼합물들에 첨가될 수 있다. 이러한 다른 구성요소들은 애노드 또는 캐소드 활성 물질들과 같은 감극제 또는 전기화학적 활성 물질들, 탄소들와 같은 전기 전도성 물질들, 결합제 또는 압출 보조제(예: 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체 "EPDM")와 같은 유동학적 제제, 촉매들 및 혼합물의 원하는 물리적 특성을 달성하는데 유용한 다른 구성요소들을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성에서 반응물들로서 유용한 중합체들은 전자 수용체들에 의해 산화될 수 있는 전자 공여체들 또는 중합체들이다. 30% 초과 및 50% 초과의 결정도 지수를 갖는 반-결정성 중합체들은 적합한 반응 중합체들이다. 액정 중합체들("LCPs")와 같은 완전히 결정성인 중합체 물질들 또한 반응 중합체들로서 유용하다. LCPs는 완전히 결정성이며, 따라서 그들의 결정도 지수는 100%로 정의된다. 도핑되지 않은 공액결합된 중합체들 및 폴리페닐렌 설파이드("PPS")와 같은 중합체들도 또한 적합한 중합체 반응물들이다.
중합체는 일반적으로 전기 전도성이 아니다. 예를 들어, 순수 PPS는 10-20 Scm-1의 전기 전도도를 갖는다. 비-전기 전도성 중합체들은 적합한 반응 중합체들이다.
일 양상에서, 반응물로서 유용한 중합체는 각각의 반복 단량체 군의 주쇄에 방향족 또는 이종고리 성분, 및 이종고리에 통합되거나 방향족 고리에 인접한 위치내에서 주쇄를 따라 위치되는 이종원자를 가질 수 있다. 이종원자는 주쇄에 직접 위치하거나, 주쇄에 직접 위치한 탄소 원자에 결합될 수 있다. 이종원자가 주쇄에 위치하거나 주쇄에 위치한 탄소 원자에 결합된, 두 경우들 모두, 주쇄 원자는 방향족 고리에 인접한 주쇄에 위치한다. 본 발명의 이러한 양상에서 사용되는 중합체들의 비-제한적인 예들은, PPS, 폴리(p-페닐렌 산화물)("PPO"), LCPs, 폴리에테르 에테르 케톤("PEEK"), 폴리프탈아미드("PPA"), 폴리피롤, 폴리아닐린, 및 폴리설폰을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 나열된 중합체들의 단량체들을 포함하는 공-중합체들 및 이들 중합체들의 혼합물들이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, p-하이드록시벤조산의 공-중합체들은 적합한 액정 중합체 베이스 중합체들일 수 있다. 표 2는 본 발명에 유용한 반응 중합체들의 비-제한적인 예들을, 단량체 구조와 일부 물리적인 특성 정보와 함께 상세하게 설명하며, 물리적인 특성 정보는 중합체들이 물리적 특성들에 영향을 미칠 수 있는 다수의 형태들을 취할 수 있기 때문에 비-제한적인 것으로 또한 고려되어야 한다.
중합체 단량체 구조 용융점
(C)		 MW
PPS 폴리페닐렌 설파이드
Figure pct00001
 285 109
PPO 폴리(p-페닐렌 산화물)
Figure pct00002
 262 92
PEEK 폴리에테르 에테르 케톤
Figure pct00003
 335 288
PPA 폴리프탈아미드
Figure pct00004
 312
폴리피롤
Figure pct00005
폴리아닐린 폴리-페닐아민 [C6H4NH]n
Figure pct00006
 385 442
폴리설폰
Figure pct00007
 240
Xydar(LCP)
Figure pct00008
벡트란 폴리-파라페닐렌 테레프탈아미드 [-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n
Figure pct00009
폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)
Figure pct00010
 177℃
폴리아크릴로니트릴(PAN)
Figure pct00011
 300℃
폴리테트라플루오로-에틸렌(PTFE)
Figure pct00012
 327
폴리에틸렌(PE)
Figure pct00013
 115-135
고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성에서 반응물들로서 유용한 도펀트들은 전자 수용체들 또는 산화제들이다. 도펀트는 이온 수송 및 이동도를 위해 이온들을 방출하도록 작용하는 것으로 여겨지며, 이온 전도도를 허용하기 위해 전하 전달 착물과 유사한 부위 즉 중합체 내의 부위를 생성하는 것으로 여겨진다. 유용한 도펀트들의 비-제한적인 예들은 "DDQ"로도 알려진 2,3-디시아노-5,6-디클로로디시아노퀴논(C8Cl2N2O2) 및 클로라닐(chloranil)으로도 알려진 테트라클로로-1,4-벤조퀴논(C6Cl4O2)과 같은 퀴논들, TCNE로도 알려진 테트라시아노에틸렌(C6N4), 삼산화황("SO3"), 오존(트리옥시젠 또는 O3), 산소(O2, 공기포함), 이산화망간(MnO2)을 포함하는 전이 금속 산화물들, 또는 임의의 적합한 전자 수용체 등, 및 이들의 조합들이다. 합성 가열 단계의 온도들에서 온도 안정적인 도펀트들이 유용하며, 모두 온도 안정적인 퀴논들 및 다른 도펀트들 및 강한 산화제들인 퀴논들이 가장 유용하다. 표 3은 도펀트들의 비-제한적인 목록들을 그들의 화학 구조식들과 함께 제공한다.
도펀트 화학식 구조
2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논(DDQ) C6Cl2(CN)2O2
Figure pct00014
테트라클로로-1,4-벤조퀴논(클로라닐) C6Cl4O2
Figure pct00015
테트라시아노에틸렌(TCNE) C6N4
Figure pct00016
삼산화 황 SO3
오존 O3
산소 O2
전이 금속 산화물들 MxOy(M=전이금속, x 및 y는 1이상이다)
고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성에서 반응물들로서 유용한 이온성 화합물들은 고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성 도중에 원하는 이온들을 방출하는 화합물들이다. 이온성 화합물은 이온성 화합물 및 도펀트가 모두 요구된다는 점에서 도펀트와 구별된다. 비-제한적인 예들은 Li2O, LiOH, ZnO, TiO2, Al3O2, NaOH, KOH, LiNO3, Na2O, MgO, CaCl2, MgCl2, AlCl3, LiTFSI (리튬 비스-트리플루오로메탄설폰이미드), LiFSI (리튬 비스(플루오로설포닐)이미드) 리튬 비스(옥살라토)보레이트(LiB(C204)2 "LiBOB") 및 다른 리튬염들 및 이들의 조합을 포함한다. 일 양상에서, 이온성 화합물은 다가 금속을 함유하고, 확산 다가 금속 이온을 함유하는 고체 이온 전도성 중합체 물질을 생산하는데 사용된다. 이들 화합물의 수화된 형태들(예: 모노하이드라이드)은 화합물들의 취급을 단순화시키는데 사용될 수 있다. 무기 산화물들, 염화물들 및 수산화물은 적어도 하나의 음이온성 및 양이온성 확산 이온을 생성하기 위해 합성 동안 해리된다는 점에서 적합한 이온성 화합물이다. 적어도 하나의 음이온성 및 양이온성 확산 이온을 생성하도록 해리되는 임의의 이러한 이온성 화합물이 유사하게 적합할 것이다. 바람직할 수 있는 다수의 음이온성 및 양이온성 확산 이온들을 초래하는 다수의 이온성 화합물들이 또한 유용할 수 있다. 합성에 포함된 특정 이온성 화합물은 물질에 대해 요구되는 유용성에 의존한다.
예를 들어, 다가의 고 에너지 밀도 시스템을 갖는 것이 요구될 애플리케이션에서, 다가 양이온, 다가의 수산화물, 다가의 염화물 또는 다가 이온으로 전환 가능한 리튬 산화물이 적절할 것이다. 합성 도중에 다가 캐소드 및 확산 음이온 모두를 방출하는 임의의 다가 이온 함유 화합물일 것이다. 추가로 입증되는 바와 같이, 원하는 양이온성 및 음이온성 확산 종들 모두를 생성할 수 있는 형태의 알칼리 금속들, 알칼리 토금속들, 전이 금속들 및 전이후 금속들을 포함하는 이온 화합물들은 합성 반응물의 이온 화합물들로서 적합하다.
고체 이온 전도성 중합체 물질은 다가 이온의 이온 이동도를 필요로 하는 임의의 시스템에서 사용될 수 있다. 일 양상에서, 기술된 고체 이온 전도성 중합체 물질은 두 전극들 뿐만 아니라 전극들 사이에 개재된 전해질에 사용될 수 있다. 고체 이온 전도성 중합체 물질의 조성은 3가지 애플리케이션들 모두에서 동일할 수 있고, 배터리 시스템에서 3가지 애플리케이션 모두 특정 이온들에 대해, 예컨대 다가 양이온들에 대해 비 이온 이동도를 가능하게 하는 필요성을 공유한다. 그러나 전극들에서 고체 이온 전도성 중합체 물질은 흑연 또는 다른 탄소들과 같은 전도성 첨가제들의 첨가에 의해 전기 전도성이 되도록 변형될 수 있다. 고체 이온 전도성 중합체 물질의 조성물은 또한 배터리 시스템들에 적합한 이온 전도도를 유지하면서 특정 물리적 특성에 대해 최적화될 수 있다. 특정 베이스 중합체들의 사용은 고체 이온 전도성 중합체 물질의 영률을 변경할 수 있고, 고체 이온 전도성 중합체 물질의 압출을 보조하기 위한 유동학적 개질제(modifier)의 사용을 변경할 수 있다. 고체 이온 전도성 중합체 물질의 형태는 변경될 수 있고, 상이한 애플리케이션들에 요구될 수 있는 필름 또는 입자로 형성될 수 있다. 따라서, 일 양상에서, 고체 이온 전도성 중합체 물질의 사용들은 동일한 배터리 시스템 내의 각각의 애플리케이션에서 동일한 고체 이온 전도성 중합체 물질일 필요는 없다.
다가 배터리 시스템의 애노드는 다가 캐소드 물질을 포함한다. 다가 물질의 일 양상에서, 이는 분말 또는 입자 형태이고, 고체 이온 전도성 중합체 물질에 분산된다. 분산됨에 따라, 다가 입자들은 고체 이온 전도성 중합체 물질에 의해 캡슐화된다. 고체 이온 전도성 중합체 물질이 전기 전도성이 아니거나 전기 전도성을 증가시키는 양상에서, 부가적인 전도성 첨가제들은, 양극을 전기적으로 전도시켜 전자가 다가에서 애노드와 전기 연결된 애노드 전류 컬렉터로 흐를 수 있게 하기 위하여, 다른 양극 구성요소들과 혼합될 수 있다. 이러한 첨가제들은 배터리들에서 전형적이고, 흑연을 포함하여 높은 표면적의 탄소를 일반적으로 포함한다. 따라서, 애노드는 다가 금속 이온들을 이온적으로 전도시키도록 작용한다.
일 양상에서, 캐소드는 애노드와 유사한 구성일 수 있다. 삽입 물질 또는 전환 물질은 선택적인 전기 전도성 첨가제와 함께 고체 이온 전도성 중합체 물질로 분산될 수 있다. 전기화학적으로 활성인 캐소드 물질은 고체 이온 전도성 중합체 물질과 혼합되어 그 안에 분산되고, 고체 이온 전도성 중합체 물질에 의해 캡슐화된다. 일 양상에서, 고체 이온 전도성 중합체 물질은 오로지 그의 합성에 통합된 확산 이온들에 대해서만 이온 전도성이다. 따라서, 예를 들어, 폴리설파이드와 같은 황 또는 황 함유 물질은 전도성이 아니며, 따라서 캐소드 내에서 유지되어 배터리 순환 비효율에 대한 경로를 감소시킬 것이다.
고체 이온 전도성 중합체 물질은 또한 배터리의 전해질로서 작용할 수 있다. 고체 중합체 전해질로서의 이러한 사용에서, 이는 전기 전도성이 아니며, 대신에 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 유전체로서 작용한다. 고체 이온 전도성 중합체 물질은 얇은 필름(100-10마이크로미터)으로 압출될 수 있고, 이러한 형태에서 열가소성을 유지한다. 따라서 전극 중 하나 또는 양쪽에 열적으로 부착될 수 있어서, 제조 비용을 절감하고 우수한 이온 전도 경로를 보장한다. 일 양상에서, 3개의 구성요소들은 공동압출되어 단일 3-구성요소 필름 배터리를 형성할 수 있고, 이러한 배터리는 순환 도중에 애노드 및 캐소드 전극들 사이에서 다가 이온을 효율적으로 이온 전도시킬 수 있다.
물질들의 순도는 의도하지 않은 부반응들을 방지하고 합성 반응의 효과를 극대화하여 높은 전도성의 물질을 생성하기 위하여 잠재적으로 중요하다. 일반적으로 높은 순도들의 도펀트, 베이스 중합체 및 이온성 화합물을 갖는 실질적으로 순수한 반응물들이 바람직하고, 98% 초과의 순도들이 더 바람직하고, 심지어 더 높은 순도들, 예를 들면, LiOH: 99.6%, DDQ: > 98% 및 클로라닐: > 99% 또한 바람직하다.
고체 이온 전도성 중합체 물질의 유용성 및 본 발명의 고체 이온 전도성 중합체 물질의 상술한 합성 방법의 융통성을 추가로 기술하기 위해, 다수의 전기화학적 애플리케이션들에 유용하고, 그들의 애플리케이션에 의해 구별되는 수가지 종류의 고체 이온 전도성 중합체 물질이 기술된다:
예 1
고체 이온 전도성 중합체 물질 샘플들은 표 4에 열거된 비율들로 LCP 중합체, Saint Gobain의 SRT900 Zydar 및 이온 화합물을 혼합하여 제조되었다. DDQ는 도펀트로 사용되었다. 중합체 단량체 대 도펀트의 몰비는 4.2:1이었다. 베이스 중합체, 도펀트 및 이온 화합물의 철저한 혼합에 의해 3-구성요소 혼합물이 생성되었다. 혼합물은 이후 중간 압력(500-1000psi) 하에서 약 30분 동안 약 350℃로 가열되었다. 가열 후 고체 이온 전도성 중합체 물질의 합성을 나타내는 색 변화가 관찰된다.
샘플들은 스테인레스강 전극들 사이에 개재되어 테스트 고정물에 놓인다. AC 임피던스는 Bio-Logic VSP 테스트 시스템을 사용하여 800KHz에서 100Hz 범위로 기록되어, 각 고체 이온 전도성 중합체 물질 샘플의 이온 전도도를 결정하였다.
측정된 이온 전도도 결과들은 표 4에 도시되었다. 관찰된 이온 전도도는 고체 이온 전도성 중합체 물질이 다가 칼슘 Ca2 +, 마그네슘 Mg2 + 및 알루미늄 Al3 + 이온들을 포함하여 다수의 이온들을 전도시킬 수 있음을 입증한다.
이온 소스 이온 소스 (중량%) 전도도 (S/cm)
Li2O 33% 1.9E-04
Na2O 33% 4.2E-05
MgO 33% 6.3E-07
CaCl2 33% 6.2E-03
MgCl2 20% 8.0E-03
AlCl3 15% 2.4E-03
NaOH 50% 1.3E-04
KOH 50% 2.2E-04
금속 애노드를 갖는 전원들은 고체 이온 전도성 중합체 물질에 의해 활성 상태로 캡슐화되거나 달리 유지되어 리튬보다 더 안정적이고 저렴한 가격이 가능해 진다.
나트륨- 및 칼륨- 기반의 에너지 저장 시스템들은 원자재들의 저렴한 비용과 상대적 풍부함에 의해 주로 주도되는 Li-이온의 대안으로 간주된다. 칼슘, 마그네슘 및 알루미늄 이온 전도도는 Li-이온 배터리들의 성능들을 넘어 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 다가의 삽입 시스템들에 필요하다.
따라서, 이온성 중합체 전해질이 Mg2 +(20℃에서 8mScm- 1)를 포함하여 다가 이온들을 전도시키도록 가공될 수 있음을 입증하였다. 이러한 중합체 전해질은 따라서 재충전 가능한 마그네슘-황(Mg/S) 배터리들에 대해 이상적으로 적합하다.
본 출원 및 본 상세한 설명은 이하의 출원들의 청구 범위, 요약서 및 도면들을 포함하여 그 전체 명세서들을 통합한다: 2015년 5월 8일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/158,841호; 2014년 12월 3일자로 출원된 미국 특허출원 제14/559,430호; 2013년 12월 3일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/911,049호; 2013년 4월 11일자로 출원된 미국 특허출원 제13/861,170호; 및 2012년 4월 11일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/622,705호.
참조로 통합된 관련 출원들에서, 고체 이온 전도성 중합체 물질을 배터리에 통합시킨 입증되고 개선된 성능의 황 캐소드가 도시되었다. 도 1을 참조하면, 그러한 황 캐소드를 포함하는 배터리에 대한 용량 대 사이클이 도시되었다. 일 양상에서, 이러한 황 캐소드와 협력하여 다가 양이온의 사용은 고체 이온 전도성 중합체 물질을 사용하는 유용한 다가 양이온 배터리를 제공한다. 일 양상에서, 다가 양이온들은 적절한 대체 삽입 물질 또는 전환 캐소드와 결합될 수 있다.
본 발명의 특정 바람직한 실시예들에 따라 본 발명이 본 명세서에서 상세히 설명되었지만, 본 발명에 많은 수정들 및 변경들이 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 본 명세서에 도시된 실시예들을 설명하는 세부사항들 및 수단들에 의해 제한되는 것이 아니라 첨부된 청구 범위의 범주에 의해서만 제한되도록 의도된다.
본 발명의 개념들로부터 벗어나지 않고 전술한 구조에 변동들 및 수정들이 이루어질 수 있음을 이해해야 하고, 또한 그러한 개념들은, 첨부된 청구항들이 이들의 언어에 의해 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 첨부된 청구항들에 의해 커버되는 것으로 의도된다는 것을 이해해야 한다.

Claims (58)

  1. 고체 이온 전도성 중합체 물질 및 다가 금속을 포함하는 전극을 갖는 배터리로서, 상기 다가 금속의 이온들은 상기 고체 이온 전도성 중합체에 의해 이온 전도되고, 상기 다가 금속은 상기 배터리 전극으로 및/또는 상기 배터리 전극으로부터 가역적으로 운반될 수 있는, 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다가 금속은 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질 내에 분산되는, 배터리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다가 금속은 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질에 의해 캡슐화되는, 배터리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    다가 금속은 입자화되고, 상기 입자들은 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질과 혼합되는, 배터리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 다가 금속 입자들은 각각 100미크론보다 작은, 배터리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지 전극은 압출되는, 배터리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    전기 전도성 물질을 더 포함하는, 배터리.
  8. 배터리로서,
    a. 고체 이온 전도성 중합체 및 다가 금속을 포함하는 제 1 배터리로서, 상기 다가 금속의 이온들은 상기 고체 이온 전도성 중합체에 의해 전도되는, 제 1 배터리 전극;
    b. 제 2 배터리 전극; 및
    c. 상기 제 1 및 제 2 배터리 전극 사이에 위치한 유전성, 이온 전도성 비-전지화학 활성 전해질 층으로서, 상기 전해질 층은 상기 제 1 및 제 2 배터리 전극들 사이에서 이온들의 운반을 허용하는, 유전성, 이온 전도성 비-전기화학적 활성 전해질 층을 포함하는, 배터리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 배터리 전극은 사기 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질 및 삽입 화합물을 포함하는, 배터리.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 배터리 전극은 상기 고체 이온 전도성 중합체, 및 상기 다가 이온과 반응하는 전기화학적 활성 화합물을 포함하는, 배터리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기화학적 활성 화합물은 황인, 배터리.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기화학적 활성 화합물은 이산화 망간인, 배터리.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 전해질 층은 상기 고체 이온 전도성 중합체를 포함하는, 배터리.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전해질 층은 압출되는, 배터리.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 전해질 층은 열성형되는, 배터리.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 배터리 전극은 열성형되는, 배터리.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 다가 금속은 알루미늄, 마그네슘 또는 칼슘인, 배터리.
  18. 제 8 항에 있어서,
    상기 다가 금속은 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 아연, 철, 스칸듐, 크롬, 구리 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는, 배터리.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전해질 층은 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질을 포함하고, 상기 제 2 배터리 전극은 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질, 및 상기 다가 이온과 전기화학적으로 반응하는 전기화학적 활성 화합물을 포함하는, 배터리.
  20. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 고체의 이온 전도성 중합체 물질은: 30%보다 큰 결정도; 용융 온도; 유리 상태; 및 적어도 하나의 양이온성 및 음이온성 확산 이온을 포함하고, 적어도 하나의 확산 이온은 유리 상태에서 이동 가능한, 배터리.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 물질은 복수의 전하 전달 착물들을 더 포함하는, 배터리.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 물질은 복수의 단량체들을 포함하고, 각각의 전하 전달 착물은 단량체 상에 위치하는, 배터리.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 고체 이온 전도성 중합체 물질의 전자 전도도는 실온에서 1×10-8S/cm 보다 낮은, 배터리.
  24. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 고체 이온 전도성 중합체 물질은 반결정질이고, 복수의 단량체들; 복수의 전하 전달 착물들을 포함하고, 각각의 전하 전달 착물은 단량체 상에 위치하되고, 상기 고체 이온 전도성 중합체 물질의 전자 전도도는 실온에서 1×10-8S/cm보다 낮은, 배터리.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 물질의 결정도는 30%보다 큰, 배터리.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 물질은 양이온성 및 음이온성 확산 이온 모두를 더 포함하며, 각각의 확산 이온은 유리 상태에서 이동 가능하고, 상기 물질의 결정도는 30%보다 큰, 배터리.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 전하 전달 착물은 중합체와 전자 수용체의 반응에 의해 형성되는, 배터리.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 물질은 유리질 상태 및 적어도 하나의 양이온성 및 적어도 하나의 음이온성 확산 이온을 가지며, 각각의 확산 이온은 유리 상태에서 이동 가능한, 배터리.
  29. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 물질의 용융 온도는 250℃보다 높은, 배터리.
  30. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 물질의 이온 전도도는 실온에서 1.0×10-5S/cm보다 높은, 배터리.
  31. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 물질은 단일 양이온성 확산 이온을 포함하고, 상기 양이온성 확산 이온의 확산율은 실온에서 1.0×10-12㎡/s보다 높은, 배터리.
  32. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 물질은 단일 음이온성 확산 이온을 포함하며, 상기 음이온성 확산 이온의 확산율은 실온에서 1.0×10-12㎡/s보다 높은, 배터리.
  33. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 고체 이온 전도성 중합체 물질은 복수의 단량체들을 포함하고, 단량체 당 적어도 하나의 음이온성 확산 이온이 존재하는, 배터리.
  34. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 고체 이온 전도성 중합체 물질은 복수의 단량체들을 포함하고, 단량체 당 적어도 하나의 양이온성 확산 이온이 존재하는, 배터리.
  35. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    1리터 물질 당 적어도 1몰의 양이온성 확산 이온이 존재하는, 배터리.
  36. 제 21 항에 있어서,
    상기 전하 전달 착물은 중합체, 전자 수용체 및 이온 화합물의 반응에 의해 형성되고, 각각의 양이온성 및 음이온성 확산 이온은 상기 이온성 화합물의 반응 생성물인, 배터리.
  37. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 물질은 적어도 하나의 이온성 화합물로부터 형성되고, 상기 이온성 화합물은 상기 다가 금속을 포함하는, 배터리.
  38. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 물질은 열가소성, 배터리.
  39. 제 20 항에 있어서,
    상기 적어도 양이온성 확산 이온 중 하나는 1.0×10-12㎡/s보다 높은 확산율을 갖는, 배터리.
  40. 제 20 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 음이온성 확산 이온 중 하나는 1.0×10-12㎡/s보다 높은 확산율을 갖는, 배터리.
  41. 제 20 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 음이온성 확산 이온 및 하나 이상의 양이온성 확산 이온 중 하나는 1.0×10-12㎡/s보다 높은 확산율을 갖는, 배터리.
  42. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 고체 이온 전도성 중합체 물질은 복수의 단량체들을 포함하고, 각 단량체는 상기 단량체의 주쇄에 위치하는 방향족 또는 이종고리의 고리 구조를 포함하는, 배터리.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 물질은 상기 고리 구조에 통합되거나 또는 상기 고리 구조에 인접한 주쇄 상에 위치된 이종원자를 추가로 포함하는, 배터리.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 이종 원자는 황, 산소 또는 질소로 이루어진 군으로부터 선택되는, 배터리.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 이종 원자는 상기 고리 구조에 인접한 단량체의 주쇄 상에 위치하는, 배터리.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 이종 원자는 황인, 배터리.
  47. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 물질은 파이(pi)- 공액결합된, 배터리.
  48. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 중합체는 복수의 단량체들을 포함하고, 상기 단량체의 분자량은 100그램/몰보다 큰, 배터리.
  49. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 물질의 이온 전도도는 등방성인, 배터리.
  50. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서, 실온에서 1×10-4S/cm보다 큰 이온 전도도를 갖는, 배터리.
  51. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    80℃에서 1×10-3S/cm보다 큰 이온 전도도를 갖는, 배터리.
  52. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    -40℃에서 1×10-5S/cm보다 큰 이온 전도도를 갖는, 배터리.
  53. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 물질은 불연성인, 배터리.
  54. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 물질의 영률은 3.0MPa 이상인, 배터리.
  55. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 물질은 베이스 중합체, 전자 수용체 및 이온성 화합물의 반응 생성물인, 배터리.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 베이스 중합체는 액정 중합체, 도핑되지 않은 공액결합된 중합체 또는 PPS인, 배터리.
  57. 제 55 항에 있어서,
    상기 이온 화합물은 상기 다가 금속을 포함하는, 배터리.
  58. 제 55 항에 있어서,
    상기 전자 수용체는 퀴논인, 배터리.
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