KR20190123778A - 배향된 그래핀을 갖는 알루미늄 2차 배터리 캐소드 - Google Patents

배향된 그래핀을 갖는 알루미늄 2차 배터리 캐소드 Download PDF

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아루나 자하무
후이 헤
바오페이 팬
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나노텍 인스트러먼츠, 인코포레이티드
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Abstract

애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드를 전자적으로 분리시키는 다공성 세퍼레이터, 및 상기 애노드에서 알루미늄의 가역적 침착 및 용해를 지지하기 위하여 상기 애노드 및 상기 캐소드와 이온 접촉 상태에 있는 전해질을 포함하는 알루미늄 2차 배터리가 제공되며, 상기 애노드는 애노드 활물질로서 알루미늄 금속 또는 알루미늄 금속 합금을 함유하고, 상기 캐소드는 정렬된 그래핀 시트의 층을 포함하며, 이때 상기 정렬된 그래핀 시트는, 상기 층의 그래핀 에지 평면이 상기 전해질과 직접 접촉 상태에 있고 상기 세퍼레이터와 대면하는 방식으로 배향되어 있다. 이러한 정렬된/배향된 그래핀 시트는 바람직하게는 향상된 구조적 완전성 및 사이클링 안정성을 위하여 결합제에 의해 결합된다. 그러한 알루미늄 배터리는 높은 에너지 밀도, 높은 전력 밀도, 및 긴 사이클 수명을 제공한다.

Description

배향된 그래핀을 갖는 알루미늄 2차 배터리 캐소드
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 3월 6일에 출원된 미국 특허 출원 15/450,447에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명의 분야
일반적으로 본 발명은 재충전가능 알루미늄 배터리 분야에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 배향된(oriented) 그래핀 시트를 함유하는 고용량 및 고-레이트(rate) 가능 캐소드 층 및 이 캐소드 층 및 알루미늄 배터리를 제조하는 방법에 관한 것이다.
역사적으로, 오늘날 가장 애용되는 재충전가능 에너지 저장 장치인 리튬-이온 배터리는 실제로 애노드로서 리튬(Li) 금속을 그리고 캐소드로서 Li 층간 화합물(intercalation compound)(예를 들어, MoS2)을 사용하는 재충전가능 "리튬 금속 배터리"로부터 발전되었다. Li 금속은 그의 가벼운 중량(가장 가벼운 금속), 높은 전기음성도(-3.04 V vs. 표준 수소 전극), 및 높은 이론적 용량(3,860 mAh/g)으로 인해 이상적인 애노드 물질이다. 이러한 뛰어난 특성들에 기초하여, 리튬 금속 배터리는 고 에너지-밀도 응용을 위한 이상적인 시스템으로서 40년 전에 제안되었다.
순수한 리튬 금속의 약간의 안전성 문제로 인해, 추후에 흑연이 리튬 금속 대신에 애노드 활물질로서 구현되어 오늘날의 리튬-이온 배터리를 생성하게 되었다. 지난 이십년 동안, 에너지 밀도, 레이트 능력(rate capability), 및 안전성의 관점에서 Li-이온 배터리는 끊임없이 개선되어 왔다. 그러나, Li-이온 배터리에서의 흑연-기반 애노드의 사용은 하기와 같은 몇 가지 중요한 결점을 갖는다: 낮은 비용량(Li 금속의 경우의 3,860 mAh/g과 대조적으로 372 mAh/g의 이론적 용량), 긴 Li 삽입(intercalation) 시간(예를 들어, 흑연 및 무기 산화물 입자의 안과 밖에서의 Li의 낮은 고상 확산 계수(solid-state diffusion coefficient))으로 인한 긴 재충전 시간(예를 들어, 전기 차량 배터리의 경우 7시간)의 요구, 높은 펄스 전력의 제공 불가능, 및 사전리튬화 캐소드(예를 들어, 산화코발트와 대조적으로 리튬 코발트 산화물)의 사용에 대한 필요성으로 인해 이용 가능한 캐소드 물질의 선택 제한성. 또한, 일반적으로 사용되는 이들 캐소드 활물질은 비교적 낮은 리튬 확산 계수(통상적으로, D = 약 10-16내지 10-11cm2/sec)를 갖는다. 이들 인자는 오늘날의 Li-이온 배터리의 한 가지 주요한 결함, 즉 보통 정도의 에너지 밀도(통상적으로, 150 내지 220 Wh/kg전지)를 갖지만, 극히 낮은 전력 밀도(통상적으로, 0.5 kW/kg 미만)를 갖는 것에 기여해 왔다.
수퍼커패시터가 전기 차량(EV), 재생가능 에너지 저장장치, 및 현대의 그리드 응용을 위해 고려되고 있다. 수퍼커패시터는 통상적으로 확산 이중층 전하의 형성을 위하여 큰 표면적을 갖는 다공성 전극의 사용 시에 작동한다. 이러한 전기 이중층 커패시턴스(EDLC)는 전압이 인가될 때 고체-전해질 계면에서 자연적으로 생성된다. 이는 EDLC-유형 수퍼커패시터의 비커패시턴스가 전극 물질, 예컨대 활성탄의 비표면적과 직접 비례함을 내포한다. 이러한 표면적은 전해질에 의해 접근 가능해야 하고, 생성된 계면 구역은 EDLC 전하를 수용하기에 충분히 커야 한다.
이러한 EDLC 메커니즘은 전극의 표면 상에의 이온 흡착에 기초한다. 필요한 이온은 액체 전해질 중에 이미 존재하고 있으며, 반대 전극으로부터 유래되지 않는다. 다시 말하면, 음극(애노드) 활물질(예를 들어, 활성탄 입자)의 표면 상에 침착될 것을 필요로 하는 이온은 양극(캐소드) 측으로부터 유래되지 않고, 캐소드 활물질의 표면 상에 침착될 것을 필요로 하는 이온은 애노드 측으로부터 유래되지 않는다. 수퍼커패시터가 재충전될 때, 국소적 양이온이 (통상적으로 전하의 국소적 분자 또는 이온 분극을 통해) 나란히 가깝게 머무르는 그들의 매팅(matting) 음이온을 갖는 음극 표면 가까이에 침착된다. 다른 하나의 전극에서는, 음이온이 나란히 가깝게 머무르는 매팅 양이온을 갖는 이러한 양극 표면 가까이에 침착된다. 역시, 애노드 활물질과 캐소드 활물질 사이에 이온의 교환은 없다.
일부 수퍼커패시터에서, 저장 에너지는 일부 국소적 전기화학 반응(예를 들어, 산화환원)으로 인한 유사커패시턴스 효과에 의해 추가로 증가된다. 그러한 유사커패시터에서, 산화환원 쌍에 관여하는 이온은 또한 동일한 전극 내에 이미 존재한다. 역시, 애노드와 캐소드 사이에 이온의 교환은 없다.
EDLC의 형성은 2개의 반대 전극 사이의 화학 반응 또는 이온 교환을 수반하지 않기 때문에, EDLC 수퍼커패시터의 충전 또는 방전 과정은 통상적으로 수초로 매우 빠를 수 있으며, 그 결과 매우 높은 전력 밀도(통상적으로, 2 내지 8 kW/kg)를 생성하게 된다. 배터리와 비교하여, 수퍼커패시터는 더 높은 전력 밀도를 제공하고, 유지관리를 필요로 하지 않으며, 훨씬 더 높은 사이클 수명을 제공하고, 매우 간단한 충전 회로를 필요로 하고, 대체로 훨씬 더 안전하다. 화학적이기보다는 물리적인 에너지 저장이 수퍼커패시터의 안전한 작동 및 이례적으로 높은 사이클 수명에 대한 주요 이유이다.
수퍼커패시터의 긍정적인 속성에도 불구하고, 다양한 산업적 응용을 위한 수퍼커패시터의 광범위한 구현을 위해서는 몇 가지 기술적인 장벽이 존재한다. 예를 들어, 수퍼커패시터는 배터리에 비하여 매우 낮은 에너지 밀도를 갖는다(예를 들어, 납-산 배터리의 경우 20 내지 40 Wh/kg 및 NiMH 배터리의 경우 50 내지 100 Wh/kg인 것과 대비하여 상업용 수퍼커패시터의 경우 5 내지 8 Wh/kg). 현대의 리튬-이온 배터리는 전지 중량을 기준으로 통상적으로 150 내지 220 Wh/kg의 범위의 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 갖는다.
리튬 이온 이외에 다양한 충전-방전 원리를 기반으로 하는 2차 배터리가 제안되어 있다. 이들 중에서, 애노드에서 알루미늄(Al)의 침착-용해 반응에 기초한 알루미늄 2차 배터리가 약간 주목받고 있다. 알루미늄은 높은 이온화 경향을 가지며 3-전자 산화환원 반응이 가능한데, 이는 잠재적으로 알루미늄 배터리가 높은 용량 및 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있게 할 수 있다.
Al의 존재도, 저가, 및 저인화성 및 3-전자 산화환원을 거칠 수 있는 이의 능력은 재충전가능 Al-기반 배터리가 원칙적으로 비용-유효성, 고용량 및 안전성을 제공할 수 있음을 내포한다. 그러나, 지난 30년에 걸쳐 개발된 재충전가능 Al 배터리는 시장에 진출하는 데 실패하였다. 이는 캐소드 물질 분해, 낮은 전지 방전 전압(예를 들어, 0.55 V), 방전 전압 평탄역(예를 들어, 1.1 내지 0.2 V) 없는 용량성 거동, 및 짧은 사이클 수명(통상적으로, 100회 사이클 미만)과 함께, 급속한 용량 붕괴(100회 사이클에 걸쳐 26 내지 85%만큼), 낮은 캐소드 비용량, 및 낮은 전지-레벨 에너지 밀도(50 Wh/kg 미만)와 같은 문제에 기인하였을 가능성이 높다.
예를 들어, Jayaprakash는 0.55 V에서 평탄역을 갖는 방전 곡선을 나타내는 알루미늄 2차 배터리를 보고한다(문헌[Jayaprakash, N., Das, S. K. & Archer, L. A. "The rechargeable aluminum-ion battery," Chem. Commun. 47, 12610-12612 (2011)]). 1.0 볼트보다 더 낮은 출력 전압을 갖는 재충전가능 배터리는 제한된 응용 범위를 갖는다. 기준점으로서, 알칼리 배터리는 1.5 볼트의 출력 전압을 갖고, 리튬-이온 배터리는 통상적인 전지 전압이 3.2 내지 3.8 볼트이다. 더욱이, 초기 캐소드 비용량이 305 mAh/g 정도로 높더라도, 캐소드의 에너지 저장 능력은 캐소드 활물질 중량만을 기준으로 하여(총 전지 중량을 기준으로 하지 않음) 대략 0.55 V x 305 mAh/g = 167.75 Wh/kg이다. 따라서, 이러한 Al-V2O5전지의 전지-레벨 비에너지(또는 중량 에너지 밀도(gravimetric energy density))는 (총 전지 중량을 기준으로 하여) 대략 167.75/3.6 = 46.6 Wh/kg이다.
(기준점으로서, (이론적 비용량이 170 mAh/g인) 캐소드 활물질로서 리튬 철 인산염(LFP)을 갖는 리튬-이온 배터리는 3.2 볼트의 출력 전압 및 (LFP 중량만을 기준으로 하여) 3.2 V x 170 mAh/g = 544 Wh/kg의 에너지 저장 능력을 제공한다. 이러한 전지는 대략 150 Wh/kg의 전지-레벨 에너지 밀도를 제공하는 것으로 알려져 있다. 이러한 배터리 시스템에서 캐소드 활물질 중량-기준 에너지 밀도 값을 총 전지 중량-기준 에너지 밀도 값으로 변환시키기 위한 감소 인자는 544/150 = 3.6이다.)
다른 예로서, Rani는 출력 전압이 0.2 볼트 내지 1.1 볼트로 변동하는 캐소드 활물질로서 약간 플루오르화된 천연 흑연을 사용하는 알루미늄 2차 배터리를 보고한다(문헌[Rani, J. V., Kanakaiah, V., Dadmal, T., Rao, M. S. & Bhavanarushi, S. "Fluorinated natural graphite cathode for rechargeable ionic liquid based aluminum-ion battery," J. Electrochem. Soc. 160, A1781-A1784 (2013)]). 대략 0.65 볼트의 평균 전압 및 225 mAh/g의 방전 용량으로, 전지는 0.65 x 225 = 146.25 Wh/kg(캐소드 활물질 중량만)의 에너지 저장 능력 또는 146.25/3.6 = 40.6 Wh/kg(총 전지 중량을 기준으로 함)의 전지-레벨 비에너지를 제공한다.
또 다른 예로서, Lin외 다수는 2 볼트 부근의 평탄역 전압 및 70 mAh/g의 출력 전압을 나타내는 알루미늄-흑연 폼(foam) 전지를 보고한다(문헌[Lin MC, Gong M, Lu B, Wu Y, Wang DY, Guan M, Angell M, Chen C, Yang J, Hwang BJ, Dai H., "An ultrafast rechargeable aluminum-ion battery," Nature. 2015 Apr 16;520 (7547):325-8]). 전지-레벨 비에너지는 대략 70 x 2.0/3.6 = 38.9 Wh/kg인 것으로 예상된다. 실제로, Lin외 다수는 그들의 전지의 비에너지가 대략 40 Wh/kg임을 확인하였다.
명백히, (방전 동안 높은 평균 전압 및/또는 높은 평탄역 전압을 갖는) 적절한 방전 전압 프로파일, 높은 충전/방전 속도 및 낮은 충전/방전 속도 둘 모두에서의 높은 비용량(단지 낮은 속도에서만 그런 것이 아님), 및 긴 사이클 수명을 제공하는, 알루미늄 2차 배터리에 대해 새로운 캐소드 물질에 대한 긴급한 요구가 존재한다. 요망컨대, 생성된 알루미늄 배터리는 수퍼커패시터의 몇몇 긍정적인 속성(예를 들어, 긴 사이클 수명 및 높은 전력 밀도) 및 리튬-이온 배터리의 몇몇 긍정적인 특징(예를 들어, 보통 정도의 에너지 밀도)을 제공할 수 있다. 이들이 본 발명의 주요 목적이다.
본 발명은 알루미늄 2차 배터리(재충전가능 알루미늄 배터리 또는 알루미늄-이온 배터리)용 캐소드 또는 양극 층 및 그러한 캐소드 층을 함유하는 알루미늄 2차 배터리를 제공한다.
일부 바람직한 구현예에서, 본 발명의 알루미늄 2차 배터리는 애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드를 전자적으로 분리시키는 다공성 세퍼레이터, 및 상기 애노드에서 알루미늄의 가역적 침착 및 용해를 지지하기 위하여 상기 애노드 및 상기 캐소드와 이온 접촉 상태에 있는 전해질을 포함하며, 상기 애노드는 애노드 활물질로서 알루미늄 금속 또는 알루미늄 금속 합금을 함유하고, 상기 캐소드는 배향된(정렬된) 그래핀 시트의 층을 포함하며, 이때 상기 배향된(정렬된) 그래핀 시트는, 상기 층의 그래핀 에지 평면이 (상기 전해질로부터의 이온을 받아들이고 전해질 중으로 이온을 방출하는 것을 용이하게 하도록) 상기 전해질과 직접 접촉 상태에 있고 (상기 다공성 세퍼레이터를 통해 투과하는 이온이 에지 평면 부근의 그래핀간 공간에 용이하게 들어갈 수 있도록) 상기 세퍼레이터와 대면하는 방식으로 정렬되고 배향되어 있다.
특정 구현예에서, 압축되고 배향된 그래핀 시트의 층은 0.5 내지 1.8 g/cm3의 물리적 밀도를 가지며, 기공 크기가 2 nm 내지 50 nm인 메소규모 기공을 갖는다. 일부 바람직한 구현예에서, 재압축된 박리된 흑연 또는 탄소 물질의 층은 1.1 내지 1.8 g/cm3의 물리적 밀도를 가지며, 기공 크기가 2 nm 내지 5 nm인 기공을 갖는다. 특정 구현예에서, 박리된 흑연 또는 탄소 물질은 비표면적이 20 내지 1,500 m2/g이다. 바람직하게는, 비표면적은 20 내지 1,000 m2/g,더 바람직하게는 20 내지 300 m2/g이다.
바람직하게는, 캐소드 층 내의 배향된 그래핀 시트는 결합제에 의해 함께 결합되어 있다. 바람직하게는, 결합제는 전기 전도성 중합체, 예컨대 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 및 기타 다른 본질적으로 전도성인 중합체(예를 들어, 컨쥬게이트 사슬 중합체)이다. 전도성 중합체 결합제의 양은 0.1 중량% 내지 15 중량%일 수 있다. 비전도성 수지가 또한 결합제로서 사용될 수 있지만, 그 양은 바람직하게는 0.1 중량% 내지 10 중량%, 더 바람직하게는 8 중량% 미만이다. 바람직하게는, 결합제는 배향된 그래핀 시트가 압축 상태에 있는 동안에 화학적으로 경화되어, 배터리 충전/방전 사이클 동안 그래핀간 공간의 크기가 유지될 수 있게 한다.
바람직하게는, 전해질은 또한 캐소드에서 이온(양이온, 음이온, 또는 둘 모두)의 가역적 삽입 및 탈삽입을 지지한다. 알루미늄 합금은 바람직하게는 합금 내에 Al 원소를 적어도 80 중량%(더 바람직하게는 적어도 90 중량%) 함유한다. 선택될 수 있는 합금화 원소의 유형에 대한 제한은 없다. 바람직하게는, Al에 대한 합금화 원소는 Si, B, Mg, Ti, Sc 등이다.
이러한 알루미늄 2차 배터리는 알루미늄 금속 또는 알루미늄 금속 합금을 지지하는 애노드 집전체를 추가로 포함할 수 있거나, 캐소드 활성 층을 지지하는 캐소드 집전체를 추가로 포함할 수 있다. 집전체는 전자-전도성 경로의 3D 네트워크를 형성하는 전도성 나노필라멘트, 예컨대 그래핀 시트, 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유, 탄소 섬유, 흑연 나노섬유, 흑연 섬유, 탄화된 중합체 섬유, 또는 이들의 조합으로 구성된 매트, 종이, 직물, 포일, 또는 폼(foam)일 수 있다. 그러한 애노드 집전체의 높은 표면적은 알루미늄 이온의 신속하고 균일한 용해 및 침착을 용이하게 할 뿐만 아니라, 교환 전류 밀도를 감소시키고, 이에 따라 금속 수지상정을 형성하는 경향을 감소시키도록 작용하는데, 이때 금속 수지상정은 그렇지 않으면 내부 단락을 야기할 수 있다.
배향된 그래핀 시트는 바람직하게는, 강하게 삽입된, 산화된, 플루오르화된 등의 메소상 피치, 메소상 탄소, 메소탄소 마이크로비드(MCMB), 코크스 입자, 팽창된 흑연 플레이크, 인조 흑연 입자, 천연 흑연 입자, 고도로 배향된 열분해 흑연, 연질 탄소 입자, 경질 탄소 입자, 다벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유, 탄소 섬유, 흑연 나노섬유, 흑연 섬유, 탄화된 중합체 섬유, 또는 이들의 조합으로부터 (열 박리 및 기계적 전단에 의해) 생성된다.
상기 열거된 탄소/흑연 물질은 평면간 간격 팽창 처리를 거친 후, 열 박리 및 재압축을 거칠 수 있다. 팽창 처리는, 이웃하는 그래핀 평면들을 함께 유지하는 반데르발스 힘을 약화시키려는 주요 목적을 위하여, 흑연 결정 내의 2개의 그래핀 평면 사이의 평면간 간격을, 0.335 내지 0.36 nm의 통상적인 값에서 0.43 내지 1.2 nm의 통상적인 값으로 증가시키도록 수행된다. 이는 후속 열 박리를 더 용이하게 할 것이다. 팽창 처리는 흑연 또는 탄소 물질의 산화, 플루오르화, 브롬화, 염소화, 질소화, 삽입, 조합된 산화-삽입, 조합된 플루오르화-삽입, 조합된 브롬화-삽입, 조합된 염소화-삽입, 또는 조합된 질소화-삽입을 포함한다. 상기 절차 후에는 구속 없이 열 박리가 수행된다. 구속되지 않는 열 박리는 통상적으로 박리된 흑연/탄소 웜(worm)을 생성한다. 이어서, 박리된 흑연/탄소 웜은 기계적 전단(예를 들어, 초음파 처리, 에어 제트 밀링(air jet milling), 볼-밀링(ball-milling), 습식 밀링 등)을 받아서 단리된/분리된 그래핀 시트를 생성한다. 이어서, 다수의 그래핀 시트는 압축되어 정렬된(배향된) 그래핀 시트의 층 또는 블록을 생성하는데, 이때 정렬된(배향된) 그래핀 시트는, 상기 층의 그래핀 에지 평면이 전해질과 직접 접촉 상태에 있고 세퍼레이터와 대면하거나 접촉하는 방식으로 배향되어 있다. 배향된 그래핀 시트의 층은 통상적으로 0.5 내지 1.8 g/cm3(바람직하게는 1.0 내지 1.8 g/cm3)의 물리적 밀도를 가지며, 기공 크기가 2 nm 내지 50 nm, 바람직하게는 2 nm 내지 20 nm인 메소규모 기공을 갖는다.
팽창 처리로 인해, 배향된 그래핀 시트는 산소, 불소, 염소, 브롬, 요오드, 질소, 수소, 또는 붕소로부터 선택되는 비탄소 원소를 함유할 수 있다. 따라서, 그래핀 시트는 프리스틴(pristine) 그래핀(본질적으로 올(all)-탄소), 산화그래핀, 환원된 산화그래핀, 불화그래핀, 염화그래핀, 브롬화그래핀, 요오드화그래핀, 질소화 그래핀, 수소화 그래핀, 붕소-도핑된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 알루미늄 2차 배터리에서, 전해질은 수성 전해질, 유기 전해질, 용용 염 전해질, 이온성 액체 전해질, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 중합체가 전해질에 첨가될 수 있다. 바람직하게는, 전해질은 알루미늄 염, 예컨대 AlF3,AlCl3,AlBr3,AlI3,AlFxCl(3-x),AlBrxCl(3-x),AlIxCl(3-x),또는 이들의 조합을 함유하며, 여기서 x는 0.01 내지 2.0이다. 혼합된 알루미늄 할로겐화물, 예컨대 AlFxCl(3-x),AlBrxCl(3-x),AlIxCl(3-x)은, 예를 들어 100 내지 350℃에서 1 내지 24시간 동안 원하는 정도로 브롬화, 플루오르화, 또는 요오드화함으로써 용이하게 생성될 수 있다.
바람직하게는, 전해질은 이온성 액체를 함유하며, 이온성 액체는 n-부틸-피리디늄-클로라이드(BuPyCl), 1-메틸-3-에틸이미다졸륨-클로라이드(MEICl), 2-디메틸-3-프로필이미다졸륨-클로라이드, 1,4-디메틸-1,2,4-트리아졸륨 클로라이드(DMTC), 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 유기 염화물과 혼합된 알루미늄 염을 함유한다.
특정 구현예에서, 배향된 그래핀의 층은 알루미늄 2차 배터리의 방전 동안 캐소드 집전체로서 작동하여 전자를 수집하고, 배터리는 별도의 또는 추가의 캐소드 집전체를 함유하지 않는다.
배향된 그래핀 시트의 캐소드 활성 층은 전기 전도성 결합제 재료를 추가로 포함할 수 있으며, 전기 전도성 결합제 재료는 배향된 그래핀 시트를 함께 결합하여 캐소드 전극 층을 형성한다. 전기 전도성 결합제 재료는 석탄 타르 피치, 석유 피치, 메소상 피치, 전도성 중합체, 중합체 탄소, 또는 이들의 유도체로부터 선택될 수 있다.
통상적으로, 본 발명의 알루미늄 2차 배터리는 평균 방전 전압이 1 볼트 이상(통상적으로 그리고 바람직하게는 1.5 볼트 초과)이고, 캐소드 비용량이 총 캐소드 활성 층 중량을 기준으로 200 mAh/g 초과(바람직하게는 그리고 더 통상적으로는 300 mAh/g 초과, 가장 바람직하게는 400 mAh/g 초과)이다.
바람직하게는, 알루미늄 2차 배터리는 평균 방전 전압이 2.0 볼트 이상이고, 캐소드 비용량이 총 캐소드 활성 층 중량을 기준으로 100 mAh/g 초과(바람직하게는 그리고 더 통상적으로는 300 mAh/g 초과, 가장 바람직하게는 400 mAh/g 초과)이다.
본 발명은 또한 알루미늄 2차 배터리용 캐소드 활성 층을 제공한다. 캐소드 활성 층은 그래핀간 공간 또는 기공의 크기가 2 nm 내지 10 μm인 배향된 그래핀 시트를 포함한다. 바람직하게는, 배향된 그래핀 시트는 메소상 피치, 메소상 탄소, 메소탄소 마이크로비드(MCMB), 코크스 입자, 팽창된 흑연 플레이크, 인조 흑연 입자, 천연 흑연 입자, 고도로 배향된 열분해 흑연, 연질 탄소 입자, 경질 탄소 입자, 다벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유, 탄소 섬유, 흑연 나노섬유, 흑연 섬유, 탄화된 중합체 섬유, 또는 이들의 조합의 고수준 열 박리 생성물이다.
탄소 또는 흑연 물질은 팽창 처리 전의 원래의 평면간 간격 d002가 0.27 nm 내지 0.42 nm이고, 평면간 간격 d002는 본질적으로 모든 구성 그래핀 평면들(탄소 원자의 육각형 평면들) 사이의 팽창 처리 후에 0.43 nm 내지 1.2 nm의 범위로 증가된다. 바람직하게는, (예를 들어, 고도로 삽입된/산화된) 팽창된 탄소 또는 흑연 물질은 후속으로, 실질적으로 모든 구성 그래핀 평면들이 서로 완전히 분리될 정도로 열 박리된다. 다시 말하면, 이들 유리한 상황(예를 들어, 모든 스테이지(stage)-1 흑연 삽입 화합물 또는 모든 그래핀 평면이 고도로 산화됨)에서, 별개의 단리된 그래핀 시트가 열 박리 동안 형성된다. 약간 덜 유리한 조건에서, 열 박리된 흑연은 상호연결된 흑연 플레이크를 여전히 함유하고 있는 고도로 분리된 흑연 웜이다. 이어서, 웜 내의 이들 느슨하게 연결된 흑연 플레이크는 용이하게 그리고 손쉽게 부서지고, 단리된 그래핀 시트 또는 소판(platelet)으로 분리될 수 있다. 이어서, 다수의 그래핀 시트 또는 소판은 재압축되어 고도로 배향된 그래핀 시트의 층 또는 블록을 형성할 수 있다.
본 발명은 또한 알루미늄 2차 배터리의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 (a) 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함유하는 애노드를 제공하는 단계; (b) 배향된 그래핀 시트의 층을 포함하는 캐소드를 제공하는 단계; 및 (c) 상기 애노드에서 알루미늄의 가역적 침착 및 용해, 및 상기 캐소드에서 이온의 가역적 흡착/탈착 및/또는 삽입/탈삽입을 지지할 수 있는 전해질을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 배향된 그래핀 시트의 층은, 상기 층의 그래핀 에지 평면이 상기 전해질과 직접 접촉 상태에 있고 상기 세퍼레이터와 대면하거나 접촉하는 방식으로 배향되어 있다. 통상적으로, 이러한 그래핀 에지 평면은 다공성 세퍼레이터와 실질적으로 평행하며, 이에 따라 세퍼레이터를 통해 이동하는 이온을 그래핀 시트들 사이의 공간 내로 용이하게 수용할 수 있다. 바람직하게는, 전해질은 수성 전해질, 유기 전해질, 용용 염 전해질, 이온성 액체, 또는 이들의 조합을 함유한다.
상기 방법은 애노드에서 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 지지하도록 전기 전도성 나노필라멘트들의 다공성 네트워크를 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 알루미늄 금속 또는 알루미늄 합금은 이들 나노필라멘트의 표면 상에 침착되어 얇은 코팅을 형성할 수 있다. 이것은 물리적 증착, 스퍼터링, 또는 전기화학적 침착에 의해 달성될 수 있다.
상기 방법에서, 캐소드를 제공하는 단계는 바람직하게는 탄소 또는 흑연 물질에 산화, 플루오르화, 브롬화, 염소화, 질소화, 삽입, 조합된 산화-삽입, 조합된 플루오르화-삽입, 조합된 브롬화-삽입, 조합된 염소화-삽입, 또는 조합된 질소화-삽입으로부터 선택되는 팽창 처리를 거친 후, 100℃ 내지 2,500℃의 온도에서 열 박리를 거치는 단계, 및 기계적 전단을 수행하여 단리된 그래핀 시트를 생성하는 절차를 포함한다.
특정의 바람직한 구현예에서, 상기 캐소드를 제공하는 단계의 절차는 습식 압축 또는 건식 압축을 사용하여 그래핀 시트를 압축시켜 원하는 방향을 따라 이들 그래핀 시트를 정렬시키는 단계를 포함한다. 상기 절차는, 그래핀 에지 평면이 세퍼레이터와 평행하여, 최소한의 저항으로 세퍼레이터 기공으로부터의 이온의 그래핀 평면간 공간 내로의 직접 진입을 가능하게 하는 배향된/정렬된 그래핀 시트의 층 또는 블록을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 상기 캐소드를 제공하는 단계의 상기 절차는 습식 압축을 사용하여 그래핀 시트를 압축시켜 그래핀 시트를 정렬시키는 단계를 포함하며, 상기 습식 압축은 알루미늄 전지에 사용하도록 의도된 액체 전해질 중에 분산된 그래핀 시트의 현탁액을 압축 또는 프레싱하는 것을 포함한다. 상기 언급된 임의의 전해질이 이 현탁액에 이용될 수 있다. 나중에 이러한 전해질은 의도된 알루미늄 배터리의 전해질의 일부가 된다.
도 1a는 삽입된 및/또는 산화된 흑연, 후속으로 박리된 흑연 웜, 분리된 그래핀 시트, 및 단순히 응집된 흑연 플레이크, 그래핀 시트 등의 통상적인 종이, 매트, 필름, 및 막을 생성하기 위한 공정을 예시하는 개략도이며;
도 1b는 박리된 탄소(박리된 탄소 웜)의 SEM 이미지이며;
도 1c는 그래핀 시트의 TEM 이미지이며;
도 1d는 배향된 그래핀 시트의 층을 생성하는 접근법을 예시하는 개략도이며;
도 1e는 정렬된 그래핀 시트의 구조를 생성하는 연속 공정으로서, 상기 공정은 그래핀 시트의 건조 분말을 한 쌍의 2개의 역회전 롤러 사이의 갭 또는 여러 쌍의 롤러 사이의 갭 내로 공급하는 단계를 포함하며;
도 1f는 고도로 압축되고 배향된 그래핀 시트의 층을 형성하기 위한 (피스톤 또는 램(308)이 구비된 몰드 캐비티 셀(302)을 사용한) 압축 및 압밀 작업의 예를 예시하기 위한 개략도이며;
도 1g는 고도로 압축되고 배향된 그래핀 시트의 층을 형성하기 위한 (피스톤 또는 램이 구비된 몰드 캐비티 셀을 사용한) 압축 및 압밀 작업의 또 다른 예를 예시하기 위한 개략도이다.
도 2a는 알루미늄 2차 배터리의 개략도이며, 여기서 애노드 층은 얇은 Al 코팅 또는 Al 포일이고, 캐소드 활물질 층은 그래핀 시트의 층을 함유하며;
도 2b는 그래핀 시트로 구성된 캐소드 활물질 층, 및 전도성 필라멘트들의 나노구조화된 네트워크의 표면 상에 침착된 Al 금속 코팅으로 구성된 애노드를 갖는 알루미늄 2차 배터리 전지의 개략도이다.
도 3은 다음 3개의 Al 포일 애노드-기반 전지의 방전 곡선이다: 첫 번째 것은 비표면적(SSA) = 23 m2/g인 고도로 배향된 그래핀 시트(이것은 다공성 세퍼레이터 평면과 수직하게 정렬되고; 이것의 그래핀 에지 평면은 세퍼레이터 평면과 평행함)의 캐소드 층을 갖는 전지이고, 두 번째 것은 비표면적(SSA) = 23 m2/g인 고도로 배향된 그래핀 시트(이것은 다공성 세퍼레이터 평면과 평행하게 정렬되고; 즉, 이것의 그래핀 표면 평면이 세퍼레이터 평면과 평행함)의 캐소드 층을 갖는 전지이고, 세 번째 것은 원래의 흑연 입자(이로부터 그래핀 시트를 생성하였음)의 캐소드를 갖는 전지이다.
도 4는 비표면적에 따라 도표로 나타낸 매우 다양한 가볍게 재압축된 그래핀 시트의 비용량 값이다.
도 5는 충전/방전 사이클에 따라 도표로 나타낸 다음 3개의 Al 전지의 비용량 값이다: (에지 평면이 세퍼레이터와 평행하고 세퍼레이터와 이온 접촉 상태에 있는) 강하게 재압축된 그래핀 시트의 캐소드 층을 함유하는 전지, (그래핀 표면 평면이 세퍼레이터와 평행하고, 세퍼레이터와 이온 접촉 상태에 있는) 강하게 재압축된 그래핀 시트의 캐소드 층을 함유하는 전지, 및 원래의 인조 흑연의 캐소드를 함유하는 전지.
도 6은 다음 4개의 전지의 라곤표(Ragone plot)이다: 원래의 인조 흑연의 캐소드를 함유하는 전지, 배향된 그래핀 시트(그래핀 표면 평면이 세퍼레이터와 평행하고, 그와 접촉하고 있음)의 캐소드를 함유하는 전지, 건식 압축을 통해 제조된, 배향된 그래핀 시트(그래핀 에지 평면이 세퍼레이터와 평행하고, 그와 접촉하고 있음)의 캐소드를 함유하는 전지, 습식-프레싱 공정을 통해 제조된, 배향된 그래핀 시트(그래핀 에지 평면이 세퍼레이터와 평행하고, 그와 접촉하고 있음)의 캐소드를 함유하는 전지.
도 7은 충전/방전 사이클에 따라 도표로 나타낸 다음 3개의 Al 전지의 비용량 값이다: 첫 번째 것은 (결합제 수지에 의해 결합된) 배향된 그래핀 시트의 캐소드를 함유하는 전지이고, 두 번째 것은 (결합되지 않은) 배향된 그래핀 시트의 캐소드를 함유하는 전지이고, 세 번째 것은 원래의 흑연의 층을 함유하는 전지이다.
도 1a의 상부 부분에 개략적으로 예시된 바와 같이, 벌크 천연 흑연은 각각의 흑연 입자가 다수의 그레인(grain)(그레인은 흑연 단결정 또는 결정자임), 및 이웃하는 흑연 단결정들의 경계를 표시하는 입계(grain boundary)(비정질 또는 결함 구역)로 구성되는 3-D 흑연질 물질이다. 각각의 그레인은 서로 평행하게 배향되는 다수의 그래핀 평면으로 구성된다. 흑연 결정자에서의 그래핀 평면 또는 육각형 탄소 원자 평면은 2차원 육각형 격자를 점유하는 탄소 원자들로 구성된다. 주어진 그레인 또는 단결정에서, 그래핀 평면들은 적층되고 (그래핀 평면 또는 기저 평면에 대해 수직인) 결정학적 c-방향으로 반데르발스 힘을 통해 결합된다. 천연 흑연 물질에서의 그래핀 평면간 간격은 대략 0.3354 nm이다.
인조 흑연 물질이 또한 구성 그래핀 평면들을 함유하지만, 이들은 X-선 회절에 의해 측정될 때 그래핀 평면간 간격, d002가 통상적으로 0.32 nm 내지 0.36 nm(더 통상적으로는 0.3339 내지 0.3465 nm)이다. 많은 탄소 물질 또는 준흑연 물질이 또한, 각각이 적층된 그래핀 평면들로 구성된 흑연 결정(흑연 결정자, 도메인, 또는 결정 그레인으로도 지칭됨)들을 함유한다. 이들은 메소탄소 마이크로비드(MCMB), 메소상 탄소, 연질 탄소, 경질 탄소, 코크스(예를 들어, 침상 코크스), 탄소 또는 흑연 섬유(증기-성장 탄소 나노섬유 또는 흑연 나노섬유를 포함함), 및 다벽 탄소 나노튜브(MW-CNT)를 포함한다. MW-CNT에서의 2개의 그래핀 고리 또는 벽 사이의 간격은 대략 0.27 내지 0.42 nm이다. MW-CNT에서의 가장 일반적인 간격 값은 0.32 내지 0.35 nm의 범위이며, 이는 합성 방법에 크게 좌우되지 않는다.
"연질 탄소"는 하나의 도메인 내의 육각형 탄소 평면들(또는 그래핀 평면들)의 배향과 이웃하는 흑연 도메인들 내에서의 배향이 서로 너무 오정렬되지(mis-matched) 않아서, 2,000℃를 초과하는(더 통상적으로는, 2,500℃를 초과하는) 온도까지 가열될 때 이들 도메인이 용이하게 함께 병합될 수 있게 되는 흑연 도메인들을 함유하는 탄소 물질을 지칭한다고 언급될 수 있다. 그러한 열 처리는 일반적으로 흑연화로 지칭된다. 따라서, 연질 탄소는 흑연화될 수 있는 탄소질 물질로 정의될 수 있다. 대조적으로, "경질 탄소"는 열적으로 함께 병합될 수 없어서 더 큰 도메인들을 수득할 수 없는 고도로 오배향된(mis-oriented) 흑연 도메인들을 함유하는 탄소질 물질로 정의될 수 있으며; 즉, 경질 탄소는 흑연화될 수 없다. 경질 탄소 및 연질 탄소 둘 모두는, 삽입되고, 열 박리되고, 추출/분리되어 그래핀 시트를 형성할 수 있는 흑연 도메인을 함유한다. 이어서, 그래핀 시트는 재압축되어, 그래핀 시트가 정렬된 캐소드 층을 생성할 수 있다.
상기 목록에 있는 천연 흑연, 인조 흑연, 및 기타 다른 흑연질 탄소 물질에서의 흑연 결정자의 구성 그래핀 평면들 사이의 간격은 흑연 또는 탄소 물질의 산화, 플루오르화, 염소화, 브롬화, 요오드화, 질소화, 삽입, 조합된 산화-삽입, 조합된 플루오르화-삽입, 조합된 염소화-삽입, 조합된 브롬화-삽입, 조합된 요오드화-삽입, 또는 조합된 질소화-삽입을 포함한 몇몇 팽창 처리 접근법을 사용하여 팽창될 수 있다(즉, d002간격은 0.27 내지 0.42 nm의 원래 범위로부터 0.42 내지 2.0 nm의 범위까지 증가될 수 있음).
더 구체적으로는, 평행 그래핀 평면들을 함께 유지하는 반데르발스 힘이 비교적 약하기 때문에, 천연 흑연은 그래핀 평면들 사이의 간격이 증가되도록 처리되어 c-축 방향으로의 현저한 팽창을 제공할 수 있다. 이는 팽창된 간격을 갖는 흑연 물질을 생성하지만, 육각형 탄소 층의 층상(laminar) 특징은 실질적으로 유지된다. 흑연 결정자의 평면간 간격(그래핀간 간격으로도 지칭됨)은 흑연의 산화, 플루오르화, 및/또는 삽입을 포함한 몇몇 접근법을 통해 증가될(팽창될) 수 있다. 삽입제, 산소-함유 기, 또는 불소-함유 기의 존재는, 흑연 결정자에서 2개의 그래핀 평면들 사이의 간격을 증가시키고 그래핀 평면들 사이의 반데르발스 힘을 약화시켜, 그래핀 시트의 더 용이한 열 박리 및 분리를 가능하게 하는 역할을 한다.
특정의 그래핀 평면들 사이의 평면간 간격은 팽창된 d 간격을 갖는 흑연/탄소 물질이 구속 없이(즉, 부피를 자유롭게 증가시킬 수 있게 하면서) (예를 들어, 이 탄소 물질을 통상적으로 800 내지 2,500℃의 온도로 사전설정된 노(furnace) 내에 급속히 넣음으로써) 열 충격에 노출되는 경우, 상당히 증가될(실제로, 박리될) 수 있다. 이들 조건 하에서, 열 박리된 흑연/탄소 물질은 벌레(worm)처럼 보이며, 여기서 각각의 흑연 웜은 상호연결된 채로 남아 있는 많은 흑연 플레이크로 구성된다(도 1c 참조). 그러나, 이들 흑연 플레이크는, 통상적으로 20 nm 내지 10 μm 기공 크기 범위의 플레이크간 기공을 갖는다. 탄소/흑연 웜은 기계적 전단 처리를 받아서 웜을 파괴하고 구성 그래핀 평면을 그래핀 시트로 분리할 수 있다.
하나의 공정에서는, 천연 흑연 입자에 강산 및/또는 산화제를 삽입하여 흑연 층간 화합물(GIC) 또는 산화흑연(GO)을 수득함으로써, 팽창된 평면간 간격을 갖는 흑연 물질이 수득되며, 이는 도 1a에 예시된 바와 같다. 그래핀 평면들 사이의 간극 공간에서의 화학종 또는 작용기의 존재는 X-선 회절에 의해 결정되는 바와 같은 그래핀간 간격, 즉 d 002를증가시킴으로써반데르발스힘을상당히감소시키는역할을하는데, 이때 그렇지 않으면 반데르발스 힘은 c-축 방향을 따라 그래핀 평면들을 함께 유지할 것이다. GIC 또는 GO는 천연 흑연 분말(도 1a에서 100)을 황산, 질산(산화제), 및 다른 산화제(예를 들어, 과망간산칼륨 또는 과염소산나트륨)의 혼합물 중에 침지함으로써 가장 자주 생성된다. 생성되는 GIC(102)는 삽입 절차 동안 산화제가 존재한다면 실제로 어떤 유형의 산화흑연(GO) 입자이다. 이어서, GIC 또는 GO를 물 중에서 반복해서 세척하고 헹구어서 과량의 산을 제거하여, 산화흑연 현탁액 또는 분산물을 얻는데, 이것은 물 중에 분산된 별개의 그리고 시각적으로 식별 가능한 산화흑연 입자를 함유한다.
물이 현탁액으로부터 제거되어 "팽창성 흑연"을 수득할 수 있으며, 이는 본질적으로 건조된 GIC 또는 건조된 산화흑연 입자의 덩어리이다. 건조된 GIC 또는 산화흑연 입자에서의 그래핀간 간격, 즉 d 002는통상적으로 0.42 내지 2.0 nm의 범위, 더 통상적으로는 0.5 내지 1.2 nm의 범위이다. 이때, "팽창성 흑연"은 "팽창된 흑연"(추후에 추가로 설명될 것임)이 아니라고 언급될 수 있다. 산화흑연은 산소 함량이 2 중량% 내지 50 중량%, 더 통상적으로는 20 중량% 내지 40 중량%일 수 있다.
다음 2가지 유형의 GO/GIC가 있다:
유형-1, 강하게 산화된 GO 또는 스테이지-1 GIC: 산소 함량은 통상적으로 30 내지 47 중량%이고; d002간격은 통상적으로 0.9 내지 1.2 nm이고; d002=0.3345nm에 상응하는 X-선 회절 피크는 사라지고; 스테이지-1 GIC는 1개마다의 그래핀 평면에 대해 하나의 삽입제 층을 함유하는 흑연 삽입 화합물로 정의됨.
유형-2, 중간 정도 또는 약하게 산화된 GO 또는 스테이지-n GIC(n > 1): 산소 함량은 통상적으로 5 내지 30 중량%이고; d002간격은 통상적으로 0.5 내지 0.9 nm이고; d002=0.3345nm에 상응하는 X-선 회절 피크는 약하지만 사라지지는 않고; 스테이지-n GIC는 n개마다의 그래핀 평면에 대해 하나의 삽입제 층을 함유하는 흑연 삽입 화합물로 정의됨.
팽창성 흑연을 대략 30초 내지 2분 동안 통상적으로 800 내지 2,500℃(더 통상적으로는 900 내지 1,050℃) 범위의 온도에 노출 시에, CO 또는 GIC는 30 내지 300배만큼의 급속한 부피 팽창을 거쳐서, 박리되고 분리된 그래핀 시트(유형-1 GIC/GO의 경우) 또는 "박리된 흑연" 또는 "흑연 웜"(104)(유형-2인 경우)을 형성한다. 그래핀 시트의 예가 도 1d에 나타나 있다. 각각의 흑연 웜은 상호연결된 채로 남아 있는 박리된, 그러나 대체로 분리되지 않은 흑연 플레이크들의 집합체이다(도 1b). 박리된 흑연에서, 개별 흑연 플레이크들(각각 백개의 그래핀 평면 내지 수백 개의 함께 적층된 그래핀 평면을 함유함)은 서로 크게 이격되어 있어서, 통상적으로 2.0 nm 내지 10 μm의 간격을 갖는다. 그러나, 흑연 플레이크들은 물리적으로 상호연결된 채로 남아 있어서, 어코디언 또는 벌레-유사 구조를 형성한다.
박리된 흑연 웜은 기계적으로 압축되어, 박리된 흑연 웜의 덩어리를 조밀화할 목적으로 "재압축된 박리된 흑연"을 수득할 수 있다. 일부 공학 응용에서, 흑연 웜은 매우 강하게 압축되어, 통상적으로 두께가 0.1 mm 내지 0.5 mm의 범위인 가요성 흑연 시트 또는 포일(106)을 형성한다.
대안적으로, 흑연 산업계에서는, 이른바 "팽창된 흑연" 플레이크(108)를 생성할 목적으로 저강도 에어 밀(air mill) 또는 전단 기계를 사용하여 흑연 웜을 간단히 부수는 것을 선택할 수 있는데, 이때 팽창된 흑연 플레이크는 대개 100 nm보다 더 두꺼운(따라서, 정의상 나노물질은 아닌) 흑연 플레이크 또는 소판을 함유한다. "팽창된 흑연"은 "팽창성 흑연"도 아니고 "박리된 흑연 웜"도 아니라는 것이 명백하다. 오히려, "팽창성 흑연"은 열적으로 박리되어 "흑연 웜"을 수득할 수 있고, 흑연 웜은 다시, 기계적 전단을 받아서, 그렇지 않으면 상호연결된 흑연 플레이크를 부수어서 "팽창된 흑연" 플레이크를 수득할 수 있다. 팽창된 흑연 플레이크는 통상적으로 그들의 원래의 흑연과 동일하거나 유사한 평면간 간격(통상적으로 0.335 내지 0.36 nm)을 갖는다. 팽창된 흑연은 그래핀이 아니다. 팽창된 흑연 플레이크는 두께가 통상적으로 100 nm 초과이고; 대조적으로, 그래핀 시트는 통상적으로 두께가 100 nm 미만, 더 통상적으로는 10 nm 미만, 가장 통상적으로는 3 nm 미만이다(단일층 그래핀은 0.34 nm 두께이다).
또한 대안적으로, 박리된 흑연 또는 흑연 웜은 (예를 들어, 초음파기, 고전단 믹서, 고강도 에어 제트 밀, 또는 고에너지 볼 밀을 사용하여) 고강도 기계적 전단을 받아서 분리된 단일층 및 다층 그래핀 시트(집합적으로 나노그래핀 소판, 즉 NGP(112)로 칭함)를 형성을 수 있는데, 이는 본 발명자들의 미국 출원 10/858,814에 개시된 바와 같다. 단일층 그래핀은 0.34 nm 정도로 얇을 수 있는 반면, 다층 그래핀은 최대 100 nm의 두께를 가질 수 있지만, 더 통상적으로는 3 nm 미만이다(일반적으로 여러층(few-layer) 그래핀으로 지칭됨). 다수의 그래핀 시트 또는 소판은 제지 공정을 사용하여 NGP 종이(114) 시트로 제조될 수 있다.
그래핀은 프리스틴 그래핀, 산화그래핀, 환원된 산화그래핀, 불화그래핀, 염화그래핀, 요오드화그래핀, 수소화 그래핀, 질소화 그래핀, 도핑된 그래핀(예를 들어, B-도핑된 그래핀), 작용화된 그래핀 등일 수 있다. 이들 그래핀 물질의 생성은 지금 당업계에 잘 알려져 있다.
본 발명에서, 도 1d의 우측 하단 부분에 예시된 바와 같이, 그래핀 시트는 이것이 서로 다소 평행한 정도까지 압축되고 이러한 그래핀 시트의 에지가 배향된 그래핀 시트의 생성된 블록 또는 층의 에지 평면을 한정한다. 그래핀 시트들 중 일부의 1차 표면(상부 또는 하부 표면)은 (에지 평면과 대조적인 것으로서) 그래핀 표면 평면을 구성할 수 있다.
"팽창성 흑연" 또는 팽창된 평면간 간격을 갖는 흑연은 또한 GO 대신에 불화흑연(GF)을 형성함으로써 수득될 수 있는 것으로 언급될 수 있다. 고온에서의 불소 가스 중에서의 F2와 흑연의 상호작용은 (CF) n 내지 (C2F) n 의 공유적 불화흑연으로 이어지는 반면, 저온에서는 흑연 층간 화합물(GIC) C x F(2 ≤ x ≤ 24) 형태로 이어진다. (CF) n 에서는, 탄소 원자가 sp3-혼성화되며, 이에 따라 플루오로탄소 층들은 트랜스-연결된 사이클로헥산 의자들로 이루어져서 파형을 나타낸다. (C2F) n 에서는, C 원자의 단지 절반만이 플루오르화되고, 인접한 탄소 시트들의 모든 하나하나의 쌍은 공유 C-C 결합에 의해 함께 연결된다. 플루오르화 반응에 대한 체계적인 연구는 얻어지는 F/C 비가 플루오르화 온도, 플루오르화 가스 중에서의 불소의 부분 압력, 및 흑연 전구체의 물리적 특성(흑연화도, 입자 크기, 및 비표면적을 포함함)에 대체로 좌우됨을 나타내었다. 불소(F2)에 더하여, 기타 다른 플루오르화제(예를 들어, F2와 Br2,Cl2,또는 I2의 혼합물)가 사용될 수 있지만, 이용 가능한 문헌의 대부분은, 때때로 불화물의 존재 하에서의 F2가스에 의한 플루오르화를 수반한다.
본 발명자들은 전기화학 플루오르화로부터 수득된 약간 플루오르화된 흑연, C x F(2 ≤ x ≤ 24)가 통상적으로 그래핀간 간격(d002)이 0.37 nm 미만, 더 통상적으로는 0.35 nm 미만인 것으로 관찰하였다. C x F에서 x가 2 미만(즉, 0.5 ≤ x < 2)인 경우에만, 0.5 nm 초과의 d002간격이 관찰될 수 있다(가스상 플루오르화 또는 화학적 플루오르화 절차에 의해 생성된 플루오르화된 흑연에서). C x F에서의 x가 1.33 미만(즉, 0.5 ≤ x < 1.33)인 경우, 0.6 nm 초과의 d002간격이 관찰될 수 있다. 이러한 상당히 플루오르화된 흑연은, 바람직하게는 1 atm 초과, 더 바람직하게는 3 atm 초과의 압력 하에서 충분히 오랜 시간 동안 고온(>> 200℃)에서 플루오르화함으로써 수득된다. 불분명한 이유로, 흑연의 전기화학 플루오르화는 설령 생성물 C x F의 x 값이 1 내지 2일지라도 d 간격이 0.4 nm 미만인 생성물로 이어진다. 흑연 내로 전기화학적으로 도입된 F 원자는 그래핀 평면들 사이 대신에 입계와 같은 결함 내에 존재하는 경향이 있으며, 결과적으로 그래핀 평면간 간격을 팽창시키도록 작용하지 않을 수 있다.
열 충격에 대한 노출 시에, 고도로 플루오르화된 흑연은 그래핀 물질의 한 가지 유형인 불화그래핀 시트의 형성으로 직접 이어질 수 있다. 약하게 또는 중간 정도로 플루오르화된 흑연은, 열 충격에 노출 시에, 플루오르화된 흑연 웜의 형성을 가져오며, 이것은 기계적 전단을 받아서 불화그래핀 시트를 생성할 수 있다.
그래핀의 질소화는 산화그래핀 물질을 고온(200 내지 400℃)에서 암모니아에 노출시킴으로써 수행될 수 있다. 질소화는 또한 열수 방법(hydrothermal method)에 의해 더 저온에서 수행될 수 있으며; 예를 들어, 오토클레이브 내에 GO 및 암모니아를 밀봉하고, 이어서 온도를 150 내지 250℃까지 증가시킴으로써 수행될 수 있다.
그래핀 시트를 바람직한 배향을 갖는 재압축된 그래핀 시트의 층 또는 블록으로 압축 또는 재압축하는 것은 몇몇 절차를 사용함으로써 달성될 수 있는데, 이들 절차는 다음 2개의 넓은 카테고리로 분류될 수 있다: 건식 프레싱/롤링 또는 습식 프레싱/롤링. 건식 공정은 액체 매체의 존재 없이 그래핀 시트를 한 방향으로 기계적으로 프레싱하는 것(일축 압축)을 수반한다. 대안적으로, 도 1e에 개략적으로 예시된 바와 같이, 상기 공정은 그래핀 시트(30)의 건조 분말을 2개의 역회전 롤러(예를 들어, 32a와 32b) 사이의 갭 내로 공급하여 "재압축된 그래핀 시트"의 약간 압축된 층을 형성하고, 이어서 이 물질을 또 다른 2개의 롤러(예를 들어, 34a와 34b) 사이의 갭 내로 안내함으로써 이것을 추가로 압축하여, (정렬된 그래핀 시트를 함유하는) 추가로 재압축된 그래핀 시트의 더 얇은 층을 형성하는 것을 포함한다. 필요하다면, 또 다른 한 쌍 또는 다수의 쌍의 롤러(예를 들어, 36a와 36b)가 구현되어 층 두께를 추가로 감소시키고, 그래핀 배향의 정도를 추가로 개선하여, 비교적 잘 정렬된 그래핀 시트의 층(38)을 생성할 수 있다.
배향된 그래핀 구조의 층(또는 적층되고/되거나 함께 결합된 그러한 구조의 다수의 층)은 절단되고 분할되어 배향된 그래핀 구조의 원하는 수의 조각을 생성할 수 있다. 각각의 조각이 큐브 또는 사각형인 것을 가정하면, 각각의 큐브는 도 1d의 우측 하단 부분에 예시된 바와 같이 4개의 그래핀 시트 에지 평면 및 2개의 그래핀 표면 평면을 가질 것이다. 그러한 조각이 캐소드 층으로서 구현될 때, 이 층은 그래핀 에지 평면들 중 하나가 애노드 층 또는 다공성 세퍼레이터 층과 실질적으로 평행이 되는 방식으로 위치되고 정렬될 수 있다. 이러한 그래핀 에지 평면은 통상적으로 세퍼레이터 층에 매우 가깝거나 실제로 세퍼레이터 층과 직접 접촉 상태에 있다. 그러한 배향은 전극 내의 그래핀 평면들 사이의 간극 공간 내로의/간극 공간으로부터의 이온의 진입 및 방출로 이어져서, 상당히 개선된 고-레이트 능력 및 높은 전력 밀도를 가져온다는 것을 알게 되었다.
출발 그래핀 시트가 액체 매체 중 분산된다면, 그래핀 시트의 습윤 층을 생성하기 위하여 동일한 절차가 사용될 수 있는 것으로 언급될 수 있다. 이러한 액체 매체는 간단히 물 또는 용매일 수 있으며, 이것은 롤-프레싱 절차의 완료 시에 제거되어야 한다. 액체 매체는 그래핀 시트를 함께 결합하는 데 도움이 되는 수지 결합제일 수 있거나 이를 함유할 수 있지만, 수지 결합제가 필요하거나 요구되는 것은 아니다. 대안적으로 그리고 바람직하게는, (최종 알루미늄 전지의 전해질의 일부가 되도록 의도된) 액체 전해질의 약간의 양이, 압축되거나 롤-프레싱되기 전에, 그래핀 시트와 혼합될 수 있다. 이러한 액체 전해질은 후속 배터리 전지 제조 공정 동안 그래핀 시트들 사이에 머무르게 한다.
따라서, 본 발명은 또한 알루미늄 배터리 캐소드 층으로서 사용하기 위한 전해질-함침된 배향된 그래핀 시트를 생성하기 위한 습식 공정을 제공한다. 바람직한 구현예에서, 습식 공정(방법)은 (a) 액체 또는 겔 전해질 중에 분산된 그래핀 시트를 갖는 분산물 또는 슬러리를 제조하는 단계; 및 (b) 현탁액에 강제된(forced) 조립 절차를 수행하여, 상기 그래핀 시트가 전해질-함침된 그래핀 시트 구조로 강제로 조립되게 하는 단계를 포함하며, 여기서 전해질은 배향된 그래핀 시트의 구조 내의 그래핀간 공간에 존재한다. 그래핀 시트는 원하는 방향을 따라 실질적으로 정렬된다. 재압축된 그래핀 시트 구조는, 전해질이 없는 건조된 상태로 측정될 때, 물리적 밀도가 0.5 내지 1.7 g/cm3(더 통상적으로는 0.7 내지 1.3 g/cm3)이고, 비표면적이 20 내지 1,500 m2/g이다.
일부 원하는 구현예에서, 강제된 조립 절차는 초기 부피 V1을 갖는 그래핀 시트 현탁액을 몰드 캐비티 셀(mold cavity cell) 내에 도입하고, 피스톤을 몰드 캐비티 셀 내로 밀어 넣어서 현탁액 부피를 더 작은 값 V2로 감소시켜, 과량의 전해질이 (예를 들어, 몰드 캐비티 셀의 또는 피스톤의 구멍을 통해) 캐비티 셀로부터 유출될 수 있게 하고, 다수의 그래핀 시트를 피스톤의 이동 방향에 대해 대략 45° 내지 90°의 각도로 소정 방향을 따라 정렬시키는 것을 포함한다. 이 현탁액에 사용된 전해질은 의도된 알루미늄 전지를 위한 전해질의 일부가 되는 것으로 언급될 수 있다.
도 1f는 고도로 압축되고 배향된 그래핀 시트(314)의 층을 형성하기 위한 (피스톤 또는 램(308)이 구비된 몰드 캐비티 셀(302)을 사용한) 압축 및 압밀 작업의 예를 예시하기 위한 개략도를 제공한다. 액체 또는 겔 전해질(306) 중에 무작위로 분산된 그래핀 시트(304)로 구성된 현탁액(또는 슬러리)이 챔버(몰드 캐비티 셀(302)) 내에 담겨 있다. 피스톤(308)이 하향으로 밀어 넣어짐에 따라, 과량의 액체 전해질이 몰드 벽 상의 다수의 채널(312)을 통해 또는 피스톤의 작은 채널(310)을 통해 강제로 유출됨으로써 현탁액의 부피는 감소된다. 이들 작은 채널은 몰드 캐비티의 임의의 또는 모든 벽에 존재할 수 있으며, 채널 크기는 전해질 종의 투과는 가능하게 하지만 고체 그래핀 시트는 그렇지 않도록 설계될 수 있다. 과량은 전해질은 도 1e의 우측 다이어그램 상에 316a 및 316b로서 나타나 있다. 이러한 압축 및 압밀 작업의 결과로서, 그래핀 시트(314)는 하부 평면과 평행하게 또는 층 두께 방향과 수직하게 정렬된다.
고도로 압축되고 배향된 그래핀 시트(320)의 층을 형성하기 위한 (피스톤 또는 램이 구비된 몰드 캐비티 셀을 사용한) 압축 및 압밀 작업의 또 다른 예를 예시하기 위한 개략도가 도 1g에 도시되어 있다. 피스톤은 Y-방향을 따라 하향으로 밀어 넣어진다. 그래핀 시트는 X-Z 평면 상에 그리고 (Z- 또는 두께 방향을 따른) X-Y 평면과 수직하게 정렬된다. 이러한 배향된 그래핀 시트 층은 X-Y 평면으로 기본적으로 나타낸 집전체(예를 들어, 그래핀 매트)에 부착될 수 있다. 생성된 전극에서, 그래핀 시트는 집전체와 수직하게 정렬된다. 그러한 배향은 그래핀 시트들 사이의 공간 안으로 및 밖으로의 더 신속한 이온 삽입으로 이어지며, 이에 따라 그래핀 시트가 집전체 평면과 평행하게 정렬된 것(그래핀 표면 평면이고, 에지 평면이 아니며, 세퍼레이터 평면과 평행함)을 특징으로 하는 상응하는 전극과 대비하여 더 높은 전력 밀도를 가져온다.
이제, 알루미늄 2차 배터리의 구성이 하기와 같이 논의된다.
알루미늄 2차 배터리는 양극(캐소드), 음극(애노드), 및 알루미늄 염 및 용매를 포함하는 전해질을 포함한다. 애노드는 알루미늄 금속 또는 알루미늄 금속 합금의 얇은 포일 또는 필름일 수 있다(예를 들어, 도 2a의 좌측). 애노드는 Al 금속 또는 Al 금속 합금의 입자, 섬유, 와이어, 튜브, 또는 디스크로 구성될 수 있으며, 이들은 패킹되고 결합제(바람직하게는 전도성 결합제)에 의해 함께 결합되어 애노드 층을 형성한다.
바람직한 애노드 층 구조는 전자-전도성 경로의 네트워크(예를 들어, 흑연 시트, 탄소 나노섬유, 또는 탄소-나노튜브의 매트) 및 이러한 전도성 네트워크 구조물의 표면 상에 침착된 알루미늄 금속 또는 합금 코팅의 얇은 층으로 구성된다(예를 들어, 도 2b의 좌측). 그러한 일체화된 나노구조물은 전기 전도성 나노미터-규모 필라멘트들로 구성될 수 있는데, 이들 필라멘트는 상호연결되어, 상호연결된 기공을 포함하는 전자-전도성 경로의 다공성 네트워크를 형성하며, 이때 필라멘트는 횡치수가 500 nm 미만이다. 그러한 필라멘트는 전기방사된 나노섬유, 증기-성장된 탄소 또는 흑연 나노섬유, 탄소 또는 흑연 휘스커, 탄소 나노튜브, 나노규모 그래핀 소판, 금속 나노와이어, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 알루미늄을 위한 그러한 나노구조화된 다공성 지지 재료는 알루미늄 침착-용해 속도론을 상당히 개선하여, 생성되는 알루미늄 2차 전지의 고-레이트 능력을 가능하게 할 수 있다.
알루미늄 2차 배터리의 개략도가 도 2a에 예시되어 있으며, 여기서 애노드 층은 얇은 Al 코팅 또는 Al 포일이고, 캐소드 활물질 층은 재압축되고 정렬된 그래핀 시트의 층을 함유한다. 대안적으로, 도 2b는 알루미늄 2차 배터리 전지의 개략도를 도시하며, 여기서 애노드 층은 전도성 필라멘트의 네트워크의 표면 상에 지지된 알루미늄 금속 또는 알루미늄 합금의 얇은 코팅으로 구성되고, 캐소드 활물질 층은 재압축되고 정렬된 그래핀 시트의 층을 함유한다. 배향된 그래핀 시트의 층 또는 블록의 그래핀 에지 평면은 세퍼레이터와 대면하고 세퍼레이터 층과 실질적으로 평행하다(그래핀 시트는 세퍼레이터 평면과 수직하다).
충전-방전 반응을 위한 이온-수송 매체로서 기능하는 전해질의 조성은 배터리 성능에 큰 영향을 갖는다. 알루미늄 2차 배터리가 실제로 사용되게 하기 위해서는, 알루미늄 침착-용해 반응이 비교적 저온(예를 들어, 실온)에서도 원활하게 그리고 충분히 진행될 수 있게 하는 것이 필요하다. 그러나, 통상적인 알루미늄 2차 배터리에서, 알루미늄 침착-용해 반응은 단지 비교적 고온(예를 들어, 50℃ 이상)에서만 원활하게 그리고 충분히 진행될 수 있으며, 반응의 효율이 또한 낮다. 알루미늄 2차 배터리에서의 사용을 위한 전해질은 알루미늄 염, 알킬 설폰, 및 유전 상수가 20 이하인 용매를 포함할 수 있으며, 이로써 전해질이 더 낮은 온도(예를 들어, 실온)에서 작동될 수 있게 하고 이 온도에서 알루미늄 침착-용해 반응이 진행된다.
알루미늄 2차 배터리에 사용될 수 있는 수성 전해질은 물 중에 용해된 알루미늄 염, 예를 들어 물 중 AlCl3-6H2O,CrCl3-6H2O,및 Al(NO3)3를 포함한다. 알칼리성 용액, 예컨대 물 중 KOH 및 NaOH가 또한 사용될 수 있다.
알루미늄 2차 배터리에 사용하기 위한 유기 전해질은 용매로서 g-부티로락톤(BLA) 또는 아세토니트릴(ACN)을 함유하는 다양한 전해질을 포함하며, 예를 들어 BLA 중 AlCl3/KCl염 또는 ACN 중 (C2H5)4NClxH2O(TEAC)이다. 진한 알루미늄 트리플레이트-기반 전해질, 디에틸 에테르 중에 용해된 염화알루미늄 및 리튬 알루미늄 수소화물의 배스(bath), 및 테트라하이드로푸란 중 LiAlH4및 AlCl3이 또한 포함된다. 예를 들어, 알킬 설폰, 예컨대 디메틸설폰이 유기 용매와 함께 사용될 수 있는데, 유기 용매로서는, 예를 들어 사이클릭 또는 사슬형 카르보네이트 또는 사이클릭 또는 사슬형 에테르가 사용될 수 있다. 방전 동안 분극을 감소시키기 위하여, 알루미늄 염, 예컨대 염화알루미늄 및 유기 할로겐화물, 예컨대 트리메틸페닐암모늄 클로라이드가 전해질에 함께 사용될 수 있다. 이러한 염 혼합물의 경우, 유기 용매, 예컨대 1,2-디클로로에탄이 사용될 수 있다.
가역적 알루미늄 전기화학이 가능한 또 다른 유형의 전해질은 용융 염 공정(molten salt eutectic)이다. 이들은 통상적으로 어떤 몰비의 염화알루미늄, 염화나트륨, 염화칼륨 및 염화리튬으로 구성된다. 유용한 용융 염 전해질은 AlCl3-NaCl,AlCl3-(LiCl-KCl),및 AlCl3-KCl-NaCl혼합물을 포함한다. 이들 알칼리 클로로알루민산염 용융물 중에서, 2원 NaCl-AlCl3및 3원 NaCl-KCl-AlCl3시스템이 알루미늄 배터리를 개발하는 데 가장 널리 사용되는 용융 염이다. 이들 시스템에서, MCl/AlCl3(여기서, M은 일반적으로 Na 및/또는 K임)의 몰비가 1보다 큰 용융물은 염기성으로서 정의되는 반면, 몰비가 1보다 작은 것들은 산성으로서 정의된다. 산성 용융물에서, Al2Cl7은 주요 음이온종이다. 용융물의 산성(AlCl3함량)이 감소됨에 따라, AlCl4 -가 주요 화학종이 된다.
알루미늄 2차 배터리에 사용하기 위한 용융 염의 특별한 부류는 실온 용융 염(이온성 액체)이다. 예를 들어, 유용한 이온성 액체 전해질 용액은 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 중에 혼합된 염화알루미늄(AlCl3:EMIC)이다. 구매가능한 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드는 에틸 아세테이트 및 아세토니트릴로부터의 재결정화에 의해 정제될 수 있다. 염화알루미늄은 3중 승화(triple sublimation)에 의해 추가로 정제될 수 있다. 이온성 액체는 몰당량의 둘 모두의 염을 서서히 혼합함으로써 제조될 수 있다. 추가로 이어서, 1 M AlCl3의 농도가 얻어질 때까지 등몰 혼합물에 AlCl3를 첨가하였다. 바람직하게는, 이 농도는 1.2:1 AlCl3:EMIC몰비에 상응한다.
염화알루미늄(AlCl3)은 또한 유기 염화물, 예컨대 n-부틸-피리디늄-클로라이드(BuPyCl), 1-메틸-3-에틸이미다졸륨-클로라이드(MEICl), 및 2-디메틸-3-프로필이미다졸륨-클로라이드와 함께 실온 전해질을 형성한다. 1,4-디메틸-1,2,4-트리아졸륨 클로라이드(DMTC) 및 AlCl3의 용융된 혼합물이 2차 배터리 전해질로서 또한 사용될 수 있다.
본 발명은 알루미늄 2차 배터리를 위한 고용량 캐소드 물질을 함유하는 캐소드 활성 층(양극 층)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 수성 전해질, 비수성 전해질, 용용 염 전해질, 중합체 겔 전해질(예를 들어, 알루미늄 염, 액체, 액체 중에 용해된 중합체를 함유함), 이온성 액체 전해질, 또는 이들의 조합을 기반으로 한 그러한 배터리를 제공한다. 알루미늄 2차 배터리의 형상은 원통형, 사각형, 버튼-유사 형상 등일 수 있다. 본 발명은 어떠한 배터리 형상 또는 구성으로도 제한되지 않는다.
하기 실시예는 본 발명을 실시하는 최상의 모드에 대한 일부 구체적인 세부사항을 예시하는 데 사용되며, 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예 1: 흑연의 산화 및 산화된 흑연의 열 박리
Asbury Carbons(미국 뉴저지주 08802 애즈버리 405 올드 메인가 소재)에 의해 제공된, 공칭 크기가 45 μm인 천연 플레이크 흑연을 밀링하여 크기를 대략 14 μm까지 감소시켰다(샘플 1a). 발연 질산(90% 초과), 황산(95 내지 98%), 염소산칼륨(98%), 및 염산(37%)을 포함한 본 연구에 사용된 화학물질은 Sigma-Aldrich로부터 구매하였으며, 제공받은 그대로 사용하였다. 산화흑연(GO) 샘플을 하기 절차에 따라 제조하였다:
샘플 1A: 자석 교반 막대가 담긴 반응 플라스크에 황산(176 mL) 및 질산(90 mL)을 장입하고, 빙조 내에 침지하여 냉각시켰다. 산 혼합물을 교반하고, 15분 동안 냉각되게 하고, 격렬한 교반 하에서 흑연(10 g)을 첨가하여 집괴화(agglomeration)를 피하였다. 흑연 분말을 잘 분산시킨 후에, 염소산칼륨(110 g)을 15분에 걸쳐 서서히 첨가하여 갑작스러운 온도 증가를 피하였다. 반응 플라스크를 뚜껑을 헐겁게 덮어서, 실온에서 24시간 동안 교반되는 반응 혼합물로부터의 가스의 방출을 가능하게 하였다. 반응의 완료 시에, 혼합물을 8 L의 탈이온수에 붓고 여과하였다. GO를 5% HCl 용액 중에 재분산시키고 세척하여 설페이트 이온을 제거하였다. 여과액을 염화바륨을 사용하여 간헐적으로 시험하여 설페이트 이온이 존재하는지를 결정하였다. 이 시험이 음성이 될 때까지 HCl 세척 단계를 반복하였다. 이어서, 여과액의 pH가 중성이 될 때까지 GO를 탈이온수로 반복하여 세척하였다. GO 슬러리를 분무-건조시키고, 사용 시까지 60℃에서 진공 오븐 내에 저장하였다.
샘플 1B: 샘플 1A에서와 동일한 절차를 따랐지만, 반응 시간이 48시간이었다.
샘플 1C: 샘플 1A에서와 동일한 절차를 따랐지만, 반응 시간이 96시간이었다.
X-선 회절 연구는 24시간의 처리 후에, 상당한 비율의 흑연이 산화흑연으로 변환되었음을 나타내었다. 프리스틴(pristine) 천연 흑연에 대한 0.335 nm(3.35 Å)의 평면간 간격에 상응하는 2θ= 26.3도에서의 피크는 24시간 동안의 완전 산화(deep oxidation) 처리 후에 강도가 상당히 감소하였으며, 통상적으로 (산화도에 따라) 2θ= 9 내지 14도 부근에서 피크가 출현되었다. 본 연구에서, 48시간과 96시간의 처리 시간에 대한 곡선은 본질적으로 동일하였는데, 이는 본질적으로 모든 흑연 결정이 평면간 간격이 6.5 내지 7.5 Å인 산화흑연으로 전환되었음을 나타낸다(26.3도 피크는 완전히 사라졌으며, 대략 2θ= 11.75 내지 13.7도에서 피크가 출현되었다).
이어서, 샘플 1A, 샘플 1B, 및 샘플 1C에 구속되지 않는 열 박리(2분 동안 1,050℃)를 수행한 후, 에어 제트 밀링을 수행하여 그래핀 시트를 수득하였다. 그래핀 시트를 건식 압축 절차 및 습식 압축 절차 둘 모두를 사용하여 물리적 밀도가 대략 0.5 내지 1.75 g/cm3범위인 배향된 그래핀 시트의 층으로 압축하였다.
실시예 2: 다양한 흑연질 탄소 및 흑연 물질의 산화, 삽입 및 열 박리
샘플 1B에 대해 사용된 것과 동일한 절차에 따라 샘플 2A, 샘플 2B, 샘플 2C, 및 샘플 2D를 제조하였지만, 출발 흑연 물질이 각각 고도로 배향된 열분해 흑연(HOPG), 흑연 섬유, 흑연질 탄소 나노섬유, 및 구상 흑연(spheroidal graphite)의 조각이었다. 팽창 처리 후에, 이들의 최종 평면간 간격은 각각 6.6 Å, 7.3 Å, 7.3 Å, 및 6.6 Å이었다. 이들을 후속으로 열 박리하고, 기계적으로 전단하여(초음파 처리하여) 그래핀 시트를 분리/단리시키고, 재압축하여 다양한 제어된 밀도, 비표면적, 및 배향 정도의 배향된 그래핀 구조를 수득하였다.
실시예 3: 변형된 허머(Hummer)의 방법을 사용한 산화흑연(GO)의 제조 및 후속 열 박리
허머의 방법[1957년 7월 9일자의 미국 특허 2,798,878]에 따라 황산, 질산나트륨, 및 과망산칼륨에 의해 천연 흑연 플레이크를 산화시킴으로써 산화흑연(샘플 3A)을 제조하였다. 이 실시예에서는, 매 1 g의 흑연마다, 22 ml의 진한 황산, 2.8 g의 과망간산칼륨, 및 0.5 g의 질산나트륨의 혼합물을 사용하였다. 흑연 플레이크를 혼합물 용액 중에 침지하였으며, 35℃에서 반응 시간은 대략 1시간이었다. 과망간산칼륨이 잘 제어된 방식으로 황산에 점진적으로 첨가되어 과열 및 기타 다른 안전성 문제를 피하도록 주의하는 것이 중요하다. 반응의 완료 시에, 혼합물을 탈이온수에 붓고 여과하였다. 이어서, 여과액의 pH가 대략 5가 될 때까지 샘플을 탈이온수로 반복하여 세척하였다. 슬러리를 분무-건조시키고, 60℃에서 24시간 동안 진공 오븐 내에 저장하였다. 생성된 층상 산화흑연의 층간 간격은 디바이-세러(Debye-Scherrer) X-선 기법에 의해 대략 0.73 nm(7.3 Å)인 것으로 결정되었다. 후속으로 분말 중 일부를 950 내지 1,100℃로 사전설정된 노 내에서 2분 동안 박리하여 그래핀 시트를 수득하였다. 습식 프레스-롤링 절차 및 건식 프레스-롤링 절차 둘 모두를 사용하여 그래핀 시트를 재압축하여 배향된 그래핀 시트의 층을 수득하였다.
실시예 4: 메소탄소 마이크로비드(MCMB)의 산화 및 열 박리
실시예 3에서 사용된 것과 동일한 절차에 따라 메소탄소 마이크로비드(MCMB)의 산화에 의해 산화된 탄소 비드(샘플 4A)를 제조하였다. MCMB 마이크로비드(샘플 4a)는 China Steel Chemical Co.에 의해 공급되었다. 이 물질은 약 2.24 g/cm3의 밀도; 16 미크론의 평균 입자 및 약 0.336 nm의 평면간 거리를 갖는다. 완전 산화/삽입 처리 후에, 생성된 산화흑연 마이크로비드에서의 평면간 간격은 대략 0.76 nm이다. 이어서, 처리된 MCMB를 900℃에서 2분 동안 열 박리하여 박리된 탄소를 수득하였으며, 이것은 또한 벌레-유사 외관을 나타내었다(본 명세서에서, "박리된 탄소", "탄소 웜", 또는 "박리된 탄소 웜"으로 치칭됨). 이어서, 탄소 웜을 에어 제트-밀링하여 그래핀 시트를 형성하고, 상이한 정도로 롤-프레싱하여 상이한 밀도, 비표면적, 및 배향 정도를 갖는 재압축된 그래핀 시트를 수득하였다.
실시예 5: 탄소 섬유의 브롬화와 플루오르화, 및 열 박리
평면간 간격이 3.37 Å(0.337 nm)이고 섬유 직경이 10 μm인 흑연화 탄소 섬유(샘플 5a)를 먼저 75℃ 내지 115℃ 범위의 온도에서 브롬 및 요오드의 배합물로 할로겐화하여 중간 생성물로서 흑연의 브롬-요오드 층간 화합물을 형성하였다. 이어서, 중간 생성물을 275℃ 내지 450℃ 범위의 온도에서 불소 가스와 반응시켜 CFy를 형성하였다. CFy샘플에서의 y의 값은 대략 0.6 내지 0.9였다. X-선 회절 곡선은 통상적으로 각각 0.59 nm 및 0.88 nm에 상응하는 2개의 피크의 공존을 나타낸다. 샘플 5A는 실질적으로 0.59 nm 피크만을 나타내고, 샘플 5B는 실질적으로 0.88 nm 피크만을 나타낸다. 분말 중 일부를 열 박리하고, 기계적으로 전단하여 그래핀 시트를 분리/단리시키고, 이어서 재압축하여 배향된, 재압축된 브롬화그래핀 시트를 수득하였다
실시예 6: 탄소 섬유의 플루오르화 및 열 박리
실시예 5에서 수득된 CF0.68샘플을 250℃ 및 1 기압에서 3시간 동안 1,4-디브로모-2-부텐(BrH2C―CH=.CH--CH2Br)의 증기에 노출시켰다. 불소의 2/3가 불화흑연 샘플로부터 상실된 것으로 확인되었다. 1,4-디브로모-2-부텐이 불화흑연과 능동적으로 반응하여, 불소를 불화흑연으로부터 제거하고 흑연 격자 내의 탄소 원자에 대한 결합을 형성한 것으로 추론된다. 얻어진 생성물(샘플 6A)을 할로겐화 흑연과 혼합하는데, 이때 할로겐화 흑연은 불화흑연 및 브롬화흑연의 배합물일 가능성이 높다. 분말 중 일부를 열 박리하여 박리된 탄소 섬유를 수득하고, 이어서 이것을 기계적으로 전단하고 롤-프레싱하여, 배향된 불화그래핀 시트의 구조를 수득하였다.
실시예 7: 흑연의 플루오르화 및 열 박리
분자체 크기가 200 내지 250 메시인 천연 흑연 플레이크를 (10-2mmHg미만 하에서) 진공 중에서 약 2시간 동안 가열하여 흑연 내에 함유된 잔류 수분을 제거하였다. 불소 가스를 반응기 내로 도입하고, 불소 압력을 200 mmHg로 유지하면서 375℃에서 120시간 동안 반응이 진행되게 하였다. 이것은 미국 특허 4,139,474에 개시된 Watanabe외 다수에 의해 제안된 절차에 기초하였다. 수득된 분말 생성물은 흑색이었다. 생성물의 불소 함량은 하기와 같이 측정하였다: 생성물을 산소 플라스크 연소 방법에 따라 태우고, 불소를 불화수소로서 물 중으로 흡수시켰다. 불소 이온 전극을 사용함으로써 불소의 양을 결정하였다. 결과로부터, 실험식 (CF0.75)n을 갖는 GF(샘플 7A)를 수득하였다. X-선 회절은 2θ= 13.5도에서 주요 (002) 피크를 나타내었는데, 이는 6.25 Å의 평면간 간격에 상응한다. 불화흑연 분말 중 일부를 열 박리하여 흑연 웜을 형성하고, 이어서 이것을 기계적으로 전단하여 그래핀 시트를 분리/단리시키고, 이어서 롤-프레싱하였다.
샘플 7B는 샘플 7A에 대한 것과 유사한 방식으로 수득하였지만, 640℃의 반응 온도에서 5시간 동안 수행하였다. 화학 조성은 (CF0.93)n인 것으로 결정되었다. X-선 회절은 2θ= 9.5도에서 주요 (002) 피크를 나타내었는데, 이는 9.2 Å의 평면간 간격에 상응한다. 불화흑연 분말 중 일부를 열 박리하여 흑연 웜을 형성하고, 이어서 이것을 기계적으로 전단하고 롤-프레싱하여, 재압축된 배향된 그래핀 시트의 층을 생성하였다.
실시예 8: 다양한 알루미늄 전지의 제조 및 시험
실시예 1 내지 실시예 7에서 제조된 그래핀 시트를 개별적으로 캐소드 층으로 제조하고 알루미늄 2차 배터리 내로 도입하였다. 2가지 유형의 Al 애노드를 제조하였다. 하나는 두께가 16 μm 내지 300 μm인 Al 포일이었다. 다른 하나는 Al 또는 Al 합금을 수용하도록 기공 및 기공벽을 갖는 전자-전도성 경로의 일체화된 3D 네트워크를 형성하는 전도성 나노필라멘트(예를 들어, CNT) 또는 그래핀 시트의 표면 상에 침착된 Al 박형 코팅이었다. 또한 Al 포일 그 자체 또는 일체화된 3D 나노구조물 어느 것이든 애노드 집전체로서의 역할을 한다.
0.5 내지 50 mV/s의 통상적인 스캐닝 속도로 Arbin 전기화학 워크스테이션을 사용하여 순환 전압전류법(CV) 측정을 수행하였다. 게다가, 다양한 전지의 전기화학 성능을 또한 50 mA/g 내지 10 A/g의 전류 밀도에서 정전류 충전/방전 사이클링을 행함으로써 평가하였다. 장기간 사이클링 시험을 위하여, LAND에 의해 제조된 다채널 배터리 테스터를 사용하였다.
도 3은 다음 3개의 Al 포일 애노드-기반 전지의 방전 곡선을 나타낸다: 첫 번째 것은 비표면적(SSA) = 23 m2/g인 고도로 배향된 그래핀 시트(이것은 다공성 세퍼레이터 평면과 수직하게 정렬되고; 이것의 그래핀 에지 평면은 세퍼레이터 평면과 평행함)의 캐소드 층을 갖는 전지이고, 두 번째 것은 비표면적(SSA) = 23 m2/g인 고도로 배향된 그래핀 시트(이것은 다공성 세퍼레이터 평면과 평행하게 정렬되고; 이것의 그래핀 표면 평면이 세퍼레이터 평면과 평행함)의 캐소드 층을 갖는 전지이고, 세 번째 것은 원래의 흑연 입자(이로부터 그래핀 시트를 생성하였음)의 캐소드를 갖는 전지임. 사용된 전해질은 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 중에 혼합된 염화알루미늄(AlCl3:EMIC몰비 = 3.5/1)이었다. 이들 데이터는 3개의 배터리 전지 모두가 초기 평탄역 전압을 나타내지만, 이러한 평탄역의 길이는 상이한 처리에 따라 변동되었음을 나타낸다. 고도로 배향된 그래핀 시트(이것은 다공성 세퍼레이터 평면과 수직하게 정렬되고, 이것의 그래핀 에지 평면은 세퍼레이터 평면과 평행함)을 함유하는 캐소드 층은 최장의 평탄역을 나타내고; 이러한 메커니즘은 그래핀 시트들 사이의 나노기공 또는 간극 공간 내로의 Al3+,AlCl4 -,및/또는 Al2Cl7 -이온의 삽입에 상응할 가능성이 매우 높은데, 이는 하기에서 추가로 설명된다:
방전 과정에서, Al 금속은 산화되고, Al 포일로부터 방출되어 Al3+이온을 형성한다. 전기장의 영향 하에서, Al3+이온은 캐소드 측으로 이동한다. 이어서, Al3+이온 및 염화알루미늄 배위 음이온 [AlaClb]-가 동시에 그래핀 층 내로 삽입되어 AlxCly를 형성할 수 있다. 삽입된 AlxCly와 이웃하는 그래핀 층들은 반데르발스 힘에 의해 서로 상호작용한다. 충전 과정 동안, 전기화학 반응은 역전된다.
이온성 액체-기반 전해질에서, 현존하는 배위 이온은 AlCl4 -또는 Al2Cl7 -이며, 이에 따라 삽입된 배위 이온 [AlaClb]-는 AlCl4 -또는 Al2Cl7 -또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 가정에 기초하여, 애노드 및 캐소드 둘 모두에 대한 전극 반응은 다음과 같이 기술될 수 있다:
충전 과정에서는,
Al3++3e-→Al(애노드) (1)
AlxCly-e-→Al3++[AlaClb]-(캐소드) (2)
배터리 충전 동안 애노드에서는, Al2Cl7 -이온이 전자와 반응하여 AlCl4 -음이온 및 Al을 형성할 수 있다. 캐소드에서는, 흑연 표면으로부터의 EMI+이온의 탈착이 또한 일어날 수 있다.
방전 과정에서는,
Al - 3e-→Al3+(애노드) (3)
Al3++[AlaClb]-+e-→AlxCly(캐소드) (4)
그래핀 시트를 강하게 재압축하는 전략은 그래핀 평면들 사이의 평면간 공간이 20 nm보다 더 작아지게, 바람직하게는 그리고 통상적으로는 10 nm보다 더 작아지게(그래핀간 기공이 10 nm 미만임) 할 수 있으며, 이는 대량의 이온이 합리적으로 높은 전압(2.2 vs. Al/Al3+)에서 이들 국한된 공간 내로 "삽입"될 수 있게 하는 것으로 보인다. 긴 평탄역 범위(큰 비용량, 최대 150 내지 350 mAh/g, 기공 크기에 좌우됨)에 걸쳐 비교적 높은 전압에서의 그러한 삽입은 캐소드 활물질 중량을 기준으로 한 높은 비에너지 값(비용량 범위에 걸쳐 전압 곡선을 적분함으로써 얻어짐)을 내포한다.
Al3+,AlCl4 -,및/또는 Al2Cl7 -이온의 삽입에 더하여, 액체 전해질에 접근 가능한 그래핀 표면적이 존재하며, 표면은 이온 흡착/탈착 및/또는 표면 산화환원 반응에 이용 가능하게 되어, 수퍼커패시터-유형 거동(전기 이중층 커패시턴스, EDLC, 또는 산화환원 유사-커패시턴스)으로 이어질 것이다. 이러한 거동으로 인해 초기 평탄역 영역 후에 슬로핑 전압 곡선이 생성된다.
본 발명자들은 그래핀 시트가 약하게 재압축되어 대략 800 내지 900 m2/g을 초과하는 SSA를 나타내는 경우 평탄역 영역이 완전히 사라지는 것을 관찰하였다. 도 4는 강한 재압축(낮은 비표면적에 의해 반영되는 바와 같음) 및 그래핀 에지 평면 배향이, 에지 평면이 세퍼레이터와 평행하게 정렬되고 세퍼레이터와 대면하는 재압축된 그래핀 시트의 캐소드 층의 매우 높은 비용량으로 이어짐을 나타낸다. 재압축은 그래핀간 공간을 2 내지 20 nm 범위로 감소시켜, 삽입/탈삽입 유형 전하 저장 메커니즘을 가능하게 하는 경향이 있고, 그래핀 시트 에지는 적절하게 배향된다면, 그래핀간 공간 내로의 이온의 더 용이한/더 신속한 그리고 완전한 진입을 가능하게 할 수 있는 것으로 보인다.
요약하면, 본 발명의 캐소드 층의 충전 또는 방전은 몇몇 전하 저장 메커니즘을 수반할 수 있다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없지만, 본 발명자들은 배터리 충전 동안 캐소드에서의 주요 메커니즘이 (1) 그래핀 표면으로부터의 EMI+이온의 탈착, (2) 평면간 공간으로부터의 Al3+및 AlCl4 -에 의한 탈삽입(de-intercalation), 및 (3) 그래핀 시트 표면으로부터의 AlCl4 -및 Al2Cl7 -이온의 탈착인 것으로 여긴다. 애노드에서는, 배터리 충전 동안, Al2Cl7 -이온이 전자와 반응하여 AlCl4 -음이온 및 Al을 형성할 수 있으며, 여기서 AlCl4 -음이온은 캐소드를 향해 이동하고, Al은 애노드 집전체의 Al 포일 또는 표면 상에 침착된다. 캐소드로부터 방출된 Al3+이온은 또한 전자와 반응하여 Al 금속 원자를 형성할 수 있으며, Al 금속 원자는 Al 포일 표면 또는 애노드 집전체의 표면 상에 재침착된다. 일부 EMI+이온은 애노드 표면 부근에서 전기 이중층을 형성할 수 있다. 상기 과정들은 배터리가 방전될 때 역전된다. 상이한 절차(상이한 정도의 재압축)에 의해 제조된 상이한 양의 제어된 간극 공간(2 내지 20 nm) 및 그래핀간 기공(20 nm 내지 100 nm)을 갖는 캐소드에 대한 충전-방전 곡선의 상이한 영역들에서 상이한 메커니즘들이 지배할 수 있다.
도 5는 충전/방전 사이클에 따라 도표로 나타낸 다음 3개의 Al 전지의 비용량 값을 나타낸다: (에지 평면이 세퍼레이터와 평행하고 세퍼레이터와 이온-접촉 상태에 있는) 강하게 재압축된 그래핀 시트의 캐소드 층을 함유하는 전지, (그래핀 표면 평면이 세퍼레이터와 평행하고, 세퍼레이터와 이온 접촉 상태에 있는) 강하게 재압축된 그래핀 시트의 캐소드 층을 함유하는 전지, 및 원래의 인조 흑연의 캐소드를 함유하는 전지. 이들 데이터는, 원래의 흑연과 비교하여, 강하게 재압축되어 그래핀 에지 평면이 세퍼레이터와 평행한 배향된 구조를 생성하는 그래핀 시트는 알루미늄-이온 배터리에 상당히 더 높은 전하 저장 용량을 부여함을 입증한다. 그래핀 시트를 형성한 후 재압축하는 절차는 원래의 흑연-기반 캐소드 층에 비하여 더 많은 전하가 저장될 수 있게 한다. 고도로 정렬된 그래핀 시트(그래핀 에지 평면이 세퍼레이터 평면과 평행함)를 갖는 Al 전지는 최고의 비용량 및 매우 안정적인 사이클링 거동을 나타낸다. 본 발명의 알루미늄 전지는 어떠한 수퍼커패시터-유사 거동(긴 사이클 수명을 가짐) 및 어떠한 리튬 이온 배터리-유사 거동(보통 정도의 에너지 밀도)을 나타낸다.
도 7은 다음 3개의 알루미늄-이온 전지의 사이클링 반응을 나타낸다: 첫 번째 것은 (강하게 재압축되고 결합제 수지에 의해 결합된) 배향된 그래핀 시트의 캐소드를 함유하는 전지이고, 두 번째 것은 (결합되지 않은) 배향된 그래핀 시트의 캐소드를 함유하는 전지이고, 세 번째 것은 원래의 흑연의 층을 함유하는 전지임. 이 차트는, 흑연 입자를 함유하는 전지 및 결합되지 않은 그래핀 시트를 함유하는 전지 둘 모두가 충전/방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 비용량에 있어서의 점진적 증가를 나타냄을 보여준다. 이는 그래핀간 평면 공간의 초기의 점진적 증가로 인해 더 많은 이온을 수용할 수 있기 때문이다. 그러나, 흑연 구조의 이러한 전기화학적 팽창 및 박리는 그래핀 평면들 사이의 바람직하지 않게 큰 분리 또는 일부 그래핀 시트의 단리로 이어질 수 있으며, 이는 더 이상 전하 저장에 기여할 수 없다. 따라서, 어떠한 피크에 도달한 후의 전하 저장 용량은 캐소드 층의 구조적 완전성의 전체 열화로 인해 급속히 감소되기 시작한다. 대조적으로, 첫 번째 전지는 수지(3 중량%)에 의해 함께 결합된 배향된 그래핀 시트의 층을 함유하며, 여기서 결합제 수지는 그래핀 시트가 압축 상태에 있는 동안에 경화되었다. 그러한 캐소드는 다회의 충전/방전 사이클 동안 구조적 완전성을 유지할 수 있는 것으로 보인다.
도 6은 다음 4개의 전지의 라곤표를 나타낸다: 원래의 인조 흑연의 캐소드를 함유하는 전지, 배향된 그래핀 시트(그래핀 표면 평면이 세퍼레이터와 평행하고, 그와 접촉하고 있음)의 캐소드를 함유하는 전지, 건식 압축을 통해 제조된, 배향된 그래핀 시트(그래핀 에지 평면이 세퍼레이터와 평행하고, 그와 접촉하고 있음)의 캐소드를 함유하는 전지, 및 습식-프레싱 공정을 통해 제조된, 배향된 그래핀 시트(그래핀 에지 평면이 세퍼레이터와 평행하고, 그와 접촉하고 있음)의 캐소드를 함유하는 전지. 몇몇 예기치 않은 결과가 존재한다. 첫 번째는, 습식-프레싱 공정을 사용하여 열 박리되어 그래핀 시트를 형성하고 강하게 재압축된(적절하게 배향된) 인조 흑연의 캐소드를 특징으로 하는 Al 전지가 리튬-이온 배터리의 것에 비견되고 수퍼커패시터의 것보다 20배 더 높은 185 Wh/kg 정도로 높은 값에 도달하는 최고 전지-레벨 비에너지를 나타낸다는 관찰이다. 전력 밀도, 4,028 W/kg은 현재의 수퍼커패시터의 것 정도로 높고, 리튬-이온 배터리의 전력 밀도(통상적으로 500 W/kg 미만)보다 상당히 더 높다. 흑연 웜 현탁액 내의 액체 매체로서 의도된 액체 전해질을 갖는 습식 공정은 액체 전해질이 필요한 모든 위치에 전해질이 도달할 수 있게 한다.
두 번째는, 건식-프레싱 공정을 사용하여 열 박리되어 그래핀 시트를 형성하고 강하게 재압축된(적절하게 배향된) 인조 흑연의 캐소드를 특징으로 하는 Al 전지가 높은 전력 밀도(2,687 W/kg)뿐만 아니라 높은 에너지 밀도(164 Wh/kg) 둘 모두를 제공한다는 개념이다. 캐소드 층 내의 그래핀 시트가 세퍼레이터 층과 평행하게 되도록 배향되는 경우(그래핀 표면 평면이 세퍼레이터와 접촉 상태에 있음), 에너지 밀도 및 전력 밀도 둘 모두가 상당히 감소된다. 이들 관찰은 그래핀 시트를 적절하게 배향시키는 것의 중요성을 강조한다. 원래의 흑연을 함유하는 층에 비하여, 정렬된 그래핀 시트를 함유하는 모든 캐소드 층은 더 우수한 에너지 밀도 및 전력 밀도를 나타낸다.

Claims (27)

  1. 애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드를 전자적으로 분리시키는 다공성 세퍼레이터, 및 상기 애노드에서 알루미늄의 가역적 침착 및 용해를 지지하기 위하여 상기 애노드 및 상기 캐소드와 이온 접촉 상태에 있는 전해질을 포함하며, 상기 애노드는 애노드 활물질로서 알루미늄 금속 또는 알루미늄 금속 합금을 함유하고, 상기 캐소드는 정렬되거나 배향된 그래핀 시트의 층을 포함하며, 이때 상기 정렬되거나 배향된 그래핀 시트는, 상기 층의 그래핀 에지 평면이 상기 전해질과 직접 접촉 상태에 있고 상기 세퍼레이터와 대면하는 방식으로 배향되어 있는, 알루미늄 2차 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 시트는 박리된 탄소 또는 흑연 물질은 메소상 피치, 메소상 탄소, 메소탄소 마이크로비드(MCMB), 코크스 입자, 팽창된 흑연 플레이크, 인조 흑연 입자, 천연 흑연 입자, 고도로 배향된 열분해 흑연, 연질 탄소 입자, 경질 탄소 입자, 다벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유, 탄소 섬유, 흑연 나노섬유, 흑연 섬유, 탄화된 중합체 섬유, 또는 이들의 조합의 열 박리된 생성물로부터 생성되는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 시트는 결합제에 의해 함께 결합되는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  4. 제3항에 있어서, 상기 결합제는 상기 배향된 그래핀 시트가 압축 상태에 있는 동안에 화학적으로 경화되는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 정렬된 그래핀 시트의 층은 0.5 내지 1.8 g/cm3의 물리적 밀도를 가지며, 기공 크기가 2 nm 내지 50 nm인 메소규모 기공을 갖는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 정렬된 그래핀 시트의 층은 1.1 내지 1.8 g/cm3의 물리적 밀도를 가지며, 기공 크기가 2 nm 내지 5 nm인 기공을 갖는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  7. 제1항에 있어서, 상기 정렬된 그래핀 시트의 층은 비표면적이 20 m2/g내지 1,500 m2/g인, 알루미늄 2차 배터리.
  8. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 금속 또는 알루미늄 금속 합금을 지지하는 애노드 집전체를 추가로 포함하거나, 재압축된 박리된 흑연 또는 탄소 물질의 상기 층을 지지하는 캐소드 집전체를 추가로 포함하는, 알루미늄 2차 배터리.
  9. 제8항에 있어서, 상기 애노드 집전체는 전기 전도성 나노미터-규모 필라멘트들의 일체화된 나노구조물을 함유하며, 이때 상기 필라멘트들은 상호연결되어, 상호연결된 기공을 포함하는 전자-전도성 경로의 다공성 네트워크를 형성하며, 상기 필라멘트는 횡치수가 500 nm 미만인, 알루미늄 2차 배터리.
  10. 제9항에 있어서, 상기 필라멘트는 전기방사된 나노섬유, 증기-성장된 탄소 또는 흑연 난노섬유, 탄소 또는 흑연 휘스커, 탄소 나노튜브, 나노규모 그래핀 소판, 금속 나노와이어, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전기 전도성 물질을 포함하는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 수성 전해질, 유기 전해질, 용용 염 전해질, 이온성 액체 전해질, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 AlF3,AlCl3,AlBr3,AlI3,AlFxCl(3-x),AlBrxCl(3-x),AlIxCl(3-x),또는 이들의 조합을 함유하며, 여기서 x는 0.01 내지 2.0인, 알루미늄 2차 배터리.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 이온성 액체를 함유하며, 상기 이온성 액체는 n-부틸-피리디늄-클로라이드(BuPyCl), 1-메틸-3-에틸이미다졸륨-클로라이드(MEICl), 2-디메틸-3-프로필이미다졸륨-클로라이드, 1,4-디메틸-1,2,4-트리아졸륨 클로라이드(DMTC), 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 유기 염화물과 혼합된 알루미늄 염을 함유하는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 또한 상기 캐소드에서 이온의 가역적 삽입 및 탈삽입(de-intercalation)을 지지하며, 상기 이온은 양이온, 음이온, 또는 둘 모두를 포함하는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  15. 제1항에 있어서, 정렬된 그래핀 시트의 상기 층은 상기 알루미늄 2차 배터리의 방전 동안 캐소드 집전체로서 작동하여 전자를 수집하고, 상기 배터리는 별도의 또는 추가의 캐소드 집전체를 함유하지 않는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  16. 제1항에 있어서, 정렬된 그래핀 시트의 상기 층은 전기 전도성 결합제 재료를 추가로 포함하며, 상기 전기 전도성 결합제 재료는 상기 배향된 그래핀 시트를 함께 결합하여 캐소드 전극 층을 형성하는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전기 전도성 결합제 재료는 석탄 타르 피치, 석유 피치, 메소상 피치, 전도성 중합체, 중합체 탄소, 또는 이들의 유도체를 포함하는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  18. 제1항에 있어서, 상기 배터리는 평균 방전 전압이 1.5 볼트 이상이고, 캐소드 비용량이 총 캐소드 활성 층 중량을 기준으로 100 mAh/g을 초과하는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  19. 제1항에 있어서, 상기 배터리는 평균 방전 전압이 1.5 볼트 이상이고, 캐소드 비용량이 총 캐소드 활성 층 중량을 기준으로 200 mAh/g을 초과하는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  20. 제1항에 있어서, 상기 배터리는 평균 방전 전압이 2.0 볼트 이상이고, 캐소드 비용량이 총 캐소드 활성 층 중량을 기준으로 100 mAh/g을 초과하는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  21. 제1항에 있어서, 상기 배터리는 평균 방전 전압이 2.0 볼트 이상이고, 캐소드 비용량이 총 캐소드 활성 층 중량을 기준으로 200 mAh/g을 초과하는 것인, 알루미늄 2차 배터리.
  22. (a) 알루미늄 금속 또는 알루미늄 합금을 함유하는 애노드를 제공하는 단계;
    (b) 정렬된 그래핀 시트의 층을 함유하는 캐소드를 제공하는 단계; 및
    (c) 상기 애노드와 상기 캐소드를 전자적으로 분리시키는 다공성 세퍼레이터, 및 상기 애노드에서 알루미늄의 가역적 침착 및 용해, 및 상기 캐소드에서 이온의 가역적 흡착/탈착 및/또는 삽입(intercalation)/탈삽입(de-intercalation)을 지지할 수 있는 전해질을 제공하는 단계
    를 포함하며,
    상기 정렬된 그래핀 시트의 층은, 상기 층의 그래핀 에지 평면이 상기 전해질과 직접 접촉 상태에 있고 상기 세퍼레이터와 대면하거나 접촉하는 방식으로 배향되어 있는, 알루미늄 2차 배터리의 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 애노드에서 상기 알루미늄 금속 또는 알루미늄 합금을 지지하도록 전기 전도성 나노필라멘트들의 다공성 네트워크를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 전해질은 수성 전해질, 유기 전해질, 용용 염 전해질, 또는 이온성 액체를 함유하는 것인, 방법.
  25. 제22항에 있어서, 캐소드를 제공하는 단계는 탄소 또는 흑연 물질에 산화, 플루오르화, 브롬화, 염소화, 질소화, 삽입, 조합된 산화-삽입, 조합된 플루오르화-삽입, 조합된 브롬화-삽입, 조합된 염소화-삽입, 또는 조합된 질소화-삽입으로부터 선택되는 팽창 처리를 거친 후, 100℃ 내지 2,500℃의 온도에서 열 박리 및 기계적 전단을 거치는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  26. 제22항에 있어서, 상기 캐소드를 제공하는 단계의 상기 절차는 습식 압축 또는 건식 압축을 사용하여 다수의 그래핀 시트를 압축시켜 상기 그래핀 시트를 정렬시키는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  27. 제22항에 있어서, 상기 캐소드를 제공하는 단계의 상기 절차는 습식 압축을 사용하여 다수의 그래핀 시트를 압축시켜 상기 그래핀 시트를 정렬시키는 단계를 포함하며, 상기 습식 압축은 알루미늄 전지용 액체 전해질 중에 분산된 상기 다수의 그래핀 시트의 현탁액을 압축 또는 프레싱하는 것을 포함하는 것인, 방법.
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