KR20190129974A - 금속 이온 배터리들의 전극들 및 관련 물질들, 배터리들 및 방법들 - Google Patents

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KR20190129974A
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데릭 존 프레이
폴 로버트 콕슨
현경 김
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블랙실리콘 엘티디.
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Abstract

기판이 없고, 자체-지지하고 그리고/또는 바인더가 없는 실리콘 물질뿐 아니라, 관련된 물품들, 시스템들 및 방법들이 개시된다. 실리콘 물질은 비교적 큰 빈 체적, 및/또는 비교적 낮은 밀도를 가질 수 있다. 예시적인 물품들은 배터리 전극들, 이를테면 재충전가능 금속 이온 배터리 전극들을 포함한다. 예시적인 시스템들은 배터리들, 이를테면 재충전가능 금속 이온 배터리들을 포함한다.

Description

금속 이온 배터리들의 전극들 및 관련 물질들, 배터리들 및 방법들
본 출원은 2017년 3월 23일에 출원된 영국 특허 출원 제 GB 1704586.5호를 우선권으로 주장하고, 이 출원의 전체 내용들은 본원에 인용에 의해 통합된다.
본 개시내용은 기판이 없고, 자체-지지하고 그리고/또는 바인더(binder)가 없는 실리콘 물질뿐 아니라, 관련된 물품들, 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 실리콘 물질은 비교적 큰 빈 체적, 및/또는 비교적 낮은 밀도를 가질 수 있다. 예시적인 물품들은 배터리 전극들, 이를테면 재충전가능 금속 이온 배터리 전극들을 포함한다. 예시적인 시스템들은 배터리들, 이를테면 재충전가능 금속 이온 배터리들을 포함한다.
재충전가능 리튬 이온 배터리들은 보통 휴대용 전자장치 및 전기 및 하이브리드 차량들에 사용된다. 소정의 다른 배터리들에 비해, 재충전가능 리튬 이온 배터리들은 높은 개방 회로 전압, 메모리 효과가 거의 없거나 없음, 낮은 자체-방전 속도를 나타낼 수 있다. 그러나, 일부 경우들에서, 리튬 이온 배터리들은 비교적 낮은 용량 및/또는 비교적 긴 재충전 시간을 나타낼 수 있다.
도 1은 리튬-함유 애노드(12), 캐소드(14), 전해질(16), 애노드(12)와 캐소드(14)가 서로 접촉하는 것을 방지하는 반-투과성 분리기(18), 및 애노드(12) 및 캐소드(14)에 전기적으로 연결된 부하(20)를 포함하는 예시적인 재충전가능 리튬 이온 배터리(10)를 도시한다. 도 2는, 배터리(10)가 전력을 부하(20)에 제공하기 위해 방전할 때, 애노드(12) 내의 리튬은 리튬 이온들(22) 및 전자들(24)을 형성하기 위해 이온화하는 것을 도시한다. 리튬 이온들(22)은 전해질(16)에 녹고, 분리기(18)를 통과하고, 방전되고 리튬 원자들로서 캐소드(14)에 진입한다. 전자들(24)은 부하(20)를 통과하고 캐소드(14)에서 리튬 이온들(22)과 결합하고, 리튬이 캐소드(14) 내에 삽입되게 한다. 방전 배터리(10)의 최종 결과는 애노드(12)로부터 캐소드(14)로 리튬의 이동이다. 도 3은, 배터리(10)를 재충전할 때, 필수적으로 역 프로세스가 발생하고 - 전자들(24)은 캐소드(14)로부터 부하(20)로 그리고 애노드(12)로 이동하고, 리튬 이온들은 캐소드(14)로부터 애노드(12)로 유동하고, 여기서 리튬 이온들은 전자들(24)과 결합하여 애노드(12)에 리튬을 제공한다. 충전 배터리(10)의 최종 결과는 캐소드(14)로부터 애노드(12)로 리튬의 이동이다.
재충전가능 리튬 이온 배터리들에 대해, 리튬-함유 흑연은 일반적인 애노드 물질이고, 리튬 코발트 산화물(LiCoC)은 일반적인 캐소드 물질이다. 그런 재충전가능 리튬 이온 배터리에서, 애노드와 캐소드에서의 반응들은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
애노드 반응:
LiC6 = Li+ + 6C + e-
캐소드 반응:
Li+ + Li0.5CoO2 + e- = LiCoO2
관련 배경 정보는 다음에서 이용가능할 수 있다:
문헌(M. Winter et al., Advanced Materials, Vol. 10, Issue 10, 725-763 (1998));
문헌(R. Das Gupta et al., J Carbon, Vol. 70, 142-148 (2014));
문헌(W. Chen et al., J. Electrochem. Soc, Vol. 158(9), A1055-A1059 (2011));
문헌(T. Nohira, Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 49B, 341 -348 (2019));
문헌(U.S. Patent No. 6,334,939);
문헌(U.S. Patent No. 6,514,395);
문헌(U.S. Patent No. 9,012,066); 및
문헌(Published PCT patent application WO2011/161479).
본 개시내용은, 재충전가능 금속 이온 배터리(예컨대, 재충전가능 리튬 이온 배터리)의 전극(예컨대, 애노드)에 유리하게 사용될 수 있도록 원하는 특성을 가진 실리콘 물질을 제공한다. 예로서, 물질은 팽창을 흡수할 수 있는 상당한 다공성의 존재로 인해, 비교적 제한된 부어오름/수축을 겪으면서 비교적 많은 수의 충전/방전 사이클을 겪을 수 있어서, 물질은 실질적인 기계적 열화 또는 기계적 열화로부터 발생하는 실질적인 전기 전도도 감소를 겪지 않는다. 다른 예로서, 실리콘 물질은 배터리 애노드(예컨대, 재충전가능 리튬 이온 배터리 애노드)에서 리튬과 결합하여 흑연보다 더 높은 중량 및/또는 체적 용량을 가진 금속간 물질을 제공할 수 있다. 실리콘 물질을 포함하는 전극은 매우 우수한 전기 특성을 나타내면서, 또한 비교적 긴 사용 수명을 가질 수 있다. 다른 응용들은 태양광발전, 용액들에서 박테리아 제거, 생물학적 응용들 및 조직 공학을 포함한다.
본 개시내용은 또한 그런 실리콘 물질들을 만드는 방법들을 제공한다. 방법들은 먼저 기판(예컨대, 실리카 표면 층을 가진 실리콘 기판) 상에 물질을 형성하는 단계, 및 이어서 (예컨대, 스크레이핑(scraping) 또는 초음파 제거에 의해) 기판으로부터 물질을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 충전층 또는 유동층에서 실리카 입자들을 제거하는 단계.
본원에 사용된 바와 같이, "배터리"라는 용어는 단일 유닛(애노드, 캐소드 및 부하를 포함하는 단일 전지) 또는 다중 유닛(다수의 전지)을 포함한다.
일반적인 양상에서, 본 개시내용은 애노드, 캐소드 및 용융된 염 전해질을 포함하는 전해질 전지를 사용하는 방법을 제공한다. 캐소드는 용융된 염 전해질과 접촉하는 실리카를 포함한다. 본 방법은 캐소드에서 용융된 염 전해질로부터 양이온을 퇴적하지 않고 실리카를 환원시키기 위해 전해질 전지에 전위를 인가하여, 실리콘 물질을 제공하는 단계; 및 지지부로부터 실리콘 물질을 제거하는 단계를 포함한다.
일반적인 양상에서, 본 개시내용은 애노드, 캐소드 및 용융된 염 전해질을 포함하는 전해질 전지를 사용하는 방법을 제공한다. 캐소드는 기판에 의해 지지되는 실리카를 포함하고, 실리카는 용융된 염 전해질과 접촉한다. 본 방법은 실리콘 물질을 제공하기 위해 실리카를 환원시키도록 전해질 전지에 전위를 인가하는 단계; 및 기판으로부터 실리콘 물질을 제거하는 단계를 포함한다. 실리콘 물질은 실리콘 입자들 및 실리콘 니들(needle)들의 혼합물을 포함한다.
일부 실시예들에서, 실리콘 물질은 고체 실리콘과 비교하여 적어도 50%의 빈 체적을 가진다.
일부 실시예들에서, 실리콘 물질은 많아야 1.16 g/cm3의 밀도를 가진다.
일부 실시예들에서, 실리콘 물질은 자체-지지하고, 기판이 없고 그리고/또는 바인더가 없다.
일부 실시예들에서, 본 방법은 실리콘 물질을 포함하는 배터리 전극을 만들기 위해 실리콘 물질을 사용하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 배터리 전극은 금속 이온 배터리 전극이다.
일부 실시예들에서, 배터리 전극은 알칼리 금속 이온 배터리 전극이다.
일부 실시예들에서, 배터리 전극은 리튬 이온 배터리 전극, 나트륨 이온 배터리 전극, 및 칼륨 이온 배터리 전극으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전극이다.
일부 실시예들에서, 배터리 전극은 리튬 이온 배터리 전극이다.
일부 실시예들에서, 기판은 실리콘이다.
일부 실시예들에서, 본 방법은 실리카의 표면 층을 제공하기 위해 기판에 실리카를 적용하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 방법은 실리카의 표면 층을 제공하기 위해 기판을 산화시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 실리카의 표면 층은 전기 전도성 물질을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 실리콘 물질은 부가적인 전기 전도성 물질을 포함하지 않는다.
일부 실시예들에서, 이를테면 예컨대 배터리 전극으로서 사용될 때, 실리콘 물질은 그래핀으로 코팅될 수 있다.
일부 실시예들에서, 실리콘 물질을 회수하는 것은 기판으로부터 실리콘 물질을 제거하는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 기판으로부터 실리콘 물질을 제거하는 것은 기판으로부터 실리콘 물질을 기계적으로 제거하는 것 및 기판으로부터 실리콘 물질을 초음파적으로 제거하는 것으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 프로세스를 포함한다.
일부 실시예들에서, 실리콘 물질은 실리콘 니들들 및 실리콘 입자들의 혼합물을 포함한다.
일부 실시예들에서, 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가진다.
일부 실시예들에서, 실리콘 니들들은 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가진다.
일부 실시예들에서, 실리콘 니들들은 적어도 5:1의 종횡비를 가진다.
일부 실시예들에서, 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가진다.
일부 실시예들에서, 실리콘 입자들은 1 x 10-7 m 미만의 평균 직경을 가진다.
일부 실시예들에서, 실리콘 물질은 실리콘 입자들의 클러스터들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 실리콘 니들들 및 실리콘 입자들의 혼합물은 자체-지지한다.
일부 실시예들에서, 실리콘 분말 및 실리콘 입자들의 혼합물은 바인더가 없다.
일부 실시예들에서, 실리콘 분말 및 실리콘 입자들의 혼합물은 기판이 없다.
일부 실시예들에서, 캐소드는 실리카, 이를테면 실리카 입자들과 전기 접촉하는 전기 전도체를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 캐소드는 실리콘 입자들과 혼합된 실리콘 분말을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 용융된 염 전해질은 500℃ 내지 1000℃ 온도에서 액체이다.
일부 실시예들에서, 용융된 염 전해질은 칼슘, 바륨, 스트론튬 또는 리튬의 할로겐화물을 포함한다.
일부 실시예들에서, 용융된 염 전해질은 칼슘, 바륨, 스트론튬 또는 리튬의 할로겐화물로 이루어진다.
일부 실시예들에서, 용융된 염 전해질은 칼슘 염화물을 포함한다.
일부 실시예들에서, 애노드는 탄소(예컨대, 흑연) 애노드 또는 불활성 애노드이다.
일부 실시예들에서, 애노드는 안티몬 산화물 및 구리 산화물로 도핑된 주석 산화물; 칼슘 티타네이트 내의 칼슘 루테네이트; 루테늄 산화물 및 티타늄 이산화물; 니켈 페라이트; 니켈 기반 합금; 철 기반 합금; 및 철 니켈 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 멤버(member)이다.
일부 실시예들에서, 배터리 전극을 만들기 위해 실리콘 물질을 사용하는 것은 집전체 상에 실리콘 물질을 퇴적하는 것을 포함한다. 집전체는 탄소 마이크로섬유들을 포함하는 탄소 페이퍼를 포함할 수 있다. 집전체 상에 실리콘 물질을 퇴적하는 것은 집전체 상에 슬러리(slurry)를 캐스팅(casting)하는 것을 포함할 수 있다. 슬러리는 실리콘 물질을 포함한다. 실리콘 물질은 바인더를 사용하지 않고 집전체 상에 퇴적될 수 있다.
일반적인 양상에서, 본 개시내용은 배터리용 전극을 제조하는 방법을 제공한다. 본 방법은 i) 애노드, 캐소드 및 용융된 염 전해질을 포함하는 전해질 전지를 제공하는 단계 - 캐소드는 용융된 염 전해질과 접촉하는 실리카를 포함함 -; ii) 캐소드에서 용융된 염 전해질로부터 양이온을 퇴적하지 않고 실리카를 환원시키기 위해 전해질 전지에 전위를 인가하는 단계 - 실리카의 환원은 실리콘 반응 생성물을 형성함 -; iii) 전해질 전지로부터 실리콘 반응 생성물을 회수하는 단계; 및 iv) 금속 이온 배터리용 전극의 적어도 일부를 형성하기 위해 회수된 실리콘 반응 생성물을 사용하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 실리카는 기판 상의 표면 층이다.
일부 실시예들에서, 기판은 실리콘을 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 방법은 실리카로 기판을 코팅함으로써 실리카의 표면 층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 방법은 기판을 산화시킴으로써 실리카의 표면 층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 실리콘 반응 생성물을 회수하는 것은 기판으로부터 실리콘 반응 생성물을 제거하는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 실리콘 반응 생성물은 그래핀으로 코팅될 수 있다.
일부 실시예들에서, 실리콘 반응 생성물은 기계적으로 또는 초음파적으로 기판으로부터 제거된다.
일부 실시예들에서, 실리카는 실리카 입자들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 캐소드는 실리카 입자들과 혼합된 실리콘 입자들을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 용융된 염 전해질은 500℃ 내지 1000℃ 온도이다.
일부 실시예들에서, 용융된 염 전해질은 칼슘, 바륨, 스트론튬 또는 리튬의 할로겐화물을 포함하거나 이루어진다.
일부 실시예들에서, 용융된 염 전해질은 칼슘 염화물이다.
일부 실시예들에서, 전해질 전지의 애노드는 탄소(예컨대, 흑연) 애노드 또는 불활성 애노드이다.
일부 실시예들에서, 전해질 전지는 안티몬 산화물 및 구리 산화물로 도핑된 주석 산화물; 칼슘 티타네이트 내의 칼슘 루테네이트; 루테늄 산화물 및 티타늄 이산화물; 니켈 페라이트; 니켈 기반 합금; 철 기반 합금; 및 철 니켈 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 불활성 애노드를 가진다.
일부 실시예들에서, 실리콘 반응 생성물은 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 친밀한 혼합물을 포함한다.
일부 실시예들에서, 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경 및 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가진다.
일부 실시예들에서, 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가진다.
일부 실시예들에서, 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들은, 친밀한 혼합물이 자체-지지하도록 친밀한 혼합물에 충분히 얽혀진다.
일부 실시예들에서, 실리콘 반응 생성물을 사용하는 것은 집전체 상에 회수된 반응 생성물을 퇴적하는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 집전체는 탄소 마이크로섬유들을 포함하는 탄소 페이퍼를 포함한다.
일부 실시예들에서, 회수된 실리콘 반응 생성물은 회수된 실리콘 반응 생성물을 포함하는 슬러리를 형성하고 집전체 상에 슬러리를 캐스팅함으로써 집전체 상에 퇴적된다.
일부 실시예들에서, 집전체 상에 퇴적된 회수된 실리콘 반응 생성물은 바인더 없이 집전체에 자체 부착된다.
일반적인 양상에서, 본 개시내용은 본원에 개시된 방법들 중 임의의 방법에 의해 획득가능한 물질을 제공한다.
일반적인 양상에서, 본 개시내용은 본원에 개시된 임의의 방법에 의해 획득가능한 물질을 포함하는 배터리 전극을 제공한다.
일부 실시예들에서, 전극은 애노드이다.
일부 실시예들에서, 전극은 재충전가능 금속 이온 배터리 애노드이다.
일부 실시예들에서, 전극은 재충전가능 알칼리 금속 이온 배터리 애노드이다.
일부 실시예들에서, 전극은 재충전가능 리튬 이온 배터리 애노드, 재충전가능 나트륨 이온 배터리 애노드, 및 재충전가능 칼륨 이온 배터리 애노드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전극이다.
일부 실시예들에서, 전극은 재충전가능 리튬 금속 이온 배터리 애노드이다.
일부 실시예들에서, 전극은 탄소(예컨대, 흑연)을 더 포함하고, 그리고/또는 전극은 그래핀 코팅을 포함한다.
일반적인 양상에서, 본 개시내용은 본원에 개시된 임의의 방법에 의해 획득가능한 물질을 포함하는 애노드; 배터리 방전 및 재충전 동안 금속 및/또는 금속 이온들을 방출 및 재-흡착할 수 있는 활성 물질을 포함하는 캐소드; 및 애노드와 캐소드 사이의 전해질을 포함하는 배터리를 제공한다.
일부 실시예들에서, 배터리는 재충전가능 금속 이온 배터리이다.
일부 실시예들에서, 배터리는 재충전가능 알칼리 금속 이온 배터리이다.
일부 실시예들에서, 배터리는 재충전가능 리튬 이온 배터리, 재충전가능 나트륨 이온 배터리, 및 재충전가능 칼륨 이온 배터리로 이루어진 그룹으로부터 선택된 배터리이다.
일부 실시예들에서, 배터리는 재충전가능 리튬 금속 이온 배터리이다.
일부 실시예들에서, 제1 리튬화/탈리튬화 사이클 이후, 배터리는 50 회의 리튬화/탈리튬화 사이클 동안 5% 미만만큼 변화하는 리튬화/탈리튬화 프로파일을 가진다.
일부 실시예들에서, 배터리는 이론적인 비용량의 적어도 90%인 비용량을 가진다.
일부 실시예들에서, 배터리는 50 회의 리튬화/탈리튬화 사이클 이후 적어도 90%의 용량 보유율을 가진다.
일부 실시예들에서, 배터리는 재충전가능 배터리이다.
일부 실시예들에서, 애노드는 탄소(예컨대, 흑연)을 더 포함하고, 그리고/또는 애노드는 그래핀 코팅을 포함한다.
일반적인 양상에서, 본 개시내용은 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물을 포함하는 물질을 제공한다. 다음 중 적어도 하나(예컨대, 적어도 둘, 적어도 셋, 적어도 넷, 각각)가 보유된다: 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물이 고체 실리콘과 비교하여 적어도 50%의 빈 체적을 가지며, 그리고/또는 물질은 많아야 1.16 g/cm3의 밀도를 가짐; 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐; 실리콘 니들들은 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가짐; 실리콘 니들들은 적어도 5:1의 종횡비를 가짐; 및 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐. 게다가, 다음 중 적어도 하나(예컨대, 각각)가 보유된다: 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 자체-지지하고 그리고/또는 기판이 없음; 및 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 바인더가 없음.
일부 실시예들에서, 실리콘 물질은 실리콘 입자들의 클러스터들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 금속 이온들의 방출에 의해 형성된 금속 원자들과 결합하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 알칼리 금속 이온들의 방출에 의해 형성된 알칼리 금속 원자들과 결합하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 리튬 원자들, 나트륨 원자들 및 칼륨 원자들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 이온들의 방출에 의해 형성된 금속 원자들과 결합하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 그래핀으로 코팅될 수 있다.
일반적인 양상에서, 본 개시내용은 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물을 포함하는 물질을 포함하는 배터리 전극을 제공한다. 다음 중 적어도 하나(예컨대, 적어도 둘, 적어도 셋, 적어도 넷, 각각)가 보유된다: 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물이 고체 실리콘과 비교하여 적어도 50%의 빈 체적을 가지며, 그리고/또는 물질은 많아야 1.16 g/cm3의 밀도를 가짐; 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐; 실리콘 니들들은 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가짐; 실리콘 니들들은 적어도 5:1의 종횡비를 가짐; 및 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐. 게다가, 다음 중 적어도 하나(예컨대, 각각)가 보유된다: 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 자체-지지하고 그리고/또는 기판이 없음; 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 바인더가 없음.
일부 실시예들에서, 전극은 애노드이다.
일부 실시예들에서, 전극은 재충전가능 금속 이온 배터리 애노드이다.
일부 실시예들에서, 전극은 재충전가능 알칼리 금속 이온 배터리 애노드이다.
일부 실시예들에서, 전극은 재충전가능 리튬 이온 배터리 애노드, 재충전가능 나트륨 이온 배터리 애노드, 및 재충전가능 칼륨 이온 배터리 애노드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전극이다.
일부 실시예들에서, 전극은 재충전가능 리튬 금속 이온 배터리 애노드이다.
일부 실시예들에서, 용융된 염 전기분해를 위한 전극은 탄소(예컨대, 흑연)을 더 포함하고, 그리고/또는 전극은 그래핀 코팅을 포함한다.
일부 실시예들에서, 용융된 염 전기분해를 위한 전극은 안티몬 산화물 및 구리 산화물로 도핑된 주석 산화물; 칼슘 티타네이트 내의 칼슘 루테네이트; 루테늄 산화물 및 티타늄 이산화물; 니켈 페라이트; 니켈 기반 합금; 철 기반 합금; 및 철 니켈 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 멤버를 더 포함하고, 그리고/또는 전극은 그래핀 코팅을 포함한다.
일반적인 양상에서, 본 개시내용은 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물을 포함하는 물질을 포함하는 애노드를 포함하는 배터리를 제공한다. 다음 중 적어도 하나(예컨대, 적어도 둘, 적어도 셋, 적어도 넷, 각각)가 보유된다: 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물이 고체 실리콘과 비교하여 적어도 50%의 빈 체적을 가지며, 그리고/또는 물질은 많아야 1.16 g/cm3의 밀도를 가짐; 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐; 실리콘 니들들은 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가짐; 실리콘 니드들은 적어도 5:1의 종횡비를 가지며; 그리고 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐. 게다가, 다음 중 적어도 하나(예컨대, 각각)가 보유된다: 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 자체-지지하고 그리고/또는 기판이 없음; 및 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 바인더가 없음. 배터리는 또한 배터리 방전 및 재충전 동안 금속 및/또는 금속 이온들을 방출 및 재-흡착할 수 있는 활성 물질을 포함하는 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이의 전해질을 포함한다.
일부 실시예들에서, 배터리는 재충전가능 금속 이온 배터리이다.
일부 실시예들에서, 배터리는 재충전가능 알칼리 금속 이온 배터리이다.
일부 실시예들에서, 배터리는 재충전가능 리튬 이온 배터리, 재충전가능 나트륨 이온 배터리, 및 재충전가능 칼륨 이온 배터리로 이루어진 그룹으로부터 선택된 배터리이다.
일부 실시예들에서, 배터리는 재충전가능 리튬 금속 이온 배터리이다.
일부 실시예들에서, 제1 리튬화/탈리튬화 사이클 이후, 배터리는 50 회의 리튬화/탈리튬화 사이클 동안 5% 미만만큼 변화하는 리튬화/탈리튬화 프로파일을 가진다.
일부 실시예들에서, 배터리는 이론적인 비용량의 적어도 90%인 비용량을 가진다.
일부 실시예들에서, 배터리는 50 회의 리튬화/탈리튬화 사이클 이후 적어도 90%의 용량 보유율을 가진다.
일부 실시예들에서, 배터리는 재충전가능 배터리이다.
일부 실시예들에서, 애노드는 탄소(예컨대, 흑연)을 더 포함하고, 그리고/또는 애노드는 그래핀 코팅을 포함한다.
예시적인 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 본원에서 설명된다.
도 1은 재충전가능 리튬 이온 배터리의 실시예의 단면도이다.
도 2는 도 1의 리튬 이온 배터리를 방전시키는 프로세스의 단면도이다.
도 3은 도 1의 리튬 이온 배터리를 충전하는 프로세스의 단면도이다.
도 4는 본원에 개시된 실리콘 물질을 만들기 위한 배열체의 단면도이다.
도 5는 본원에 개시된 실리콘 물질의 구조를 도시하는 전자 현미경 사진이다.
도 6은 본원에 개시된 실리콘 물질의 표면을 도시하는 전자 현미경 사진이다.
도 7은 실리콘 전극을 포함하는 애노드를 포함하는 재충전가능 리튬 이온 배터리의 50 번째 사이클링 동안 방전/충전 프로파일들을 도시하는 그래프이다.
도 8은 실리콘 전극을 포함하는 재충전가능 리튬 이온 배터리의 비용량 및 쿨롱 효율을 도시하는 그래프이다.
도 9는 실리콘 전극을 포함하는 재충전가능 리튬 이온 배터리에 대한 몇몇 전류 밀도에 대한 사이클 수의 함수로서 비용량을 도시하는 그래프이다.
본원에 개시된 실리콘 물질은 일반적으로 실리콘 니들들 및 실리콘 입자들의 다공성 혼합물이고, 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들은, 물질이 자체-지지하는 혼합물에 충분히 얽혀진다. 물질은 기판이 없을 수 있다(물질이 형성된 기판으로부터 제거됨).
따라서, 물질은 예컨대 바인더를 포함하지 않는(바인더-없는 물질) 배터리 전극으로서 사용된다. 물질은 예컨대 리튬의 원자들과 결합할 수 있을 수 있다.
실리콘 물질은 큰 빈 체적을 가질 수 있고 고체 실리콘과 비교하여 실질적으로 더 적은 밀도일 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "고체 실리콘"이라는 용어는 2.32 g/cm3의 밀도를 가진 실리콘을 지칭한다. 일부 실시예들에서, 고체 실리콘의 주어진 체적에 비해, 본원에 개시된 동일한 체적의 실리콘 물질은 적어도 50%(예컨대, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 96%) 비거나, 즉 고체가 없다. 소정의 실시예들에서, 본원에 개시된 실리콘 물질은 많아야 1.16 g/cm3(예컨대, 0.9 g/cm3, 0.7 g/cm3, 0.5 g/cm3, 0.25 g/cm3, 0.1 g/cm3)의 밀도를 가진다.
실리콘 니들들은 1 x 10-6 미터 이하(예컨대, 500 나노미터 이하)의 평균 직경 및 1 x 10-5 이하(예컨대, 5 미크론 이하)의 평균 길이를 가질 수 있다. 실리콘 니들들은 5:1 이상(예컨대, 10:1 이상)의 종횡비를 가질 수 있다. 통상적으로, 실리콘 니들들은 용융된 염에 의해 습윤된다.
실리콘 입자들은 1 x 10-6 미터 이하(예컨대, 1 x 10-7 미터 이하)의 평균 직경을 가질 수 있다. 통상적으로, 실리콘 입자들은 용융된 염에 의해 습윤된다.
실리콘 입자들은 클러스터들의 형태일 수 있다.
본원에 개시된 실리콘 물질은 배터리(예컨대, 재충전가능 금속 이온 배터리, 이를테면 재충전가능 리튬 이온 배터리)의 전극(예컨대, 애노드)으로서 사용될 수 있다. 본원에 개시된 실리콘 물질을 함유하는 그런 전극(예컨대, 애노드)은 배터리, 이를테면 재충전가능 금속 이온 배터리(예컨대, 재충전가능 리튬 이온 배터리)에 사용될 수 있다. 실리콘 물질은 바인더를 포함할 수 있거나 바인더가 없을 수 있다. 선택적으로, 실리콘 물질은 전기 전도성 물질, 이를테면, 예컨대, 별도의 상들을 형성할 수 있는 그래핀 및/또는 전기 전도성 입자들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 실리콘 물질은 n-타입 전도체(예컨대, 인, 비소, 안티몬, 비스무트) 및/또는 p-타입 전도체(예컨대, 붕소, 알루미늄, 갈륨)로 도핑된다. 일부 실시예들에서, 실리콘 물질은 그래핀으로 코팅될 수 있다.
실리콘 물질을 포함하는 애노드를 포함하는 배터리(예컨대, 재충전가능 금속 이온 배터리, 이를테면 재충전가능 리튬 이온 배터리)는 다양한 유리한 특성을 나타낼 수 있다. 예로서, 실리콘 물질을 포함하는 애노드를 포함하는 재충전가능 금속 이온 배터리(예컨대, 재충전가능 리튬 이온 배터리)는 제1 리튬화/탈리튬화 사이클 이후 50 회의 리튬화/탈리튬화 사이클들 동안 리튬화/탈리튬화 프로파일에서 5% 미만(예컨대, 2% 미만, 1% 미만)의 변화를 가질 수 있다. 다른 예로서, 실리콘 물질을 포함하는 애노드를 포함하는 재충전가능 금속 이온 배터리(예컨대, 재충전가능 리튬 이온 배터리)는 이론적인 비용량의 적어도 90%(예컨대, 적어도 95%, 적어도 98%)인 비용량을 가질 수 있다. 추가 예로서, 실리콘 물질을 포함하는 애노드를 포함하는 재충전가능 금속 이온 배터리(예컨대, 재충전가능 리튬 이온 배터리)는 50 회의 리튬화/탈리튬화 사이클 이후 적어도 90%(예컨대, 적어도 95%, 적어도 98%)의 용량 보유율을 가질 수 있다.
도 4는 본원에 개시된 실리콘 물질을 만드는 데 사용될 수 있는 배열체(40)를 도시한다. 배열체(40)는 상대 전극(42), 캐소드(44), 기준 전극(46)(기준 전극은 보통 애노드 또는 캐소드보다 더 작음), 및 전극들(42, 44 및 46)이 배치된 용융된 염 전해질(48)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 상대 전극(42) 및/또는 기준 전극(46)은 흑연 전극이다. 소정의 실시예들에서, 상대 전극(42) 및/또는 기준 전극(46)은 불활성 애노드, 이를테면 예컨대, 안티몬 산화물 및 구리 산화물로 도핑된 주석 산화물; 칼슘 티타네이트 내의 칼슘 루테네이트; 루테늄 산화물 및 티타늄 이산화물; 니켈 페라이트; 니켈 기반 합금; 철 기반 합금; 또는 알루미늄을 함유하는 철 니켈 합금이다.
캐소드(44)는 실리카의 표면 층을 갖는 실리콘 기판을 포함한다. 실리카 층은 예컨대 실리콘 기판의 표면의 전기화학적 산화를 통해 또는 실리콘 기판 상에 실리카의 퇴적 또는 자연적으로 공기 중에서 형성될 수 있다. 캐소드(44)는 상대 전극(42) 및 기준 전극(46)에 전기적으로 연결되는 전기 전도체(예컨대, 몰리브덴 프레임)와 접촉한다. 선택적으로, 실리카 표면 층은 전기 전도성 도판트를 포함하여, 결과적인 실리콘 물질은 (예컨대, 배터리 전극에 사용하기 위해) 강화된 전기 전도도를 가진다. 예시적인 전기 전도성 도판트들은 n-타입 도판트들 및 p-타입 도판트들을 포함한다.
일반적으로, 용융된 염 전해질(48)은 500℃ 내지 1000℃의 용융점을 가진다.
바람직하게, 용융된 염 전해질은 산소 이온들을 용해하여, 캐소드(44)로부터 용융된 염 전해질(48)로, 이어서 애노드로 산소의 전달을 허용한다. 용융된 염 전해질(48)은 예컨대 칼슘, 바륨, 스트론튬 또는 리튬의 할로겐화물을 포함할 수 있다. 할로겐화물은 염화물일 수 있다. 예시적인 용융된 염 전해질은 칼슘 염화물(CaCl2)이다.
실리콘 물질을 만드는 방법은 용융된 염 전해질을 (예컨대, 용융점 초과의 약 100℃ 온도로) 가열하는 단계, 및 아래에 표시된 바와 같이, 실리카 표면 층이 실리콘 물질 및 산소 이온들을 생성하기 위해 환원되도록 캐소드의 전위를 인가하는 단계를 포함한다.
Si02 + 4e- = 2O2- + Si(실리콘 물질)
산소 이온들은 방출될 때 상대 전극(42)으로 확산된다. 전극(42)이 흑연으로 형성될 때, 결과는 탄소 이산화물이다. 전극(42)이 불활성 전극일 때, 결과는 탄소 이산화물 또는 탄소 일산화물보다는 산소 가스이다. 이런 방법에 의해 생성된 실리콘 물질의 마이크로구조는 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 친밀한 혼합물이다. 원래의 실리콘이 n-타입 도판트 또는 p-타입 도판트로 도핑되거나, 전기 전도성 금속과 합금된 경우, 생성물은 대응하는 전기 전도성 물질(n-타입 도판트, p-타입 도판트, 또는 금속 첨가물)을 포함하고 강화된 전기 전도도를 나타낼 것이다.
실리콘 물질을 생성한 이후, 캐소드(54)는 제거되고, 실리콘 물질은 기판으로부터 제거된다. 일부 실시예들에서, 실리콘 물질은 기판에서 폐기된다. 소정의 실시예들에서, 실리콘 물질은 초음파적으로 기판으로부터 제거된다.
기판으로부터 제거 이후, 실리콘 물질은 전극을 제공하기 위해 집전체 상에 퇴적될 수 있다. 집전체는 예컨대 탄소 마이크로섬유들을 포함하는 탄소 페이퍼로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 실리콘 물질은 슬러리로 형성되고, 슬러리는 집전체 상에 캐스팅된다. 위에서 주목된 바와 같이, 실리콘 물질은 바인더가 없고, 그리고/또는 하나 이상의 부가적인 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 선택적으로, 실리콘 물질은, 집전체 상에 퇴적 전에 흑연 및/또는 그래핀과 혼합된다. 그런 혼합은 친밀한 혼합물의 실리콘 입자들 및/또는 니들들의 적어도 일부를 코팅하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 그래핀 코팅이 적용된다.
결과적인 배터리는 캐소드, 분리기 및 전해질을 더 포함하는 재충전가능 리튬 이온 배터리에서 애노드로서 사용될 수 있다.
예들
실리콘 물질의 형성
CaCl2는 전해질로서 사용되었고, 다음과 같이 준비되었다. 분석 등급 무수 CaCl2는 CaO를 형성하기 위해 CaCl2를 물과 반응시키지 않고 잔류 물을 제거하기 위해 용융점 미만의 온도에서 진공 및 가열 스케줄(3 시간 동안 80℃, 3 시간 동안 120℃ 및 18 시간 동안 180℃)을 겪는다. 결과적인 CaCl2는 4 cm 깊이의 알루미나 도가니(100 mm의 높이, 3 mm의 벽 두께)에 넣어졌다. CaCb를 포함하는 도가니는 수직 튜브 노(영국의 Instron SFL)의 스테인레스 스틸 반응기 내부에 두어졌다. 염은 850℃에서 용융되었다. 전해질은 3 개의 원통형 흑연 막대를 사용하여 사전-전기분해에 의해 정제되었고, 3 개의 원통형 흑연 막대는 작업 전극, 의사-기준 전극 및 상대 전극으로 역할을 한다. 정제는 흑연 의사-기준 전극에 대한 분극(ΔΕ=-1.0 V)에서 20 시간 동안 수행되었다.
<100>단결정으로부터 슬라이스된 p-타입 실리콘 웨이퍼들이 사용되었다(독일 Si-Mat GmbH로부터). 웨이퍼의 직경은 약 5 cm였고, 기하학적 면적은 22.8 cm2였다. 두께는 -275.+-.25 ㎛였고, 저항률은 1 내지 30 ohm/cm였다. 웨이퍼는 평균 두께가 2.0243 ㎛인 열 산화물 층으로 코팅되었다. 견본의 일 측은 연마되었다. 샘플들은 전기 전도체로서 역할을 하는 몰리브덴 막대(0.5 mm) 프레임에 부착되었다. 직사각형 견본들(5 cm2)은 다이아몬드 나이프 및 기계적 파괴를 사용하여 웨이퍼로부터 준비되었다.
흑연 원통형 막대는 기준 전극으로 사용되었고, 다른 흑연 막대는 상대 전극으로 사용되었다. 흑연 전극들은 칼슘 퇴적을 위한 전위를 측정함으로써 교정되었다. 이것은 약 -1.5 V이고 우수한 재현성을 나타냈다.
몰리브덴 전극에 대한 주기적 분극 측정들은 흑연에 대해 약 -1.5 V의 E 미만에서 칼슘 퇴적(Ca2+ + 2e -> Ca)의 개시를 표시하였다. 실리카 환원은 대략 +0.9 V 대 E°ca2+/ca 또는 -0.6 V 대 흑연보다 훨씬 더 많은 양의 전위들에서 시작된다. 실리카 층을 탈산소화하기 위해, 정전위 전기분해는 흑연에 대해 E=-1.0 V 내지 -1.25 V에서 수행되었고, 이는 실리카를 환원시키고 칼슘 공-퇴적을 방지하는 데 적합하였다. 용융된 염들에서 고체 산화물들의 전기화학적 환원은 3-상 계면 라인(SPI)들에서 발생한다. 초기 3-상 계면은 전자 전도체(Mo), 산화물(Si02) 및 전해질(CaCl2)로 구성되었다. 실리카 표면에 부착된 몰리브덴 와이어는 집전체 역할을 하였다. 전기화학적 실리콘 환원은 계면 Mo--Si02--CaCl2에서 시작된다.
Si02 + 4e- → Si + 202-
산소 이온들은 전해질로의 확산에 의해 제거되었고 생성된 실리콘은 새로운 3-상 계면 Si--Si02--CaCl2을 형성함으로써 전자 전도체의 추가 역할을 한다. 결과적으로, 환원 영역의 전파 및 얇은 실리콘 막의 형성이 가능하다. 실리카로부터 환원된, 환원된 실리콘 또는 실리콘의 다른 영역들이 실리콘 기판과 접촉하면, 전체 웨이퍼는 전자 전도체로서 작용하기 시작한다. 짧은 시간 이후, 실리콘 디스크의 표면은 검게 변하고, 이는 미세 표면 구조가 생성되었다는 것을 표시한다. 표면 층은, 디스크가 염에서 제거된 이후, 스크레이핑 또는 초음파 분산의 적용에 의해 얻어진 깊이가 10 nm 내지 10 미크론 범위이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 구조는 불규칙한 표면들을 가진 대량의 니들들 및 구조를 함께 유지하기 위해 물리적으로 상호작용하는 직각을 포함하는 일부 니들들을 포함하였다. 배경 점들은 지지부(실리콘 기판)에 기인한다.
실리콘 물질은 1 시간 동안 흑연에 대해 -0.9 V에서 용융된 CaCl2 염의 환원에 의해 생성된 일련의 웨이퍼들로부터 유도되었다. 환원 이후 웨이퍼의 SEM(scanning electron micrograph) 이미지는 도 6에 도시되고 실질적인 다공성(개방 체적)을 갖는 실리콘 니들들과 혼합된 실리콘 입자들의 클러스터들로 이루어진 무작위화된 움푹 패인 다공성 표면 층을 나타낸다. 니들들은 직경이 대략 500 nm이고 길이가 최대 5 미크론이었다. 다공성 층의 깊이는 대략 10 미크론이고 cm2 당 대략 2.328 mg의 실리콘 분말을 생성하였다. 따라서, 이들 반응 조건들 하에서, 표준 10 cm 직경 웨이퍼는 대략 182 mg의 실리콘 물질 분말을 생성하였다.
베드(bed) 또는 유동층에서의 실리카 분말은 또한 캐소드를 베드에 삽입함으로써 환원될 수 있다.
애노드들 만들기
실리콘 물질의 전기화학적 특성은 리튬 포일 상대 전극을 갖는 2032-타입 코인 전지들 및 전해질로서 에틸렌 카보네이트(EC)/디메틸 카보네이트(DMC), 50/50(v/v)의 1 M LiPF6를 사용하여 조사되었다. 작업 전극은 디메틸포름아미드(DMF) 용액에서 실리콘 기판 상에 실리콘 물질의 초음파처리를 통해 그리고 탄소 페이퍼 상에 드롭 캐스팅을 통해 제조되었다.
10 x 1 cm2 웨이퍼들은 활성 애노드 물질을 제공하는 데 사용되었다. 각각의 작업 전극은 1.13 cm2의 표면적을 가졌고 전극에서 활성 물질의 밀도는 대략 1-2 mg/cm2였다.
정전류식 충전-방전은, 일정한 전류 밀도가 인가되고 응답 전위가 시간의 함수로서 측정되는 기법이다. 대부분의 전체 전지들에서, 디바이스는 초기에 미리설정된 전위로 충전되고(즉, 애노드가 리튬화됨) 방전 프로세스가 모니터링된다. 애노드에서 리튬화 프로세스는 절반 전지에 대해 "방전"되는 것으로 간주된다. 모든 전극들의 비용량들은 실리콘의 총 질량으로부터 계산되었고, 이의 전기화학적 특성은 정전위/정전류(Land CT2001 A)를 사용하여 0.01-2.5 V 범위 내에서 측정되었다.
결과들
실리콘 전극의 전기화학적 특성은 상대 전극으로서 리튬 포일을 갖는 2032-타입 코인 전지 및 전해질로서 에틸렌 카보네이트(EC)/디메틸 카보네이트(DMC), 50/50(v/v)의 1 M LiPF6를 사용하여 0.01 V-2.5 V 전위 범위에서 측정되었다. 실리콘 물질-함유 전극으로 만들어진 애노드들의 비용량들은 전극에서 실리콘 물질의 질량들에 기반하여 계산되었다.
50 번째 사이클링 동안 리튬화(방전)/탈리튬화(충전) 전압 프로파일들은 도 7에 도시된다. 제1 사이클은 각각 6660 mAhg-1 및 3645 mAhg-1의 방전 및 충전 용량을 나타냈고, 제1 사이클에 대한 쿨롱 효율은, 0.05 C-레이트의 일정한 전류 밀도에서 테스트될 때 54.7%였다. 이것은, 전극 표면 상에 고체 전해질 계면(SEI) 층의 형성 및 제1 리튬화 프로세스에서 구조적 결함들을 통해 복합재에서 리튬 이온들의 소비 증가를 초래하는 비가역적 리튬 반응에 기인할 수 있다. 제2 충전/방전 사이클 이후, 제1 리튬화 단계 이후의 프로파일에서 명백한 장거리 안정기는 결정질 실리콘의 전기화학적 비정질화로 인해, 경사진 안정기로 변화하였다. 이런 효과는, 그래핀이 실리콘보다 전해질과 상호작용하도록 그래핀의 시트들로 실리콘 입자들을 코팅함으로써 감소될 수 있다. 리튬화/탈리튬화 프로파일은 후속 50 번째 사이클들 동안 변화하지 않고, 이는 이 전극이 전극의 전기화학적 반응들 동안 안정된 전도성 프레임워크를 가짐을 나타낸다.
도 8은 실리콘 전극에 대한 사이클링 동안 0.05 C-레이트 및 쿨롱 효율에서 리튬화/탈리튬화 비용량들을 도시하고, 결과들은 매우 안정된 성능을 나타낸다. 3680 mAhg-1의 용량은 50 회 충전/방전 사이클 이후 유지되었고, 50 번째 사이클에서 용량 값에 대한 용량 보유력은 약 100%였으며, 이는 사이클링 동안 용량 손실이 없고 용량이 약간 증가된 것을 가리킨다. 게다가, 쿨롱 효율은 추가 사이클링 동안 54.7%(제1 사이클)로부터 최대 98%로 상당히 증가하였다.
결과들은, 실리콘 물질로 형성된 전극이 합금화/탈합금화 프로세스 동안 Si 팽창을 수용하기 위해 바람직한 자유 체적 네트워크를 갖는 실질적으로 안정된 전도성 네트워크를 생성하는 것을 나타낸다. 이론에 의해 제한되지 않고, 일반적으로, 제1 리튬화 프로세스 동안, 실리콘은 Li-Si 합금 상의 형성으로 인해 대략 400%의 체적 팽창을 겪는 것으로 믿어진다. 이런 체적 팽창 레벨은 일반적으로 전극이 접촉을 읽고 결과적으로 전극의 전기 저항을 증가시키게 할 수 있다. 전극에서 전기 전도성 니들 타입 실리콘 구조들이 상이한 형태의 실리콘에 기반한 전극보다 더 안정된 전기적 전도성 네트워크를 생성할 수 있다는 것이 믿어진다. 또한, 본원에 설명된 실리콘 물질의 전기 전도성 및 자유 체적 네트워크 구조가 제1 리튬화 프로세스 이후에서도 더 양호하게 유지되었고, 실리콘 체적의 400% 증가를 수반하였지만 여분의 체적이 다공성에 의해 흡수됨으로 인해 전극 체적은 그렇지 않은 것이 믿어진다. 그러므로, 후속적인 탈리튬화 프로세스 동안, 본원에 개시된 실리콘 물질을 함유하는 높은 전기 전도성 전극이 안정된 전기 전도성 네트워크로 인해 낮은 용량 손실을 나타낼 수 있고, 이는 더 높은 전자 전도도 및 유리한 자유 체적 네트워크를 초래하고, 이에 의해 본원에 설명된 실리콘 물질로 형성된 높은 전기적 전도성 전극이 전극으로서 효율적인 전기 전도성/버퍼링 프레임워크를 제공하는 것을 확인시킨다고 추가로 믿어진다.
0.05 내지 2 C-레이트 범위의 다양한 전류 밀도들에서 본원에 설명된 실리콘 물질을 함유하는 전극의 리튬화/탈리튬화 용량들은 도 9에 도시된다. 탈리튬화 용량들은 각각 0.05(52 회의 사이클 이후), 0.5(83 회의 사이클 이후), 1(110 회의 사이클 이후), 및 2 C-레이트(130 회 사이클 이후)에서 3699, 2054, 1187, 및 711 mAhg-1였다. 실리콘 전극을 포함하는 배터리는 강화된 비용량(거의 이론적 용량), 사이클성을 나타낼뿐 아니라, 전류 밀도가 증가될 때 우수한 레이트 성능을 가진다. 이런 결과는, 실리콘 전극이 더 높은 전자 전도도 및 필요한 자유 체적 네트워크를 제공하는 데 효과적인 것을 확인시킨다. 이들 값들은 매우 유리하게 흑연 애노드들에 대해 372mAh/g에 필적한다.

Claims (116)

  1. 애노드, 캐소드 및 용융된 염 전해질을 포함하는 전해질 전지를 사용하는 방법으로서,
    상기 캐소드는 기판에 의해 지지되는 실리카를 포함하고, 상기 실리카는 상기 용융된 염 전해질과 접촉하고, 상기 방법은:
    상기 캐소드에서 상기 용융된 염 전해질로부터 양이온을 퇴적하지 않고 상기 실리카를 환원시키기 위해 상기 전해질 전지에 전위를 인가하여, 실리콘 물질을 제공하는 단계; 및
    상기 기판으로부터 상기 실리콘 물질을 제거하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 애노드, 캐소드 및 용융된 염 전해질을 포함하는 전해질 전지를 사용하는 방법으로서,
    상기 캐소드는 기판에 의해 지지되는 실리카를 포함하고, 상기 실리카는 상기 용융된 염 전해질과 접촉하고, 상기 방법은:
    실리콘 물질을 제공하기 위해 상기 실리카를 환원시키도록 상기 전해질 전지에 전위를 인가하는 단계; 및
    상기 기판으로부터 상기 실리콘 물질을 제거하는 단계
    를 포함하고,
    상기 실리콘 물질은 실리콘 입자들 및 실리콘 니들(needle)들의 혼합물을 포함하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 실리콘 물질은 고체 실리콘에 비해 적어도 50%의 빈 체적을 가지며, 그리고/또는 상기 실리콘 물질은 많아야 1.16 g/cm3의 밀도를 가지는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판으로부터 제거 후, 상기 실리콘 물질은 자체-지지하고, 기판이 없으며 그리고/또는 바인더(binder)가 없는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘을 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 실리카의 표면 층을 제공하기 위해 상기 기판을 산화시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리카의 표면 층을 제공하기 위해 상기 기판에 실리카를 적용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 실리카의 표면 층은 전기 전도성 물질을 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 물질은 부가적인 전기 전도성 물질을 포함하지 않는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 물질을 회수하는 단계는 상기 기판으로부터 상기 실리콘 물질을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 기판으로부터 상기 실리콘 물질을 제거하는 단계는 상기 기판으로부터 상기 실리콘 물질을 기계적으로 제거하는 단계 및 상기 기판으로부터 상기 실리콘 물질을 초음파적으로 제거하는 단계로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 프로세스를 포함하는, 방법.
  12. 제1항 또는 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 물질은 실리콘 니들들 및 실리콘 입자들의 혼합물을 포함하는, 방법.
  13. 제2항 또는 제12항에 있어서, 상기 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가지는, 방법.
  14. 제2항, 제12항 또는 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 니들들은 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가지는, 방법.
  15. 제2항 및 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 니들들은 적어도 5:1의 종횡비를 가지는, 방법.
  16. 제2항 및 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가지는, 방법.
  17. 제2항 및 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 입자들은 1 x 10-7 m 미만의 평균 직경을 가지는, 방법.
  18. 제2항 및 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 물질은 상기 실리콘 입자들의 클러스터(cluster)들을 포함하는, 방법.
  19. 제2항 및 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 니들들 및 상기 실리콘 입자들의 혼합물은 자체-지지하고 그리고/또는 기판이 없는, 방법.
  20. 제2항 및 제12항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 니들들 및 상기 실리콘 입자들의 혼합물은 바인더가 없는, 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드는 상기 실리카와 전기 접촉하는 전기 전도체를 더 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 실리카는 실리카 입자들을 포함하는, 방법.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 캐소드는 실리콘 입자들과 혼합된 실리콘 분말을 더 포함하는, 방법.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융된 염 전해질은 500℃ 내지 1000℃ 온도에서 액체인, 방법.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융된 염 전해질은 칼슘, 바륨, 스트론튬 또는 리튬의 할로겐화물을 포함하는, 방법.
  26. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융된 염 전해질은 칼슘, 바륨, 스트론튬 또는 리튬의 할로겐화물로 이루어지는, 방법.
  27. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융된 염 전해질은 칼슘 염화물을 포함하는, 방법.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드는 탄소 애노드 또는 불활성 애노드를 포함하는, 방법.
  29. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드는 안티몬 산화물 및 구리 산화물로 도핑된 주석 산화물; 칼슘 티타네이트 내의 칼슘 루테네이트; 루테늄 산화물 및 티타늄 이산화물; 니켈 페라이트; 니켈 기반 합금; 철 기반 합금; 및 철 니켈 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 멤버(member)를 포함하는, 방법.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 물질을 제거하는 단계 이후, 상기 실리콘 물질을 포함하는 배터리 전극을 만들기 위해 상기 실리콘 물질을 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 배터리 전극은 금속 이온 배터리 전극을 포함하는, 방법.
  32. 제30항에 있어서, 상기 배터리 전극은 알칼리 금속 이온 배터리 전극을 포함하는, 방법.
  33. 제30항에 있어서, 상기 배터리 전극은 리튬 이온 배터리 전극, 나트륨 이온 배터리 전극, 및 칼륨 이온 배터리 전극으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전극을 포함하는, 방법.
  34. 제30항에 있어서, 상기 배터리 전극은 리튬 이온 배터리 전극을 포함하는, 방법.
  35. 제30항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 물질을 포함하는 배터리 전극을 만들기 위해 상기 실리콘 물질을 사용하는 단계는 집전체 상에 상기 실리콘 물질을 퇴적하는 단계를 포함하는, 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 집전체는 탄소 마이크로섬유들을 포함하는 탄소 페이퍼를 포함하는, 방법.
  37. 제35항 또는 제36항에 있어서, 상기 집전체 상에 상기 실리콘 물질을 퇴적하는 단계는 상기 집전체 상에 슬러리를 캐스팅(casting)하는 단계를 포함하고, 상기 슬러리는 상기 실리콘 물질을 포함하는, 방법.
  38. 제35항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 물질은 바인더를 사용하지 않고 상기 집전체 상에 퇴적되는, 방법.
  39. 배터리용 전극을 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은:
    i) 애노드, 캐소드 및 용융된 염 전해질을 포함하는 전해질 전지를 제공하는 단계 - 상기 캐소드는 상기 용융된 염 전해질과 접촉하는 실리카를 포함함 -;
    ii) 상기 캐소드에서 상기 용융된 염 전해질로부터 양이온을 퇴적하지 않고 상기 실리카를 환원시키기 위해 상기 전해질 전지에 전위를 인가하는 단계 - 상기 실리카의 환원은 실리콘 반응 생성물을 형성함 -;
    iii) 상기 전해질 전지로부터 상기 실리콘 반응 생성물을 회수하는 단계; 및
    iv) 금속 이온 배터리용 전극의 적어도 일부를 형성하기 위해 회수된 실리콘 반응 생성물을 사용하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 실리카는 기판 상의 표면 층인, 방법.
  41. 제39항에 있어서, 기판은 실리콘을 포함하는, 방법.
  42. 제40항 또는 제41항에 있어서, 실리카로 상기 기판을 코팅함으로써 실리카의 표면 층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  43. 제41항에 있어서, 상기 기판을 산화시킴으로써 실리카의 표면 층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  44. 제40항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리카의 표면 층은 도핑된 실리콘 또는 금속과 합금된 실리콘으로 형성되는, 방법.
  45. 제40항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 반응 생성물을 회수하는 단계는 상기 기판으로부터 상기 실리콘 반응 생성물을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 실리콘 반응 생성물은 기계적으로 또는 초음파적으로 상기 기판으로부터 제거되는, 방법.
  47. 제39항에 있어서, 상기 실리카는 실리카 입자들을 포함하는, 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 캐소드는 상기 실리카 입자들과 혼합된 실리콘 입자들을 더 포함하는, 방법.
  49. 제39항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융된 염 전해질은 500℃ 내지 1000℃ 온도인, 방법.
  50. 제39항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융된 염 전해질은 칼슘, 바륨, 스트론튬 또는 리튬의 할로겐화물을 포함하거나 이들로 이루어지는, 방법.
  51. 제50항에 있어서, 상기 용융된 염 전해질은 칼슘 염화물인, 방법.
  52. 제39항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질 전지의 애노드는 탄소 애노드 또는 불활성 애노드인, 방법.
  53. 제52항에 있어서, 상기 전해질 전지는 안티몬 산화물 및 구리 산화물로 도핑된 주석 산화물; 칼슘 티타네이트 내의 칼슘 루테네이트; 루테늄 산화물 및 티타늄 이산화물; 니켈 페라이트; 니켈 기반 합금; 철 기반 합금; 및 철 니켈 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 불활성 애노드를 가지는, 방법.
  54. 제39항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 반응 생성물은 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 친밀한 혼합물을 포함하는, 방법.
  55. 제54항에 있어서, 상기 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경 및 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가지는, 방법.
  56. 제54항 또는 제55항에 있어서, 상기 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가지는, 방법.
  57. 제54항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들은, 상기 친밀한 혼합물이 자체-지지하도록 상기 친밀한 혼합물에 충분히 얽혀지는, 방법.
  58. 제39항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 반응 생성물을 사용하는 단계는 집전체 상에 상기 회수된 반응 생성물을 퇴적하는 단계를 포함하는, 방법.
  59. 제58항에 있어서, 상기 집전체는 탄소 마이크로섬유들을 포함하는 탄소 페이퍼를 포함하는, 방법.
  60. 제58항 또는 제59항에 있어서, 상기 회수된 실리콘 반응 생성물은 상기 회수된 실리콘 반응 생성물을 포함하는 슬러리를 형성하고 상기 집전체 상에 상기 슬러리를 캐스팅함으로써 상기 집전체 상에 퇴적되는, 방법.
  61. 제58항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집전체 상에 퇴적된 상기 회수된 실리콘 반응 생성물은 바인더 없이 상기 집전체에 자체 부착되는, 방법.
  62. 제1항 내지 제61항 중 어느 한 항의 방법에 의해 획득가능한 물질.
  63. 전극으로서,
    제1항 내지 제61항 중 어느 한 항의 방법에 의해 획득가능한 물질을 포함하고,
    상기 전극은 배터리 전극을 포함하는, 전극.
  64. 제63항에 있어서, 상기 전극은 애노드를 포함하는, 전극.
  65. 제63항에 있어서, 상기 전극은 재충전가능 금속 이온 배터리 애노드를 포함하는, 전극.
  66. 제63항에 있어서, 상기 전극은 재충전가능 알칼리 금속 이온 배터리 애노드를 포함하는, 전극.
  67. 제63항에 있어서, 상기 전극은 재충전가능 리튬 이온 배터리 애노드, 재충전가능 나트륨 이온 배터리 애노드, 및 재충전가능 칼륨 이온 배터리 애노드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전극을 포함하는, 전극.
  68. 제63항에 있어서, 상기 전극은 재충전가능 리튬 금속 이온 배터리 애노드를 포함하는, 전극.
  69. 제63항 내지 제68항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소를 더 포함하는, 전극.
  70. 제63항 내지 제68항 중 어느 한 항에 있어서, 그래핀 코팅을 더 포함하는, 전극.
  71. 배터리로서,
    제1항 내지 제61항 중 어느 한 항의 방법에 의해 획득가능한 물질을 포함하는 애노드;
    배터리 방전 및 재충전 동안 금속 및/또는 금속 이온들을 방출 및 재-흡착할 수 있는 활성 물질을 포함하는 캐소드; 및
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 전해질
    을 포함하는, 배터리.
  72. 제71항에 있어서, 상기 배터리는 재충전가능 금속 이온 배터리를 포함하는, 배터리.
  73. 제71항에 있어서, 상기 배터리는 재충전가능 알칼리 금속 이온 배터리를 포함하는, 배터리.
  74. 제71항에 있어서, 상기 배터리는 재충전가능 리튬 이온 배터리, 재충전가능 나트륨 이온 배터리, 및 재충전가능 칼륨 이온 배터리로 이루어진 그룹으로부터 선택된 배터리를 포함하는, 배터리.
  75. 제71항에 있어서, 상기 배터리는 재충전가능 리튬 금속 이온 배터리를 포함하는, 배터리.
  76. 제71항 내지 제75항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 리튬화/탈리튬화 사이클 이후, 배터리는 50 회의 리튬화/탈리튬화 사이클 동안 5% 미만만큼 변화하는 리튬화/탈리튬화 프로파일을 가지는, 배터리.
  77. 제71항 내지 제76항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리는 이론적인 비용량의 적어도 90%인 비용량을 가지는, 배터리.
  78. 제71항 내지 제77항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리는 50 회의 리튬화/탈리튬화 사이클 이후 적어도 90%의 용량 보유율을 가지는, 배터리.
  79. 제71항 내지 제78항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리는 재충전가능 배터리인, 배터리.
  80. 제71항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드는 탄소를 더 포함하는, 배터리.
  81. 제71항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드는 그래핀 코팅을 더 포함하는, 배터리.
  82. 물질로서,
    실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물을 포함하고,
    i) 다음 중 적어도 하나가 보유되고:
    상기 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 고체 실리콘에 비해 적어도 50%의 빈 체적을 가지며, 그리고/또는 상기 물질은 많아야 1.16 g/cm3의 밀도를 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 적어도 5:1의 종횡비를 가짐;
    상기 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐; 및
    ii) 다음 중 적어도 하나가 보유되는:
    상기 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 자체-지지하고 그리고/또는 기판이 없음; 및
    상기 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 바인더가 없음,
    물질.
  83. 제82항에 있어서, 다음 중 적어도 2 개가 보유되는:
    상기 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 고체 실리콘에 비해 적어도 50%의 빈 체적을 가지며, 그리고/또는 상기 물질은 많아야 1.16 g/cm3의 밀도를 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 적어도 5:1의 종횡비를 가짐; 및
    상기 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐,
    물질.
  84. 제82항에 있어서, 다음 중 적어도 3 개가 보유되는:
    상기 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 고체 실리콘에 비해 적어도 50%의 빈 체적을 가지며, 그리고/또는 상기 물질은 많아야 1.16 g/cm3의 밀도를 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 적어도 5:1의 종횡비를 가짐;
    상기 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐,
    물질.
  85. 제82항에 있어서, 다음 중 적어도 4 개가 보유되는:
    상기 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 고체 실리콘에 비해 적어도 50%의 빈 체적을 가지며, 그리고/또는 상기 물질은 많아야 1.16 g/cm3의 밀도를 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 적어도 5:1의 종횡비를 가짐;
    상기 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐,
    물질.
  86. 제82항에 있어서, 다음 각각이 보유되는:
    상기 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 고체 실리콘에 비해 적어도 50%의 빈 체적을 가지며, 그리고/또는 상기 물질은 많아야 1.16 g/cm3의 밀도를 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가짐;
    상기 실리콘 니들들은 적어도 5:1의 종횡비를 가짐;
    상기 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가짐,
    물질.
  87. 제82항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 입자들 및 실리콘 니들들의 혼합물은 고체 실리콘에 비해 적어도 50%의 빈 체적을 가지며, 그리고/또는 상기 물질은 많아야 1.16 g/cm3의 밀도를 가지는, 물질.
  88. 제82항 내지 제85항 및 제87항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 니들들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가지는, 물질.
  89. 제82항 내지 제85항, 제87항 및 제88항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 니들들은 1 x 10-5 m 미만의 평균 길이를 가지는, 물질.
  90. 제82항 내지 제85항 및 제87항 내지 제89항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 니들들은 적어도 5:1의 종횡비를 가지는, 물질.
  91. 제82항 내지 제85항 및 제87항 내지 제90항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 입자들은 1 x 10-6 m 미만의 평균 직경을 가지는, 물질.
  92. 제82항 내지 제85항 및 제87항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 입자들 및 상기 실리콘 니들들의 혼합물은 자체-지지하고 그리고/또는 기판이 없는, 물질.
  93. 제82항 내지 제85항 및 제87항 내지 제92항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 입자들 및 상기 실리콘 니들들의 혼합물은 바인더가 없고 그리고/또는 상기 물질은 그래핀으로 코팅되는, 물질.
  94. 제82항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 물질은 상기 실리콘 입자들의 클러스터들을 포함하는, 물질.
  95. 제82항 내지 제94항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 입자들 및 상기 실리콘 니들들의 혼합물은 금속 원자들과 결합하도록 구성되는, 물질.
  96. 제82항 내지 제94항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 입자들 및 상기 실리콘 니들들의 혼합물은 알칼리 금속 원자들과 결합하도록 구성되는, 물질.
  97. 제82항 내지 제94항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 입자들 및 상기 실리콘 니들들의 혼합물은 리튬 원자들, 나트륨 원자들 및 칼륨 원자들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 원자들과 결합하도록 구성되는, 물질.
  98. 전극으로서,
    제82항 내지 제97항 중 어느 한 항에 따른 물질을 포함하고,
    전극은 배터리 전극을 포함하는, 전극.
  99. 제98항에 있어서, 상기 전극은 애노드를 포함하는, 전극.
  100. 제98항에 있어서, 상기 전극은 재충전가능 금속 이온 배터리 애노드를 포함하는, 전극.
  101. 제98항에 있어서, 상기 전극은 재충전가능 알칼리 금속 이온 배터리 애노드를 포함하는, 전극.
  102. 제98항에 있어서, 상기 전극은 재충전가능 리튬 이온 배터리 애노드, 재충전가능 나트륨 이온 배터리 애노드, 및 재충전가능 칼륨 이온 배터리 애노드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전극을 포함하는, 전극.
  103. 제98항에 있어서, 상기 전극은 재충전가능 리튬 금속 이온 배터리 애노드를 포함하는, 전극.
  104. 제98항 내지 제103항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소를 더 포함하고, 그리고/또는 상기 전극은 그래핀 코팅을 포함하는, 전극.
  105. 제98항 내지 제103항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드는 탄소를 더 포함하고, 그리고/또는 상기 애노드는 그래핀 코팅을 포함하는, 배터리.
  106. 배터리로서,
    제82항 내지 제97항 중 어느 한 항에 따른 물질을 포함하는 애노드;
    배터리 방전 및 재충전 동안 금속 및/또는 금속 이온들을 방출 및 재-흡착할 수 있는 활성 물질을 포함하는 캐소드; 및
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 전해질
    을 포함하는, 배터리.
  107. 제106항에 있어서, 상기 배터리는 재충전가능 금속 이온 배터리를 포함하는, 배터리.
  108. 제106항에 있어서, 상기 배터리는 재충전가능 알칼리 금속 이온 배터리를 포함하는, 배터리.
  109. 제106항에 있어서, 상기 배터리는 재충전가능 리튬 이온 배터리, 재충전가능 나트륨 이온 배터리, 및 재충전가능 칼륨 이온 배터리로 이루어진 그룹으로부터 선택된 배터리를 포함하는, 배터리.
  110. 제106항에 있어서, 상기 배터리는 재충전가능 리튬 금속 이온 배터리를 포함하는, 배터리.
  111. 제106항 내지 제110항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 리튬화/탈리튬화 사이클 이후, 상기 배터리는 50 회의 리튬화/탈리튬화 사이클 동안 5% 미만만큼 변화하는 리튬화/탈리튬화 프로파일을 가지는, 배터리.
  112. 제106항 내지 제111항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리는 이론적인 비용량의 적어도 90%인 비용량을 가지는, 배터리.
  113. 제106항 내지 제112항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리는 50 회의 리튬화/탈리튬화 사이클 이후 적어도 90%의 용량 보유율을 가지는, 배터리.
  114. 제106항 내지 제113항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리는 재충전가능 배터리인, 배터리.
  115. 제106항 내지 제114항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드는 탄소를 더 포함하는, 배터리.
  116. 제106항 내지 제114항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드는 그래핀 코팅을 더 포함하는, 배터리.
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