KR20210011359A - Barium doped composite electrode material for fluoride ion electrochemical cells - Google Patents

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KR20210011359A
KR20210011359A KR1020207014792A KR20207014792A KR20210011359A KR 20210011359 A KR20210011359 A KR 20210011359A KR 1020207014792 A KR1020207014792 A KR 1020207014792A KR 20207014792 A KR20207014792 A KR 20207014792A KR 20210011359 A KR20210011359 A KR 20210011359A
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남혼 추
가오루 오미치
라이언 맥켄니
칭민 수
크리스토퍼 브룩스
사이먼 씨 존스
이사벨 엠 다롤레스
홍진 탄
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
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Abstract

본 개시는 코어-쉘 및 요크-쉘 나노입자를 제조하는 방법, 및 이들을 포함하는 전극에 관한 것이다. 코어-쉘 및 요크-쉘 나노입자 및 이들을 포함하는 전극은, 플루오르화물 셔틀 배터리와 같은 전기 화학 전지에서 사용하기에 적합하다. 쉘은, 이를테면 전기 화학 전지에서, 금속 코어를 산화로부터 방지할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 전기 화학적으로 활성인 구조체는, 플루오르화물 이온과의 반응시 또는 방출시 팽창 또는 수축하는 입자를 형성하는 치수적으로 변화 가능한 활물질을 포함한다. 하나 이상의 입자는 플루오르화물 전도성 봉지재로 적어도 부분적으로 둘러싸이고, 옵션 사항으로, 하나 이상의 공극은 희생 층 또는 선택적 에칭을 사용하여 활물질과 봉지재 사이에서 형성된다. 플루오르화물 전도성 봉지재는 하나 이상의 금속을 포함할 수도 있다. 전기 화학적으로 활성인 구조체가 이차 전지에서 사용되는 경우, 공극의 존재는 활물질의 치수 변화를 수용할 수 있다.The present disclosure relates to a method for preparing core-shell and yoke-shell nanoparticles, and to an electrode comprising the same. Core-shell and yoke-shell nanoparticles and electrodes comprising them are suitable for use in electrochemical cells such as fluoride shuttle batteries. The shell may also prevent the metal core from oxidation, such as in electrochemical cells. In some embodiments, the electrochemically active structure includes a dimensionally changeable active material that forms particles that expand or contract upon reaction with or upon release of fluoride ions. One or more particles are at least partially surrounded by a fluoride conductive encapsulant, and optionally, one or more voids are formed between the active material and the encapsulant using a sacrificial layer or selective etching. The fluoride conductive encapsulant may include one or more metals. When an electrochemically active structure is used in a secondary battery, the presence of voids can accommodate a dimensional change of the active material.

Figure P1020207014792
Figure P1020207014792

Description

플루오르화물 이온 전기 화학 전지용 바륨 도핑 복합 전극 재료Barium doped composite electrode material for fluoride ion electrochemical cells

[관련 출원에 대한 교차 참조][Cross reference to related application]

본 출원은, 2016년 12월 15일자로 출원된 발명의 명칭이 "Composite Electrode Materials for Fluoride-Ion Electrochemical Cells"인 미국 특허 출원 번호 제62/434,611호 및 2017년 2월 1일자로 출원된 발명의 명칭이 "Core Shell"인 미국 특허 출원 번호 제62/453,295호에 대한 우선권을 주장하는, 2017년 12월 15일자로 출원된 발명의 명칭이 "Composite Electrode Materials for Fluoride-Ion Electrochemical Cells"인 미국 특허 출원 번호 제15/844,079호의 일부 계속 출원인, 2018년 6월 20일자로 출원된 발명의 명칭이 "Barium-Doped Composite Electrode Materials for Fluoride Electrochemical Cells"인 미국 특허 출원 번호 제16/013,739호에 대한 우선권을 주장한다. 미국 특허 출원 번호 제16/013,739는 또한 2018년 5월 25일자로 출원된 발명의 명칭이 "Composite Electrode Materials for Fluoride-Ion Electrochemical Cells"인 미국 특허 출원 번호 제62/676,693호에 대한 우선권을 주장한다. 본 출원은 또한 미국 특허 출원 번호 제62/676,693호에 대한 우선권을 주장한다. 전술한 출원의 각각은 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.This application is a US Patent Application No. 62/434,611 entitled "Composite Electrode Materials for Fluoride-Ion Electrochemical Cells" filed on December 15, 2016 and the invention filed on February 1, 2017. A US patent filed December 15, 2017 entitled "Composite Electrode Materials for Fluoride-Ion Electrochemical Cells" claiming priority to US Patent Application No. 62/453,295 entitled "Core Shell" Partial continuing applicant of Application No. 15/844,079, has priority to U.S. Patent Application No. 16/013,739, entitled "Barium-Doped Composite Electrode Materials for Fluoride Electrochemical Cells," filed June 20, 2018. Insist. U.S. Patent Application No. 16/013,739 also claims priority to U.S. Patent Application No. 62/676,693 entitled "Composite Electrode Materials for Fluoride-Ion Electrochemical Cells," filed May 25, 2018. . This application also claims priority to US Patent Application No. 62/676,693. Each of the foregoing applications is incorporated herein in its entirety by reference.

[기술 분야][Technical field]

본 개시는 전기 화학적으로 활성인 물질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 배터리 성능을 향상시키기 위해 맞춤형 구조체 및 조성을 갖는 전극 재료를 포함하는 플루오르화물 이온 배터리 시스템(fluoride ion battery system)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시는 코어-쉘 나노입자(core-shell nanoparticle), 이들을 제조하기 위한 방법, 및 전기 화학 전지에서의 이들의 사용에 관한 것이다.The present disclosure relates to an electrochemically active material, and more particularly, to a fluoride ion battery system comprising an electrode material having a custom structure and composition to improve battery performance. More specifically, the present disclosure relates to core-shell nanoparticles, methods for making them, and their use in electrochemical cells.

금속 나노입자는, 촉매로서의 그리고 배터리용 전극 재료로서의 사용을 비롯한, 다수의 애플리케이션에서의 사용에 고도로 바람직하다. 그러나, 금속 나노입자의 사용은 시스템 동작 조건 또는 다른 요인에 의해 제한될 수도 있다. 예를 들면, 플루오르화물 셔틀 배터리(fluoride shuttle battery)는 리튬 이온 배터리에 대한 대안으로서 관심이 증가하고 있다. 그러나, 다르게는 플루오르화물 셔틀 배터리 전극에 포함될 수 있는 많은 재료에 유해한 동작 조건에 부분적으로 기인하여, 플루오르화물 셔틀 배터리 시스템에서의 사용에 이용 가능한 재료는 제한된다.Metal nanoparticles are highly desirable for use in a number of applications, including use as catalysts and electrode materials for batteries. However, the use of metal nanoparticles may be limited by system operating conditions or other factors. For example, fluoride shuttle batteries are of increasing interest as an alternative to lithium-ion batteries. However, due in part to the operating conditions detrimental to the many materials that may otherwise be included in the fluoride shuttle battery electrode, the materials available for use in fluoride shuttle battery systems are limited.

플루오르화물 이온 배터리는, 플루오르화물 중재 전극 반응(즉, 종종 전환형 반응(conversion-type reaction)을 통해, 충전 또는 방전시 전극에서 플루오르화물 이온의 수용 또는 방출)을 통해 동작하는 전기 화학 전지이다. 그러한 전기 화학 전지는, 리튬 및 리튬 이온 배터리와 비교하여, 더 큰 에너지 밀도, 더 낮은 비용 및/또는 개선된 안전 특성을 제공할 수 있다. 플루오르화물 이온 시스템은, 예를 들면, 이들 전극이 고체 상태의 플루오르화물 전도성(fluoride-conducting) 전해질과 접촉한 상태에서, 충전-방전 사이클 동안 플루오르화물 이온이 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에서 가역적으로 교환되는 2차 전기 화학 전지의 실시형태를 설명하는 Potanin의 US 7,722,993에서, 고체 상태에서 설명되었다. Potanin은, 알칼리 토금속(alkaline-earth metal)의 플루오르화물/플루오르화물들(CaF2, SrF2, BaF2) 및/또는 알칼리 금속의 플루오르화물(LiF, KF, NaF) 및/또는 알칼리 금속 염화물(LiCl, KCl, NaCl)뿐만 아니라, 광범위한 다른 화합물 플루오르화물과 같은 합금 첨가제와 함께, La, Ce의 플루오르화물 또는 이들에 기초한 화합물 플루오르화물을 포함하는 고체 상태 전해질을 설명한다. 그러나, 그러한 전기 화학 전지는 고체 상태 전해질의 제한된 전도도에 기인하여, 실온을 초과하는 온도(예를 들면, 150 ℃)에서만 유용하게 동작한다.Fluoride ion batteries are electrochemical cells that operate through a fluoride mediated electrode reaction (i.e., often through a conversion-type reaction, the acceptance or release of fluoride ions at the electrode upon charging or discharging). Such electrochemical cells may provide greater energy density, lower cost and/or improved safety characteristics compared to lithium and lithium ion batteries. Fluoride ion systems, for example, with these electrodes in contact with a fluoride-conducting electrolyte in a solid state, during a charge-discharge cycle, fluoride ions are reversibly between the anode and the cathode. In US 7,722,993 to Potanin, which describes an embodiment of an exchanged secondary electrochemical cell, described in the solid state. Potanin is, the alkaline earth metals (alkaline-earth metal) fluoride / fluorides of (CaF 2, SrF 2, BaF 2) and / or fluorides of alkaline metals (LiF, KF, NaF) and / or alkali metal chlorides (LiCl, KCl , NaCl), as well as a wide range of other compound fluorides, together with fluorides of La, Ce, or compound fluorides based on them. However, such electrochemical cells operate usefully only at temperatures above room temperature (eg, 150° C.) due to the limited conductivity of the solid state electrolyte.

액체 전해질을 사용할 수 있는 플루오르화물 이온 기반의 전기 화학 시스템을 제공하려는 시도가 또한 이루어졌다. 예를 들면, Weiss 등등에 의한 US 2011-0143219 A1 및 Darolles 등등에 의한 US 9,166,249는, 전해질에서 용해된 상태로 적어도 부분적으로 존재하는 용제형 플루오르화물 염(solvent-borne fluoride salt)을 포함하도록 선택되는 플루오르화물 이온 배터리 구성을 개시한다. 그러나, 많은 애플리케이션의 경우, 액체 전해질과의 전극 재료의 화학적 반응성은 중요하며, 이들 액체 전해질 시스템은 충분히 신뢰 가능한 높은 방전 및/또는 고용량 동작을 제공하지 못한다.Attempts have also been made to provide an electrochemical system based on fluoride ions that can use liquid electrolytes. For example, US 2011-0143219 A1 to Weiss et al. and US 9,166,249 to Darolles et al., fluorides selected to include a solvent-borne fluoride salt that is at least partially present in a dissolved state in an electrolyte. Disclosed is an ion battery configuration. However, for many applications, the chemical reactivity of the electrode material with the liquid electrolyte is important, and these liquid electrolyte systems do not provide sufficiently reliable high discharge and/or high capacity operation.

하기에서는, 그러한 양태의 기본적인 이해를 제공하기 위해, 본 개시의 하나 이상의 양태의 간략화된 개요를 제공한다. 이 개요는 모든 고려된 양태에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 양태의 핵심적인 또는 중요한 엘리먼트를 식별하도록 의도되지도 않고 임의의 또는 모든 양태의 범위를 설명하도록 의도되는 것도 아니다. 그것의 목적은, 차후에 제시되는 더욱 상세한 설명에 대한 서론으로서 하나 이상의 양태의 몇몇 개념을 단순화된 형태로 제시하는 것이다.In the following, a simplified overview of one or more aspects of the present disclosure is provided to provide a basic understanding of such aspects. This summary is not a comprehensive overview of all contemplated aspects, is not intended to identify key or critical elements of all aspects, nor is it intended to describe the scope of any or all aspects. Its purpose is to present some concepts of one or more aspects in a simplified form as a prelude to the more detailed description that is presented later.

몇몇 실시형태에서, 본 개시는, 활물질(active material)을 포함하는 코어, 및 활물질을 적어도 부분적으로 둘러싸는 플루오르화물 함유 쉘(fluoride-containing shell):을 포함하는 전기 화학적으로 활성인 구조체에 관한 것으로, 플루오르화물 함유 쉘은 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 제1 금속은 바륨이다.In some embodiments, the present disclosure is directed to an electrochemically active structure comprising a core comprising an active material, and a fluoride-containing shell at least partially surrounding the active material, The fluoride-containing shell contains a first metal and a second metal, and the first metal is barium.

몇몇 실시형태에서, 본 개시는 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법에 관한 것으로, 그 방법은, a) 물/금속 나노입자 혼합물을 제공하는 것; b) 물/금속 나노입자 혼합물을 불활성 분위기(inert atmosphere)에 노출시키는 것; 및 c) 금속 나노입자 코어 주위에 플루오르화물 함유 쉘을 형성하는 것:을 포함하되, 플루오르화물 함유 쉘은 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 제1 금속은 바륨이다.In some embodiments, the present disclosure relates to a method of making coated metal nanoparticles, the method comprising: a) providing a water/metal nanoparticle mixture; b) exposing the water/metal nanoparticle mixture to an inert atmosphere; And c) forming a fluoride-containing shell around the metal nanoparticle core, wherein the fluoride-containing shell comprises a first metal and a second metal, and the first metal is barium.

몇몇 실시형태에서, 본 개시는, 구리 나노입자를 포함하는 코어, 및 구리 나노입자를 적어도 부분적으로 둘러싸는 플루오르화물 함유 쉘:을 포함하는 전극에 관한 것으로, 플루오르화물 함유 쉘은 바륨 및 란타늄(lanthanum)을 x 대 1-x의 비율로 포함하고, 그 결과, 플루오르화물 함유 쉘의 실험식에서의 바륨의 몰 및 란타늄의 몰의 합계는 1이다.In some embodiments, the present disclosure relates to an electrode comprising a core comprising copper nanoparticles, and a fluoride-containing shell at least partially surrounding the copper nanoparticles, wherein the fluoride-containing shell comprises barium and lanthanum. in a ratio of x to 1-x, and as a result, the sum of the moles of barium and the moles of lanthanum in the empirical formula of the fluoride-containing shell is 1.

몇몇 실시형태에서, 본 개시는, 활물질을 포함하는 코어, 및 활물질을 적어도 부분적으로 둘러싸는 플루오르화물 함유 쉘:을 포함하는 전기 화학적으로 활성인 구조체에 관한 것으로, 플루오르화물 함유 쉘은 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 제1 금속은 2가(divalent) 또는 4가(tetravalent) 금속 양이온(cation)이다.In some embodiments, the present disclosure relates to an electrochemically active structure comprising: a core comprising an active material and a fluoride-containing shell at least partially surrounding the active material, wherein the fluoride-containing shell comprises a first metal and a second A metal is included, and the first metal is a divalent or tetravalent metal cation.

본 발명의 이들 및 다른 양태는 후속하는 상세한 설명의 재검토시 더욱 완전하게 이해될 것이다.These and other aspects of the invention will be more fully understood upon review of the detailed description that follows.

도 1a는 본 개시의 한 양태에서 금속 나노입자를 포함하는 코어, 및 금속 할로겐화물 또는 금속 옥시할로겐화물(oxyhalide)을 포함하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 나노입자의 단면도를 도시한다.
도 1b는 희생 무기 "중간" 층(sacrificial inorganic "middle" layer)을 사용하는 "요크-쉘(yolk-shell)" 복합재(composite)로의 일반적인 경로(route)를 개략적으로 나타낸다.
도 1c는 희생 폴리머 "중간" 층을 사용하는 "요크-쉘" 복합재로의 경로를 설명한다.
도 1d는 희생 "중간" 층이 없는 경우 "요크-쉘" 복합재로의 대안적인 경로를 나타낸다.
도 1e는, 활물질의 나노입자가 "희생" 재료의 표면 상에서 성장되게 되는, "요크-쉘" 복합재의 "희생" 합성물(synthesis)에 대한 변화를 묘사한다.
도 1f는 미리 형성된 "희생" 재료의 내부 구조체 또는 기공(pore)에서의 활물질의 성장을 개략적으로 나타낸다.
도 1g는 미리 형성된 "희생" 재료의 내부 구조체 또는 기공에서의 활물질의 성장을 개략적으로 나타내는데, 여기서, 쉘 구성 성분은 주목하는 전기 화학적 반응 전위에서 전기 화학적으로 비활성이 되도록 선택된다.
도 2는 본 개시의 한 양태에서 플루오르화물 이온 전기 화학 전지의 개략적인 예시이다.
도 3은, 합성 및 분리 직후의("제조시의(as-made)"), 쉘이 없는, 비교예 1의 분리된 구리 나노입자의 XRD 스펙트럼을 도시한다.
도 4는, 제조시의 그리고 4 일 및 9 일 동안 공기에 노출된 이후의, 쉘이 없는, 비교예 1의 분리된 구리 나노입자의 적층된 XRD 스펙트럼(stacked XRD spectrum)을 도시한다.
도 5는 본 개시의 한 양태에서 합성되는 바와 같은 실험예 1의 Cu-LaF3 코어-쉘 나노입자의 XRD 스펙트럼을 도시한다.
도 6은 9 일, 16 일, 및 23 일 동안 공기에 노출된 이후의 실험예 1의 Cu-LaF3 코어-쉘 나노입자의 적층된 XRD 스펙트럼을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 제조시의, 실험예 1의 Cu-LaF3 코어-쉘 나노입자의 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy; TEM) 이미지이다.
도 8a는, Cu(코어) 및 LaF3(쉘) 영역을 나타내는, 실험예 1의 Cu-LaF3 코어-쉘 나노입자의 고해상도 TEM 이미지를 도시한다. 도 8b 및 도 8c는 동일한 나노입자의 축소된(zoomed-out) 이미지를 도시한다.
도 9는 본 개시의 한 양태에서 음의 전극(애노드)에서 활물질로서 실험예 1의 Cu-LaF3 코어-쉘 나노입자를 포함하는 플루오르화물 이온 전기 화학 전지의 예시의 개략도이다.
도 10a는 본 개시의 양태에서 전극에서 활물질로서 실험예 1의 Cu-LaF3 코어-쉘 나노입자를 포함하는 하프 전지 배터리(half cell battery)의 전기 화학적 테스트를 위한 특정한 용량의 함수로서의 전압의 플롯이다.
도 10b는, 초기 조건 하에서, 방전 이후에, 그리고 충전 이후에 측정되는, 도 10a의 하프 전지 배터리 테스트의 전극의 X 선 회절 스펙트럼이다.
도 11은 합성시의 비교예 2의 나노입자의 XRD 스펙트럼을 도시한다.
도 12는 8 일, 15 일, 및 22 일 동안 공기에 노출된 이후의 비교예 2의 나노입자의 적층된 XRD 스펙트럼을 도시한다.
도 13은 LaF3에 의한 구리 나노입자의 불균일한 부분적인 피복뿐만 아니라, 구리 나노입자와 관련이 없는 LaF3를 도시하는 비교예 2의 나노입자의 TEM 이미지이다.
도 14는 LaF3/Cu 및 Cu 박막 구성 및 순환 전압전류법 데이터(cyclic voltammetry data)를 도시한다.
도 15a는 LaF3/Cu 이중층 박막에 대한 순환 전압전류곡선(voltammogram)을 도시한다. 도 15b 및 도 15c는, 도 15a에서 나타내어지는 전압 1 및 2에서의 다양한 길이의 에칭 시간에서의 C, La, O, F 및 Cu에 대한 x 선 광전자 분광법(x-ray photoelectron spectroscopy; XPS) 데이터를 도시한다.
도 16은 본 개시의 몇몇 양태에 따른 Cu@LaF3 및 Cu@BaxLa1-xF3-x 나노입자의 개략적인 표현을 도시한다.
도 17a는 본 개시의 몇몇 양태에 따른 Cu@La0.97Ba0.03F2.97의 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy; SEM) 이미지의 예를 도시한다.
도 17b 및 도 17c는 본 개시의 몇몇 양태에 따른 Cu@La0.97Ba0.03F2.97의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지의 예를 도시한다.
도 17d는 본 개시의 몇몇 양태에 따른 Cu@La0.97Ba0.03F2.97의 에너지 분산 x 선(energy dispersive x-ray; EDX) 이미지의 예를 도시한다. 도 17e 내지 도 17h는 성분 Cu, F, La 및 Ba 이미지 맵을 각각 도시한다.
도 18a 내지 도 18d는 본 개시의 몇몇 양태에 따른 Cu@La0.97Ba0.03F2.97에 대한 x 선 광전자 분광법(XPS) 스펙트럼을 도시한다.
도 19는 본 개시의 몇몇 양태에 따른 Cu@LaF3 및 Cu@La0.97Ba0.03F2.97에 대한 XRD 스펙트럼을 도시한다.
도 20a는, 본 개시의 몇몇 양태에 따른, Ag/Ag+ 기준 전극과 비교한, Cu@LaF3 전극 또는 Cu@BaxLa1-xF3-x 전극의 최초 충전-방전 사이클의 전압 프로파일을 도시한다.
도 20b는, 본 개시의 몇몇 양태에 따른, Cu@LaF3에 대해 그리고 Cu@La0.97Ba0.03F2.97에 대해 달성되는 용량의 비교를 도시한다.
도 20c는, 본 개시의 몇몇 양태에 따른, 초기 상태에서의 그리고 최초 충전 및 후속하는 최초 방전 이후의 Cu@La0.97Ba0.03F2.97의 XRD 스펙트럼을 도시한다.
도 20d는, 본 개시의 몇몇 양태에 따른, 초기 상태에서의 그리고 최초 충전 및 후속하는 최초 방전 이후의 Cu@LaF3의 XRD 스펙트럼을 도시한다.
1A shows a cross-sectional view of a core-shell nanoparticle comprising a core comprising a metal nanoparticle and a shell comprising a metal halide or a metal oxyhalide in one aspect of the present disclosure.
1B schematically shows a general route to a "yolk-shell" composite using a sacrificial inorganic "middle" layer.
1C illustrates a route to a “yoke-shell” composite using a sacrificial polymer “intermediate” layer.
1D shows an alternative route to the “yoke-shell” composite in the absence of a sacrificial “intermediate” layer.
1E depicts a change to the "sacrificial" synthesis of a "york-shell" composite, in which nanoparticles of an active material are to be grown on the surface of the "sacrificial" material.
1F schematically shows the growth of active material in pores or internal structures of preformed "sacrificial" material.
1G schematically shows the growth of the active material in the pores or internal structures of a preformed “sacrificial” material, where the shell constituents are selected to be electrochemically inert at the electrochemical reaction potential of interest.
2 is a schematic illustration of a fluoride ion electrochemical cell in one aspect of the present disclosure.
3 shows the XRD spectrum of the separated copper nanoparticles of Comparative Example 1, without shell, immediately after synthesis and separation ("as-made").
FIG. 4 shows a stacked XRD spectrum of the separated copper nanoparticles of Comparative Example 1, without shell, during manufacture and after exposure to air for 4 and 9 days.
5 shows an XRD spectrum of Cu-LaF 3 core-shell nanoparticles of Experimental Example 1 as synthesized in one aspect of the present disclosure.
6 shows stacked XRD spectra of Cu-LaF 3 core-shell nanoparticles of Experimental Example 1 after exposure to air for 9, 16, and 23 days.
7A and 7B are transmission electron microscopy (TEM) images of Cu-LaF 3 core-shell nanoparticles of Experimental Example 1 during preparation.
8A shows a high-resolution TEM image of Cu-LaF 3 core-shell nanoparticles of Experimental Example 1, showing Cu (core) and LaF 3 (shell) regions. 8B and 8C show zoomed-out images of the same nanoparticles.
9 is a schematic diagram of an example of a fluoride ion electrochemical cell including Cu-LaF 3 core-shell nanoparticles of Experimental Example 1 as an active material in a negative electrode (anode) in one aspect of the present disclosure.
10A is a plot of voltage as a function of specific capacity for electrochemical testing of a half cell battery containing Cu-LaF 3 core-shell nanoparticles of Experimental Example 1 as an active material in an electrode in an embodiment of the present disclosure to be.
10B is an X-ray diffraction spectrum of the electrode of the half cell battery test of FIG. 10A measured under initial conditions, after discharge, and after charging.
11 shows the XRD spectrum of the nanoparticles of Comparative Example 2 during synthesis.
12 shows stacked XRD spectra of nanoparticles of Comparative Example 2 after exposure to air for 8 days, 15 days, and 22 days.
13 is a TEM image of the nanoparticles of Comparative Example 2 showing the non-uniform partial coating of copper nanoparticles by LaF 3 as well as LaF 3 not related to the copper nanoparticles.
14 shows the composition of LaF 3 /Cu and Cu thin films and cyclic voltammetry data.
15A shows a cyclic voltammogram of a LaF 3 /Cu bilayer thin film. 15B and 15C are x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) data for C, La, O, F, and Cu at various lengths of etching time at voltages 1 and 2 shown in FIG. 15A. Shows.
16 shows a schematic representation of Cu@LaF 3 and Cu@Ba x La 1-x F 3-x nanoparticles in accordance with some aspects of the present disclosure.
17A shows an example of a scanning electron microscopy (SEM) image of Cu@La 0.97 Ba 0.03 F 2.97 in accordance with some aspects of the present disclosure.
17B and 17C show examples of transmission electron microscopy (TEM) images of Cu@La 0.97 Ba 0.03 F 2.97 in accordance with some aspects of the present disclosure.
17D shows an example of an energy dispersive x-ray (EDX) image of Cu@La 0.97 Ba 0.03 F 2.97 in accordance with some aspects of the present disclosure. 17E to 17H show component Cu, F, La and Ba image maps, respectively.
18A-18D illustrate x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra for Cu@La 0.97 Ba 0.03 F 2.97 in accordance with some aspects of the present disclosure.
19 shows XRD spectra for Cu@LaF 3 and Cu@La 0.97 Ba 0.03 F 2.97 in accordance with some aspects of the present disclosure.
20A is a voltage profile of an initial charge-discharge cycle of a Cu@LaF 3 electrode or a Cu@Ba x La 1-x F 3-x electrode compared to an Ag/Ag + reference electrode, according to some aspects of the present disclosure. Shows.
20B shows a comparison of the dose achieved for Cu@LaF 3 and for Cu@La 0.97 Ba 0.03 F 2.97 , according to some aspects of the present disclosure.
FIG. 20C shows an XRD spectrum of Cu@La 0.97 Ba 0.03 F 2.97 in an initial state and after initial charge and subsequent initial discharge, in accordance with some aspects of the present disclosure.
20D shows an XRD spectrum of Cu@LaF 3 in an initial state and after initial charge and subsequent initial discharge, in accordance with some aspects of the present disclosure.

첨부된 도면과 관련하여 하기에서 기술되는 상세한 설명은 다양한 구성의 설명으로서 의도되며, 본원에서 설명되는 개념이 실시될 수도 있는 유일한 구성을 나타내도록 의도되지는 않는다. 상세한 설명은 다양한 개념의 철저한 이해를 제공하는 목적을 위한 특정한 세부 사항을 포함한다. 그러나, 이들 개념은 이들 특정한 세부 사항 없이도 실시될 수도 있다는 것이 기술 분야의 숙련된 자에게 명백할 것이다. 몇몇 경우에, 그러한 개념을 모호하게 하는 것을 방지하기 위해, 널리 공지된 컴포넌트가 블록도 형태로 도시된다.The detailed description set forth below in connection with the appended drawings is intended as a description of various configurations, and is not intended to represent the only configurations in which the concepts described herein may be practiced. The detailed description contains specific details for the purpose of providing a thorough understanding of various concepts. However, it will be apparent to those skilled in the art that these concepts may be practiced without these specific details. In some cases, well-known components are shown in block diagram form in order to avoid obscuring such concepts.

일반적으로, 본 개시는 전기 화학적으로 활성인 물질, 및 배터리 성능을 개선시키기 위해 맞춤형 구조체 및 조성을 갖는 전극 재료를 포함하는 플루오르화물 이온 배터리 시스템에 관한 것이다. 몇몇 양태에서, 본 개시는 코어-쉘 나노입자, 코어-쉘 나노입자를 통합하는 디바이스, 뿐만 아니라 코어-쉘 나노입자 및 코어-쉘 나노입자를 포함하는 디바이스를 제조 및 사용하는 방법에 관한 것이다.In general, the present disclosure is directed to a fluoride ion battery system comprising an electrochemically active material and an electrode material having a custom structure and composition to improve battery performance. In some embodiments, the present disclosure relates to core-shell nanoparticles, devices incorporating core-shell nanoparticles, as well as methods of making and using core-shell nanoparticles and devices comprising core-shell nanoparticles.

플루오르화물 이온 전하 캐리어, 활성 전극 재료, 및 적절한 액체 전해질을 활용하는, 배터리와 같은 1차 및 2차 전기 화학 전지는 종래의 최신 기술의 리튬 배터리 및 리튬 이온 배터리에 대한 대안예를 제공할 수 있다. 그러한 플루오르화물 이온 배터리(fluoride-ion battery; FIB) 시스템은, 전기 화학 전지에서 전하 캐리어의 적어도 일부로서 액체 전해질에 내포되는 플루오르화물 음이온(anion)을 활용하면서, 실온에서 유용하게 동작할 수 있다. FIB 시스템은 서로 물리적으로 분리되는, 그러나 플루오르화물 이온 전도성 전해질과 공통으로 접촉하는 애노드 및 캐소드를 갖는다. 애노드는 통상적으로 저 전위 원소 또는 화합물이고, 금속, 금속 플루오르화물, 또는 삽입 조성물(intercalating composition)일 수 있다. 유사하게, 캐소드는 원소 또는 조성물일 수 있고, 애노드보다 더 높은 전위를 갖는 금속, 금속 플루오르화물, 또는 삽입 조성물일 수 있다. 플루오르화물 전도성 전해질 내의 플루오르화물 이온(F-)은 방전 동안에는 캐소드로부터 애노드로 그리고 배터리의 충전 동안에는 애노드로부터 캐소드로 이동한다:Primary and secondary electrochemical cells such as batteries, utilizing fluoride ion charge carriers, active electrode materials, and suitable liquid electrolytes, can provide an alternative to prior state of the art lithium batteries and lithium ion batteries. Such a fluoride-ion battery (FIB) system can operate usefully at room temperature while utilizing the fluoride anion contained in the liquid electrolyte as at least part of the charge carrier in the electrochemical cell. The FIB system has an anode and a cathode that are physically separate from each other, but in common contact with a fluoride ion conducting electrolyte. The anode is typically a low potential element or compound and may be a metal, a metal fluoride, or an intercalating composition. Similarly, the cathode may be an element or composition, and may be a metal, metal fluoride, or intercalation composition having a higher potential than the anode. Fluoride ions (F ) in the fluoride conductive electrolyte migrate from the cathode to the anode during discharge and from the anode to the cathode during charging of the battery:

방전:Discharge:

애노드: MFx + nF- → MFx+n + ne- (플루오르화물 이온 수용, 산화)Anode: MF x + nF- → MF x+n + ne- (acceptance of fluoride ions, oxidation)

캐소드: MFy + ne- → MFy-n + nF- (플루오르화물 이온 방출, 환원)Cathode: MF y + ne- → MF yn + nF- (fluoride ion release, reduction)

충전 동안, 역반응이 발생한다.During charging, a reverse reaction occurs.

예를 들면, 둘 모두 금속 플루오르화물을 형성할 수 있는 금속인 Ca와 Cu 사이의 플루오르화물 음이온 이동에 기초한 FIB 전지 반응은 다음과 같을 수도 있을 것이다:For example, the FIB cell reaction based on the fluoride anion transfer between Ca and Cu, a metal that can both form a metal fluoride, might be:

방전:Discharge:

Ca + CuF2 → CaF2 + CuCa + CuF 2 → CaF 2 + Cu

충전:charge:

CaF2 + Cu → Ca + CuF2 CaF 2 + Cu → Ca + CuF 2

FIB 전극의 안정적이고 신뢰 가능한 장기간 사이클링을 가능하게 하는 두 가지 주요 도전 과제가 존재한다. 먼저, 상기의 전기 화학적 반응의 가역성은, 금속 또는 금속 플루오르화물 활물질이 나노 사이즈인 경우에(즉, 입자 사이즈 치수 중 적어도 하나가 1 ㎛ 미만인 경우에) 관찰된다. 그러나, 그러한 작은 치수를 갖는 입자는 높은 표면 에너지를 가지며, 전해질 성분(예를 들면, F-)과 종종 반응하여, 자기 방전"(즉, 일반적인 전류는 하지 않는 M + nF- → MFn과 같은 화학 반응)을 포함하는 바람직하지 않은 부반응을 제공하게 된다. 필요로 되는 것은 소망될 때(즉, 전기 화학적 충전 또는 방전 동안) F- 이온의 통과를 여전히 허용하면서 활물질 입자를 캡슐화하기 위한 코팅, 쉘, 층 또는 등등의 형성이다. 캡슐화 재료는 또한 부반응으로부터 활물질을 보호하여, 이들 전극 재료의 장기간의 사이클링 안정성을 가능하게 할 수 있다.There are two major challenges to enable stable and reliable long-term cycling of FIB electrodes. First, the reversibility of the electrochemical reaction is observed when the metal or metal fluoride active material is nano-sized (that is, when at least one of the particle size dimensions is less than 1 μm). However, having the particles of high surface energy having such small dimensions, the electrolyte component (for example, F -) and the often reaction, self-discharge "(i.e., the common current is that M + nF not - → like MF n will provide undesirable side reactions including the reaction) is, when desired is needed (that is, during electrochemical charging or discharging) F -. coating to while still allowing the passage of ions encapsulate the active material particles, the shell , The formation of layers or etc. The encapsulating material can also protect the active material from side reactions, enabling long-term cycling stability of these electrode materials.

둘째로, 그러한 전기 화학적 반응은, 전기 화학적 프로세스 동안 금속 또는 금속 플루오르화물의 구조체가 파괴되고 프로세스 동안 금속 플루오르화물 또는 금속으로서 각각 개질되는 전환 프로세스이다. 이러한 전환 프로세스는 하기의 표 1에서 주어지는 예에 의해 나타내어지는 바와 같이, 활물질의 충전 상태와 방전 상태 사이에서 유의미한 볼륨 변화를 초래한다:Second, such an electrochemical reaction is a conversion process in which the structure of a metal or metal fluoride is destroyed during the electrochemical process and is modified as a metal fluoride or metal respectively during the process. This conversion process results in a significant volume change between the state of charge and the state of discharge of the active material, as shown by the example given in Table 1 below:

Figure pct00001
Figure pct00001

표 1: 금속으로부터 금속 플루오르화물로의 전환에 대한 볼륨 변화Table 1: Volume change for the conversion of metal to metal fluoride

그러한 유의미한 볼륨 변화는 FIB 전극 재료 입자를 캡슐화하는 등각 보호 코팅(conformal protective coating)의 유용성을 제한하는데, 볼륨 변화에 기인하여, 전하의 하나의 특정한 상태가 전하의 상이한 상태에서 입자와 반드시 등각적이지(conformal) 않을 것이기 때문이다. 필요로 되는 것은, 전해질과의 부반응으로부터 전극 활물질을 보호하는, 봉지재(encapsulant)를 통한 이온 전도를 허용하는, 그리고 활물질과 전해질 사이의 직접적인 접촉을 허용하지 않으면서 충전 및 방전 동안 활물질의 볼륨 변화를 수용할 만큼 충분한 봉지재 내의 공극 공간 및/또는 봉지재 팽창/수축 속성을 갖는 조성물 및 프로세스이다. 몇몇 실시형태에서, 충분한 공극 공간은 공극이 없는 공간(no void space)일 수도 있다. 그러한 조성물 및 그들 제조는 하기에서 개략적으로 나타내어진다.Such significant volume changes limit the usefulness of a conformal protective coating to encapsulate particles of the FIB electrode material, due to the volume change, one particular state of charge is not necessarily conformal to the particle in different states of charge. Because it won't be (conformal). What is needed is a change in the volume of the active material during charging and discharging while allowing ionic conduction through the encapsulant, protecting the electrode active material from side reactions with the electrolyte, and not allowing direct contact between the active material and the electrolyte. A composition and process that has sufficient void space in the encapsulant and/or encapsulant expansion/contraction properties to accommodate. In some embodiments, the sufficient void space may be a no void space. Such compositions and their preparation are schematically shown below.

본원에서 사용될 때, 용어 "약"은 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바에 가까운 것으로 정의된다. 하나의 비제한적인 실시형태에서, 용어 "약"은 10 % 이내, 바람직하게는 5 % 이내, 더욱 바람직하게는 1 % 이내, 가장 바람직하게는 0.5 % 이내에 있는 것으로 정의된다.As used herein, the term “about” is defined as close to what is understood by one of ordinary skill in the art. In one non-limiting embodiment, the term “about” is defined as being within 10%, preferably within 5%, more preferably within 1%, and most preferably within 0.5%.

도 1a에서 도시되는 바와 같은 몇몇 실시형태에서, 코어-쉘 나노입자는 금속 또는 금속 합금("Me")을 포함하는 코어 및 금속 할로겐화물 또는 금속 옥시할로겐화물을 포함하는 쉘을 포함한다. 코어의 금속은 금속 할로겐화물 쉘의 금속과 동일할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 코어의 금속 및 금속 할로겐화물 또는 금속 옥시할로겐화물 쉘의 금속은 상이한 금속이다. 몇몇 실시형태에서, 금속 할로겐화물 쉘 그 자체는 두 개의 금속을 포함할 수도 있다. 본 개시의 코어-쉘 나노입자는, 도 2에서 도시되는 바와 같은 플루오르화물 셔틀 배터리를 비롯한 전기 화학 전지에서의 사용을 위한 전극을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지는 않는 다양한 방법 및 애플리케이션에 통합될 수도 있다.In some embodiments as shown in FIG. 1A, the core-shell nanoparticles comprise a core comprising a metal or metal alloy (“Me”) and a shell comprising a metal halide or metal oxyhalide. The metal of the core may be the same as the metal of the metal halide shell. In some embodiments, the metal of the core and the metal of the metal halide or metal oxyhalide shell are different metals. In some embodiments, the metal halide shell itself may comprise two metals. The core-shell nanoparticles of the present disclosure may be incorporated into a variety of methods and applications, including, but not limited to, electrodes for use in electrochemical cells, including fluoride shuttle batteries as shown in FIG. 2. have.

코어를 형성하기 위해 사용되는 금속 또는 금속 합금은, 철 나노입자, 코발트 나노입자, 니켈 나노입자, 구리 나노입자, 납 나노입자, 및 알칼리 토금속 나노입자를 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 바람직한 실시형태에서, 금속 나노입자는 코발트 나노입자 및 구리 나노입자로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 다른 바람직한 실시형태에서, 금속 나노입자는 구리 나노입자이다. 코어를 형성하기 위해 사용되는 금속은 금속 프리커서 용액을 환원제와 혼합하여 금속 나노입자를 형성하는 것에 의해 합성될 수도 있다.Metals or metal alloys used to form the core include, but are not limited to, iron nanoparticles, cobalt nanoparticles, nickel nanoparticles, copper nanoparticles, lead nanoparticles, and alkaline earth metal nanoparticles. In a preferred embodiment, the metal nanoparticles are selected from the group consisting of cobalt nanoparticles and copper nanoparticles. In another preferred embodiment, the metal nanoparticles are copper nanoparticles. The metal used to form the core may be synthesized by mixing a metal precursor solution with a reducing agent to form metal nanoparticles.

몇몇 실시형태에서, 코어를 형성하기 위해 사용되는 금속 나노입자는 합성 동안 금속 나노입자의 산화를 방지하는 또는 다르게는 억제하는 안정화제의 존재 하에서 합성될 수도 있고, 그 상에서의 금속 할로겐화물 또는 금속 옥시할로겐화물 쉘의 형성 이전에 금속 나노입자로부터 쉽게 제거 가능하다. 예를 들면, 금속 나노입자 합성 동안 사용되는 폴리비닐피롤리돈(55,000 g/mol의 분자량)과 같은 부피가 큰 폴리머가 금속 나노입자의 산화를 억제한다. 그러나, 그러한 안정화제는 합성에 후속하여 금속 나노입자로부터 쉽게 제거될 수 없다. 임의의 특정한 이론에 제한되지 않으면서, 잔류 안정화제는 금속 나노입자에 의해 형성되는 코어와 소망되는 시스템에서 코어-쉘 나노입자의 성능을 손상시키는 금속 할로겐화물 또는 옥시할로겐화물 쉘 사이에 추가적인 층을 형성할 수 있다. 예를 들면, F-셔틀 배터리(F-Shuttle battery)에서 전극 재료로서 사용되는 코어-쉘 나노입자의 전도도를 유지하는 것이 바람직하다. 그러나, 코어와 쉘 사이에 추가적인 잔류 안정제 층을 포함하는 코어-쉘 재료는 전극 재료 사이의 증가된 공간으로 나타날 가능성이 있을 것이; 잔류 안정화제의 추가적인 층 및/또는 결과적으로 나타나는 증가된 공간은 코어-쉘 재료의 전도도를 감소시킬 수도 있다. 임의의 특정한 이론에 구속되기를 원하지 않으면서, 안정화제의 추가적인 층은 플루오르화물 이온을 전도할 코어와 쉘 사이의 접촉을 방해할 수도 있고, 한편, 안정화제의 부재는 코어로부터 쉘로의 플루오르화물 이온을 전도할 가능성을 증가시킬 수도 있다.In some embodiments, the metal nanoparticles used to form the core may be synthesized in the presence of a stabilizer that prevents or otherwise inhibits oxidation of the metal nanoparticles during synthesis, and the metal halide or metal oxy It can be easily removed from the metal nanoparticles prior to formation of the halide shell. For example, bulky polymers such as polyvinylpyrrolidone (molecular weight of 55,000 g/mol) used during metal nanoparticle synthesis inhibit oxidation of metal nanoparticles. However, such stabilizers cannot be easily removed from metal nanoparticles following synthesis. Without wishing to be bound by any particular theory, the residual stabilizer may provide an additional layer between the core formed by the metal nanoparticles and the metal halide or oxyhalide shell that impairs the performance of the core-shell nanoparticles in the desired system. Can be formed. For example, it is desirable to maintain the conductivity of core-shell nanoparticles used as an electrode material in an F-Shuttle battery. However, a core-shell material comprising an additional residual stabilizer layer between the core and the shell will likely appear as an increased space between the electrode materials; An additional layer of residual stabilizer and/or the resulting increased spacing may reduce the conductivity of the core-shell material. Without wishing to be bound by any particular theory, an additional layer of stabilizer may interfere with the contact between the core and the shell, which will conduct fluoride ions, while the absence of the stabilizer will not conduct fluoride ions from the core to the shell. It can also increase the likelihood.

따라서, 코어를 형성하기 위해 사용되는 금속 나노입자의 합성에서, 코어 상에 직접적으로 금속 할로겐화물 또는 금속 옥시할로겐화물 쉘을 형성하기 이전에 코어의 표면 상의 안정화제의 양을 최소화하기 위해 코어로부터 쉽게 제거 가능한 안정화제가 사용될 수도 있다. 비제한적인 예에서, 금속 나노입자의 합성에서 사용될 수도 있는 하나 이상의 안정화제는, 1000 g/mol 미만, 옵션 사항으로(optionally) 500 g/mol 미만, 옵션 사항으로 375 g/mol 미만, 그리고 옵션 사항으로 350 g/mol 미만의 분자량(molecular weight)(개별적 또는 중량 평균)을 포함한다. 예시적인 예는 364 g/mol의 분자량을 갖는 헥사데실트리메틸암모늄 브롬화물(hexadecyltrimethylammonium bromide; CTAB), 192 g/mol의 분자량을 갖는 시트르산(citric acid), 및 이들의 혼합물을 포함한다.Therefore, in the synthesis of the metal nanoparticles used to form the core, it is easy from the core to minimize the amount of stabilizer on the surface of the core prior to forming the metal halide or metal oxyhalide shell directly on the core. Removable stabilizers may also be used. In a non-limiting example, one or more stabilizers that may be used in the synthesis of metal nanoparticles are less than 1000 g/mol, optionally less than 500 g/mol, optionally less than 375 g/mol, and optional Includes molecular weights (individual or weight average) of less than 350 g/mol. Illustrative examples include hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) having a molecular weight of 364 g/mol, citric acid having a molecular weight of 192 g/mol, and mixtures thereof.

몇몇 실시형태에서, 코어-쉘 나노입자의 쉘은, 코어를 형성하기 위해 사용되는 분리된 금속 나노입자를, 예를 들면, 반응하여 코어 상에 금속 할로겐화물 쉘을 형성하는 금속 염 용액 및 할로겐화물 염 용액과 혼합하는 것에 의해 형성될 수도 있다. 쉘은 금속 코어 상에 직접적으로 퇴적되고 도 1a에서 도시되는 바와 같이 코어를 완전히 둘러쌀 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 쉘을 형성하기 위해 사용되는 금속 염은 알칼리 금속 염, 알칼리 토금속 염, 및 전이 금속 염(transition metal salt)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 소정의 실시형태에서, 쉘을 형성하기 위해 사용되는 금속 염은 전이 금속 염이다. 소정의 실시형태에서, 쉘을 형성하기 위해 사용되는 금속 염은 란타늄 염(lanthanum salt), 세륨 염(cerium salt), 및 마그네슘 염(magnesium salt)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 소정의 실시형태에서, 쉘을 형성하기 위해 사용되는 금속 염은 란타늄 염 및 세륨 염으로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 소정의 실시형태에서, 금속 염은 란타늄 염이다. 바람직한 실시형태에서, 란타늄 염은 질산란타늄(lanthanum nitrate)이다. 몇몇 실시형태에서, 할로겐화물 염은 나트륨 플루오르화물(sodium fluoride)이다. 비제한적인 예에서, 쉘은 금속 플루오르화물 또는 금속 옥시플루오르화물 함유 재료(즉, CeF3, CeOF, LaOF, LaF3)를 포함한다.In some embodiments, the shell of the core-shell nanoparticles is a metal salt solution and a halide that reacts with the separated metal nanoparticles used to form the core, for example, to form a metal halide shell on the core. It may also be formed by mixing with a salt solution. The shell may be deposited directly on the metal core and completely surround the core as shown in FIG. 1A. In some embodiments, the metal salt used to form the shell is selected from the group consisting of alkali metal salts, alkaline earth metal salts, and transition metal salts. In certain embodiments, the metal salt used to form the shell is a transition metal salt. In certain embodiments, the metal salt used to form the shell is selected from the group consisting of lanthanum salt, cerium salt, and magnesium salt. In certain embodiments, the metal salt used to form the shell is selected from the group consisting of lanthanum salts and cerium salts. In certain embodiments, the metal salt is a lanthanum salt. In a preferred embodiment, the lanthanum salt is lanthanum nitrate. In some embodiments, the halide salt is sodium fluoride. In a non-limiting example, the shell comprises a metal fluoride or metal oxyfluoride containing material (ie, CeF 3 , CeOF, LaOF, LaF 3 ).

몇몇 실시형태에서, 금속 염 용액은 두 개의 금속 염을 포함한다. 그러한 몇몇 실시형태에서, 두 개의 금속 염 중 하나는 바륨 염(barium salt)이다. 몇몇 실시형태에서, 금속 염 용액은 바륨 염 및 란타늄 염을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 금속 염 용액은 질산바륨(barium nitrate) 및 질산란타늄을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 금속 염 용액은 질산바륨 및 질산란타늄을 약 1:10의 비율로 포함한다.In some embodiments, the metal salt solution comprises two metal salts. In some such embodiments, one of the two metal salts is a barium salt. In some embodiments, the metal salt solution includes a barium salt and a lanthanum salt. In some embodiments, the metal salt solution includes barium nitrate and lanthanum nitrate. In some embodiments, the metal salt solution comprises barium nitrate and lanthanum nitrate in a ratio of about 1:10.

다른 실시형태에서, 코어(또는 전극 활물질)는 공극 공간에 의해 쉘(또는 봉지재)로부터 분리될 수도 있다. 그러한 실시형태에 따른 조성물 및 프로세스는, 전해질과의 부반응으로부터 전극 활물질을 보호할 수도 있고, 봉지재를 통한 이온 전도를 허용할 수도 있으며, 활물질과 전해질 사이의 직접적인 접촉을 허용하지 않고도, 충전 및 방전 동안 활물질의 볼륨 변화를 수용할 만큼 충분한 봉지재 내의 공극 공간 및/또는 봉지재 팽창/수축 속성을 가질 수도 있다.In another embodiment, the core (or electrode active material) may be separated from the shell (or encapsulant) by a void space. The composition and process according to such an embodiment may protect the electrode active material from side reactions with the electrolyte, may allow ion conduction through the encapsulant, and charge and discharge without allowing direct contact between the active material and the electrolyte. The encapsulant may have sufficient void space and/or encapsulant expansion/contraction properties to accommodate the volume change of the active material during the period.

영어 코어 및 전극 활물질은 본원에서 상호 교환 가능하게 사용된다. 유사하게, 용어 쉘 및 봉지재는 본원에서 상호 교환 가능하게 사용된다.The English core and electrode active materials are used interchangeably herein. Similarly, the terms shell and encapsulant are used interchangeably herein.

다른 실시형태에서, 본 개시는 본원에서 개시되는 코어-쉘 나노입자를 포함하는 전극에 관한 것이다. 코어-쉘 나노입자 및 그것의 제조 방법과 관련하여 설명되는 모든 양태 및 실시형태는 전극에 동일한 힘을 가지고 적용된다. 비제한적인 예에서, 전극은 F-셔틀 배터리 시스템의 일부이다.In another embodiment, the present disclosure relates to an electrode comprising the core-shell nanoparticles disclosed herein. All aspects and embodiments described in connection with the core-shell nanoparticles and their manufacturing methods apply to the electrode with the same force. In a non-limiting example, the electrode is part of an F-shuttle battery system.

몇몇 실시형태에서, 본 개시는, 활물질을 포함하는 코어, 및 활물질을 적어도 부분적으로 둘러싸는 플루오르화물 함유 쉘:을 포함하는 전기 화학적으로 활성인 구조체에 관한 것으로, 플루오르화물 함유 쉘은 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 제1 금속은 바륨이다. 전술한 실시형태와 관련하여 설명되는 모든 양태는 동일한 힘을 가지고 본 실시형태에 적용되며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.In some embodiments, the present disclosure relates to an electrochemically active structure comprising: a core comprising an active material and a fluoride-containing shell at least partially surrounding the active material, wherein the fluoride-containing shell comprises a first metal and a second Metal, and the first metal is barium. All aspects described in connection with the above-described embodiment apply to this embodiment with the same force, and vice versa.

몇몇 양태에서, 활물질은 철 나노입자, 코발트 나노입자, 니켈 나노입자, 구리 나노입자, 납 나노입자, 및 알칼리 토금속 나노입자로부터 선택되는 금속 나노입자를 포함한다.In some embodiments, the active material comprises metal nanoparticles selected from iron nanoparticles, cobalt nanoparticles, nickel nanoparticles, copper nanoparticles, lead nanoparticles, and alkaline earth metal nanoparticles.

몇몇 양태에서, 활물질은 구리 나노입자를 포함한다.In some embodiments, the active material includes copper nanoparticles.

몇몇 양태에서, 플루오르화물 함유 쉘은 코어에 직접적으로 부착된다.In some embodiments, the fluoride containing shell is attached directly to the core.

몇몇 양태에서, 플루오르화물 함유 쉘은, 코어와의 사이에 공극 공간을 정의하도록 코어로부터 이격된다.In some embodiments, the fluoride-containing shell is spaced from the core to define a void space therebetween.

몇몇 양태에서, 제2 금속은 란타늄이다.In some embodiments, the second metal is lanthanum.

몇몇 양태에서, 바륨 및 란타늄은 x 대 1-x의 비율로 존재하고, 그 결과, 플루오르화물 함유 쉘의 실험식에서 바륨의 몰 및 란타늄의 몰의 합계는 1이다.In some embodiments, barium and lanthanum are present in a ratio of x to 1-x, so that the sum of moles of barium and moles of lanthanum in the empirical formula of the fluoride containing shell is 1.

몇몇 양태에서, x는 약 0.03 내지 약 0.15이다.In some embodiments, x is about 0.03 to about 0.15.

몇몇 양태에서, x는 약 0.03이다.In some embodiments, x is about 0.03.

몇몇 실시형태에서, 본 개시는 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법에 관한 것으로, 그 방법은, a) 물/금속 나노입자 혼합물을 제공하는 것; b) 물/금속 나노입자 혼합물을 불활성 분위기에 노출시키는 것; 및 c) 금속 나노입자 코어 주위에 플루오르화물 함유 쉘을 형성하는 것:을 포함하되, 플루오르화물 함유 쉘은 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 제1 금속은 바륨이다. 전술한 실시형태와 관련하여 설명되는 모든 양태는 동일한 힘을 가지고 본 실시형태에 적용되며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.In some embodiments, the present disclosure relates to a method of making coated metal nanoparticles, the method comprising: a) providing a water/metal nanoparticle mixture; b) exposing the water/metal nanoparticle mixture to an inert atmosphere; And c) forming a fluoride-containing shell around the metal nanoparticle core, wherein the fluoride-containing shell comprises a first metal and a second metal, and the first metal is barium. All aspects described in connection with the above-described embodiment apply to this embodiment with the same force, and vice versa.

몇몇 양태에서, 금속 나노입자는 철 나노입자, 코발트 나노입자, 니켈 나노입자, 구리 나노입자, 납 나노입자, 또는 알칼리 토금속 나노입자를 포함한다.In some embodiments, the metal nanoparticles include iron nanoparticles, cobalt nanoparticles, nickel nanoparticles, copper nanoparticles, lead nanoparticles, or alkaline earth metal nanoparticles.

몇몇 양태에서, 금속 나노입자는 구리 나노입자를 포함한다.In some embodiments, the metal nanoparticles comprise copper nanoparticles.

몇몇 양태에서, 플루오르화물 함유 쉘은 코어에 직접적으로 부착된다.In some embodiments, the fluoride containing shell is attached directly to the core.

몇몇 양태에서, 플루오르화물 함유 쉘은, 코어와의 사이에 공극 공간을 정의하도록 코어로부터 이격된다.In some embodiments, the fluoride-containing shell is spaced from the core to define a void space therebetween.

몇몇 양태에서, 제2 금속은 란타늄이다.In some embodiments, the second metal is lanthanum.

몇몇 양태에서, 바륨 및 란타늄은 x 대 1-x의 비율로 존재하고, 그 결과, 플루오르화물 함유 쉘의 실험식에서 바륨의 몰 및 란타늄의 몰의 합계는 1이다.In some embodiments, barium and lanthanum are present in a ratio of x to 1-x, so that the sum of moles of barium and moles of lanthanum in the empirical formula of the fluoride containing shell is 1.

몇몇 양태에서, x는 약 0.03 내지 약 0.15이다.In some embodiments, x is about 0.03 to about 0.15.

몇몇 양태에서, 플루오르화물 함유 쉘을 형성하는 것은, 물/금속 나노입자 혼합물에 제1 금속 염, 제2 금속 염, 및 플루오르화물 함유 염을 첨가하여 금속 나노입자 코어 주위에 플루오르화물 함유 쉘을 생성하는 것을 포함하는데, 제1 금속은 바륨 염이다.In some embodiments, forming the fluoride-containing shell comprises adding a first metal salt, a second metal salt, and a fluoride-containing salt to the water/metal nanoparticle mixture to create a fluoride-containing shell around the metal nanoparticle core. However, the first metal is a barium salt.

몇몇 양태에서, 제2 금속은 란타늄 염이다.In some embodiments, the second metal is a lanthanum salt.

몇몇 양태에서, 제1 금속 염은 질산바륨이고 제2 금속 염은 질산란타늄이다.In some embodiments, the first metal salt is barium nitrate and the second metal salt is lanthanum nitrate.

몇몇 양태에서, 질산바륨 및 질산란타늄은 약 1:10의 몰비로 사용된다.In some embodiments, barium nitrate and lanthanum nitrate are used in a molar ratio of about 1:10.

몇몇 실시형태에서, 본 개시는, 구리 나노입자를 포함하는 코어, 및 구리 나노입자를 적어도 부분적으로 둘러싸는 플루오르화물 함유 쉘:을 포함하는 전극에 관한 것으로, 플루오르화물 함유 쉘은 바륨 및 란타늄을 x 대 1-x의 비율로 포함하고, 그 결과, 플루오르화물 함유 쉘의 실험식에서의 바륨의 몰 및 란타늄의 몰의 합계는 1이다. 전술한 실시형태와 관련하여 설명되는 모든 양태는 동일한 힘을 가지고 본 실시형태에 적용되며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.In some embodiments, the present disclosure relates to an electrode comprising a core comprising copper nanoparticles, and a fluoride-containing shell at least partially surrounding the copper nanoparticles, wherein the fluoride-containing shell contains barium and lanthanum x to 1 in the ratio of -x, and as a result, the sum of the moles of barium and the moles of lanthanum in the empirical formula of the fluoride-containing shell is 1. All aspects described in connection with the above-described embodiment apply to this embodiment with the same force, and vice versa.

몇몇 양태에서, x는 약 0.03 내지 약 0.15이다.In some embodiments, x is about 0.03 to about 0.15.

몇몇 양태에서, 본 개시는 전극 및 액체 전해질을 포함하는 플루오르화물 셔틀 배터리에 관한 것이다.In some aspects, the present disclosure relates to a fluoride shuttle battery comprising an electrode and a liquid electrolyte.

몇몇 실시형태에서, 본 개시는, 활물질을 포함하는 코어, 및 활물질을 적어도 부분적으로 둘러싸는 플루오르화물 함유 쉘:을 포함하는 전기 화학적으로 활성인 구조체에 관한 것으로, 플루오르화물 함유 쉘은 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 제1 금속은 2가 또는 4가 금속 양이온이다. 전술한 실시형태와 관련하여 설명되는 모든 양태 및 실시형태는 동일한 힘을 가지고 본 실시형태에 적용되며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 플루오르화물 함유 쉘은 바륨으로 도핑될 수도 있거나(즉, 바륨 도핑 쉘을 만듦) 또는 임의의 가능한 2가 또는 4가 금속 양이온으로 도핑될 수 있다(즉, 2가 금속 양이온 도핑 쉘 또는 4가 금속 양이온 도핑 쉘을 만듦); 다시 말하면, 도핑은 바륨을 사용한 도핑으로 제한되지는 않는다.In some embodiments, the present disclosure relates to an electrochemically active structure comprising: a core comprising an active material and a fluoride-containing shell at least partially surrounding the active material, wherein the fluoride-containing shell comprises a first metal and a second Metal, and the first metal is a divalent or tetravalent metal cation. All aspects and embodiments described in connection with the above-described embodiment apply to this embodiment with the same force, and vice versa. The fluoride-containing shell may be doped with barium (i.e., make a barium doped shell) or can be doped with any possible divalent or tetravalent metal cations (i.e., divalent metal cation doped shell or tetravalent metal cation doped. Make a shell); In other words, doping is not limited to doping with barium.

"불활성 분위기"는 산소를 거의 함유하지 않거나 또는 전혀 함유하지 않으며, 반응하기 이전에 높은 임계치를 갖는 불활성 또는 비반응성 가스 또는 가스들을 포함하는 가스 혼합물을 지칭한다. 불활성 분위기는, 분자 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스, 또는 이들의 혼합물일 수도 있지만, 그러나, 이들로 제한되지는 않는다."Inert atmosphere" refers to a gas mixture that contains little or no oxygen and contains an inert or non-reactive gas or gases having a high threshold before reacting. The inert atmosphere may be, but is not limited to, an inert gas such as molecular nitrogen or argon, or a mixture thereof.

"환원제"는, 그 자신이 산화되는 동안 다른 재료의 환원을 야기하는 물질이다. 환원은 화학 종에 의한 전자(들)의 이득을 가리키고, 산화는 화학 종(chemical species)에 의한 전자(들)의 손실을 지칭한다.A “reducing agent” is a substance that causes the reduction of another material while itself being oxidized. Reduction refers to the gain of electron(s) by a chemical species, and oxidation refers to the loss of electron(s) by a chemical species.

"금속 염"은, 양이온(들)이 양으로 하전된 금속 이온(들)이고 음이온(들)이 음으로 하전된 이온(들)인 이온성 착물(ionic complex)이다. "양이온"은 양으로 하전된 이온을 지칭하고, "음이온"은 음으로 하전된 이온을 지칭한다. 본 개시에 따른 "금속 염"에서, 음이온은 임의의 음으로 하전된 화학 종일 수도 있다. 본 개시에 따른 금속 염 내의 금속은, 알칼리 금속 염, 알칼리 토금속 염, 전이 금속 염, 알루미늄 염, 또는 전이후 금속 염(post-transition metal salt), 및 그들의 수화물(hydrate)을 포함할 수도 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다.A “metal salt” is an ionic complex in which the cation(s) are positively charged metal ion(s) and the anion(s) are negatively charged ion(s). “Cationic” refers to positively charged ions, and “anionic” refers to negatively charged ions. In the “metal salt” according to the present disclosure, the anion may be any negatively charged chemical species. Metals in the metal salt according to the present disclosure may include alkali metal salts, alkaline earth metal salts, transition metal salts, aluminum salts, or post-transition metal salts, and hydrates thereof, However, it is not limited to these.

"알칼리 금속 염"은, 금속 이온이 알칼리 금속 이온이거나, 또는 원소 주기율표의 I 족의 금속, 예컨대 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 또는 프랑슘(francium)인 금속 염이다.An “alkali metal salt” is a metal salt in which the metal ion is an alkali metal ion or a metal of Group I of the periodic table of the elements, such as lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, or francium.

"알칼리 토금속 염"은, 금속 이온이 알칼리 토금속 이온이거나, 또는 원소 주기율표의 II 족 금속, 예컨대 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 또는 라듐인 금속 염이다.“Alkaline earth metal salt” is a metal salt wherein the metal ion is an alkaline earth metal ion, or a group II metal of the periodic table of the elements, such as beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, or radium.

"전이 금속 염"은, 금속 이온이 전이 금속 이온이거나, 또는 란탄족(lanthanide) 및 악티니드 계열(actinide series)을 비롯한, 원소 주기율표의 d 블록 내의 금속인 금속 염이다. 전이 금속 염은, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 테크네튬(technetium), 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 란타늄, 세륨, 프라세오디뮴(praseodymium), 네오디뮴, 프로메튬(promethium), 사마륨(samarium), 유로퓸(europium), 가돌리늄(gadolinium), 테르븀(terbium), 디스프로슘(dysprosium), 홀륨(holmium), 에르븀(erbium), 툴륨(thulium), 이테르븀(ytterbium), 루테튬(lutetium), 하프늄(hafnium), 탄탈룸(tantalum), 텅스텐, 레늄(rhenium), 오스뮴(osmium), 이리듐(iridium), 백금(platinum), 금, 수은, 악티늄(actinium), 토륨(thorium), 프로탁티늄(protactinium), 우라늄, 넵투늄(neptunium), 플루토늄, 아메리슘(americium), 퀴륨(curium), 버클륨(berkelium), 칼리포르늄(californium), 아인슈타이늄(einsteinium), 페르뮴(fermium), 멘델레븀(mendelevium), 노벨륨(nobelium), 및 로렌슘(lawrencium)의 염을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다.A “transition metal salt” is a metal salt in which the metal ion is a transition metal ion, or a metal in the d block of the periodic table of the elements, including lanthanide and actinide series. Transition metal salts are scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, cadmium, lanthanum, Cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium (thulium), ytterbium (lutetium), hafnium (hafnium), tantalum (tantalum), tungsten, rhenium (rhenium), osmium (osmium), iridium (iridium), platinum (platinum), gold, mercury, Actinium, thorium, protactinium, uranium, neptunium, plutonium, americium, curium, berkelium, californium, einsteinium einsteinium), fermium, mendelevium, nobelium, and salts of lawrencium.

"전이후 금속 염"은, 금속 이온이 전이 후 금속 이온, 예컨대 갈륨, 인듐, 주석, 탈륨, 납, 비스무트, 또는 폴로늄(polonium)인 금속 염이다."Post-transition metal salt" is a metal salt in which the metal ion is a post-transition metal ion, such as gallium, indium, tin, thallium, lead, bismuth, or polonium.

"할로겐화물 염"은, 음이온(들)이, 플루오르화물 이온(들), 염화물 이온(들), 브롬화물 이온(들), 요오드화물 이온(들)을 포함하는 그러나 이들로 제한되지는 않는 할로겐화물 이온(들)인 이온성 착물이다. "플루오르화물 염"은 음이온(들)이 플루오르화물 이온(들)인 이온성 착물이다. 본 개시에 따르면, 할로겐화물 염 또는 플루오르화물 염의 양이온은 임의의 양으로 하전된 화학 종일 수도 있다."Halide salt" means a halide in which the anion(s) includes, but is not limited to, fluoride ion(s), chloride ion(s), bromide ion(s), iodide ion(s). It is an ionic complex that is an ion(s). A “fluoride salt” is an ionic complex in which the anion(s) are fluoride ion(s). According to the present disclosure, the cation of the halide salt or fluoride salt may be any positively charged chemical species.

"금속 플루오르화물"은 양이온이 하나 이상의 금속 이온(들)이고 음이온(들)이 플루오르화물 이온(들)인 이온성 착물이다. 본 개시의 몇몇 양태에 따르면, 금속 염(들) 및 플루오르화물 염은 반응하여 금속 나노입자 코어 주위에 금속 플루오르화물 쉘을 생성한다. 유사하게, "금속 할로겐화물"은, 양이온이 하나 이상의 금속 이온(들)이고 음이온(들)이 할로겐화물 이온(들)인 이온성 착물이다.A “metal fluoride” is an ionic complex in which the cation is one or more metal ion(s) and the anion(s) is fluoride ion(s). According to some aspects of the present disclosure, the metal salt(s) and fluoride salt react to form a metal fluoride shell around the metal nanoparticle core. Similarly, a “metal halide” is an ionic complex in which the cation is one or more metal ion(s) and the anion(s) is halide ion(s).

"플루오르화물 함유" 염은, 음이온(들)이 플루오르화물 이온을 함유하지만 그러나 단독으로 플루오르화물인 것으로 제한되지는 않는 이온성 착물이다. 대신, "플루오르화물 함유" 염은, 음이온(들)이 다른 이온 또는 원자와의 착물에서 플루오르화물 그 자체를 함유하는 이온성 착물을 포함한다. 본 개시의 양태에서의 사용에 적절한 "플루오르화물 함유" 염은, 플루오르화물 염, 비금속 플루오로 음이온(non-metal fluoroanion), 예컨대 테트라플루오로보레이트 염(tetrafluoroborate salt) 및 헥사플루오로포스페이트 염(hexafluorophosphate salt), 및 옥시플루오르화물 염을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지는 않는, 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 공지되어 있는 것을 포함한다. 본 개시의 몇몇 양태에서, 플루오르화물 함유 염은 4차 암모늄 플루오르화물 및 플루오르화 유기 화합물(fluorinated organic compound)을 포함할 수도 있다. 본 개시의 몇몇 양태에 따르면, 금속 염 및 플루오르화물 함유 염은 반응하여 금속 나노입자 코어 주위에 플루오르화물 함유 쉘을 생성한다."Fluoride-containing" salts are ionic complexes in which the anion(s) contain fluoride ions, but are not limited to being fluorides by themselves. Instead, “fluoride-containing” salts include ionic complexes in which the anion(s) contains the fluoride itself in a complex with another ion or atom. "Fluoride-containing" salts suitable for use in aspects of the present disclosure include fluoride salts, non-metal fluoroanions such as tetrafluoroborate salts and hexafluorophosphate salts. , And oxyfluoride salts, including, but not limited to, those known to those of ordinary skill in the art. In some aspects of the present disclosure, the fluoride containing salt may include quaternary ammonium fluoride and a fluorinated organic compound. According to some aspects of the present disclosure, the metal salt and the fluoride-containing salt react to form a fluoride-containing shell around the metal nanoparticle core.

용어 "전극"은, 이온 및 전자가 전해질 및 외부 회로와 교환되는 전기 전도체를 지칭한다. "양의 전극" 및 "캐소드"는 본 설명에서 동의어적으로 사용되며 전기 화학 전지에서 더 높은(즉, 음의 전극보다 더 높은) 전극 전위를 갖는 전극을 지칭한다. "음의 전극" 및 "애노드"는 본 설명에서 동의어적으로 사용되며 전기 화학 전지에서 더 낮은(즉, 양의 전극보다 더 낮은) 전극 전위를 갖는 전극을 지칭한다. 캐소드 환원은 화학 종의 전자(들)의 이득을 가리키고, 애노드 산화는 화학 종의 전자(들)의 손실을 가리킨다. 본 발명의 양의 전극 및 음의 전극은, 박막 전극 구성과 같은 얇은 전극 설계를 포함하는, 전기 화학 및 배터리 과학의 분야에서 공지되어 있는 바와 같은 다양한 종류의 유용한 구성 및 폼팩터의 범위에서 제공될 수도 있다. 전극은, 예를 들면, 미국 특허 번호 제4,052,539호 및 Oxtoby 등등의, [Principles of Modern Chemistry(1999), pp. 401-443]에서 설명되는 바와 같은 것을 비롯한, 본 기술 분야에서 공지되어 있는 바와 같이 제조된다.The term “electrode” refers to an electrical conductor in which ions and electrons are exchanged with an electrolyte and an external circuit. “Positive electrode” and “cathode” are used synonymously in this description and refer to an electrode having a higher (ie, higher) electrode potential in an electrochemical cell. “Negative electrode” and “anode” are used synonymously in this description and refer to an electrode having a lower (ie, lower) electrode potential in an electrochemical cell. Cathodic reduction refers to the gain of the electron(s) of the chemical species, and anode oxidation refers to the loss of the electron(s) of the chemical species. The positive and negative electrodes of the present invention may be provided in a range of various types of useful configurations and form factors as known in the field of electrochemistry and battery science, including thin electrode designs such as thin film electrode configurations. have. Electrodes are, for example, US Patent No. 4,052,539 and Oxtoby et al., [Principles of Modern Chemistry (1999), pp. 401-443], including those described in the art.

용어 "전기 화학 전지"는, 화학 에너지를 전기 에너지로 또는 그 반대로 전환하는 디바이스 및/또는 디바이스 컴포넌트를 지칭한다. 전기 화학 전지는 두 개 이상의 전극(예를 들면, 양의 전극 및 음의 전극) 및 전해질을 갖는데, 여기서 전극 표면에서 발생하는 전극 반응은 전하 이동 프로세스를 초래한다. 전기 화학 전지는 1차 배터리, 2차 배터리, 및 전기 분해 시스템(electrolysis system)을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 일반적인 전지 및/또는 배터리 구성은 기술 분야에서 공지되어 있다(예를 들면, Oxtoby 등등의 [Principles of Modern Chemistry(1999), pp. 401-443]을 참조).The term “electrochemical cell” refers to a device and/or device component that converts chemical energy into electrical energy and vice versa. An electrochemical cell has two or more electrodes (eg, a positive electrode and a negative electrode) and an electrolyte, wherein the electrode reaction occurring at the electrode surface results in a charge transfer process. Electrochemical cells include, but are not limited to, primary batteries, secondary batteries, and electrolysis systems. General cells and/or battery configurations are known in the art (see, for example, Oxtoby et al., Principles of Modern Chemistry (1999), pp. 401-443).

"전해질"은, 고체 상태, 액체 상태(가장 흔함), 또는 더욱 드물게는 가스(예를 들면, 플라즈마)일 수 있는 이온성 전도체를 지칭한다.“Electrolyte” refers to an ionic conductor, which may be in a solid state, a liquid state (most common), or more rarely a gas (eg, plasma).

I. 금속 코어 및 금속 할로겐화물 또는 금속 옥시할로겐화물 쉘을 포함하는 코어-쉘 나노입자I. Core-shell nanoparticles comprising a metal core and a metal halide or metal oxyhalide shell

한 실시형태에서, 금속 할로겐화물 또는 금속 옥시할로겐화물 쉘에 의해 둘러싸이는 금속 코어를 포함하는 코어-쉘 나노입자가 제공된다.In one embodiment, core-shell nanoparticles are provided comprising a metal core surrounded by a metal halide or metal oxyhalide shell.

예시적인 예에서, 코어-쉘 나노입자는 F-셔틀 배터리와 같은 재충전 가능 배터리의 전극에 포함될 수도 있다. 예를 들면, 금속의 바람직하지 않은 산화 또는 용해로 이어지는 조건에 금속이 노출되기 때문에, F-셔틀 배터리의 전극에서 금속 나노입자를 사용하는 것은 어렵다. 따라서, 금속 나노입자의 소망되는 성능을 유지하면서, 금속 코어 나노입자를 전극의 환경으로부터 보호하도록 맞춤되는 할로겐화물 쉘이 제공된다. 비제한적인 예에서, 코어는 구리 금속을 포함할 수도 있고 쉘은 LaF3을 포함할 수도 있다. 다른 비제한적인 예에서, 코어는 구리 금속을 포함할 수도 있고, 쉘은 BaxLa1-xF3-x를 포함할 수도 있다.In an illustrative example, core-shell nanoparticles may be included in the electrodes of a rechargeable battery, such as an F-shuttle battery. For example, it is difficult to use metal nanoparticles in the electrodes of an F-shuttle battery because the metal is exposed to conditions leading to undesirable oxidation or melting of the metal. Thus, a halide shell is provided that is tailored to protect the metal core nanoparticles from the environment of the electrode, while maintaining the desired performance of the metal nanoparticles. In a non-limiting example, the core may comprise copper metal and the shell may comprise LaF 3 . In another non-limiting example, the core may comprise copper metal, and the shell may comprise Ba x La 1-x F 3-x .

코어-쉘 나노입자를 제조하는 방법은, 금속 나노입자 및 환원제를 포함하는 제1 혼합물을 제공하는 것, 및 제1 혼합물을, 하나 이상의 금속 염 및 할로겐화물 염을 포함하는 용액과 혼합하여 금속 나노입자 상에 금속 할로겐화물 또는 옥시할로겐화물 쉘을 형성하는 것을 포함할 수도 있다. 비제한적인 예에서, 용액은 금속 염 및 할로겐화물 염을 포함한다. 다른 비제한적인 예에서, 용액은 두 개의 금속 염 및 할로겐화물 염을 포함한다. 몇몇 그러한 예에서, 두 개의 금속 염 중 하나는 바륨 염이다. 다른 그러한 예에서, 두 개의 금속 염은 바륨 염 및 란타늄 염을 포함한다.A method of preparing core-shell nanoparticles includes providing a first mixture comprising metal nanoparticles and a reducing agent, and mixing the first mixture with a solution comprising one or more metal salts and halide salts to obtain metal nanoparticles. It may also include forming a metal halide or oxyhalide shell on the particles. In a non-limiting example, the solution includes a metal salt and a halide salt. In another non-limiting example, the solution includes two metal salts and halide salts. In some such examples, one of the two metal salts is a barium salt. In another such example, the two metal salts include a barium salt and a lanthanum salt.

I(a). 금속 코어의 합성 및 분리I(a). Synthesis and separation of metal cores

일반적으로, 금속 코어로서의 사용을 위한 금속 나노입자는 하나 이상의 안정화제의 존재 하에서 금속 염 용액을 환원제와 반응시키는 것에 의해 합성될 수도 있다. 예시적인 예에서, 금속 염 용액은 금속 염으로서 구리 (II) 질산염 헤미펜타하이드레이트(copper (II) nitrate hemipentahydrate)(Cu(NO3)2·2.5H2O)를 포함한다. 금속 염은 CTAB 및 물과 혼합되고, 혼합물의 pH는, 예를 들면, 암모늄 또는 나트륨 수산화물(sodium hydroxide)을 사용하여, 약 10 내지 11의 pH로 조정될 수도 있다.In general, metal nanoparticles for use as metal cores may also be synthesized by reacting a metal salt solution with a reducing agent in the presence of one or more stabilizers. In an illustrative example, the metal salt solution includes copper (II) nitrate hemipentahydrate (Cu(NO 3 ) 2 ·2.5H 2 O) as the metal salt. The metal salt is mixed with CTAB and water, and the pH of the mixture may be adjusted to a pH of about 10 to 11 using, for example, ammonium or sodium hydroxide.

금속 염 용액에 환원제의 첨가 이전에, 환원제는 하나 이상의 안정제 및 물과 혼합될 수도 있고, 금속 염 용액과 결합되기 이전에, 20 분과 같은 시간의 한 기간 동안 혼합될 수도 있다. 환원제는, 하이드라진(hydrazine), 나트륨 붕수소화물(sodium borohydride), 나트륨 시아노보로하이드라이드(sodium cyanoborohydride), 나트륨 이티온산염(sodium dithionate), 나트륨 아이티온산염(sodium dithionite), 철 (II) 황산염(iron (II) sulfate), 주석 (II) 염화물(tin (II) chloride), 칼륨 요오드화물(potassium iodide), 옥살산(oxalic acid), 포름산(formic acid), 아소코르브산(ascorbic acid), 티오설페이트 염(thiosulfate salt), 이티온산염 염(dithionate salt), 아인산(phosphorous acid), 아인산염 염(phosphite salt), 및 차아인산염 염(hypophosphite salt)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 바람직한 실시형태에서, 환원제는 하이드라진이다.Prior to addition of the reducing agent to the metal salt solution, the reducing agent may be mixed with one or more stabilizers and water, or before being combined with the metal salt solution, may be mixed for a period of time such as 20 minutes. The reducing agent is hydrazine, sodium borohydride, sodium cyanoborohydride, sodium dithionate, sodium dithionite, iron (II) sulfate (iron (II) sulfate), tin (II) chloride, potassium iodide, oxalic acid, formic acid, ascorbic acid, thio It is selected from the group consisting of a thiosulfate salt, a dithionate salt, a phosphorous acid, a phosphite salt, and a hypophosphite salt. In a preferred embodiment, the reducing agent is hydrazine.

금속 염 용액 및 환원제는 결합되어 금속 나노입자를 형성한다. 금속 나노입자의 합성은 산소가 없는 분위기에서 수행된다. 산소가 없는 분위기의 예시적인 예는, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 및 이들의 혼합물을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 합성에 후속하여, 금속 나노입자는 합성 용액으로부터 분리된다. 금속 나노입자를 분리하는 방법은 제한되지 않으며, 필터링, 디캔팅(decanting), 및 원심 분리와 같은 하나 이상의 기술을 포함할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 금속 나노입자는, 그 표면으로부터 임의의 잔류 안정화제 또는 다른 유기 재료를 제거하기 위해, 에탄올과 같은 용매로 1 회 이상 세정될 수도 있다.The metal salt solution and the reducing agent are combined to form metal nanoparticles. The synthesis of metal nanoparticles is carried out in an oxygen-free atmosphere. Illustrative examples of an oxygen-free atmosphere include, but are not limited to, nitrogen, argon, helium, hydrogen, and mixtures thereof. Following synthesis, the metal nanoparticles are separated from the synthesis solution. It is to be understood that the method of separating the metal nanoparticles is not limited and may include one or more techniques such as filtering, decanting, and centrifugation. The metal nanoparticles may be washed one or more times with a solvent such as ethanol to remove any residual stabilizers or other organic materials from their surface.

I(b) 쉘 형성I(b) shell formation

일반적으로, 분리된 금속 나노입자는 산소가 없는 분위기 하에서 추가적인 환원제를 함유하는 수용액에서 재분산될 수도 있다. 그 다음, 분리된 금속 나노입자 및 환원제를 함유하는 혼합물은, 산소가 없는 분위기 하에서, 금속 나노입자 코어 상에 금속 할로겐화물 쉘을 형성하기 위해 사용되는 금속 염 용액 및 할로겐화물 염 용액과 혼합된다. 쉘을 형성하기 위해 사용되는 금속 염 용액 및 플루오르화물 염 용액은 나노입자 혼합물에 순차적으로 첨가될 수도 있거나, 또는 쉘을 형성하기 위해 사용되는 금속 염 용액 및 플루오르화물 염 용액은 나노입자 혼합물에 동시에 첨가될 수도 있다. 몇몇 양태에서, 금속 염 용액은 단일의 금속 염을 포함한다. 다른 양태에서, 금속 염 용액은 두 개의 금속 염을 포함한다. 몇몇 그러한 양태에서, 금속 염 용액은 바륨 염을 포함한다. 몇몇 그러한 양태에서, 금속 염 용액은 바륨 염 및 란타늄 염을 포함한다. 몇몇 그러한 양태에서, 금속 염 용액은 질산바륨 및 질산란타늄을 포함한다. 몇몇 그러한 양태에서, 금속 염 용액은 질산바륨 및 질산란타늄을 약 1:10의 비율로 포함한다.In general, the separated metal nanoparticles may be redispersed in an aqueous solution containing an additional reducing agent in an oxygen-free atmosphere. Then, the mixture containing the separated metal nanoparticles and a reducing agent is mixed with a metal salt solution and a halide salt solution used to form a metal halide shell on the metal nanoparticle core in an oxygen-free atmosphere. The metal salt solution and fluoride salt solution used to form the shell may be sequentially added to the nanoparticle mixture, or the metal salt solution and fluoride salt solution used to form the shell may be added simultaneously to the nanoparticle mixture. have. In some embodiments, the metal salt solution comprises a single metal salt. In another embodiment, the metal salt solution comprises two metal salts. In some such embodiments, the metal salt solution includes a barium salt. In some such embodiments, the metal salt solution includes a barium salt and a lanthanum salt. In some such embodiments, the metal salt solution includes barium nitrate and lanthanum nitrate. In some such embodiments, the metal salt solution comprises barium nitrate and lanthanum nitrate in a ratio of about 1:10.

II "요크-쉘" 나노입자II "Yoke-Shell" nanoparticles

(i) 보호성의 플루오르화물 이온 전도성 코팅(i) protective fluoride ion conductive coating

유용한 보호 캡슐화 코팅은, 액체 FIB 전해질의 존재 하에서 화학적으로 그리고 전기 화학적으로 안정한 플루오르화물 이온 전도성 상(fluoride-ion conducting phase)을 포함한다. 그러한 상은 전해질과 활물질 사이에서 F-의 교환을 허용한다. 적절한 상은 기술 분야에서 공지되어 있고, 예를 들면, ["The CRC Handbook of Solid State Electrochemistry", Chapter 6 (CRC, 1997, P. J. Gellings 및 H. J. M. Bouwmeester, Eds.)], [Sorokin 및 Sobolev, Crystallography Reports 2007, 52, 5, 842-863], [Sobolev 등등., Crystallography Reports 2005, 50, 3, 478-485], 및 [Trnovcova 등등., Russian Journal of Electrochemistry, 2009, 45, 6, 630-639]에서 설명된다. 이들은, 예를 들면, 결정 상(crystalline phase), 예컨대 LaF3, CaF2, SnF2, PbF2, PbSnF4, 유사한 도핑된 및/또는 고용체 상(예를 들면, La0.9Ba0.1F2.9, Ca0.8Y0.2F2.2, Ca0.5Ba0.5F2, 및 Pb0.75Bi0.25F2.25), 유리 상(glassy phase) 예컨대 35InF3·30SnF2·35PbF2, 및 혼합된 플루오르화물/다른 음이온 상 예컨대 LaOF를 포함한다. 본 개시의 목적을 위해, 298K에서 10-10 S/cm를 초과하는 벌크 이온 전도도를 갖는, 전해질과 활물질 사이의 F-의 교환을 허용하는 임의의 재료 또는 상은 본 발명의 범위 내에 있다. 이들 상(phase)은, 표준 텍스트에서 이용 가능한 쉘 구성 성분 및 내부 종의 표준 산화 환원 전위를 고려하는 것에 의해 코팅 내에 함유되는 종의 반응에 필요한 전위에서 전기 화학적으로 안정하도록 선택되는 구성 성분과 함께 선택된다. 이와 관련하여 코팅 구성 성분의 선택의 더욱 상세한 논의는 도 1g의 예를 참조한다.Useful protective encapsulation coatings include a fluoride-ion conducting phase that is chemically and electrochemically stable in the presence of a liquid FIB electrolyte. Such a phase allows the exchange of F- between the electrolyte and the active material. Suitable phases are known in the art and are, for example, ["The CRC Handbook of Solid State Electrochemistry", Chapter 6 (CRC, 1997, PJ Gellings and HJM Bouwmeester, Eds.)], [Sorokin and Sobolev, Crystallography Reports 2007]. , 52, 5, 842-863], [Sobolev et al., Crystallography Reports 2005, 50, 3, 478-485], and [Trnovcova et al., Russian Journal of Electrochemistry, 2009, 45, 6, 630-639]. Is explained. These are, for example, a crystalline phase, such as LaF 3 , CaF 2 , SnF 2 , PbF 2 , PbSnF 4 , similar doped and/or solid solution phases (e.g. La 0.9 Ba 0.1 F 2.9 , Ca 0.8 Y 0.2 F 2.2 , Ca 0.5 Ba 0.5 F 2 , and Pb 0.75 Bi 0.25 F 2.25 ), glassy phase such as 35InF 3 30SnF 2 35PbF 2 , and mixed fluoride/other anionic phases such as LaOF do. For the purposes of this disclosure, any material or phase that allows the exchange of F- between the electrolyte and the active material, having a bulk ionic conductivity greater than 10-10 S/cm at 298K, is within the scope of the present invention. These phases, along with components selected to be electrochemically stable at the potential required for the reaction of the species contained in the coating by taking into account the standard redox potentials of the internal species and the shell components available in the standard text. Is selected. For a more detailed discussion of the selection of coating components in this regard, see the example of FIG. 1G.

대안적인 보호 코팅은, 플루오르화물 이온에 대해 전도성인 폴리머, 예를 들면, 붕산염 관능화 폴리머(boronate-functionalized polymer), 알킬암모늄 관능화 폴리머(alkylammonium-functionalized polymer), 또는 [Gorski 등등, Anal. Chim. Acta 2009, 633, 181-187] 및 [Gorski 등등, Anal. ChimActa 2010, 665,39-46]에서 설명되는 것과 같은 적절한 작용기를 특징으로 하는 것을 포함한다.Alternative protective coatings are polymers that are conductive to fluoride ions, for example borate-functionalized polymers, alkylammonium-functionalized polymers, or [Gorski et al., Anal. Chim. Acta 2009, 633, 181-187] and [Gorski et al., Anal. ChimActa 2010, 665,39-46].

보호 코팅의 두께는, 전기 화학 전지의 충전/방전이 298K 근처에서 적절한 동작 레이트(예를 들면, 1 시간 내에 전기 화학 전지에 저장되는 에너지의 완전한 충전 또는 방전에 대응하는 C 레이트)에서 달성될 수 있도록 하는 타임스케일 상에서 전해질과 활물질 사이의 F-의 교환이 발생하도록 선택되고, 코팅 재료 또는 상의 이온 전도도에 의존할 것이다. 예를 들면, LaF3 또는 BaxLa1-xF3-x의 코팅은 1 내지 200 nm 사이의 두께, 예컨대, 약 5 nm와 약 20 nm 사이의 두께, 또는 그 사이에서의 임의의 정수 또는 하위 범위인 것이 가장 유용하다. 더욱 일반적으로, 코팅 두께는 약 1 nm에서부터 약 1 ㎛까지일 수 있다.The thickness of the protective coating can be achieved at an appropriate operating rate (e.g., a C rate corresponding to complete charging or discharging of the energy stored in the electrochemical cell within 1 hour) at around 298 K for charging/discharging of the electrochemical cell. The F- exchange between the electrolyte and the active material is chosen to occur on a timescale that allows it to occur and will depend on the ionic conductivity of the coating material or phase. For example, a coating of LaF 3 or Ba x La 1-x F 3-x may have a thickness between 1 and 200 nm, such as between about 5 nm and about 20 nm, or any integer therebetween or It is most useful to be a subrange. More generally, the coating thickness can be from about 1 nm to about 1 μm.

코팅은 임의의 적절한 합성 방법에 의해 제조될 수 있다. 이들은, 플루오르화물 또는 그 구성 성분 프리커서를 함유하는 용액으로부터의 고체의 침전, 졸-겔 또는 다른 연질의 화학 재료 또는 "chimie douce(치미 도우스)" 방법, 열수 합성, 진공 방법 예컨대 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착, 스퍼터링, 레이저 애블레이션 및 분자 빔 에피택시, 전기 화학적 퇴적, 또는 플루오르 소스와의 반응에 의한 퇴적 이후의 재료의 플로오르화(fluorination)에 의한 코팅의 형성과 같은 용액 화학 재료 기술(solution chemistry technique)을 포함할 수도 있다. 예를 들면, LaF3 코팅의 제조를 위한 하나의 바람직한 방법은, 적절한 용매(예를 들면, 수중에서의 La(CH3COO)3 및 CF3COOH)에서 가용성 란타늄 및 플루오르 소스를 사용하는, [

Figure pct00002
및 Kemnitz, Dalton Trans., 2008, 1117-1127] 및 [Fujihara 등등, J. Ceram. Soc. Japan, 1998, 106, 124-126]에서 설명되는 것과 유사한 졸-겔 합성이다. 코팅은, 제조시, 옵션 사항으로, 소망에 따라, 어닐링 단계를 위해 공기 또는 Ar과 같은 불활성 가스 중 어느 하나에서 상승된 온도에 노출될 수도 있다. 예를 들면, 졸-겔법에 의해 제조되는 LaF3 코팅은, 코팅을 어닐링하고 용매와 같은 불순물의 제거를 보조하기 위해, 공기 중에서 500 ℃까지 가열될 수도 있다. 이러한 방식으로, 플루오르화물 전도성 코팅 상(fluoride-conducting coating phase)은, 프리커서 재료, 그들의 화학량론적 비율, 및 초기 반응후 어닐링 단계(post-initial reaction annealing step)를 조정하는 것에 의해 소망에 따라 합성될 수도 있다. LaF3 코팅의 이러한 졸-겔 합성은 또한, 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있는 방법에 의해, BaxLa1-xF3-x의 코팅을 제조하도록 수정될 수도 있다.The coating can be made by any suitable synthetic method. These include precipitation of solids from solutions containing fluorides or their constituent precursors, sol-gels or other soft chemical materials or "chimie douce" methods, hydrothermal synthesis, vacuum methods such as chemical vapor deposition, Solution chemical material technologies such as the formation of coatings by physical vapor deposition, sputtering, laser ablation and molecular beam epitaxy, electrochemical deposition, or fluorination of the material after deposition by reaction with a fluorine source. chemistry technique). For example, one preferred method for the preparation of a LaF 3 coating is using a soluble lanthanum and fluorine source in a suitable solvent (e.g., La(CH 3 COO) 3 and CF 3 COOH in water), [
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And Kemnitz, Dalton Trans., 2008, 1117-1127] and Fujihara et al., J. Ceram. Soc. Japan, 1998, 106, 124-126] is a sol-gel synthesis similar to that described. The coating may, in manufacturing, optionally, if desired, be exposed to elevated temperatures in either air or an inert gas such as Ar for the annealing step. For example, a LaF 3 coating prepared by the sol-gel method may be heated to 500° C. in air to anneal the coating and aid in the removal of impurities such as solvents. In this way, the fluoride-conducting coating phase can be synthesized as desired by adjusting the precursor materials, their stoichiometric ratios, and the post-initial reaction annealing step. May be. This sol-gel synthesis of LaF 3 coatings may also be modified to prepare coatings of Ba x La 1-x F 3-x , by methods known to those of ordinary skill in the art.

다른 예에서, LaF3 코팅은, 코어 재료의 나노입자가 현탁된 La(NO3)3 수용액에 NH4F를 천천히 첨가하는 것에 의해, 침전으로부터 획득될 수 있다. LaF3이 물에서 매우 불용성이므로, 그것의 결정화는 현탁된 나노입자의 표면 상에서 시작될 것이다. LaF3 코팅의 침전 합성은 또한, 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있는 방법에 의해, BaxLa1-xF3-x의 코팅을 제조하도록 수정될 수도 있다.In another example, the LaF 3 coating can be obtained from precipitation by slowly adding NH 4 F to an aqueous La(NO 3 ) 3 solution in which the nanoparticles of the core material are suspended. Since LaF 3 is very insoluble in water, its crystallization will begin on the surface of the suspended nanoparticles. The precipitation synthesis of the LaF 3 coating may also be modified to produce a coating of Ba x La 1-x F 3-x , by methods known to those of ordinary skill in the art.

대안적으로, 졸-겔 접근법을 사용하여 La2O3 코팅을 제조할 수 있고, F2 또는 HF를 사용한 포스트 플로오르화(post-fluorination)가 후속되어, 이 산화물의 상당한 부분을 LaOF 및/또는 LaF3로 전환할 수 있다. 이 졸-겔 접근법은 또한, 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있는 방법에 의해 BaxLa1-xF3-x의 코팅을 제조하기 위해 사용될 수도 있다.Alternatively, a La 2 O 3 coating can be prepared using a sol-gel approach, followed by post-fluorination with F 2 or HF, resulting in a significant portion of this oxide being LaOF and/or You can switch to LaF 3 . This sol-gel approach may also be used to prepare coatings of Ba x La 1-x F 3-x by methods known to those of ordinary skill in the art.

플루오르화물 전도성 봉지재 및/또는 코팅 상 및 재료는, 필요에 따라, 3 차원 구조체(예를 들면, 금속 또는 금속 플루오르화물 나노입자, 또는 나노입자의 집성물), 2차원 구조체(예를 들면, 금속 또는 금속 플루오르화물 박막), 또는 1차원 구조체(예를 들면, 금속 또는 금속 플루오르화물의 섬유 또는 튜브) 상에서 제조될 수도 있다. 유사하게, 플루오르화물 전도 상은, 제올라이트 또는 고도로 정렬된 형판 재료(templated material)와 같은 복잡한 마이크로 또는 메조포러스 구조체의 외부 및/또는 내부 표면 상에서 제조될 수도 있다. 이것은, MCM-41 또는 SBA-15와 같은 메조포러스 실리카, 또는 금속 유기 프레임워크 또는 유사한 배위 폴리머(coordination polymer)를 포함할 수 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다.The fluoride conductive encapsulant and/or coating phase and material may be a three-dimensional structure (e.g., metal or metal fluoride nanoparticles, or an aggregate of nanoparticles), a two-dimensional structure (e.g., metal or Metal fluoride thin film), or a one-dimensional structure (eg, fibers or tubes of metal or metal fluoride). Similarly, the fluoride conducting phase may be fabricated on the exterior and/or interior surfaces of complex micro or mesoporous structures, such as zeolites or highly ordered template materials. This may include, but is not limited to, mesoporous silica, such as MCM-41 or SBA-15, or a metal organic framework or similar coordination polymer.

(ii) 플루오르화물 이온 전도성 코팅 내에 캡슐화되는 활물질(ii) Active material encapsulated in fluoride ion conductive coating

유용한 구조체 및 조성물은, 금속과 금속 플루오르화물 상 사이의(또는, 더 낮은 원자가 금속 플루오르화물 종(MFm)과 더 높은 원자가 금속 플루오르화물 종(MFn) 사이의(여기서 동일한 금속(M)의 경우 n > m)) 볼륨 변화가 코팅 상 또는 재료의 파열 없이 전환시 수용되기에 충분한 공극 공간이 캡슐화 내에서 존재하도록 금속 또는 금속 플루오르화물이 (상기 (i)에 설명되는 바와 같은) 플루오르화물 이온 전도성 코팅 내에 캡슐화되는 것을 포함한다. 그러한 구조체 및 조성물은 플루오르화물 전도성 봉지재 내에 적합되도록 사이즈가 정해지는데, 소정의 경우, 최대 100 %의 캡슐화된 금속 원자가 적절한 금속 플루오르화물 상으로 전환되는 데 이용 가능한 적어도 충분한 공극 공간을 갖는다(예를 들면, 프로세스 Fe → FeF3의 경우, 표 1로부터, Fe의 시작 볼륨과 비교하여 적어도 211 %의 공극 공간이 필요로 된다. 다른 경우에, 변환의 정도는, 100 %의 변환이 달성되기에 충분한 공극 공간이 없는 경우에 사이클링 동안 봉지재가 파열되지 않도록 (예를 들면, 전압 한계 및/또는 충전/방전 용량을 제어하는 것에 의해) 전기 화학적으로 제어될 수도 있다. 또한, 플루오르화물 전도성 봉지재가 등각적이거나 또는 금속으로부터 금속 플루오르화물로의 전환을 완전히 수용하기에는 불충분한 공극 공간을 가지지만, 그러나, 봉지재의 파열 또는 균열 없이 연신 또는 수축에 적절한 유연성을 갖는 구조체 및 조성물이 또한 고려된다. 그러한 조성물은, 소망에 따라, 2차원(예를 들면, 필름-공극-코팅), 또는 3 차원(예를 들면, 나노입자-공극-코팅, 또는 금속-함침된 제올라이트-공극-코팅과 같은 더욱 복잡한 배열)일 수도 있다.Useful structures and compositions include between a metal and a metal fluoride phase (or between a lower valence metal fluoride species (MFm) and a higher valency metal fluoride species (MFn), where n> m for the same metal (M)). ) A metal or metal fluoride is encapsulated in a fluoride ion conductive coating (as described in (i) above) so that there is sufficient void space within the encapsulation to accommodate volume change upon conversion without rupture of the coating or material. do. Such structures and compositions are sized to fit within the fluoride conductive encapsulant, in some cases having at least sufficient void space available to convert up to 100% of the encapsulated metal atoms into the appropriate metal fluoride phase (e.g., In the case of the process Fe → FeF 3 , from Table 1, at least 211% of the void space is required compared to the starting volume of Fe. In other cases, the degree of conversion is sufficient void space to achieve 100% conversion. In the absence of this, it may be electrochemically controlled (eg, by controlling the voltage limit and/or charge/discharge capacity) so that the encapsulant does not burst during cycling.. Also, the fluoride conductive encapsulant is conformal or metallic or metallic. Structures and compositions are also contemplated that have insufficient void space to fully accommodate the conversion of from to metal fluoride, but with adequate flexibility for stretching or shrinking without rupture or cracking of the encapsulant, such compositions as desired. It may be two-dimensional (eg, film-void-coating), or three-dimensional (eg, nanoparticle-void-coating, or more complex arrangements such as metal-impregnated zeolite-void-coating).

여전히 다른 실시형태에서, 다수의 동심원적으로(concentrically) 배열된 봉지재가 고려된다. 각각의 동심원적으로 배열된 봉지재는 공극에 의해 분리될 수 있고, 동일한 또는 상이한 재료로 구성될 수도 있다. 동심원적으로 배열된 봉지재의 여전히 다른 실시형태에서, 활물질 및 (전해질과 접촉하는) 최외측 봉지재는, 플루오르화물 이온의 통과를 허용할 수 있고 최외측 봉지재를 파열하면서 사이클링시의 볼륨 변화를 치수적으로 수용할 수 있는 폴리머 또는 다른 가요성 재료에 의해 분리될 수도 있다.In still other embodiments, multiple concentrically arranged encapsulants are contemplated. Each concentrically arranged encapsulant may be separated by voids, and may be composed of the same or different materials. In still other embodiments of concentrically arranged encapsulants, the active material and the outermost encapsulant (in contact with the electrolyte) can allow the passage of fluoride ions and dimensional change in volume during cycling while rupturing the outermost encapsulant. It may be separated by a polymer or other flexible material that can be accommodated.

이해될 바와 같이, 봉지재 내에 완전히 둘러싸이며 그 내에 배치되는, 그러나 적어도 약간의 남아 있는 공극 공간 및/또는 압축성 비 활물질(예컨대, 폴리머)을 갖는 활물질은 "요크-쉘" 나노복합재 구조체로 칭해질 수 있다. 그러한 완전히 캡슐화된 구조체는 활물질 및 플루오르화물 전도성 봉지재의 다양한 조성 배열에 기초할 수 있다. 그러나, 플루오르화물 전도성 보호 코팅에 의해 부분적으로만 둘러싸이는 활물질을 포함하는 다른 배열도 또한 고려된다. 그러한 구조체는, 이온 수송을 허용하기 위해 플루오르화물 전도성 재료로 코팅되는 하나 이상의 면(side)을 갖는 활물질을 함유하는 이차원 또는 삼차원의 비 플루오르화물 전도성 지지 구조체(예를 들면, 필름, 개방 면 전지(open sided cell), 튜브, 또는 등등)를 포함할 수도 있다. 그러한 지지 구조체는, 지지 구조체 또는 봉지재를 파열시키지 않으면서 사이클링시의 볼륨 변화를 수용하기 위해, 공극 공간 또는 치수적으로 유연한 폴리머 또는 다른 재료를 포함할 수 있다.As will be appreciated, an active material completely enclosed within and disposed within the encapsulant, but having at least some remaining void space and/or a compressible non-active material (eg, polymer) will be referred to as a “yoke-shell” nanocomposite structure. I can. Such fully encapsulated structures can be based on various compositional arrangements of active material and fluoride conductive encapsulant. However, other arrangements are also contemplated including an active material that is only partially surrounded by a fluoride conductive protective coating. Such a structure may be a two-dimensional or three-dimensional non-fluoride conductive support structure (e.g., film, open sided cell) containing an active material having one or more sides coated with a fluoride conductive material to allow ion transport. cell), tube, or the like). Such support structures may include void spaces or dimensionally flexible polymers or other materials to accommodate volume changes during cycling without breaking the support structure or encapsulant.

"요크-쉘" 나노복합재 구조체에 대한 일반적인 제조 전략은 [Lou 등등, Adv. Mater., 2008, 20, 3987-4019]에서 설명된다. 논의되는 금속 "요크" 재료는 일반적으로 Au인데, 이것은 FIB 전기 화학 전지에 대해 유용한 활물질인 것으로 간주되지 않는다. 마찬가지로, 설명되는 "쉘" 재료는 종종 SiO2인데, 이것은 유용한 플루오르화물 이온 전도성 재료로 간주되지 않는다. 따라서, FIB 전기 화학 전지에서 유용한 "요크-쉘" 나노복합재에 대한 적절한 제조 전략이 하기에서 개략적으로 나타내어진다. 이들은 예시적인 것으로 의도되며 본 발명을 제한하지는 않는다. 소정의 예에서, Cu 금속 또는 CuF2는 활물질 "요크"의 예로서 사용되며 LaF3은 봉지재 또는 "쉘" 재료의 예로서 사용되며; 전기 화학적 반응시 플루오르화물 이온을 수용하거나 또는 방출할 수 있는 임의의 재료가 "요크"를 구성하도록 구상될 수 있고 전해질과 활물질 사이에서 F-의 교환을 허용하는 임의의 상 또는 재료가 봉지재 또는 쉘을 구성하도록 구상될 수 있기 때문에, 이전과 같이, 이들은 본 발명을 제한하지 않는다. 소정의 실시형태에서, 활물질은 직경이 1 미크론 미만이고, 가장 유용하게는, 활물질 "요크"는 직경이 1 nm와 500 nm 사이이고 봉지재는 두께가 2 nm에서부터 100 nm까지이다.Typical fabrication strategies for "yoke-shell" nanocomposite structures are described in [Lou et al., Adv. Mater., 2008, 20, 3987-4019. The metal “yoke” material discussed is generally Au, which is not considered to be a useful active material for FIB electrochemical cells. Likewise, the “shell” material described is often SiO 2 , which is not considered a useful fluoride ion conductive material. Thus, a suitable fabrication strategy for "yoke-shell" nanocomposites useful in FIB electrochemical cells is schematically shown below. These are intended to be exemplary and do not limit the invention. In certain examples, Cu metal or CuF 2 is used as an example of an active material “yoke” and LaF 3 is used as an example of an encapsulant or “shell” material; Any material capable of accepting or releasing fluoride ions during an electrochemical reaction can be envisioned to constitute a "yoke" and any phase or material that allows the exchange of F- between the electrolyte and the active material is an encapsulant or shell. Since it can be conceived to constitute, as before, they do not limit the invention. In certain embodiments, the active material is less than 1 micron in diameter, most usefully, the active material “yoke” is between 1 nm and 500 nm in diameter and the encapsulant is from 2 nm to 100 nm in thickness.

도 1b는 SiO2와 같은 희생 무기 "중간" 층을 사용하는 일반적인 경로를 개략적으로 나타낸다. 예를 들면, Cu 나노입자는, 나트륨 구연산염(sodium citrate) 및/또는 계면활성제(예를 들면, 세틸트리메틸암모늄 브롬화물(cetyltrimethylammonium bromide))와 같은 안정화 및/또는 배위 종의 존재 하에서 하이드라진 또는 유사한 환원제를 사용한 Cu2+ 이온의 용액의 환원에 의해 제조될 수 있다. 아미노프로필트리메톡시실란(aminopropyltrimethoxysilane), APTS, (또는 분자의 한 부분이 Cu 표면에 배위되고, 다른 부분이 외부 환경에 반응성 실리콘 모이어티(moiety)를 제공하도록 하는 다른 적절한 이작용성(bifunctional) 종)과 같은 표면 개질용 리간드(surface-modifying ligand)에 대한 Cu 나노입자의 노출 및 적절한 조건(예를 들면, 스퇴버(

Figure pct00003
) 합성 또는 졸-겔 반응) 하에서 테트라에틸오르쏘실리케이트(tetraethylorthosilicate; TEOS) 또는 나트륨 실리케이트(sodium silicate) 용액(물 유리)과 같은 가수 분해성 실리카 소스의 후속하는 첨가는, SiO2에 의한 Cu 나노입자의 등각적인 코팅으로 나타난다. SiO2 층의 두께(및, 그러므로, 결과적으로 나타나는 공극 공간)는 사용되는 SiO2 프리커서의 양 및 반응 조건의 수정에 의해 제어될 수 있다. 그 다음, SiO2 코팅된 Cu 나노입자는 (옵션 사항으로 Lutensol(루텐솔) AO와 같은 계면활성제의 존재 하에서) 졸-겔 반응에 의해 LaF3의 외부 층으로 코팅되는데, 그에 의해 이 코팅의 두께는 사용되는 LaF3 프리커서의 양 및 반응 조건에 의해 수정될 수 있다. 이 단계는 중간 Cu@SiO2 재료의 분리 및/또는 정제 이후에 행해질 수 있거나, 또는 SiO2 층의 형성 이후에 동일한 반응 혼합물에서 수행될 수 있다. 결과적으로 나타나는 Cu@SiO2@LaF3 복합재는, 옵션 사항으로, 어닐링 단계를 겪을 수도 있고, 및/또는 SiO2 층은, 그 다음, 적절한 조건 하에서 NaOH 또는 HF와 같은 SiO2에천트 재료에 대한 복합재의 노출에 의해 제거되어 Cu@LaF3 "요크 쉘" 조성물을 제공한다. 이 재료는 후속하여, 옵션 사항으로 Cu 표면을 정제하기 위한 H2와 같은 환원제의 존재 하에서, 최종 어닐링 단계를 겪을 수도 있다.1b schematically shows a typical route using a sacrificial inorganic "intermediate" layer such as SiO 2 . For example, Cu nanoparticles may contain hydrazine or similar reducing agents in the presence of stabilizing and/or coordination species such as sodium citrate and/or surfactants (e.g., cetyltrimethylammonium bromide). It can be prepared by reduction of a solution of Cu 2+ ions using. Aminopropyltrimethoxysilane, APTS, (or other suitable bifunctional species such that one part of the molecule is coordinated to the Cu surface and the other part provides a reactive silicone moiety to the external environment. Exposure of Cu nanoparticles to a surface-modifying ligand such as) and appropriate conditions (e.g., Stauber (
Figure pct00003
) Under synthesis or sol-gel reaction), the subsequent addition of a hydrolyzable silica source such as tetraethylorthosilicate (TEOS) or sodium silicate solution (water glass), Cu nanoparticles by SiO 2 Appears as a conformal coating of. The thickness of the SiO 2 layer (and, therefore, the resulting void space) can be controlled by modification of the reaction conditions and the amount of SiO 2 precursor used. Then, SiO 2 coated Cu nanoparticles are coated with an outer layer of LaF 3 by a sol-gel reaction (optionally in the presence of a surfactant such as Lutensol AO), whereby the thickness of this coating Can be modified by the amount of LaF 3 precursor used and the reaction conditions. This step can be done after separation and/or purification of the intermediate Cu@SiO 2 material, or can be carried out in the same reaction mixture after formation of the SiO 2 layer. The resulting Cu@SiO 2 @LaF 3 composite may, optionally, undergo an annealing step, and/or the SiO 2 layer, then, under appropriate conditions, to a SiO 2 etchant material such as NaOH or HF. It is removed by exposure of the composite to provide a Cu@LaF 3 "yoke shell" composition. This material may subsequently undergo a final annealing step, optionally in the presence of a reducing agent such as H 2 to purify the Cu surface.

도 1d는 희생 폴리머 "중간" 층을 사용하는 유사한 경로를 설명한다. 예를 들면, Cu 나노입자는, 폴리머 쉘에 의해, 아미노-(amino-), 히드록실-(hydroxyl-), 카르복실레이트(carboxylate) 또는 다른 이온화 가능한 작용기(예컨대 폴리(아크릴산)(poly(acrylic acid)), 폴리(에틸렌이민)(poly(ethyleneimine)), 폴리(비닐 알코올)(poly(vinyl alcohol)), 폴리(스티렌 술포네이트)(poly(styrene sulfonate)), 단백질, 다당류(polysaccharide), 또는 젤라틴)를 특징으로 하는 폴리머 또는 공중합체의 존재 하에서 Cu 나노입자의 형성에 의해, 또는 적절하게 개질된 Cu 나노입자의 표면으로부터의 폴리머의 성장(예를 들면, 원자 이동 라디칼 중합(atom transfer radical polymerization)에 의해 11-아미노운데실 2-브로모이소부틸레이트 관능화 표면(11-aminoundecyl 2-bromoisobutyrate functionalized surface)으로부터 성장되는 폴리(스티렌 술포네이트))에 의해 배위된다. 폴리머 층의 두께(및 결과적으로 나타나는 공극 공간)는 폴리머 농도 및/또는 분자량에 의해 제어될 수 있다. 졸-겔 반응에 의해 이 Cu@폴리머 나노복합재의 외부 주위에서 LaF3의 쉘이 성장되어, Cu@폴리머@LaF3 나노복합재를 제공한다. 그 다음, 폴리머 층은, (공기 중 또는 Ar과 같은 불활성 기체 하에서) 상승된 온도에서의 분해 또는 적절한 용매(예를 들면, 톨루엔, 디클로로메탄(dichloromethane) 또는 아세톤)에서의 용해에 의해 제거되어 소망되는 Cu@LaF3 "요크-쉘" 조성물을 제공한다. 이 재료는 후속하여, 옵션 사항으로 Cu 표면을 정제하기 위한 H2와 같은 환원제의 존재 하에서, 최종 어닐링 단계를 겪을 수도 있다. 대안적으로, [McDonald 및 Devon, Adv. Colloid. Interf. Sci., 2002, 99, 181-213]에서 설명되는 중공의(hollow) 라텍스 타입 입자와 같은 폴리머 코어-쉘 아키텍쳐가 템플릿으로서 활용될 수도 있는데, 이 경우, Cu 나노입자는 (미리 형성된 중공의 라텍스 입자에 대한 Cu 나노입자의 노출 또는 이온화 가능한 예비 폴리머 또는 공중합체에 대한 용액 중의 Cu 이온의 배위 중 어느 하나에 의해, 후속하여, Cu 나노입자를 제공하는 Cu 이온의 환원 및, 그 다음, 예를 들면, 용매 제거를 통한 중공의 구조체의 생성에 의해) 포획되고, 필요에 따라, LaF3 쉘의 성장, 폴리머의 제거 및 어닐링이 후속되어, Cu@LaF3 "요크-쉘" 조성물을 생성한다.1D illustrates a similar route using a sacrificial polymer “intermediate” layer. For example, Cu nanoparticles are, by means of a polymer shell, amino-(amino-), hydroxyl-(hydroxyl-), carboxylate or other ionizable functional groups (such as poly(acrylic acid)). acid)), poly(ethyleneimine)), poly(vinyl alcohol)), poly(styrene sulfonate)), protein, polysaccharide, Or by formation of Cu nanoparticles in the presence of a polymer or copolymer characterized by gelatin), or by growth of a polymer from the surface of appropriately modified Cu nanoparticles (e.g., atom transfer radical polymerization) polymerization) by poly(styrene sulfonate) grown from an 11-aminoundecyl 2-bromoisobutyrate functionalized surface. The thickness of the polymer layer (and the resulting void space) can be controlled by the polymer concentration and/or molecular weight. Sol - it is the shell of the LaF 3 growing around the outside of the Cu @ polymer nanocomposites by gel reaction, and provides a Cu @ 3 @LaF polymer nanocomposites. The polymer layer is then removed by decomposition at elevated temperatures (in air or under an inert gas such as Ar) or dissolution in a suitable solvent (e.g., toluene, dichloromethane or acetone) to the desired Cu@LaF 3 "yoke-shell" composition is provided. This material may subsequently undergo a final annealing step, optionally in the presence of a reducing agent such as H 2 to purify the Cu surface. Alternatively, [McDonald and Devon, Adv. Colloid. Interf. Sci., 2002, 99, 181-213], a polymer core-shell architecture such as hollow latex-type particles may be used as a template. In this case, Cu nanoparticles are (preformed hollow latex By either exposure of Cu nanoparticles to the particles or coordination of Cu ions in solution to an ionizable prepolymer or copolymer, subsequent reduction of Cu ions to provide Cu nanoparticles, and then, for example, For example, it is captured) by the creation of a hollow structure through solvent removal, and if necessary, growth of the LaF 3 shell, removal of the polymer and annealing are followed, resulting in a Cu@LaF 3 "yoke-shell" composition.

도 1d는 희생 "중간" 층이 없는 경우의 대안적 경로를 나타낸다. 예를 들면, Cu 나노입자는 LaF3의 외부 층이 졸-겔 반응에 의해 성장되어 Cu@LaF3 "코어-쉘" 복합재 - 이것은 그 다음, 옵션 사항으로, 후속하여 어닐링 단계를 겪을 수도 있음 - 를 제공하기 이전에, 적절한 표면 개질용 리간드(예를 들면, 11-아미노운데칸산(aminoundecanoic acid), AUDA)를 사용하여 처리된다. 반응 조건(예를 들면, 에천트 농도, 온도, 반응 시간)에 대한 제어를 통해 가능하게 되는 적절한 에천트(예를 들면, KCN, HCl/H2O2 또는 FeCl3; 아주 다양한 금속 및 화합물에 대한 적절한 에천트는 ["The CRC Handbook of Metal Etchants" (CRC, 1990, P. Walker 및 W. H. Tarn eds.)]에서 주어지고, "쉘" 재료에 영향을 끼치지 않도록 선택될 수도 있음)를 사용한 Cu "코어"의 부분적인 에칭은 Cu@LaF3 입자에서 공극 공간을 생성하여, "요크-쉘" Cu@LaF3 조성물을 제공한다. 이 재료는 후속하여, 옵션 사항으로 Cu 표면을 정제하기 위한 H2와 같은 환원제의 존재 하에서, 최종 어닐링 단계를 겪을 수도 있다.Figure 1d shows an alternative route without the sacrificial "intermediate" layer. For example, Cu nanoparticles are Cu@LaF 3 "core-shell" composites where the outer layer of LaF 3 is grown by a sol-gel reaction-which may then, optionally, undergo an annealing step subsequently- Prior to providing, it is treated with a suitable surface-modifying ligand (eg 11-aminoundecanoic acid, AUDA). Appropriate etchants (e.g. KCN, HCl/H 2 O 2 or FeCl 3 ; for a wide variety of metals and compounds, which are made possible by controlling the reaction conditions (e.g., etchant concentration, temperature, reaction time)) Appropriate etchants for Cu are given in ["The CRC Handbook of Metal Etchants" (CRC, 1990, P. Walker and WH Tarn eds.), and may be chosen so as not to affect the "shell" material). Partial etching of the “core” creates void spaces in the Cu@LaF 3 particles, giving a “Yoke-shell” Cu@LaF 3 composition. This material may subsequently undergo a final annealing step, optionally in the presence of a reducing agent such as H 2 to purify the Cu surface.

도 1e는, 활물질의 나노입자가 "희생" 재료(여기서, 그것은 제거되는 가장 안쪽 재료임)의 표면 상에서 성장되는 상기 설명되는 "희생" 합성물에 대한 변화를 묘사한다. 예를 들면, 하나 이상의 Cu 나노입자는 아미노 관능화 폴리(스티렌)(amino-functionalized poly(styrene)) 또는 SiO2 입자의 표면 상에서 성장된다. 결과적으로 나타나는 복합 재료는 적절한 Cu 표면 개질용 리간드(예를 들면, AUDA)를 사용하여 처리되고, 그 이후, LaF3의 외부 층은 졸-겔 반응에 의해 성장된다. 가장 안쪽 재료는 열분해, 에칭 또는 용해에 의해 제거되어, 하나 이상의 Cu 나노입자를 특징으로 하는 "요크-쉘" Cu@LaF3 조성물로 나타난다. 이 재료는, 후속하여, 옵션 사항으로, Cu 표면(들)을 정제하기 위한, 옵션 사항으로, Cu 나노입자를 집성하기 위한 H2와 같은 환원제의 존재 하에서, 최종 어닐링 단계를 겪을 수도 있다.1E depicts a change to the above-described "sacrificial" composition in which nanoparticles of an active material are grown on the surface of a "sacrificial" material (where it is the innermost material to be removed). For example, one or more Cu nanoparticles are grown on the surface of amino-functionalized poly(styrene) or SiO 2 particles. The resulting composite material is treated with an appropriate Cu surface modification ligand (eg AUDA), after which the outer layer of LaF 3 is grown by a sol-gel reaction. The innermost material is removed by pyrolysis, etching or dissolution, resulting in a "yoke-shell" Cu@LaF 3 composition characterized by one or more Cu nanoparticles. This material may subsequently undergo a final annealing step, optionally in the presence of a reducing agent such as H 2 to purify the Cu surface(s) and, optionally, to aggregate the Cu nanoparticles.

도 1f는, 활물질이 미리 형성된 "희생" 재료의 내부 구조체 또는 기공에서 성장되는 대안적인 전략을 개략적으로 나타낸다. 예를 들면, Cu 나노입자는 중공의 SiO2 나노스피어 내부에서 성장될 수도 있다(가능한 합성 접근법에 대해서는, [Hah 등등, Chem. Commun., 2004, 1012-1013] 참조). 그 다음, 이들 Cu@SiO2 "코어-쉘" 나노복합재는 (옵션 사항으로 Lutensol AO와 같은 계면활성제의 존재 하에서) 졸-겔 반응에 의해 LaF3의 외부 층으로 코팅되는데, 그에 의해 이 코팅의 두께는 사용되는 LaF3 프리커서의 양 및 반응 조건에 의해 수정될 수 있다. 결과적으로 나타나는 Cu@SiO2@LaF3 복합재는, 옵션 사항으로, 어닐링 단계를 겪을 수도 있고, 및/또는 SiO2 층은, 그 다음, 적절한 조건 하에서 NaOH 또는 HF와 같은 SiO2에천트 재료에 대한 복합재의 노출에 의해 제거되어 Cu@LaF3 "요크 쉘" 조성물을 제공한다. 이 재료는 후속하여, 옵션 사항으로 Cu 표면을 정제하기 위한 H2와 같은 환원제의 존재 하에서, 최종 어닐링 단계를 겪을 수도 있다. 관련된 합성에서, 제올라이트와 같은 마이크로 또는 메조포러스 재료는, Cu 나노입자 형성을 위한 "템플릿"으로서 사용될 수도 있고, 유사한 양식의 후속하는 Cu@LaF3 "요크-쉘" 생성이 이어진다.1F schematically depicts an alternative strategy in which the active material is grown in pores or internal structures of preformed “sacrificial” material. For example, Cu nanoparticles may be grown inside hollow SiO 2 nanospheres (for possible synthetic approaches, see [Hah et al., Chem. Commun., 2004, 1012-1013]). Then, these Cu@SiO 2 "core-shell" nanocomposites are coated with an outer layer of LaF 3 by a sol-gel reaction (optionally in the presence of a surfactant such as Lutensol AO), thereby The thickness can be modified by the amount of LaF 3 precursor used and the reaction conditions. The resulting Cu@SiO 2 @LaF 3 composite may, optionally, undergo an annealing step, and/or the SiO 2 layer, then, under appropriate conditions, to a SiO 2 etchant material such as NaOH or HF. It is removed by exposure of the composite to provide a Cu@LaF 3 "yoke shell" composition. This material may subsequently undergo a final annealing step, optionally in the presence of a reducing agent such as H 2 to purify the Cu surface. In a related synthesis, micro or mesoporous materials, such as zeolites, may be used as "templates" for Cu nanoparticle formation, followed by the subsequent Cu@LaF 3 "yoke-shell" generation of a similar pattern.

도 1g는 또한, 고도로 전기적 양성인 금속(highly-electropositive metal) 또는 CaF2와 같은 그것의 금속 플루오르화물이 적절한 용매에서 폴리(스티렌)-폴리(아크릴산) 라텍스 공중합체(poly(styrene)-poly(acrylic acid) latex copolymer)와 같은 중공의 재료의 내부 공간 내에서 성장되는 유사한 대안적인 전략을 묘사한다. 이들 폴리머 캡슐화 CaF2 나노 결정은, 그 다음, CaF2 대 Ca의 전환 전위(Li+/Li와 대비하여 ~ 0.2 V)에서 그 자신이 감소되지 않도록 적절한 전기 화학적 안정성을 갖는 플루오르화물 이온 전도성 재료의 외부 층으로 코팅된다. 적절한 보호 재료의 예는, 보호 쉘 내의 Ca2+ 및 Ba2+ 이온이 쉘 내의 CaF2 입자의 전환 반응 동안 실질적으로 감소되지 않는 CaxBayF2(x + y = 1)와 같은 고용체를 포함하고; 대조적으로, 전기적으로 덜 양성인 금속 원소(예를 들면, LaF3)를 특징으로 하는 쉘 그 자체는 내부 CaF2 입자보다 우선적으로 감소될 것이다. 결과적으로 나타나는 CaF2@폴리머@CaxBayF2 복합재는, 옵션 사항으로, 어닐링 단계를 거칠 수도 있고, 및/또는, 그 다음, 폴리머 층은, 폴리머를 제거하는 적절한 용매 에천트 재료 또는 고온에 대한 복합재의 노출에 의해 제거되어 CaF2@CaxBayF2 "요크-쉘" 조성물을 제공한다.Figure 1G also shows that a highly-electropositive metal or its metal fluoride such as CaF 2 is a poly(styrene)-poly(acrylic acid) latex copolymer in a suitable solvent. ) depicts a similar alternative strategy for growing within the interior space of hollow materials such as latex copolymer). These polymeric encapsulated CaF 2 nanocrystals are then formed into an outer layer of fluoride ion conducting material with adequate electrochemical stability so that it does not decrease itself at the conversion potential of CaF 2 to Ca (~0.2 V versus Li+/Li). Is coated with. An example of a suitable protective material is a solid solution such as Ca x Ba y F 2 (x + y = 1) in which the Ca 2+ and Ba 2+ ions in the protective shell are not substantially reduced during the conversion reaction of the CaF 2 particles in the shell. Including; In contrast, the shell itself, characterized by an electrically less positive metal element (eg LaF 3 ), will be preferentially reduced over the inner CaF 2 particles. The resulting CaF 2 @polymer@Ca x Ba y F 2 composite may, optionally, be subjected to an annealing step, and/or, then, the polymer layer, a suitable solvent etchant material or high temperature to remove the polymer. It is removed by exposure of the composite to the CaF 2 @Ca x Ba y F 2 "yoke-shell" composition.

전해질, 바인더, 첨가제, 세퍼레이터(separator), 배터리 케이싱 또는 패키징, 집전체, 전기 접점, 전자 충전 및 방전 컨트롤러, 및 기술 분야의 숙련된 자에게 공지되어 있는 배터리 구성의 다른 엘리먼트와 함께, 설명된 캡슐화 활물질 및/또는 요크-쉘 나노복합재 전극을 사용하면, 섭씨 -40 도에서부터 200 도까지의 범위에 이르는 온도에서 동작 가능한 유용한 리튬이 없는(lithium-free) 전기 화학 전지를 생성할 수 있다. 그러한 전기 화학 전지는 방전 동안 실질적으로 비가역적인 전기 화학 반응을 가질 수 있어서, 갈바니 전지(galvanic cell) 또는 일차 배터리를 형성하는 데 그들을 적합하게 만들 수 있다. 대안적으로, 전기 화학 반응을 갖는 소정의 구조체 및 조성물은 전하의 인가를 통해 적어도 부분적으로 가역적이고, 이차(재충전 가능한) 배터리가 형성될 수 있다.Encapsulation described, along with electrolytes, binders, additives, separators, battery casings or packaging, current collectors, electrical contacts, electronic charge and discharge controllers, and other elements of battery construction known to those skilled in the art. Using active material and/or yoke-shell nanocomposite electrodes, it is possible to create useful lithium-free electrochemical cells operable at temperatures ranging from -40 degrees Celsius to 200 degrees Celsius. Such electrochemical cells may have substantially irreversible electrochemical reactions during discharge, making them suitable for forming galvanic cells or primary batteries. Alternatively, certain structures and compositions having an electrochemical reaction are at least partially reversible through the application of an electric charge, and secondary (rechargeable) batteries can be formed.

소정의 실시형태에서, FIB 배터리 시스템에 대해 적절한 전해질은 플루오르화물 염 및 플루오르화물 염이 적어도 부분적으로 용해된 상태로 존재하는 용매를 포함할 수 있다. 플루오르화물 염은 금속 플루오르화물 또는 비금속 플루오르화물일 수 있다. 용매는 유기 액체 또는 이온성 액체, 또는 그 둘의 혼합물일 수 있다. 다른 실시형태에서, FIB 배터리 시스템에 대해 적절한 전해질은, 플루오르화물 염, 폴리머 및, 옵션 사항으로, 유기 액체, 이온성 액체, 또는 그 둘의 혼합물을 함유하는 복합 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은, 그 개시가 참조에 의해 본원에 통합되는 발명의 명칭이 "Fluoride Ion Battery Compositions"인 미국 특허 제9,166,249호에서 개시되는 플루오르화물 염 및 용매의 조합을 포함할 수 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다.In certain embodiments, an electrolyte suitable for the FIB battery system may include a fluoride salt and a solvent in which the fluoride salt is at least partially dissolved. The fluoride salt can be a metal fluoride or a non-metal fluoride. The solvent may be an organic liquid or an ionic liquid, or a mixture of both. In another embodiment, an electrolyte suitable for a FIB battery system may include a composite electrolyte containing a fluoride salt, a polymer, and, optionally, an organic liquid, an ionic liquid, or a mixture of the two. Electrolytes may include, but are not limited to, combinations of fluoride salts and solvents disclosed in U.S. Patent No. 9,166,249 entitled "Fluoride Ion Battery Compositions," the disclosure of which is incorporated herein by reference. Does not.

예를 들면, FIB 시스템에 대해 적절한 액체 전해질 염은 플루오르화물 음이온과 조합하는 착물 양이온(complex cation)을 함유할 수도 있다. 양이온은, 알킬암모늄(alkylammmonium), 알킬포스포늄(alkylphosphonium) 또는 알킬술포늄(alkylsulfonium) 종과 같은 유기기(organic group)를 특징으로 할 수도 있거나, 또는 메탈로세늄(metallocenium) 종과 같은 금속 유기 또는 금속 배위 착물 모티프로 구성될 수도 있다. 그러한 액체 전해질 염에 유용한 용매는, 상기 언급된 플루오르화물 염을 0.01 M 이상의 몰 농도로, 바람직하게는 0.1과 3 M 사이인 농도로 용해할 수 있는 비수성 용매(여기서는 "유기"로 표기됨)를 포함할 수도 있다. 그러한 용매의 예는, 아세톤, 아세토니트릴, 벤조니트릴, 4-플루오로벤조니트릴, 펜타플루오로벤조니트릴, 트리에틸아민(triethylamine; TEA), 디이소프로필에틸아민, 1,2-디메톡시에탄, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate; PC), γ-부티로 락톤, 디메틸 카보네이트, 디에틸카보네이트(diethyl carbonate; DEC), 메틸 에틸 카보네이트, 프로필 메틸 카보네이트, 테트라하이드로푸란, 2-메틸테트라하이드로푸란, 니트로메탄, 벤젠, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로메탄, 1,2-디클로로에탄, 디메틸술폭사이드, 술포란, N,N-디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF), N,N-디메틸아세트아미드(dimethylacetamide; DMA), 이황화 탄소, 에틸 아세테이트, 메틸 부티레이트, n-프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 메틸 포름산염, 4-메틸-1,3,-디옥 솔란, 피리딘, 메틸 이소부틸 케톤, 메틸 에틸 케톤, 헥사메틸포스포르아미드, 헥사메틸포스포러스 트리아미드, 1메틸-2-피롤리디논, 2-메톡시에틸 아세테이트, 트리메틸 보레이트, 트리에틸보레이트 및 이들의 치환 유도체, 뿐만 아니라 에틸메틸술폰, 트리메틸렌술폰, 1-메틸트리메틸렌 술폰, 에틸-sec-부틸 술폰, 에틸 이소프로필 술폰(ethyl isopropyl sulfone; EIPS), 3,3,3-트리플루오로프로필메틸 술폰, 2,2,2-트리플루오로에틸 술폰, 비스(2,2,2-트리플루오로에틸)에테르(bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether; BTFE), 글라임(glyme)(예를 들면, 디글라임, 테트라글라임), 1,2-디메톡시에탄(dimethoxyethane; DME) 및 이들의 혼합물을 포함한다. 소정의 실시형태에서, 실온의 이온성 액체 재료, 또는 섭씨 200 도 미만의 온도에서 액체를 유지하는 이온성 액체(예컨대, ["Electrochemical Aspects of Ionic Liquids", E. Ohno ed., Wiley Interscience, New York, 2005]에서 설명되는 것)가 선호된다. 이들은 1-메틸, 1-프로파일피페리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(1-methyl,1-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide; MPPTFSI), 부틸트리메틸암모늄 비스(트리플루오로메탄 술포닐)이미드(butyltrimethylammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide; BTMATFSI) 및 1-부틸,1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(1-butyl,1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide; BMPTFSI) 및 그들의 플루오로알킬포스페이트(fluoroalkylphosphate; FAP) 음이온 유도체(예를 들면, MPPFAP)(여기서 FAP는 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트와 같은 소수성 음이온임)와 같은 섭씨 100 도 미만의 온도에서 액체로 유지되는 이온성 액체를 포함할 수 있는데, 이들 모두는 단독을 또는 조합하여 유용한 용매이다.For example, liquid electrolyte salts suitable for FIB systems may contain complex cations that combine with fluoride anions. The cation may be characterized by an organic group such as an alkylammonium, alkylphosphonium or alkylsulfonium species, or a metal organic such as metallocenium species. Or it may be composed of a metal coordination complex motif. Solvents useful for such liquid electrolyte salts include non-aqueous solvents (referred herein as "organic") capable of dissolving the above-mentioned fluoride salts in a molar concentration of 0.01 M or more, preferably between 0.1 and 3 M. It can also be included. Examples of such solvents include acetone, acetonitrile, benzonitrile, 4-fluorobenzonitrile, pentafluorobenzonitrile, triethylamine (TEA), diisopropylethylamine, 1,2-dimethoxyethane, Ethylene carbonate, propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate, propyl methyl carbonate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, Nitromethane, benzene, toluene, chloroform, dichloromethane, 1,2-dichloroethane, dimethylsulfoxide, sulfolane, N,N-dimethylformamide (DMF), N,N-dimethylacetamide (DMA) ), carbon disulfide, ethyl acetate, methyl butyrate, n-propyl acetate, methyl propionate, methyl formate, 4-methyl-1,3,-dioxolane, pyridine, methyl isobutyl ketone, methyl ethyl ketone, hexamethyl Phosphoramide, hexamethylphosphorus triamide, 1methyl-2-pyrrolidinone, 2-methoxyethyl acetate, trimethyl borate, triethylborate and substituted derivatives thereof, as well as ethylmethylsulfone, trimethylenesulfone, 1 -Methyltrimethylene sulfone, ethyl-sec-butyl sulfone, ethyl isopropyl sulfone (EIPS), 3,3,3-trifluoropropylmethyl sulfone, 2,2,2-trifluoroethyl sulfone, Bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE), glyme (e.g., diglyme, tetraglyme), 1, 2-dimethoxyethane (DME) and mixtures thereof. In certain embodiments, an ionic liquid material at room temperature, or an ionic liquid that holds the liquid at a temperature of less than 200 degrees Celsius (eg, ["Electrochemical Aspects of Ionic Liquids", E. Ohno ed., Wiley Interscience, New) York, 2005] is preferred. These are 1-methyl,1-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide; MPPTFSI), butyltrimethylammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide. )Imide (butyltrimethylammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide; BTMATFSI) and 1-butyl,1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide; BMPTFSI ) And their fluoroalkylphosphate (FAP) anionic derivatives (e.g. MPPFAP), where FAP is a hydrophobic anion such as tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate). Ionic liquids that remain liquid in, all of which alone or in combination are useful solvents.

소정의 다른 실시형태에서, FIB 배터리 시스템에 대해 적절한 전해질은, 음이온 수용체와 같은 플루오르화물 이온 착화 종(complexing species), 크라운 에테르와 같은 양이온 착화 종, 또는 양자의 조합을 첨가한 상기에서 개시되는 조성물을 포함할 수 있다. 적절한 음이온 수용체는, 플루오르화물 음이온 예컨대 붕소, 알루미늄, 암모늄, H-결합 공여체 또는 유사한 기, 이를테면 [McBreen 등등, J. Power Sources, 2000, 89, 163 및 West 등등., J. Electrochem. Soc., 154, A929 (2007)]에서 설명되는 것과 같은 아자 에테르 및 알킬 및 아릴 붕소 및 붕산염 착물을 결합할 수 있는 종, 및 [Nair 등등., J. Phys. Chem. A, 113, 5918 (2009)]에서 설명되는 것과 같은 보록신(boroxin) 종을 포함하는데, 이들 두 문헌 모두는 참조에 의해 본원에 통합된다. 특히 트리스(헥사플루오로이소프로필)보레이트, 트리스(펜타플루오로페닐)보란 및 디플루오로페닐보록신(difluorophenyl boroxin; DFB), 트리플루오로페닐보록신, 비스(트리플루오로메틸)페닐 보록신, 트리 플루오로 메틸)페닐 보록신 및 플루오로(트리플루오로메틸)페닐 보록신의 모든 가능한 레지오이성질체(regioisomer)가 사용될 수 있다.In certain other embodiments, an electrolyte suitable for the FIB battery system comprises a composition disclosed above with the addition of a fluoride ion complexing species such as an anion acceptor, a cation complexing species such as a crown ether, or a combination of both. Can include. Suitable anion acceptors include fluoride anions such as boron, aluminum, ammonium, H-bond donors or similar groups, such as McBreen et al., J. Power Sources, 2000, 89, 163 and West et al., J. Electrochem. Soc., 154, A929 (2007)] and species capable of binding aza ethers and alkyl and aryl boron and borate complexes, and [Nair et al., J. Phys. Chem. A, 113, 5918 (2009)], both of which are incorporated herein by reference. In particular, tris (hexafluoroisopropyl) borate, tris (pentafluorophenyl) borane and difluorophenyl boroxin (DFB), trifluorophenyl boroxin, bis (trifluoromethyl) phenyl boroxin , Trifluoromethyl)phenyl boroxine and all possible regioisomers of fluoro(trifluoromethyl)phenyl boroxine may be used.

인식될 바와 같이, 플루오르화물 이온 배터리는, 차량 견인 배터리(전기 자동차(electric vehicle; EV), 하이브리드 자동차(hybrid vehicle; HEV), 및 플러그인 하이브리드(plug-in hybrid; PHEV)) 또는 자동차 스타터 또는 점화 배터리를 포함하는 그러나 이들로 제한되지는 않는 광범위한 일차 또는 재충전 가능한 애플리케이션에 대해 적합하다. FIB 시스템은 비상 전력, 로컬 에너지 저장소, 스타터 또는 점화, 원격 중계국, 통신 기지국, 무정전 전력 공급기(uninterruptible power supply; UPS), 운전 예비력(spinning reserve), 피크 쉐이빙(peak shaving), 또는 부하 평준화, 또는 다른 전기 그리드 전기 저장 또는 최적화 애플리케이션에 대해 유용한 고정식 배터리일 수 있다. 손전등, 장난감, 전동 공구, 휴대용 라디오 및 텔레비전, 이동 전화, 캠코더, 랩탑, 태블릿 또는 핸드헬드 컴퓨터, 휴대용 계기, 코드리스 디바이스, 무선 주변 장치, 또는 비상 비컨과 같은 다른 휴대용 애플리케이션과 마찬가지로, 손목시계 배터리, 이식된 의료 디바이스 배터리, 또는 감지 및 모니터링 시스템 배터리(기스 또는 전기 계량기를 포함함)를 포함하는 소형 포맷 또는 소형 배터리 애플리케이션이 고려된다. 위성, 탄약, 로봇, 무인 항공기에서의 또는 군사 비상 전력 또는 통신을 위한 사용을 비롯한, 군사 또는 극한 환경의 애플리케이션도 또한 가능하다.As will be appreciated, a fluoride ion battery is a vehicle traction battery (electric vehicle (EV), hybrid vehicle (HEV), and plug-in hybrid (PHEV)) or vehicle starter or ignition battery. It is suitable for a wide range of primary or rechargeable applications, including but not limited to. FIB systems include emergency power, local energy storage, starters or ignitions, remote relay stations, communication base stations, uninterruptible power supplies (UPS), spinning reserves, peak shaving, or load leveling, or It may be a stationary battery useful for other electrical grid electricity storage or optimization applications. Like other portable applications such as flashlights, toys, power tools, portable radios and televisions, mobile phones, camcorders, laptops, tablets or handheld computers, portable instruments, cordless devices, wireless peripherals, or emergency beacons, watch batteries, Small format or small battery applications are contemplated including implanted medical device batteries, or sensing and monitoring system batteries (including gas or electricity meters). Applications in military or extreme environments are also possible, including use in satellites, ammunition, robots, unmanned aerial vehicles or for military emergency power or communications.

III(c) 비교예 1 및 실험예 1III(c) Comparative Example 1 and Experimental Example 1

비교예 1에서, 구리 나노입자가 쉘 없이 제조되어 분석되었다. 먼저, Cu(NO3)2·2.5H2O의 2 mmol 및 1.87 mmol CTAB를 실온의 75 ml 물에 용해되었고, 0.5 ml NH4OH(수중 28 내지 30 중량% NH3, 14.8M)가 첨가되어 pH를 약 10 내지 11로 조정하였다. 아르곤 하에서 물(75 ml)에 하이드라진(50 내지 60 % 시약 등급의 3 ml), CTAB(1.87 mmol), 및 시트르산(0.38 mmol)을 함유하는 용액을 제조하였고, 구리질산(copper nitrate) 용액을 첨가하기 이전에 약 20 분 동안 혼합하였다. 구리 나노입자 성장을 최대화하기 위해, 반응 혼합물을 1.5 시간 동안 교반하였다. 결과적으로 나타나는 구리 나노입자(~ 50 nm)를 분리하고 세정하였다. 구체적으로, 반응 합성 혼합물은 원심 분리되고, 디캔팅되고, 에탄올과 혼합되고 초음파 처리되었다. 도 3은 제조시의 구리 나노입자의 X 선 회절(XRD) 스펙트럼을 도시한다. 세 개의 피크가 보이는데, 모두 Cu(°2θ): 43.0, 50.5, 및 74.0에 대응한다. 그러나, 공기에 대한 노출시, Cu는 Cu2O로 산화되는데, 이것은 적어도 4 일 일찍 형성되기 시작하고 9 일 이후의 주요 생성물이다. 이것은, Cu2O에 대응하는, 29.5, 42.3, 61.3 및 73.5(°2θ)에서 새로운 피크의 외관을 도시하는 도 4에서 예시된다.In Comparative Example 1, copper nanoparticles were prepared and analyzed without a shell. First, 2 mmol of Cu(NO 3 )2·2.5H 2 O and 1.87 mmol CTAB were dissolved in 75 ml water at room temperature, and 0.5 ml NH 4 OH (28 to 30 wt% NH 3 in water , 14.8M) was added. The pH was adjusted to about 10-11. A solution containing hydrazine (50-60% reagent grade 3 ml), CTAB (1.87 mmol), and citric acid (0.38 mmol) in water (75 ml) under argon was prepared, and a solution of copper nitrate was added. Mix for about 20 minutes before following. To maximize copper nanoparticle growth, the reaction mixture was stirred for 1.5 hours. The resulting copper nanoparticles (~ 50 nm) were separated and washed. Specifically, the reaction synthesis mixture was centrifuged, decanted, mixed with ethanol and sonicated. 3 shows an X-ray diffraction (XRD) spectrum of copper nanoparticles during preparation. Three peaks are visible, all corresponding to Cu (°2θ): 43.0, 50.5, and 74.0. However, upon exposure to air, Cu is oxidized to Cu 2 O, which starts to form at least 4 days early and is the main product after 9 days. This is illustrated in Fig. 4 showing the appearance of the new peaks at 29.5, 42.3, 61.3 and 73.5 (°2θ), corresponding to Cu 2 O.

실험예 1에서, 란타늄 플루오르화물(Cu/LaF3)을 포함하는 쉘로 코팅되는 구리 나노입자를 포함하는 코어를 포함한 코어-쉘 나노입자가 본 개시에 따라 제조되었다. ~ 50 nm 구리 나노입자는 비교예 1과 동일한 방법을 사용하여 제조되었지만, 그러나 구리 나노입자의 분리 및 세정에 후속하여 아르곤 분위기 하에서 3 ml의 하이드라진(50-60 % 시약 등급의 3 ml)과 함께 물에서 재분산되었다. 물, 구리 나노입자, 및 하이드라진의 혼합물에 대해, La(NO3)3·6H2O 용액(15 ml H2O 중 1 mmol) 및 NaF의 용액(15 ml H2O 중 1 mmol)이 첨가되었다. 반응 혼합물은 10 분 동안 교반되었고, 그 다음, 원심분리되었다.In Experimental Example 1, core-shell nanoparticles including a core including copper nanoparticles coated with a shell containing lanthanum fluoride (Cu/LaF 3 ) were prepared according to the present disclosure. ~50 nm copper nanoparticles were prepared using the same method as in Comparative Example 1, but with 3 ml of hydrazine (3 ml of 50-60% reagent grade) under an argon atmosphere following separation and washing of the copper nanoparticles. Redispersed in water. For a mixture of water, copper nanoparticles, and hydrazine, a solution of La(NO 3 ) 3 ·6H 2 O (1 mmol in 15 ml H 2 O) and a solution of NaF (1 mmol in 15 ml H 2 O) is added. Became. The reaction mixture was stirred for 10 minutes and then centrifuged.

침전물은 원심분리기에 의해 분리되었고 XRD에 의해 분석되었다. 합성시의 코어-쉘 나노입자의 XRD 스펙트럼은 도 5에서 도시된다. XRD 스펙트럼은 5 개의 피크(°2θ): 25.0(LaF3), 28.0(LaF3), 43.5(Cu), 50.4(Cu), 74.0(Cu)를 나타낸다. 도 6은 9 일, 16 일, 및 23 일 동안 공기에 대한 노출시의 코어-쉘 나노입자의 적층된 XRD 스펙트럼을 도시한다. 비교예 1과는 대조적으로, 스펙트럼 변화는 관찰되지 않았다. 도 7a 및 도 7b는 합성시의 코어-쉘 나노입자의 TEM 이미지를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 구리 나노입자 코어는 LaF3 쉘로 덮여 있다. 쉘은 약 0.30 나노미터의 두께를 갖는다. 도 8a 내지 도 8c는 합성시의 코어-쉘 나노입자의 고해상도 TEM 이미지를 도시한다. 중앙의 검은 색 영역은 구리 코어에 대응하고 주변의 검은 색 및 백색 영역은 LaF3 쉘에 대응한다. 도면은 LaF3 쉘로 직접적으로 코팅되는 구리 코어의 균일한 피복을 도시한다.The precipitate was separated by centrifuge and analyzed by XRD. The XRD spectrum of the core-shell nanoparticles during synthesis is shown in FIG. 5. The XRD spectrum shows five peaks (°2θ): 25.0 (LaF 3 ), 28.0 (LaF 3 ), 43.5 (Cu), 50.4 (Cu), and 74.0 (Cu). 6 shows stacked XRD spectra of core-shell nanoparticles upon exposure to air for 9, 16, and 23 days. In contrast to Comparative Example 1, no spectral change was observed. 7A and 7B show TEM images of core-shell nanoparticles during synthesis. As shown, the copper nanoparticle core is covered with a LaF 3 shell. The shell is about 0.30 nanometers thick. 8A to 8C show high-resolution TEM images of core-shell nanoparticles during synthesis. The black area in the center corresponds to the copper core, and the black and white areas around it correspond to the LaF 3 shell. The figure shows a uniform coating of a copper core coated directly with a LaF 3 shell.

따라서, 실험예 1에서 합성되는 코어-쉘 나노입자는 기저의 금속 코어를 보호할 수 있는 쉘을 제공한다. 그러한 코어-쉘 나노입자는, 동작 조건이 금속 코어를 용해, 산화, 또는 다르게는 오염시키는 애플리케이션에 대해 유용하다. 예시적인 예는 배터리 전극 재료로서 코어-쉘 나노입자의 사용을 포함한다.Therefore, the core-shell nanoparticles synthesized in Experimental Example 1 provide a shell capable of protecting the underlying metal core. Such core-shell nanoparticles are useful for applications where operating conditions dissolve, oxidize, or otherwise contaminate the metal core. Illustrative examples include the use of core-shell nanoparticles as battery electrode materials.

도 9에서 도시되는 바와 같은 비제한적인 예에서, 실험예 1의 코어-쉘 나노입자는 F-셔틀 배터리의 음극 전극(애노드)에서 활물질로서 포함될 수도 있다. LaF3 쉘은 구리 코어를 보호하여, 구리 코어가 용해되지 않고 활물질로 동작하는 것을 허용한다. 도 10a 및 도 10b에서 도시되는 바와 같이, 실험예 1의 코어-쉘 나노입자는 애노드에서 활물질로서 테스트되었다. 애노드는 코어-쉘 나노입자, 도전제(conductive agent)(수퍼 P 카본(super P carbon)), 및 PVdF 바인더를 8: 1: 1의 비율로 포함하였다.In a non-limiting example as shown in FIG. 9, the core-shell nanoparticles of Experimental Example 1 may be included as an active material in the negative electrode (anode) of the F-shuttle battery. The LaF 3 shell protects the copper core, allowing the copper core to not dissolve and act as an active material. As shown in FIGS. 10A and 10B, the core-shell nanoparticles of Experimental Example 1 were tested as an active material in the anode. The anode contained core-shell nanoparticles, a conductive agent (super P carbon), and a PVdF binder in a ratio of 8:1:1.

비교예 2Comparative Example 2

란타늄 플루오르화물(Cu/LaF3)을 포함하는 쉘로 직접적으로 코팅된 구리 나노입자를 포함하는 코어를 포함하는 코어-쉘 나노입자를 제조하려는 시도가 이루어졌다. La(NO3)3·6H2O 대신 1 mmol의 LaCl3·7H2O가 사용된 것을 제외하면, 비교예 2는 실험예 1과 동일하게 수행되었다.Attempts have been made to prepare core-shell nanoparticles comprising a core comprising copper nanoparticles coated directly with a shell comprising lanthanum fluoride (Cu/LaF 3 ). Comparative Example 2 was performed in the same manner as in Experimental Example 1, except that 1 mmol of LaCl 3 7H 2 O was used instead of La(NO 3 ) 3 ·6H 2 O.

비교예 2에서의 합성시의 나노입자의 XRD 스펙트럼이 도 11에서 도시된다. XRD 스펙트럼은 5 개의 피크(°2θ): 24.5(LaF3), 27.6(LaF3), 43.6(Cu), 50.5(Cu), 74.1(Cu)를 나타낸다. 따라서, Cu는 LaCl3과 NaF의 반응의 과정 동안 남아 있다.The XRD spectrum of the nanoparticles synthesized in Comparative Example 2 is shown in FIG. 11. The XRD spectrum shows five peaks (°2θ): 24.5 (LaF 3 ), 27.6 (LaF 3 ), 43.6 (Cu), 50.5 (Cu), and 74.1 (Cu). Thus, Cu remains during the course of the reaction of LaCl 3 and NaF.

그러나, 비교예 2의 코어-쉘 나노입자의 노출에 이어지는 Cu의 산화는, 쉘이 올바르게 형성되지 않았다는 것을 나타내었다. 도 12는 8 일, 15 일, 및 22일 동안 공기에 대한 노출시의 비교예 2에서 합성되는 나노입자의 적층된 XRD 스펙트럼을 도시한다. 8일(°2θ)에서 시작하는 추가적인 피크가 관찰된다: 35.4, 36.4, 38.8, 42.5, 44.8, 48.7, 52.3, 61.5, 73.5. 적어도 36.4, 42.5, 61.5, 및 73.5도(°2θ)에서의 피크는 Cu2O 형성과 일치한다. Cu와 일치하는 43.6, 50.5 및 74.1도(°2θ)에서의 피크는 또한 강도가 감소하였다. 도 13에서 도시되는 바와 같이, TEM 이미지는, LaF3에 의한 Cu 나노입자의 불균일한 부분적인 피복, 뿐만 아니라 Cu 나노입자와 관련되지 않는 LaF3를 도시한다. 따라서, LaCl3·7H2O로 제조되는 쉘은, Cu 코어를, Cu 코어를 용해할 수도 있는 전기 화학 전지의 환경에 노출되게 남겨 둘 것이기 때문에, 바람직한 코어-쉘 조성물로 나타나지 않는다. 또한, Cu 나노입자와 관련되지 않는 LaF3은, 혼합물을 통합하는 임의의 시스템의 전체 효율성을 감소시킬 것이다.However, the oxidation of Cu following exposure of the core-shell nanoparticles of Comparative Example 2 indicated that the shell was not formed correctly. 12 shows stacked XRD spectra of nanoparticles synthesized in Comparative Example 2 upon exposure to air for 8 days, 15 days, and 22 days. Additional peaks starting at day 8 (°2θ) are observed: 35.4, 36.4, 38.8, 42.5, 44.8, 48.7, 52.3, 61.5, 73.5. Peaks at at least 36.4, 42.5, 61.5, and 73.5 degrees (°2θ) are consistent with Cu 2 O formation. The peaks at 43.6, 50.5 and 74.1 degrees (°2θ) consistent with Cu also decreased in intensity. As shown in Fig. 13, the TEM image shows a non-uniform partial coating of Cu nanoparticles by LaF 3 , as well as LaF 3 not related to the Cu nanoparticles. Thus, a shell made of LaCl 3 ·7H 2 O does not appear to be a preferred core-shell composition because it will leave the Cu core exposed to the environment of an electrochemical cell that may dissolve the Cu core. In addition, LaF 3 , which is not associated with Cu nanoparticles, will reduce the overall efficiency of any system incorporating the mixture.

적층된 박막 전극 연구Study of stacked thin film electrodes

코어 및 쉘 재료는 또한 박막 전극 구성에서 연구될 수도 있다. 간단히 말하면, 구리는 1 mm 두께의 유리질 탄소 기판 상으로 약 80 nm의 두께로 스퍼터링되었다. Cu 막의 형성 이후, LaF3가 Cu 층 상으로 5 nm 미만의 두께까지 스퍼터링되어, 이중층 박막을 형성하였다; 비교 목적을 위해, LaF3 코팅이 없는 단일의 층의 Cu 박막이 또한 제조되었다. 기준 전극으로서 1-메틸-1-프로필피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(1-methyl-1-propylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide; MPPyTFSI) 및 0.01 M AgOTf에 침지된 Ag 와이어 및 카운터 전극으로서 Pt 와이어를 가지며, 전해질로서 MPPyTFSI에서 0.1M 테트라메틸암모늄 플루오르화물(tetramethylammonium fluoride; TMAF)을 사용하는 세 개의 전극 전지 구성에서 박막을 연구하였다. Ag/Ag+와 대비하여 -2.4 V에서부터 -0.7 V까지의 범위에서 순환 전압전류가 측정되었다. 수분 및 산소가 없는 글러브 박스에서 평가가 수행되었다.Core and shell materials can also be studied in thin film electrode configurations. Briefly, copper was sputtered to a thickness of about 80 nm onto a 1 mm thick glassy carbon substrate. After the formation of the Cu film, LaF 3 was sputtered onto the Cu layer to a thickness of less than 5 nm, forming a double layer thin film; For comparison purposes, a single layer of Cu thin film without a LaF 3 coating was also prepared. Ag wire immersed in 1-methyl-1-propylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (MPPyTFSI) and 0.01 M AgOTf as a reference electrode, and A thin film was studied in a three-electrode cell configuration using a Pt wire as a counter electrode and 0.1M tetramethylammonium fluoride (TMAF) in MPPyTFSI as an electrolyte. In contrast to Ag/Ag + , cyclic voltage current was measured in the range from -2.4 V to -0.7 V. The evaluation was performed in a glove box free of moisture and oxygen.

획득되는 순환 전압전류곡선은 도 14에서 도시된다. 이중층의 박막의 경우, 측정되는 애노드 피크는 캐소드 피크와 대칭적이고, ICP-MS에 의해 전해질에서 구리 이온이 검출되지 않았다. 이들 결과는 나중에 LaF3 층으로부터 Cu로의 플루오르화물 이온의 가역적 수송을 나타낸다. 대조적으로, 단일 층의 Cu 박막에 대해 획득되는 순환 전압전류곡선은 비대칭이다. 애노드 전류는 캐소드 전류를 초과하는데, 애노드 반응 동안의 Cu의 용해를 나타낸다. ICP-MS 데이터는 이것을 확인하는데, 전해질에서 5 ppm Cu를 나타낸다.The obtained cyclic voltammetry curve is shown in FIG. 14. In the case of a bilayer thin film, the measured anode peak was symmetrical with the cathode peak, and no copper ions were detected in the electrolyte by ICP-MS. These results later indicate the reversible transport of fluoride ions from the LaF 3 layer to Cu. In contrast, the cyclic voltammetry curve obtained for a single layer of Cu thin film is asymmetric. The anode current exceeds the cathode current, indicating the dissolution of Cu during the anode reaction. The ICP-MS data confirm this, indicating 5 ppm Cu in the electrolyte.

Cu-LaF3 이중층 박막 전극은 또한, 초기에 그리고 도 15a에 나타내어지는 전압에서의 플로오르화 이후에, XPS에 의해 연구되었다. 초기 시점(도 15a에서 1)은 퇴적시에 연구되었다. 그 다음, 전위는 OCV(Ag/Ag+와 대비하여 약 -1.5 V)로부터 -0.8 V로 스윕되었고, 1 시간 동안 유지되었다. 플로오르화 반응 이후, XPS 깊이 프로파일링 분석을 위해 전극의 샘플이 채취되었다.The Cu-LaF 3 bilayer thin film electrode was also studied by XPS initially and after fluorination at the voltage shown in Fig. 15A. The initial time point (1 in Figure 15A) was studied at the time of deposition. The potential was then swept from OCV (about -1.5 V versus Ag/Ag + ) to -0.8 V and held for 1 hour. After the fluorination reaction, samples of the electrodes were taken for XPS depth profiling analysis.

초기 XPS 스펙트럼(도 15b)에서, 표면은 Cu보다 더 많은 La 및 F를 함유한다. 플로오르화 이후, 플루오르화물 이온은 초기 XPS 스펙트럼에서 보다 더 깊은 깊이에서 더 높은 레벨에서 검출될 수 있다; 초기 스펙트럼에서, 플루오르화물 레벨은 깊이가 증가함에 따라 더욱 급격히 떨어졌다. 종합적으로, XPS 데이터는 플루오르화물 이온이 구리 층으로 침투할 수 있다는 것을 나타낸다. 따라서, 환원 이후, 플루오르화물 이온은 Cu 코어로 확산될 수 있다.In the initial XPS spectrum (Fig. 15B), the surface contains more La and F than Cu. After fluorination, fluoride ions can be detected at higher levels at deeper depths than in the initial XPS spectrum; In the initial spectrum, fluoride levels fell more rapidly with increasing depth. Overall, XPS data indicate that fluoride ions can penetrate into the copper layer. Thus, after reduction, fluoride ions can diffuse into the Cu core.

예 3Example 3

화학식 Cu@BaxLa1-xF3-x의 쉘을 갖는 코어-쉘 나노입자가 도 16에서 개략적으로 도시된다; Cu@LaF3이 비교를 위해 포함된다. 초기에, 구리 나노입자 코어는 직경이 최대 약 50 nm일 수도 있고 LaF3 또는 BaxLa1-xF3-x 코팅은 약 5 nm 두께일 수도 있다. 배터리 충전 동안 Cu 코어 상에 형성되는 CuF2 층은 Cu@LaF3 나노입자에서 약 3 nm의 두께로 성장될 수 있다. 그러나, Ba를 LaF3 쉘로 도핑하는 것에 의해, CuF2 층은 더 큰 두께로 성장될 수 있다.Core-shell nanoparticles with shells of the formula Cu@Ba x La 1-x F 3-x are schematically shown in FIG. 16; Cu@LaF 3 is included for comparison. Initially, the copper nanoparticle core may be up to about 50 nm in diameter and the LaF 3 or Ba x La 1-x F 3-x coating may be about 5 nm thick. The CuF 2 layer formed on the Cu core during battery charging can be grown to a thickness of about 3 nm in Cu@LaF 3 nanoparticles. However, by doping Ba with the LaF 3 shell, the CuF 2 layer can be grown to a larger thickness.

LaF3의 이온 전도도는 특히 실온에서 꽤 낮다. 그것은 대략 10-8.5 S/Cm에 불과하며, F 음이온 이동을 제한한다. 그러나, LaF3 쉘에 Ba 도펀트를 포함시키는 것(즉, Cu@BaxLa1-xF3-x를 만드는 것)은 쉘의 전도도를 증가시킨다. LaF3의 전도도는 Ba 도핑시 100 배 증가한다는 것이 보고되었다; 예를 들면, 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합되는, [M. Anji Reddy 및 M. Fichtner, Batteries based on fluoride shuttle, J. Mater. Chem. 2011, 21, 17059-17062]를 참조한다. 높은 이온 전도도는 충전 중 CuF2 생산에 유리하며, 용량 향상으로 나타난다.The ionic conductivity of LaF 3 is quite low, especially at room temperature. It is only about 10 -8.5 S/Cm, and limits the F anion migration. However, inclusion of Ba dopants in the LaF 3 shell (ie, making Cu@Ba x La 1-x F 3-x ) increases the conductivity of the shell. It has been reported that the conductivity of LaF 3 increases by a factor of 100 upon Ba doping; For example, [M. Anji Reddy and M. Fichtner, Batteries based on fluoride shuttle, J. Mater. Chem. 2011, 21, 17059-17062]. The high ionic conductivity is advantageous for the production of CuF 2 during charging and appears as a capacity improvement.

예시적인 Cu@BaxLa1-xF3-x 나노입자의 SEM, TEM, 및 EDX 이미지가 도 17a 내지 도 17h에서 포함된다. XPS가 사용되어 각각의 엘리먼트의 조성을 결정할 수 있다. 도 18a 내지 도 18d는, Cu(64.83 %), La(14.68 %), Ba(0.28 %), F(20.21 %)를 포함하는 코어@쉘 나노입자에 대한 대표적인 XPS 스펙트럼 데이터를 나타내는데, 여기서 쉘 그 자체는 La(41.75 %), Ba(0.79 %), F(57.46 %)를 포함하여, 나노입자가 Cu@La0.97Ba0.03F2.97이다는 것을 확인한다. Cu@LaF3 및 Cu@La0.97Ba0.03F2.97의 XRD 스펙트럼이 도 19에서 도시된다.SEM, TEM, and EDX images of exemplary Cu@Ba x La 1-x F 3-x nanoparticles are included in FIGS. 17A-17H. XPS can be used to determine the composition of each element. 18A-18D show representative XPS spectral data for core@shell nanoparticles containing Cu (64.83%), La (14.68%), Ba (0.28%), and F (20.21%), where It itself confirms that the nanoparticles are Cu@La 0.97 Ba 0.03 F 2.97 , including La (41.75 %), Ba (0.79 %) and F (57.46 %). The XRD spectra of Cu@LaF 3 and Cu@La 0.97 Ba 0.03 F 2.97 are shown in FIG. 19.

도 20a 및 도 20b는 본 개시의 몇몇 양태에 따른 Ba 도핑시에 달성되는 용량 향상을 나타낸다. 도 20a는, Ag/Ag+ 기준 전극과 비교하여, Cu@LaF3 전극 또는 Cu@BaxLa1-xF3-x 전극의 최초 충전-방전 사이클의 전압 프로파일을 도시한다. Ba 도핑된 전극의 용량 전달은, Cu@LaF3에 대해 단지 50.2 mAh/g와 비교하여, 95.2 mAh/g에 도달한다(도 20b). 따라서, LaF3 쉘의 Ba 도핑은 용량을 거의 두 배로 늘린다. Ba 도핑을 통해, LaF3 쉘의 이온 전도가 약 100 배 향상된다; 예를 들면, 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합되는 [M. Anji Reddy 및 M. Fichtner, Batteries based on fluoride shuttle, J. Mater. Chem. 2011, 21, 17059-17062]를 참조한다. 플루오르화물 이온은 쉘을 통해 쉽게 이동하여 Cu와 반응하여 CuF2를 형성할 수 있고, CuF2 형성의 양은 배터리의 용량을 직접적으로 결정한다. 형성되는 CuF2가 더 많을수록, 배터리의 용량은 더 커진다. 따라서, LaF3 쉘의 Ba 도핑에 의해, Cu의 활용은 거의 두 배가 될 수 있다.20A and 20B illustrate the capacity improvement achieved upon Ba doping in accordance with some aspects of the present disclosure. 20A shows the voltage profile of the initial charge-discharge cycle of a Cu@LaF 3 electrode or a Cu@Ba x La 1-x F 3-x electrode compared to an Ag/Ag + reference electrode. The capacity transfer of the Ba-doped electrode reaches 95.2 mAh/g, compared to only 50.2 mAh/g for Cu@LaF 3 (FIG. 20B ). Thus, the Ba doping of the LaF 3 shell almost doubles its capacity. Through Ba doping, the ionic conduction of the LaF 3 shell is improved by about 100 times; For example, [M. Anji Reddy and M. Fichtner, Batteries based on fluoride shuttle, J. Mater. Chem. 2011, 21, 17059-17062]. Fluoride ions can easily migrate through the shell and react with Cu to form CuF 2 , and the amount of CuF 2 formation directly determines the capacity of the battery. The more CuF 2 formed, the greater the capacity of the battery. Therefore, by Ba doping of the LaF 3 shell, the utilization of Cu can be almost doubled.

또한, 도 20c 및 도 20d는 초기 상태에서의, 즉, 최초 사용 이전의 전극에서의, 그 다음, 최초 충전 및 후속하는 최초 방전 이후의 Cu@La0.97Ba0.03F2.97 및 Cu@LaF3의 XRD 스펙트럼을 각각 도시한다. CuF2는 최초 충전 이후에 형성되고, 그 다음, 최초 방전 이후에 Cu로 환원될 수 있다. 도 20c 및 도 20d는, 두 가지 타입의 쉘을 사용하여 액체 전해질에서 Cu가 순환될 수 있다는 것을 나타낸다.In addition, FIGS. 20C and 20D show the XRD of Cu@La 0.97 Ba 0.03 F 2.97 and Cu@LaF 3 in the initial state, that is, in the electrode before first use, then after the initial charge and subsequent initial discharge. Spectra are shown respectively. CuF 2 is formed after the initial charge, and then can be reduced to Cu after the initial discharge. 20C and 20D show that Cu can be circulated in a liquid electrolyte using two types of shells.

Cu가 저렴하고, 가벼운 금속이며 높은 용량(843.5 mAh/g의 이론 용량)을 가지기 때문에, Cu는 플루오르화물 셔틀 배터리에 대한 양호한 캐소드 재료이다. 그러나, 그것의 사용에 대한 주요 도전 과제는, Cu 용해에 기인하여 액체 전해질/전지에서 CuF2를 형성하도록 Cu가 하전될 수 없다는 것이다. Cu@LaF3의 경우, LaF3 쉘은 충전/방전 동안 용해로부터 Cu를 효과적으로 방지한다. 결과적으로, Cu는 충전 동안 CuF2로 하전될 수 있고, 방전 동안 CuF2는 Cu로 환원될 수 있다. 그러나 그것의 용량은, LaF3의 낮은 이온 전도도에 기인하여 낮다. Ba 도핑된 쉘(예를 들면, La0.97Ba0.03F2.97)을 통해, 쉘의 이온 전도도가 100 배 향상될 수 있다, 즉, 쉘은 낮은 저항을 갖는다. F 이온은, 더 많은 Cu가 충전 동안 CuF2로 플루오르화될 수 있도록, 쉽게 쉘을 통과한다. 도핑되지 않은 LaF3 쉘과 비교하여, 용량은 두 배만큼 증가된다. Ba 도핑된 쉘을 사용하여, 충전 이후 CuF2가 검출될 수 있다. 방전 이후 CuF2는 Cu로 환원된다. 액체 전지에서 Cu는 재충전 가능하다는 것 및 Ba 도핑된 쉘을 사용하여 Cu 활용이 향상될 수 있다는 것이 확인될 수 있다.Because Cu is inexpensive, light metal, and has a high capacity (843.5 mAh/g theoretical capacity), Cu is a good cathode material for fluoride shuttle batteries. However, the main challenge for its use is that Cu cannot be charged to form CuF 2 in the liquid electrolyte/cell due to Cu dissolution. In the case of Cu@LaF 3 , the LaF 3 shell effectively prevents Cu from dissolution during charging/discharging. As a result, Cu CuF 2 is may be charged to CuF 2 during filling, while discharge can be reduced to Cu. However, its capacity is low due to the low ionic conductivity of LaF 3 . Through a Ba doped shell (eg La 0.97 Ba 0.03 F 2.97 ), the ionic conductivity of the shell can be improved 100 times, that is, the shell has a low resistance. The F ions easily pass through the shell so that more Cu can be fluorinated with CuF 2 during charging. Compared to the undoped LaF 3 shell, the capacity is doubled. With a Ba doped shell, CuF 2 can be detected after filling. After discharge, CuF 2 is reduced to Cu. It can be seen that in liquid cells, Cu is rechargeable and that Cu utilization can be improved using a Ba-doped shell.

본원에서 설명되는 양태가 상기에서 개략적으로 나타내어지는 예시적인 양태와 연계하여 설명되었지만, 공지되어 있든 또는 현재 예측되지 않는 또는 예측되지 않을 수도 있는 다양한 대안예, 수정예, 변경예, 개선예, 및/또는 실질적인 등가예가, 기술 분야에서 적어도 통상의 지식을 가진 자에게는 명확하게 될 수도 있다. 따라서, 상기에서 기술되는 바와 같은 예시적인 양태는, 제한적인 것이 아니라, 예시적인 것으로 의도된다. 본 개시의 취지 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경이 이루어질 수도 있다. 그러므로, 본 개시는 모든 공지된 또는 나중에 개발되는 대안예, 수정예, 변경예, 개선예, 및/또는 실질적인 등가예를 포괄하도록 의도된다.While the aspects described herein have been described in connection with the exemplary aspects outlined above, various alternatives, modifications, alterations, improvements, and/or known or currently unpredictable or unpredictable. Alternatively, a practical equivalent example may be made clear to a person having at least ordinary knowledge in the technical field. Accordingly, the exemplary aspects as described above are intended to be illustrative, not restrictive. Various changes may be made without departing from the spirit and scope of the present disclosure. Therefore, this disclosure is intended to cover all known or later developed alternatives, modifications, variations, improvements, and/or substantial equivalents.

따라서, 청구범위는, 본원에서 나타내어지는 양태로 제한되도록 의도된 것이 아니라, 청구범위의 언어와 일치하는 전체 범위를 부여받도록 의도되는데, 단수의 엘리먼트에 대한 참조는, 구체적으로 그렇게 언급되지 않는 한, "하나 및 단지 하나"를 의미하도록 의도되는 것이 아니라, 오히려 "하나 이상"을 의미하도록 의도된다. 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있는 또는 나중에 공지될 본 개시 전반에 걸쳐 설명되는 다양한 양태의 엘리먼트에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물은, 참조에 의해 본원에 명시적으로 통합되며 청구범위에 의해 포괄되도록 의도된다. 더욱이, 본원에서 개시되는 어떠한 것도, 그러한 개시가 청구범위에 명시적으로 언급되는지의 여부에 관계없이, 공공에게 전용되도록 의도되지는 않는다. 청구항의 어떠한 엘리먼트도, 그 엘리먼트가 어구 "~하기 위한 수단"을 사용하여 명시적으로 언급되지 않는 한, 기능식 청구항(means plus function)으로서 해석되지 않아야 한다.Accordingly, the claims are not intended to be limited to the aspects shown herein, but are intended to be accorded the full scope consistent with the language of the claims, wherein reference to the singular element is, unless specifically so stated, It is not intended to mean “one and only one”, but rather is intended to mean “one or more”. All structural and functional equivalents to elements of the various aspects described throughout the present disclosure known to those of ordinary skill in the art or to be known later, are expressly incorporated herein by reference and incorporated in the claims. It is intended to be covered by. Moreover, nothing disclosed herein is intended to be dedicated to the public, regardless of whether such disclosure is explicitly recited in the claims. No element of a claim is to be construed as a means plus function unless that element is explicitly stated using the phrase “means for doing”.

게다가, 단어 "예(example)"는, 본원에서, "예, 실례, 또는 예시로서 역할을 하는"을 의미하는 것으로 사용된다. 본원에서 "예"로서 설명되는 임의의 양태는, 다른 양태에 비해 바람직하거나 또는 유리한 것으로 반드시 해석되지 않아야 한다. 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 용어 "몇몇"은 하나 이상을 가리킨다. "A, B, 또는 C 중 적어도 하나", "A, B, 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, C, 또는 이들의 임의의 조합"과 같은 조합은, A, B, 및/또는 C의 임의의 조합을 포함하고, 다수의 A, 다수의 B, 또는 다수의 C를 포함할 수도 있다. 구체적으로, "A, B, 또는 C 중 적어도 하나", "A, B, 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, C, 또는 이들의 임의의 조합"과 같은 조합은, A 단독, B 단독, C 단독, A와 B, A와 C, B와 C, 또는 A와 B와 C일 수도 있는데, 여기서 임의의 그러한 조합은, A, B, 또는 C의 하나 이상의 멤버 또는 멤버들을 포함할 수도 있다. 본원에서 개시되는 어떠한 것도, 그러한 개시가 청구범위에 명시적으로 언급되는지의 여부에 관계없이, 공공에게 전용되도록 의도되지는 않는다.In addition, the word “example” is used herein to mean “serving as an example, illustration, or illustration”. Any aspect described herein as an “example” should not necessarily be interpreted as being preferred or advantageous over other aspects. Unless specifically stated otherwise, the term “some” refers to one or more. Combinations such as “at least one of A, B, or C”, “at least one of A, B, and C”, and “A, B, C, or any combination thereof” include A, B, and/ Or any combination of C, and may include multiple A, multiple B, or multiple C. Specifically, combinations such as “at least one of A, B, or C”, “at least one of A, B, and C”, and “A, B, C, or any combination thereof” are A alone, B alone, C alone, A and B, A and C, B and C, or A and B and C may also be, wherein any such combination may include one or more members or members of A, B, or C. May be. Nothing disclosed herein is intended to be dedicated to the public, regardless of whether such disclosure is explicitly recited in the claims.

예는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 만들고 사용하는 방법의 완전한 개시 및 설명을 제공하기 위해 제시되며, 본 발명자가 그들의 발명으로서 생각하는 것의 범위를 제한하도록 의도되는 것도 아니고, 이하의 실험이 수행되는 모든 또는 유일한 실험이다는 것을 나타내도록 의도되는 것도 아니다. 사용되는 숫자(예를 들면, 양, 치수, 등등)와 관련하여 정확성을 보장하기 위한 노력이 이루어졌지만, 그러나 몇몇 실험 에러 및 편차가 고려되어야만 한다.Examples are presented to provide a complete disclosure and description of how to make and use the present invention to those skilled in the art, and are not intended to limit the scope of what the inventors conceive as their invention. It is also not intended to indicate that the experiment of is all or the only experiments performed. Efforts have been made to ensure accuracy with respect to the numbers used (eg, quantities, dimensions, etc.), but some experimental errors and deviations must be considered.

또한, 본 출원 전반에 걸친 모든 참고 문헌, 예를 들면, 발행된 또는 허여된 특허 또는 등가물을 포함하는 특허 문서; 특허 출원 공개; 비특허 문헌 문서 또는 다른 소스 재료는; 마치 참조에 의해 개별적으로 통합되는 바와 같이, 본원에서의 참조에 의해 그들 전체가 통합된다.In addition, all references throughout this application, such as patent documents, including issued or issued patents or equivalents; Publication of patent applications; Non-patent literature documents or other source material; As if individually incorporated by reference, they are incorporated in their entirety by reference herein.

Claims (25)

전기 화학적으로 활성인 구조체로서,
활물질(active material)을 포함하는 코어, 및
상기 활물질을 적어도 부분적으로 둘러싸는 플루오르화물 함유 쉘(fluoride-containing shell)
을 포함하고,
상기 플루오르화물 함유 쉘은 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 상기 제1 금속은 바륨인 것인, 전기 화학적으로 활성인 구조체.
As an electrochemically active structure,
A core comprising an active material, and
A fluoride-containing shell at least partially surrounding the active material
Including,
The fluoride-containing shell includes a first metal and a second metal, and the first metal is barium. An electrochemically active structure.
제1항에 있어서,
상기 활물질은 철 나노입자, 코발트 나노입자, 니켈 나노입자, 구리 나노입자, 납 나노입자, 및 알칼리 토금속(alkaline earth metal) 나노입자로부터 선택되는 금속 나노입자를 포함하는 것인, 전기 화학적으로 활성인 구조체.
The method of claim 1,
The active material contains metal nanoparticles selected from iron nanoparticles, cobalt nanoparticles, nickel nanoparticles, copper nanoparticles, lead nanoparticles, and alkaline earth metal nanoparticles, which are electrochemically active. Structure.
제1항에 있어서,
상기 활물질은 구리 나노입자를 포함하는 것인, 전기 화학적으로 활성인 구조체.
The method of claim 1,
The active material will contain copper nanoparticles, electrochemically active structure.
제1항에 있어서,
상기 플루오르화물 함유 쉘은 상기 코어에 직접적으로 부착되는 것인, 전기 화학적으로 활성인 구조체.
The method of claim 1,
Wherein the fluoride-containing shell is directly attached to the core.
제1항에 있어서,
상기 플루오르화물 함유 쉘은, 상기 코어와의 사이에 공극 공간(void space)을 정의하도록 상기 코어로부터 이격되는 것인, 전기 화학적으로 활성인 구조체.
The method of claim 1,
The fluoride-containing shell is spaced apart from the core to define a void space therebetween.
제1항에 있어서,
상기 제2 금속은 란타늄(lanthanum)인 것인, 전기 화학적으로 활성인 구조체.
The method of claim 1,
The second metal is lanthanum (lanthanum), the electrochemically active structure.
제6항에 있어서,
상기 바륨 및 상기 란타늄은 x 대 1-x의 비율로 존재하고, 그 결과, 상기 플루오르화물 함유 쉘의 실험식에서 바륨의 몰(mole)과 란타늄의 몰의 합계는 1인 것인, 전기 화학적으로 활성인 구조체.
The method of claim 6,
The barium and the lanthanum are present in a ratio of x to 1-x, and as a result, the sum of the moles of barium and the moles of lanthanum in the empirical formula of the fluoride-containing shell is 1, which is electrochemically active. Structure.
제7항에 있어서,
x는 약 0.03 내지 약 0.15인 것인, 전기 화학적으로 활성인 구조체.
The method of claim 7,
x is between about 0.03 and about 0.15, the electrochemically active structure.
제8항에 있어서,
x는 약 0.03인 것인, 전기 화학적으로 활성인 구조체.
The method of claim 8,
wherein x is about 0.03.
코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법으로서,
a) 물/금속 나노입자 혼합물을 제공하는 단계;
b) 상기 물/금속 나노입자 혼합물을 불활성 분위기에 노출시키는 단계; 및
c) 금속 나노입자 코어 주위에 플루오르화물 함유 쉘을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 플루오르화물 함유 쉘은 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 상기 제1 금속은 바륨인 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
As a method of preparing coated metal nanoparticles,
a) providing a water/metal nanoparticle mixture;
b) exposing the water/metal nanoparticle mixture to an inert atmosphere; And
c) forming a fluoride-containing shell around the metal nanoparticle core
Including,
The fluoride-containing shell includes a first metal and a second metal, and the first metal is barium. The method of producing a coated metal nanoparticle.
제10항에 있어서,
상기 금속 나노입자는 철 나노입자, 코발트 나노입자, 니켈 나노입자, 구리 나노입자, 납 나노입자, 또는 알칼리 토금속 나노입자를 포함하는 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
The method of claim 10,
The metal nanoparticles are iron nanoparticles, cobalt nanoparticles, nickel nanoparticles, copper nanoparticles, lead nanoparticles, or alkaline earth metal nanoparticles. The method of producing a coated metal nanoparticle.
제10항에 있어서,
상기 금속 나노입자는 구리 나노입자를 포함하는 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
The method of claim 10,
The method of manufacturing a coated metal nanoparticle, wherein the metal nanoparticles include copper nanoparticles.
제10항에 있어서,
상기 플루오르화물 함유 쉘은 상기 코어에 직접적으로 부착되는 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
The method of claim 10,
The fluoride-containing shell is attached directly to the core, the method of producing a coated metal nanoparticle.
제10항에 있어서,
상기 플루오르화물 함유 쉘은, 상기 코어와의 사이에 공극 공간을 정의하도록 상기 코어로부터 이격되는 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
The method of claim 10,
The fluoride-containing shell is spaced apart from the core so as to define a void space between the core and the core.
제10항에 있어서,
상기 제2 금속은 란타늄인 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
The method of claim 10,
The second metal is lanthanum, the method of producing a coated metal nanoparticles.
제15항에 있어서,
상기 바륨 및 상기 란타늄은 x 대 1-x의 비율로 존재하고, 그 결과, 상기 플루오르화물 함유 쉘의 실험식에서 바륨의 몰과 란타늄의 몰의 합계는 1인 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
The method of claim 15,
The barium and the lanthanum are present in a ratio of x to 1-x, and as a result, the sum of the moles of barium and the moles of lanthanum in the empirical formula of the fluoride-containing shell is 1, to prepare a coated metal nanoparticle. Way.
제16항에 있어서,
x는 약 0.03 내지 약 0.15인 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
The method of claim 16,
x is about 0.03 to about 0.15, wherein the method of producing a coated metal nanoparticle.
제10항에 있어서,
상기 플루오르화물 함유 쉘을 형성하는 단계는, 상기 물/금속 나노입자 혼합물에 제1 금속 염, 제2 금속 염, 및 플루오르화물 함유 염을 첨가하여 상기 금속 나노입자 코어 주위에 플루오르화물 함유 쉘을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 금속 염은 바륨 염인 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
The method of claim 10,
The step of forming the fluoride-containing shell comprises adding a first metal salt, a second metal salt, and a fluoride-containing salt to the water/metal nanoparticle mixture to create a fluoride-containing shell around the metal nanoparticle core. Including, wherein the first metal salt is a barium salt, a method of producing a coated metal nanoparticle.
제18항에 있어서,
상기 제2 금속 염은 란타늄 염인 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
The method of claim 18,
The second metal salt is a lanthanum salt, the method of producing a coated metal nanoparticles.
제19항에 있어서,
상기 제1 금속 염은 질산바륨(barium nitrate)이고, 상기 제2 금속 염은 질산란타늄(lanthanum nitrate)인 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
The method of claim 19,
The first metal salt is barium nitrate, and the second metal salt is lanthanum nitrate. The method of producing a coated metal nanoparticle.
제20항에 있어서,
상기 질산바륨 및 상기 질산란타늄은 약 1:10의 몰비로 사용되는 것인, 코팅된 금속 나노입자를 제조하는 방법.
The method of claim 20,
The barium nitrate and the lanthanum nitrate are used in a molar ratio of about 1:10, the method of producing a coated metal nanoparticle.
전극으로서,
구리 나노입자를 포함하는 코어, 및
상기 구리 나노입자를 적어도 부분적으로 둘러싸는 플루오르화물 함유 쉘을 포함하고,
상기 플루오르화물 함유 쉘은 바륨 및 란타늄을 x 대 1-x의 비율로 포함하고, 그 결과, 상기 플루오르화물 함유 쉘의 실험식에서의 바륨의 몰과 란타늄의 몰의 합계는 1인 것인, 전극.
As an electrode,
A core comprising copper nanoparticles, and
A fluoride-containing shell at least partially surrounding the copper nanoparticles,
The fluoride-containing shell contains barium and lanthanum in a ratio of x to 1-x, and as a result, the sum of the moles of barium and the moles of lanthanum in the empirical formula of the fluoride-containing shell is 1.
제22항에 있어서,
x는 약 0.03 내지 약 0.15인 것인, 전극.
The method of claim 22,
x is about 0.03 to about 0.15.
제22항의 전극 및 액체 전해질을 포함하는, 플루오르화물 셔틀 배터리(fluoride shuttle battery).A fluoride shuttle battery comprising the electrode of claim 22 and a liquid electrolyte. 전기 화학적으로 활성인 구조체로서,
활물질을 포함하는 코어, 및
상기 활물질을 적어도 부분적으로 둘러싸는 플루오르화물 함유 쉘
을 포함하고,
상기 플루오르화물 함유 쉘은 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 상기 제1 금속은 2가(divalent) 또는 4가(tetravalent) 금속 양이온(cation)인 것인, 전기 화학적으로 활성인 구조체.
As an electrochemically active structure,
A core containing an active material, and
A fluoride-containing shell at least partially surrounding the active material
Including,
The fluoride-containing shell includes a first metal and a second metal, and the first metal is a divalent or tetravalent metal cation. An electrochemically active structure.
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