KR20220015410A - 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하는 전극 물질, 전극 물질을 포함하는 전극 및 전기화학에서의 전극 물질의 용도 - Google Patents

층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하는 전극 물질, 전극 물질을 포함하는 전극 및 전기화학에서의 전극 물질의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기화학적 활성 물질을 포함하는 전극 물질에 관한 것으로, 상기 전기화학적 활성 물질은 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함한다. 상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxMO2일 수 있다. 본 발명은 또한 상기 전극 물질을 포함하는 전극, 전기화학적 전지, 및 배터리에 관한 것이다. 예컨대, 상기 배터리는 리튬 또는 리튬-이온 배터리, 나트륨 또는 나트륨-이온 배터리, 또는 칼륨 또는 칼륨-이온 배터리일 수 있다.

Description

층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하는 전극 물질, 전극 물질을 포함하는 전극 및 전기화학에서의 전극 물질의 용도
[관련 출원]
본 출원은 적용법하에서 2019년 5월 31일 출원된 미국 가출원 No. 62/855,537 의 우선권을 주장하며, 그 출원 내용은 그 전체로서 모든 목적을 위하여 참조로서 여기에 통합된다.
[기술 분야]
본원은 전기화학적으로 활성인 물질 및 전기화학적 응용에서의 전기화학적으로 활성인 물질의 용도의 분야에 관한 것이다. 특히, 본원은 대체로 전기화학적으로 활성인 물질로서 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하는 전극 물질, 이들 전극 물질을 포함하는 전극, 이들 전극 물질의 제조 방법 및 전기화학적 전지에서의 이들 전극 물질의 용도에 관한 것이다.
전고체 배터리(all-solid-state batteries)는 전기 자동차 배터리 또는 차세대 전기차의 견인 배터리를 위한 새로운 해결책이다. 액체 전해질을 사용하는 기존의 리튬-이온 배터리에 비해 전고체 배터리는 일반적으로 더 낮은 비용으로 제조될 수 있고, 개선된 수명, 더 빠른 충전 시간, 더 높은 성능 및 더 높은 안전성을 제공할 수 있다.
더 높은 이론적 용량 및 기존의 리튬-이온 배터리와 연관된 특정한 에너지 밀도 문제점을 해결할 수 있는 가능성으로 인하여, 리튬 또는 나트륨 금속 애노드(metal anodes)를 포함하는 배터리가 높은 에너지 밀도 저장 시스템에서 흑연 애노드를 대체하기 위해 다시 검토되고 개선되었다.
그러나, 리튬-이온 배터리용의 기존의 상용의 캐소드 물질(예를 들어, 리튬 코발트 디옥사이드(LiCoO2) 및 리튬, 니켈, 망간 및 코발트 옥사이드(NMC), 예컨대 LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2(NMC 111), LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2(NMC 622) 및 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC 811) 등)의 더 높은 비용 및 무-리튬 전극 물질의 복잡한 합성 또는 제조 방법은 특히 대규모 에너지 저장 시스템들에서의 전고체 배터리들의 채택을 제한한다.
따라서, 기존의 상용 캐소드 물질의 단점들 중의 하나 이상을 배제하는 신규한 전극 물질의 개발에 대한 요구가 존재하고 있다. 예를 들어, 전고체 배터리를 위한 저 비용, 고 용량, 고 전압 물질에 대한 요구가 존재하고 있다.
하나의 양태에 따르면, 본 기술은 전기화학적으로 활성인 물질을 포함하는 전극 물질에 관한 것이며, 상기 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 KxMO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하며, 여기서 x는 0 < x ≤ 0.7과 같은 수이고, 그리고 M은 Co, Mn, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다.
하나의 구현예에서, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 KxMyMn1-yO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x는 본 명세서에서 정의된 바와 같고, y는 0 ≤ y ≤ 1.0과 같은 수이고, 그리고 M은 Co, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어, 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxFeyMn1-yO2이고, 여기서 x 및 y는 본 명세서에서 정의된 바와 같다.
다른 구현예에서, 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxNi0.5xMn1-0.5xO2이고, 여기서 x는 본 명세서에서 정의된 바와 같다.
다른 구현예에서, 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxNi0.5xMn1-0.5x-yMyO2이고, 여기서 x는 본 명세서에서 정의된 바와 같고, y는 0 ≤ y ≤ (1.0 - 0.5x)와 같은 수이고, 그리고 M은 Co, Fe, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어, 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxNi0.5xMn1-0.5xTiyO2이고, 여기서 x 및 y는 본 명세서에서 정의된 바와 같다.
다른 구현예에서, 층상 칼륨 금속 옥사이드는 K0.67Ni0.33Mn0.67O2, K0.6Ni0.3Mn0.7O2, K0.5Ni0.25Mn0.75O2, K0.4Ni0.2Mn0.8O2, K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2, K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2, K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2, K0.4Fe0.4Mn0.6O2, K0.4Ni0.1Mn0.9O2, K0.4MnO2, K0.3Ni0.15Mn0.85O2, K0.3Ni0.2Mn0.8O2, K0.3MnO2, K0.2Ni0.1Mn0.9O2, K0.2Ni0.2Mn0.8O2, K0.2MnO2, K0.1Ni0.05Mn0.95O2, K0.1Ni0.1Mn0.9O2 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
다른 양태에 따르면, 본 기술은 전기화학적으로 활성인 물질을 포함하는 전극 물질에 관한 것이고, 상기 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 NazKxMO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x는 0 < x ≤ 0.7과 같은 수이고, z는 0 < x ≤ 0.8과 같은 수이고, 그리고 M은 Co, Mn, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다.
하나의 구현예에서, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 NazKxMyMn1-yO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x 및 z는 본 명세서에서 정의된 바와 같고, y는 0 ≤ y ≤ 1.0과 같은 수이고, 그리고 M은 Co, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다.
다른 구현예에서, 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 NazKxNiyMn1-yO2이고, 여기서 x 및 z는 본 명세서에서 정의된 바와 같고, 그리고 y는 0 ≤ y ≤ 1.0이다.
다른 구현예에서, 층상 칼륨 금속 옥사이드는 Na0.74K0.08Ni0.41Mn0.59O2, Na0.6K0.08Ni0.34Mn0.66O2, Na0.74K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.6K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.32K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.2K0.2Ni0.2Mn0.8O2 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
다른 구현예에서, 전극 물질은 전기적으로 전도성인 물질을 추가로 포함한다. 하나의 예에 따르면, 전기적으로 전도성인 물질은 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연, 그래핀, 탄소 섬유들, 탄소 나노섬유들, 탄소 나노튜브들 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
다른 구현예에서, 전극 물질은 결합제를 추가로 포함한다. 하나의 예에 따르면, 결합제는 폴리에테르 형의 폴리머성 결합제, 플루오로폴리머 및 수용성 결합제로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
다른 양태에 따르면, 본 기술은 전류 수집기 상에 본 명세서에서 정의된 바와 같은 전극 물질을 포함하는 전극에 관한 것이다.
하나의 구현예에서, 전극은 양극(positive electrode)이다.
다른 양태에 따르면, 본 기술은 음극, 양극 및 전해질을 포함하는 전기화학적 전지에 관한 것이고, 여기서 양극은 본 명세서에서 정의된 바와 같다.
하나의 구현예에서, 음극은 리튬 금속, 나트륨 금속, 칼륨 금속 또는 이들 중의 적어도 하나를 포함하는 합금을 포함한다.
다른 구현예에서, 음극은 사전리튬화된 합금(prelithiated alloy), 사전리튬화된 흑연, 사전리튬화된 규소, 사전리튬화된 옥사이드 또는 이들 중의 적어도 2종의 조합 중의 적어도 하나를 포함한다.
다른 구현예에서, 음극은 사전나트륨화된 합금(presodiated alloy), 사전나트륨화된 난흑연화성 탄소(hard carbon) 및 사전나트륨화된 옥사이드들 중의 적어도 하나를 포함한다.
다른 구현예에서, 음극은 사전칼륨화된 합금(prepotassiated alloy), 사전칼륨화된 흑연, 사전칼륨화된 난흑연화성 탄소 및 사전칼륨화된 옥사이드들 중의 적어도 하나를 포함한다.
다른 구현예에서, 전해질은 용매 중의 염을 포함하는 액체 전해질이다.
다른 구현예에서, 전해질은 용매 중의 염 및 임의선택적으로 용매화 폴리머를 포함하는 겔 전해질이다.
다른 구현예에서, 전해질은 용매화 폴리머 중의 염을 포함하는 고체 폴리머 전해질이다.
하나의 예에 따르면, 염은 리튬 염, 나트륨 염, 칼륨 염 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다.
다른 구현예에서, 전해질은 유리 전해질 또는 세라믹 전해질이다. 예를 들어, 전해질은 사이트-결함 페로브스카이트-형 전해질(site-deficient perovskite-type electrolyte), 가넷-형 전해질, NASICON-형 유리 세라믹 전해질, LISICON-형 전해질, 리튬-안정화 나트륨 이온(Na+) 전도성 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 및 다른 유사한 유리 전해질 또는 세라믹 전해질들로부터 선택되는 유리 전해질 또는 세라믹 전해질이다.
다른 양태에 따르면, 본 기술은 본 명세서에서 정의된 바와 같은 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하는 배터리에 관한 것이다.
하나의 구현예에서, 배터리는 리튬 배터리, 리튬-이온 배터리, 나트륨 배터리, 나트륨-이온 배터리, 칼륨 배터리 및 칼륨-이온 배터리로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
도 1은 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.67Ni0.33Mn0.67O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.67Ni0.33Mn0.67O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 2는 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.6Ni0.3Mn0.7O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.6Ni0.3Mn0.7O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 3은 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.5Ni0.25Mn0.75O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.5Ni0.25Mn0.75O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 4는 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.8O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.4Ni0.2Mn0.8O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 5는 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 6은 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 7은 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 8은 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.4Fe0.4Mn0.6O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.4Fe0.4Mn0.6O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 9는 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.4Ni0.1Mn0.9O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B) 및 (C)에 층상의 K0.4Ni0.1Mn0.9O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조의 특징들을 나타내고 있다.
도 10은 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.4MnO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.4MnO2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 11은 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.3Ni0.15Mn0.85O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.3Ni0.15Mn0.85O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 12는 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.3Ni0.2Mn0.8O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.3Ni0.2Mn0.8O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 13은 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.3MnO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.3MnO2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 14는 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.2Ni0.1Mn0.9O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B) 및 (C)에 층상의 K0.2Ni0.1Mn0.9O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조의 특징들을 나타내고 있다.
도 15는 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.2Ni0.2Mn0.8O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.2Ni0.2Mn0.8O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 16은 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.2MnO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.2MnO2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 17은 (A)에 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 K0.1Ni0.05Mn0.95O2의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을; 그리고 (B)에 층상의 K0.1Ni0.05Mn0.95O2에 대한 결정 구조의 도식 및 결정 구조 특징들을 나타내고 있다.
도 18은 실시예 1(a)에 기술된 고상 합성을 사용하여 수득된 화학식 Na0.74K0.08Ni0.41Mn0.59O2(흑색 선), Na0.6K0.08Ni0.34Mn0.66O2(적색 선), Na0.74K0.08Ni0.2Mn0.8O2(청색 선), Na0.6K0.08Ni0.2Mn0.8O2(분홍색 선), Na0.32K0.08Ni0.2Mn0.8O2(암적색 선) 및 Na0.2K0.2Ni0.2Mn0.8O2(주황색 선)들의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말들에 대한 X-선 회절 패턴들을 나타내고 있다.
도 19는 실시예 3(b)에 기술된 바와 같은 화학식 KxNi0.5xMn1-0.5xO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드(여기서 , x는 0.1 ≤ x ≤ 0.7과 같은 수임)에 대한 용량(mAhㆍg-1) 대 x의 그래프이다. 결과들은 리튬-이온 배터리(적색 선)에 대해 그리고 나트륨-이온 배터리(흑색 선)에 대해 제공되었다.
도 20은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도(cycling rate)에서 기록된 전지 1에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 2에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 21은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 3에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 4에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 22는 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 5에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 6에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 23은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 7에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 8에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 24는 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 9에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 6에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 25는 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 11에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 12에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 26은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 13에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 14에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 27은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 15에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 16에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 28은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 17에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 18에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 29는 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 19에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 20에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 30은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 21에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 22에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 31은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 23에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 24에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 32는 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 25에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 26에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 33은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 27에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 28에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 34는 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 29에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을; 그리고 (B)에 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 30에 대한 2 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1) 그리고 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2)에 대해 나타내었다.
도 35는 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 33에 대한 3 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1), 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2) 그리고 제3 방전 및 충전 사이클(청색 선, 3)에 대해 나타내었다.
도 36은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 34에 대한 3 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1), 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2) 그리고 제3 방전 및 충전 사이클(청색 선, 3)에 대해 나타내었다.
도 37은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C의 사이클링 속도에서 기록된 전지 35에 대한 3 회의 충전 및 방전 프로파일들을 나타내고 있다. 결과들은 제1 방전 및 충전 사이클(흑색 선, 1), 제2 방전 및 충전 사이클(적색 선, 2) 그리고 제3 방전 및 충전 사이클(청색 선, 3)에 대해 나타내었다.
도 38은 실시예 3(b)에 기술된 바와 같이, (A)에 전지 1, 전지 3, 전지 5, 전지 17, 전지 19, 전지 25 및 전지 31들(리튬-이온)에 대해; 그리고 전지 2, 전지 4, 전지 6, 전지 18, 전지 26 및 전지 32들(나트륨-이온)에 대해 기록된 용량(mAhㆍg-1) 및 효율(%) 대 사이클들의 수의 그래프를 나타내고 있다.
도 39는 실시예 2(b)에 기술된 바와 같이, 표 1에 제공된 결정 구조 특징들을 갖는 층상 칼륨 금속 옥사이드의 반사 매개변수들(reflection parameters)의 표이다.
도 40은 실시예 2(b)에 기술된 바와 같이, 표 2에 제공된 결정 구조 특징들을 갖는 층상 칼륨 금속 옥사이드의 반사 매개변수들의 표이다.
도 41은 실시예 2(b)에 기술된 바와 같이, 표 3에 제공된 결정 구조 특징들을 갖는 층상 칼륨 금속 옥사이드의 반사 매개변수들의 표이다.
다음의 상세한 설명과 실시예들은 예시적인 목적으로만 제시된 것이며, 본 발명을 한정하는 것으로 해석하여서는 안될 것이다.
여기서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어 및 표현들은 본 발명의 기술 분야의 통상의 기술자가 통상적으로 이해할 수 있는 것과 동일한 의미를 가진다. 그럼에도, 몇몇 용어와 표현들의 의미는 아래에 제공된 바와 같다.
용어 "거의(approximately)" 또는 그의 등가의 용어 "약(about)"이 본 명세서에서 사용되는 경우, 이는 대략을 의미한다. 예를 들어, 용어들 "거의" 또는 "약"이 수치값과 연관되어 사용되는 경우, 이들 용어들은 명목값에 비하여 수치값을 상하로 10% 편차로 수정한다. 이 용어는 또한, 예를 들어, 측정 기구의 실험적인 오차 또는 반올림(rounding)을 고려할 수 있다.
본원에서 범위값이 언급된 경우, 그 범위의 하한과 상한은 달리 정의되지 않는 한 범위에 포함된다.
본 기술은 층상 칼륨 옥사이드 및 전기화학적으로 활성인 물질로서 적어도 하나의 금속성 원소를 포함하는 전극 물질, 이들 전극 물질의 제조 방법 및 전기화학적 전지, 예를 들어, 리튬-이온 배터리, 나트륨-이온 배터리 또는 칼륨-이온 배터리에서의 이들 전극 물질의 용도에 관한 것이다.
하나의 예에 따르면, 본 기술은 전기화학적으로 활성인 물질을 포함하는 전극 물질에 관한 것이고, 여기서 상기 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 KxMO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x는 0 < x ≤ 0.7과 같은 수이고, 그리고 M은 Na, Li, Co, Mn, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zn, Mg, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다.
다른예에 따르면, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 KxMO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x는 0 < x ≤ 0.7과 같은 수이고, 그리고 M은 Co, Mn, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다.
다른 예에 따르면, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 KxMyMn1-yO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함할 수 있고, 여기서 x는 본 명세서에서 정의된 바와 같고, y는 0 ≤ y ≤ 1.0과 같은 수이고, 그리고 M은 Na, Li, Co, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zn, Mg, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다. 하나의 예에 따르면, M은 Co, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 KxFeyMn1-yO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함할 수 있고, 여기서 y는 본 명세서에서 정의된 바와 같다.
다른 예에 따르면, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 KxNi0.5xMn1-0.5xO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함할 수 있고, 여기서 x는 본 명세서에서 정의된 바와 같다.
다른 예에 따르면, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 KxNi0.5xMn1-0.5x-yMyO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함할 수 있고, 여기서 x는 본 명세서에서 정의된 바와 같고, y는 0 ≤ y ≤ (1.0 - 0.5x)와 같은 수이고, 그리고 M은 Na, Li, Co, Fe, Ti, Cr, V, Cu, Zn, Mg, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다. 하나의 예에 따르면, M은 Co, Fe, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 KxNi0.5xMn1-0.5xTiyO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함할 수 있고, 여기서 x 및 y는 본 명세서에서 정의된 바와 같다. 예를 들어, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.8-yTiyO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함할 수 있고, 여기서 y는 0 ≤ y ≤ 0.8과 같은 수이다.
다른 예에 따르면, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 NazKxMO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x는 본 명세서에서 정의된 바와 같고, z는 0 < x ≤ 0.8과 같은 수이고, 그리고 M은 Li, Co, Mn, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zn, Mg, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다.
다른 예에 따르면, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 NazKxMO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x 및 z는 본 명세서에서 정의된 바와 같고, 그리고 M은 Co, Mn, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다.
다른 예에 따르면, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 NazKxMyMn1-yO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함할 수 있고, 여기서 x 및 z는 본 명세서에서 정의된 바와 같고, y는 0 ≤ y ≤ 1.0과 같은 수이고, 그리고 M은 Li, Co, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zn, Mg, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택된다. 하나의 예에 따르면, M은 Co, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 NazKxNiyMn1-yO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함할 수 있고, 여기서 x, y 및 z는 본 명세서에서 정의된 바와 같다.
다른 예에 따르면, 전기화학적으로 활성인 물질은 화학식 KxMnO2, KxNiMnO2, KxNiMnTiO2 또는 KxFeMnO2들의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x는 본 명세서에서 정의된 바와 같다. 층상 칼륨 금속 옥사이드의 비-제한적인 예에는 K0.67Ni0.33Mn0.67O2, K0.6Ni0.3Mn0.7O2, K0.5Ni0.25Mn0.75O2, K0.4Ni0.2Mn0.8O2, K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2, K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2, K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2, K0.4Fe0.4Mn0.6O2, K0.4Ni0.1Mn0.9O2, K0.4MnO2, K0.3Ni0.15Mn0.85O2, K0.3Ni0.2Mn0.8O2, K0.3MnO2, K0.2Ni0.1Mn0.9O2, K0.2Ni0.2Mn0.8O2, K0.2MnO2, K0.1Ni0.05Mn0.95O2, K0.1Ni0.1Mn0.9O2, Na0.74K0.08Ni0.41Mn0.59O2, Na0.6K0.08Ni0.34Mn0.66O2, Na0.74K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.6K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.32K0.08Ni0.2Mn0.8O2 및 Na0.2K0.2Ni0.2Mn0.8O2가 포함된다.
전기화학적으로 활성인 물질은 임의선택적으로 다른 원소들 또는 보다 적은 양으로 포함되는 불순물들로 도핑되어 예를 들어 전기화학적으로 활성인 물질의 전기화학적 특성을 조정하거나 최적화하도록 할 수 있다. 일부 경우에서, 전기화학적으로 활성인 물질은 금속의 다른 이온들로의 부분적인 치환에 의해 도핑될 수 있다. 예를 들어, 전기화학적으로 활성인 물질은 전이금속(예를 들어, Fe, Co, Ni, Mn, Ti, Cr, Cu, V, Zn 및/또는 Y) 및/또는 전이금속 이외의 금속(예를 들어, Mg, Al 및/또는 Sb)로 도핑될 수 있다.
전극 물질은 리튬 및/또는 나트륨이 거의 없을 수 있다. 예를 들어, 전기화학적으로 활성인 물질은 2중량% 미만, 1중량% 미만, 0.5중량% 미만, 0.1중량% 미만, 0.05중량% 미만 또는 0.01중량% 미만의 리튬 및/또는 나트륨을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기화학적으로 활성인 물질은 탈리튬화(delithiated) 및/또는 탈나트륨화될 수 있다.
다른 예에 따르면, 전기화학적으로 활성인 물질은 새로 형성될 수 있고 그리고 코팅 물질을 추가로 포함할 수 있는 입자(예를 들어, 마이크로입자 또는 나노입자)의 형태일 수 있다. 코팅 물질은 전기적으로 전도성인 물질, 예를 들어, 탄소 코팅일 수 있다.
다른 예에 따르면, 본 명세서에서 기술된 바와 같은 전극 물질은 전기적으로 전도성인 물질을 추가로 포함할 수 있다. 전기적으로 전도성인 물질의 비-제한적인 예에는 카본 블랙(예를 들어, 케첸™ 카본(Ketjen™ carbon) 또는 슈퍼 P™ 카본(Super P™ carbon)), 아세틸렌 블랙(예를 들어, 쇼우니간 카본(Shawinigan carbon) 또는 덴카™ 카본 블랙(Denka™ carbon black)), 흑연, 그래핀, 탄소 섬유(기상 성장 탄소 섬유(VGCFs)), 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브(CNTs) 또는 이들 중의 적어도 2종의 조합과 같은 탄소원이 포함된다. 대상의 하나의 구현예에 따르면, 전기적으로 전도성인 물질은 케첸™ 카본, 슈퍼 P™ 카본, VGCF 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
다른 예에 따르면, 본 명세서에서 기술된 바와 같은 전극 물질은 또한 결합제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합제는 전기화학적 전지의 여러 구성요소와의 적합성에 대해 선택될 수 있다. 임의의 공지된 적합한 결합제가 고려된다. 예를 들어, 결합제는 불화 폴리머 결합제, 수용성(물에 녹을 수 있는) 결합제 또는 폴리에테르와 같은 적어도 하나의 리튬 이온 용매화 단편 및 임의선택적으로 적어도 하나의 가교-결합가능한 단편으로 구성된 코폴리머와 같은 이온-전도성 폴리머 결합제(예를 들어, 메틸 메타크릴레이트 단위들을 포함하는 폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO)-기반 폴리머들)일 수 있다. 하나의 예에 따르면, 결합제는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)와 같은 불화 폴리머이다. 다른 예에 따르면, 결합제는 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR), 수소화 NBR(HNBR), 에피클로로히드린 고무(CHR) 또는 아크릴레이트 고무(ACM)와 같은 수용성 결합제, 그리고 임의선택적으로 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 또는 폴리(아크릴산)(PAA), 폴리(메타크릴산)(PMMA) 또는 이들의 조합과 같은 농후화제를 포함하는 수용성 결합제이다. 다른 예에 따르면, 결합제는 폴리에테르 형의 폴리머성 결합제이다. 예를 들어, 폴리에테르 형의 폴리머성 결합제는 선형, 분지형 및/또는 가교화되고, 그리고 PEO, 폴리(프로필렌 옥사이드)(PPO) 또는 이들의 조합(EO/PO 코폴리머와 같은)에 기반하고, 그리고 임의선택적으로 가교-결합가능한 단위를 포함한다. 대상의 하나의 구현예에 따르면, 결합제는 PVDF 또는 본 명세서에서 정의된 바와 같은 폴리에테르 형 폴리머이다.
본 명세서에서 기술된 바와 같은 전극 물질은 무기 입자, 유리 또는 세라믹 입자, 이온 전도체, 염 및 다른 유사한 첨가제와 같은 추가의 구성성분 또는 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
본 기술은 전류 수집기(예를 들어, 알루미늄 또는 구리 박막) 상에 본 명세서에서 정의된 바와 같은 전극 물질을 포함하는 전극에 관한 것이다. 대안으로, 전극은 자가-지지(self-supported)될 수 있다. 대상의 하나의 구현예에 따르면, 전극은 양극이다.
본 기술은 또한 음극, 양극 및 전해질을 포함하는 전기화학적 전지에 관한 것이고, 여기서 양극은 본 명세서에서 정의된 바와 같다.
하나의 예에 따르면, 음극(대전극)은 모든 공지된 적합한 전기화학적으로 활성인 물질로부터 선택되는 전기화학적으로 활성인 물질을 포함한다. 예를 들어, 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 본 명세서에서 정의된 바와 같은 전기화학적 전지의 여러 구성요소들과의 전기화학적 적합성에 대해 선택될 수 있다.
음극의 전기화학적으로 활성인 물질들의 비-제한적인 예에는 알칼리 금속, 알칼리 금속 합금, 사전리튬화된 전기화학적으로 활성인 물질 및 사전칼륨화된 전기화학적으로 활성인 물질이 포함된다. 하나의 예에 따르면, 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 리튬 금속, 나트륨 금속, 칼륨 금속 또는 이들 중의 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다. 다른 예에 따르면, 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 사전리튬화된 합금, 사전리튬화된 흑연, 사전리튬화된 규소, 사전리튬화된 옥사이드 또는 적합한 경우 이들의 조합일 수 있다. 다른 예에 따르면, 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 사전나트륨화된 합금, 사전나트륨화된 난흑연화성 탄소 또는 사전나트륨화된 옥사이드일 수 있다. 다른 예에 따르면, 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 사전칼륨화된 합금, 사전칼륨화된 흑연, 사전칼륨화된 난흑연화성 탄소 또는 사전칼륨화된 옥사이드일 수 있다.
다른 예에 따르면, 전해질은 또한 전기화학적 전지의 여러 구성요소와의 적합성에 대해 선택될 수 있다. 임의의 형태의 적합한 전해질이 고려된다. 하나의 예에 따르면, 전해질은 용매 중에 염을 포함하는 액체 전해질일 수 있다. 하나의 대안에 따르면, 전해질은 용매 중에 염을 그리고 임의선택적으로 용매화 폴리머를 포함하는 겔 전해질일 수 있다. 다른 대안에 따르면, 전해질은 용매화 폴리머 중에 염을 포함하는 고체 폴리머 전해질일 수 있다. 다른 대안에 따르면, 전해질은 유리 전해질 또는 세라믹 전해질일 수 있다. 대상의 하나의 구현예에 따르면, 전해질은 무-용매 고체 폴리머 전해질, 유리 전해질 또는 세라믹 전해질이다.
전해질 중에 존재하는 경우, 염은 리튬 염, 나트륨 염 또는 칼륨 염과 같은 금속 염일 수 있다. 리튬 염들의 비-제한적인 예에는 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(LiTFSI), 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(LiFSI), 리튬 2-트리플루오로메틸-4,5-디시아노이미다졸레이트(LiTDI), 리튬 4,5-디시아노-1,2,3-트리아졸레이트(LiDCTA), 리튬 비스(펜타플루오로에틸술포닐)이미드(LiBETI), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 비스(옥살라토)보레이트(LiBOB), 질산리튬(LiNO3), 염화리튬(LiCl), 브롬화리튬(LiBr), 불화리튬(LiF), 과염소산리튬(LiClO4), 리튬 헥사플루오로아르세네이트(LiAsF6), 리튬 트리플루오로메탄술포네이트(LiSO3CF3)(LiTf), 리튬 플루오로알킬포스페이트(Li[PF3(CF2CF3)3])(LiFAP), 리튬 테트라키스(트리플루오로아세트옥시)보레이트(Li[B(OCOCF3)4])(LiTFAB), 리튬 비스(1,2-벤젠디올레이토(2-)-O,O')보레이트([B(C6O2)2])(LiBBB) 및 이들의 조합이 포함된다. 대상의 하나의 구현예에 따르면, 리튬 염은 LiPF6, LiFSI, LiTFSI 또는 LiTDI이다. 나트륨 염의 비-제한적인 예에는 나트륨 헥사플루오로포스페이트(NaPF6), 과염소산나트륨(NaClO4), 나트륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(NaTFSI), 나트륨 비스(플루오로술포닐)이미드(NaFSI), 나트륨 2-트리플루오로메틸-4,5-디시아노이미다졸레이트(NaTDI), 나트륨 비스(펜타플루오로에틸술포닐)이미드(NaBETI), 나트륨 트리플루오로메탄술포네이트(NaTF), 불화나트륨(NaF), 질산나트륨(NaNO3) 및 이들의 조합이 포함된다. 대상의 하나의 구현예에 따르면, 나트륨 염은 NaPF6, NaFSI, NaTFSI 또는 NaClO4이다. 칼륨 염의 비-제한적인 예에는 칼륨 헥사플루오로포스페이트(KPF6), 칼륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(KTFSI), 칼륨 비스(플루오로술포닐)이미드(KFSI), 칼륨 트리플루오로메탄술포네이트(KSO3CF3)(KTf) 및 이들의 조합이 포함된다. 대상의 하나의 구현예에 따르면, 칼륨 염은 KPF6이다.
전해질 중에 존재하는 경우, 용매는 비-수성 용매일 수 있다. 비-수성 용매들의 비-제한적인 예에는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 및 비닐 카보네이트(VC) 등과 같은 고리형 카보네이트; 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 및 디프로필 카보네이트(DPC) 등과 같은 비고리형 카보네이트; 감마-부티로락톤(γ-BL) 및 감마-발레로락톤(γ-VL) 등과 같은 락톤류; 1,2-디메톡시에탄(DME), 1,2-디에톡시에탄(DEE) 및 에톡시메톡시에탄(EME) 등과 같은 사슬형 에테르; 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 1,3-디옥솔란 및 디옥솔란 유도체들 등과 같은 고리형 에테르; 및 디메틸술폭사이드, 포름아미드, 아세트아미드, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 프로필니트릴, 니트로메탄, 인산 트리에스테르, 술포란, 메틸술포란, 프로필렌 카보네이트 유도체 등과 같은 다른 용매 및 이들의 혼합물이 포함된다.
하나의 예에 따르면, 전해질은 에틸렌 카보네이트와 디에틸 카보네이트의 혼합물(EC/DEC)([3:7] 용적비로), 에틸렌 카보네이트와 디메틸 카보네이트의 혼합물(EC/DMC)([4:6] 용적비로) 등과 같은 비-수성 용매 혼합물에 용해되거나 또는 디메틸 카보네이트(DMC) 또는 프로필렌 카보네이트에 용해된 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 나트륨 헥사플루오로포스페이트(NaPF6), 과염소산나트륨(NaClO4) 또는 칼륨 헥사플루오로포스페이트(KPF6)로부터 선택되는 염을 포함한다.
하나의 예에 따르면, 전해질은 액체 전해질이고, 그리고 전극 물질은 조성물 중에 약 80:10:10의 비율로 전기화학적으로 활성인 물질, 전기적으로 전도성인 물질 및 결합제를 포함한다. 예를 들어, 전극 물질은 약 80중량%의 전기화학적으로 활성인 물질, 약 10중량%의 전기적으로 전도성인 물질 및 약 10중량%의 결합제를 포함한다.
전해질이 겔 전해질 또는 겔 폴리머 전해질인 경우, 겔 폴리머 전해질은, 예를 들어, 폴리머 전구체 및 염(예를 들어, 앞서 정의된 바와 같은 염), 용매(예를 들어, 앞서 정의된 바와 같은 용매) 그리고, 필요한 경우, 중합 개시제 및/또는 가교 개시제를 포함할 수 있다. 겔 전해질의 비-제한적인 예에는, 제한 없이, 번호 WO2009/111860(Zaghib et al.) 및 WO2004/068610 (Zaghib et al.)들로 공개된 PCT 특허 출원에 기술된 겔 전해질을 포함한다.
전해질은 또한 고체 폴리머 전해질일 수 있다. 예를 들어, 고체 폴리머 전해질은 임의의 공지된 고체 폴리머 전해질로부터 선택될 수 있고 그리고 전기화학적 전지의 여러 구성 요소들과의 적합성에 대해 선택될 수 있다. 예를 들어, 고체 폴리머 전해질은 리튬, 나트륨 및/또는 칼륨과의 적합성에 대해 선택될 수 있다. 고체 폴리머 전해질은 대체로 염과 마찬가지로 임의선택적으로 가교-결합된 하나 이상의 고체 극성 폴리머(들)을 포함한다. PEO에 기반하는 것들과 같은 폴리에테르-형 폴리머가 사용될 수 있으나, 여러 다른 적합한 폴리머가 또한 고체 폴리머 전해질의 제조를 위해 공지되어 있고 그리고 또한 고려된다. 폴리머는 가교-결합될 수 있다. 이러한 폴리머의 예에는 분지형 폴리머, 예를 들어, WO2003/063287(Zaghib et al.)로 공개된 PCT 특허 출원에 기술된 것과 같은 성형 폴리머(star polymers) 또는 빗형 폴리머(comb polymers)가 포함된다.
하나의 예에 따르면, 전해질은 용매화 폴리머 중에 염을 포함하는 고체 폴리머 전해질이다. 대상의 하나의 구현예에 따르면, 고체 폴리머 전해질의 폴리머는 PEO이고 그리고 염은 LiTFSI, LiFSI, LiTDI, NaTFSI 또는 NaFSI이다.
다른 예에 따르면, 전해질은 고체 폴리머 전해질이고 그리고 전극 물질은 약 50중량% 내지 약 75중량%의 전기화학적으로 활성인 물질, 약 1중량% 내지 약 5중량%의 전기적으로 전도성인 물질 및 약 20중량% 내지 약 49중량%의 결합제를 포함한다.
다른 예에 따르면, 전해질은 세라믹 전해질이다. 예를 들어, 세라믹 전해질은 결정성 이온 전도성 세라믹 또는 비정질 이온 전도성 세라믹(예를 들어, 비정질 이온 전도성 유리) 또는 이온 전도성 유리 세라믹을 포함할 수 있다. 유리 전해질들 또는 세라믹 전해질들의 비-제한적인 예에는 사이트-결함 페로브스카이트-형 전해질, 가넷-형 전해질, NASICON-형 유리 세라믹 전해질, LISICON-형 전해질, 리튬-안정화 나트륨 이온(Na+) 전도성 알루미늄 옥사이드들(Al2O3) 및 다른 유사한 유리 전해질 또는 세라믹 전해질이 포함된다.
앞서 정의된 바와 같은 겔 전해질 또는 액체 전해질은 또한 폴리머 세퍼레이터와 같은 세퍼레이터를 함침할 수 있다. 세퍼레이터의 비-제한적인 예에는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 셀룰로오스, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 폴리프로필렌-폴리에틸렌-폴리프로필렌(PP/PE/PP) 막들이 포함된다. 예를 들어, 세퍼레이터는 셀가드™ 형(Celgard™ type)의 기존의 폴리머 세퍼레이터이다.
전해질은 또한 이온 전도체, 무기 입자, 유리 입자 또는 세라믹 입자, 예를 들어, 나노세라믹(Al2O3, TiO2, SiO2 및 다른 유사한 화합물) 및 다른 이러한 첨가제와 같은 별도의 구성성분 또는 첨가제를 임의선택적으로 포함할 수 있다.
본 기술은 또한 본 명세서에서 정의된 바와 같은 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하는 배터리에 관한 것이다. 예를 들어, 배터리는 리튬 배터리, 리튬-이온 배터리, 나트륨 배터리, 나트륨-이온 배터리, 칼륨 배터리 또는 칼륨-이온 배터리일 수 있다.
적어도 하나의 예에 따르면, 배터리는 리튬 배터리 또는 리튬-이온 배터리이다. 하나의 예에 따르면, 전해질은 본 명세서에서 정의된 바와 같은 액체 전해질이고 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 리튬 금속, 리튬-기반 합금, 사전리튬화된 합금, 사전리튬화된 흑연, 사전리튬화된 규소 또는 사전리튬화된 옥사이드를 포함한다. 다른 예에 따르면, 전해질은 본 명세서에서 정의된 바와 같은 겔 전해질이고 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 리튬 금속, 리튬-기반 합금, 사전리튬화된 합금, 사전리튬화된 흑연 또는 사전리튬화된 규소이다. 다른 예에 따르면, 전해질은 고체 폴리머 전해질이고, 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 리튬 금속, 리튬-기반 합금, 사전리튬화된 흑연 또는 사전리튬화된 규소를 포함한다. 다른 예에 따르면, 전해질은 세라믹 전해질이고 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 리튬 금속, 리튬-기반 합금 또는 사전리튬화된 흑연 및/또는 사전리튬화된 규소를 포함한다.
적어도 하나의 예에 따르면, 배터리는 나트륨 배터리 또는 나트륨-이온 배터리이다. 하나의 예에 따르면, 전해질은 본 명세서에서 정의된 바와 같은 액체 전해질이고 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 나트륨 금속, 나트륨-기반 합금, 사전나트륨화된 합금, 사전나트륨화된 난흑연화성 탄소 또는 사전나트륨화된 옥사이드를 포함한다. 다른 예에 따르면, 전해질은 본 명세서에서 정의된 바와 같은 겔 전해질이고 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 나트륨 금속, 나트륨-기반 합금, 사전나트륨화된 합금 또는 사전나트륨화된 난흑연화성 탄소를 포함한다. 다른 예에 따르면, 전해질은 고체 폴리머 전해질이고 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 나트륨 금속, 나트륨-기반 합금 또는 사전나트륨화된 난흑연화성 탄소를 포함한다. 다른 예에 따르면, 전해질은 세라믹 전해질이고 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 나트륨 금속, 나트륨-기반 합금 또는 사전나트륨화된 난흑연화성 탄소를 포함한다.
적어도 하나의 예에 따르면, 배터리는 칼륨 배터리 또는 칼륨-이온 배터리이다. 하나의 예에 따르면, 전해질은 본 명세서에서 정의된 바와 같은 액체 전해질이고 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 칼륨 금속, 칼륨-기반 합금, 사전칼륨화된 합금, 사전칼륨화된 흑연, 사전칼륨화된 난흑연화성 탄소 또는 사전칼륨화된 옥사이드를 포함한다. 다른 예에 따르면, 전해질은 본 명세서에서 정의된 바와 같은 겔 전해질이고 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 칼륨 금속, 칼륨-기반 합금, 사전칼륨화된 합금, 사전칼륨화된 흑연 또는 사전칼륨화된 난흑연화성 탄소를 포함한다. 다른 예에 따르면, 전해질은 고체 폴리머 전해질이고 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 칼륨 금속, 칼륨-기반 합금, 사전칼륨화된 흑연 또는 사전칼륨화된 난흑연화성 탄소를 포함한다. 다른 예에 따르면, 전해질은 세라믹 전해질이고 그리고 음극의 전기화학적으로 활성인 물질은 칼륨 금속, 칼륨-기반 합금, 사전칼륨화된 흑연 또는 사전칼륨화된 난흑연화성 탄소를 포함한다.
본 기술은 또한 결정 형태이고 그리고 화학식 KxMO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드에 관한 것이고, 여기서 x는 0 < x ≤ 0.7과 같은 수이고, 그리고 M은 Li, Co, Mn, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zn, Mg, Zr, Sb 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
본 기술은 또한 결정 형태이고 그리고 화학식 KxMO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드에 관한 것이고, 여기서 x는 0 < x ≤ 0.7과 같은 수이고, 그리고 M은 Co, Mn, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
적어도 하나의 예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.67Ni0.33Mn0.67O2이고 그리고 실질적으로 도 1에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.6Ni0.3Mn0.7O2이고 그리고 실질적으로 도 2에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.5Ni0.25Mn0.75O2이고 그리고 실질적으로 도 3에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.8O2이고 그리고 실질적으로 도 4에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2이고 그리고 실질적으로 도 5에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2이고 그리고 실질적으로 도 6에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2이고 그리고 실질적으로 도 7에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Fe0.4Mn0.6O2이고 그리고 실질적으로 도 8에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Ni0.1Mn0.9O2이고 그리고 실질적으로 도 9에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4MnO2이고 그리고 실질적으로 도 10에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.3Ni0.15Mn0.85O2이고 그리고 실질적으로 도 11에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.3Ni0.2Mn0.8O2이고 그리고 실질적으로 도 12에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.3MnO2이고 그리고 실질적으로 도 13에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.2Ni0.1Mn0.9O2이고 그리고 실질적으로 도 14에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.2Ni0.2Mn0.8O2이고 그리고 실질적으로 도 15에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.2MnO2이고 그리고 실질적으로 도 16에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.1Ni0.05Mn0.95O2이고 그리고 실질적으로 도 17에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
다른 대안에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 Na0.74K0.08Ni0.41Mn0.59O2, Na0.6K0.08Ni0.34Mn0.66O2, Na0.74K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.6K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.32K0.08Ni0.2Mn0.8O2 또는 Na0.2K0.2Ni0.2Mn0.8O2이고 그리고 실질적으로 도 18에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
적어도 하나의 예에 따르면, 화학식 KxMO2의 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 실질적으로 도 39에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다. 하나의 대안에 따르면, 화학식 KxMO2의 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 실질적으로 도 40에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다. 다른 대안에 따르면, 화학식 KxMO2의 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 실질적으로 도 41에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다.
대상의 다른 구현예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속는 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.8O2이고 그리고 실질적으로 도 4에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖거나 또는 실질적으로 도 40에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다.
대상의 다른 구현예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2이고, 그리고 실질적으로 도 5에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖는다.
대상의 다른 구현예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2이고, 그리고 실질적으로 도 6에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖거나 또는 실질적으로 도 40에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다.
대상의 다른 구현예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2이고, 그리고 실질적으로 도 7에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖거나 또는 실질적으로 도 40에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다.
대상의 다른 구현예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Fe0.4Mn0.6O2이고, 그리고 실질적으로 도 8에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖거나 또는 실질적으로 도 41에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다.
대상의 다른 구현예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Ni0.1Mn0.9O2이고, 그리고 실질적으로 도 9에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖거나 또는 실질적으로 도 39 및/또는 도 40에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다.
대상의 다른 구현예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.3Ni0.15Mn0.85O2이고, 그리고 실질적으로 도 11에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖거나 또는 실질적으로 도 40에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다.
대상의 다른 구현예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.3Ni0.2Mn0.8O2이고, 그리고 실질적으로 도 12에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖거나 또는 실질적으로 도 40에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다.
대상의 다른 구현예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.2Ni0.1Mn0.9O2이고, 그리고 실질적으로 도 14에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖거나 또는 실질적으로 도 40 및/또는 도 41에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다.
대상의 다른 구현예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.2Ni0.2Mn0.8O2이고, 그리고 실질적으로 도 15에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖거나 또는 실질적으로 도 41에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다.
대상의 다른 구현예에 따르면, 결정 형태의 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.1Ni0.05Mn0.95O2이고, 그리고 실질적으로 도 17에 나타낸 바와 같은 XRD 패턴을 갖거나 또는 실질적으로 도 41에 나타낸 바와 같은 XRD 2θ(°) 반사들을 갖는다.
실시예
하기 실시예들은 설명의 목적들을 위한 것이고 그리고 고려되는 바와 같은 발명의 범주를 추가로 제한하는 것으로 해석되어서는 안될 것이다. 이들 실시예들은 첨부되는 도면들을 참조하여 보다 잘 이해될 수 있다.
실시예 1: 전기화학적으로 활성인 물질의 합성
a) 고상 합성
화학식 K0.67Ni0.33Mn0.67O2, K0.6Ni0.3Mn0.7O2, K0.5Ni0.25Mn0.75O2, K0.4Ni0.2Mn0.8O2, K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2, K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2, K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2, K0.4Fe0.4Mn0.6O2, K0.4Ni0.1Mn0.9O2, K0.4MnO2, K0.3Ni0.15Mn0.85O2, K0.3Ni0.2Mn0.8O2, K0.3MnO2, K0.2Ni0.1Mn0.9O2, K0.2Ni0.2Mn0.8O2, K0.2MnO2, K0.1Ni0.05Mn0.95O2, K0.1Ni0.1Mn0.9O2, Na0.74K0.08Ni0.41Mn0.59O2, Na0.6K0.08Ni0.34Mn0.66O2, Na0.74K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.6K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.32K0.08Ni0.2Mn0.8O2 및 Na0.2K0.2Ni0.2Mn0.8O2 들의 층상 칼륨 금속 옥사이드들이 고상 반응 기술을 사용하여 제조되었다. 개별 전구체(K2CO3/KOH 그리고 Na2CO3, Mn2O3, Co2O3, CuO, ZrO2, NiO, Fe2O3 및 TiO2 등과 같은 금속 옥사이드)을 칭량하여 소정의 화학양론을 수득하였다. 전구체 분말을 분쇄하고 혼합하여 샘플을 준비하였다. 계속해서 분쇄되고 혼합된 전구체 분말을 로(furnace) 내에 위치시키고 온도 600℃ 내지 1000℃까지 공기 또는 산소 분위기 하에서 5 내지 24 시간 동안, 예를 들어, 온도 800℃ 내지 1000℃에서 6 내지 8 시간 동안 가열하였다.
b) 습식 화학 합성
대안으로, 본 명세서에서 정의된 바와 같은 층상 칼륨 금속 옥사이드는 습식 화학 합성 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 정의된 바와 같은 층상 칼륨 금속 옥사이드들은 졸-겔 방법, 예를 들어, Hashem et al. (Hashem, Ahmed M., et al. Research on Engineering Structures and Materials 1.2 (2015): 81-97)에 의해 기술된 것과 유사한 졸-겔(333SG) 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 이러한 졸-겔 방법을 사용하여, 졸-겔 파우더들(333SG)이 킬레이트화제로서 시트르산을 사용하여 합성되었다. 개별 전구체(금속 아세테이트, 여기서 금속은 Na, Mn, Ti, K, Fe 또는 Ni임)을 칭량하여 소정의 화학양론을 수득하고 증류수에 용해시켰다. 용액을 연속적으로 교반되는 시트르산 수용액(약 1 mol/ℓ)에 적가하였다. pH를 수산화암모늄으로 약 7.0 내지 약 8.0의 값으로 조정하였다. 계속해서 용액을 약 70℃ 내지 약 80℃의 온도까지 가열하는 한편으로 교반하여 투명한 졸-겔 전구체가 수득될 때까지 용매를 증발시켰다. 그 결과의 졸-겔 전구체를 오븐 중에서 약 450℃의 온도에서 약 8 시간 동안 공기 또는 산소 분위기 중에서 하소시켜 유기 함유물을 제거하였다. 마지막으로, 그 결과의 분말을 막자사발에서 분쇄하고 약 900℃의 온도에서 약 12 시간 동안 하소시켰다.
실시예 2: 전기화학적으로 활성인 물질의 특정
a) 분말 X-선 회절(XRD)
전기화학적으로 활성인 물질의 원자 및 분자 구조를 실시예 1(a)에서 제조된 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대해 수행된 X-선 회절로 조사하였다. 도 1 내지 도 17은 (A)에 화학식 K0.67Ni0.33Mn0.67O2, K0.6Ni0.3Mn0.7O2, K0.5Ni0.25Mn0.75O2, K0.4Ni0.2Mn0.8O2, K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2, K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2, K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2, K0.4Fe0.4Mn0.6O2, K0.4Ni0.1Mn0.9O2, K0.4MnO2, K0.3Ni0.15Mn0.85O2, K0.3Ni0.2Mn0.8O2, K0.3MnO2, K0.2Ni0.1Mn0.9O2, K0.2Ni0.2Mn0.8O2, K0.2MnO2 및 K0.1Ni0.05Mn0.95O2들의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을 나타내고 있다. 도 18은 화학식 Na0.74K0.08Ni0.41Mn0.59O2, Na0.6K0.08Ni0.34Mn0.66O2, Na0.74K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.6K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.32K0.08Ni0.2Mn0.8O2 및 Na0.2K0.2Ni0.2Mn0.8O2들의 층상 칼륨 금속 옥사이드 분말에 대한 X-선 회절 패턴을 나타내고 있다.
λ = 1.78901 Å의 파장을 갖는 X-선을 방출하는 코발트 X-선원(X-ray source)이 장착된 Rigaku Smartlab™ X-선 회절분석기를 사용하여 X-선 스펙트럼이 수득되었다.
b) 결정 구조 특징
X-선 회절(XRD) 스펙트럼을 색인 작성(indexing)하고 데이터베이스 패턴들과 비교하는 것에 의해 자료 처리 및 결정 구조 특정을 수행하여 층상 칼륨 금속 옥사이드의 결정 구조를 확인하였다.
도 1 내지 도 3(B) 및 도 9(C)들 각각은 화학식 K0.67Ni0.33Mn0.67O2, K0.6Ni0.3Mn0.7O2, K0.5Ni0.25Mn0.75O2 및 K0.4Ni0.1Mn0.9O2과 표 1에 제공된 결정 구조 특징을 갖는 층상 칼륨 금속 옥사이드의 결정 구조의 도식을 나타내고 있다.
Figure pct00001
표 1에 제공된 결정 구조 특징을 갖는 층상 칼륨 금속 옥사이드의 반사 매개변수가 도 39에 제공되었다.
도 4, 도 6, 도 7, 도 9, 도 11, 도 12 및 도 14 (B) 각각은 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.8O2, K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2, K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2, K0.4Ni0.1Mn0.9O2, K0.3Ni0.15Mn0.85O2, K0.3Ni0.2Mn0.8O2 및 K0.2Ni0.1Mn0.9O2 과 표 2에 제공된 결정 구조 특징을 갖는 층상 칼륨 금속 옥사이드의 결정 구조의 도식을 나타내고 있다.
Figure pct00002
표 2에 제공된 결정 구조 특징을 갖는 층상 칼륨 금속 옥사이드의 반사 매개변수가 도 40에 제공되었다.
도 8(B), 도 14(C), 도 15(B) 및 도 17(B) 각각은 화학식 K0.4Fe0.4Mn0.6O2, K0.2Ni0.1Mn0.9O2, K0.2Ni0.2Mn0.8O2 및 K0.1Ni0.05Mn0.95O2 과 표 3에 제공된 결정 구조 특징을 갖는 층상 칼륨 금속 옥사이드의 결정 구조의 도식을 나타내고 있다.
Figure pct00003
표 3에 제공된 결정 구조 특징들을 갖는 층상 칼륨 금속 옥사이드의 반사 매개변수가 도 41에 제공되었다.
도 10 및 도 13 각각은 (B)에 화학식 K0.4MnO2 및 K0.3MnO2 과 표 4에 제공된 결정 구조 특징을 갖는 층상 칼륨 금속 옥사이드의 결정 구조의 도식을 나타내고 있다.
Figure pct00004
도 16은 (B)에 화학식 K0.2MnO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드의 결정 구조 특징을 나타내고 있다. 주상(main phase)은 정방정계 망간 옥사이드 Mn3O4로 이루어진다.
상기 언급된 바와 같이, 화학식 K0.4Ni0.1Mn0.9O2(도 9, 표 1 및 표 2) 및 K0.2Ni0.1Mn0.9O2(도 14, 표 2 및 표 3)의 층상 칼륨 금속 옥사이드에 대해 2가지 구조가 제안되었다. 사실, X-선 회절 패턴들에 따르면, 이들 2가지 구조가 가능할 수 있다.
실시예 3: 전기화학적 특성
실시예 1(a)에서 제조된 바와 같은 전기화학적으로 활성인 물질의 전기화학적 특성이 시험되었다. 전기화학적 전지는 아래의 표 5에 도시된 전기화학적 전지 구성에 따라 조립되었다.
a) 전기화학적 전지 구성
전기화학적 전지 구성
전지 양극의 전기화학적 활성 물질 음극의 전기화학적 활성 물질
전지 1 K0.67Ni0.33Mn0.67O2 리튬 금속
전지 2 K0.67Ni0.33Mn0.67O2 나트륨 금속
전지 3 K0.6Ni0.3Mn0.7O2 리튬 금속
전지 4 K0.6Ni0.3Mn0.7O2 나트륨 금속
전지 5 K0.5Ni0.25Mn0.75O2 리튬 금속
전지 6 K0.5Ni0.25Mn0.75O2 나트륨 금속
전지 7 K0.4Ni0.2Mn0.8O2 리튬 금속
전지 8 K0.4Ni0.2Mn0.8O2 나트륨 금속
전지 9 K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2 리튬 금속
전지 10 K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2 나트륨 금속
전지 11 K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2 리튬 금속
전지 12 K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2 나트륨 금속
전지 13 K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2 리튬 금속
전지 14 K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2 나트륨 금속
전지 15 K0.4Fe0.4Mn0.6O2 리튬 금속
전지 16 K0.4Fe0.4Mn0.6O2 나트륨 금속
전지 17 K0.4Ni0.1Mn0.9O2 리튬 금속
전지 18 K0.4Ni0.1Mn0.9O2 나트륨 금속
전지 19 K0.3Ni0.15Mn0.85O2 리튬 금속
전지 20 K0.3Ni0.15Mn0.85O2 나트륨 금속
전지 21 K0.3Ni0.2Mn0.8O2 리튬 금속
전지 22 K0.3Ni0.2Mn0.8O2 나트륨 금속
전지 23 K0.2Ni0.1Mn0.9O2 리튬 금속
전지 24 K0.2Ni0.1Mn0.9O2 나트륨 금속
전지 25 K0.2Ni0.2Mn0.8O2 리튬 금속
전지 26 K0.2Ni0.2Mn0.8O2 나트륨 금속
전지 27 K0.2MnO2 리튬 금속
전지 28 K0.2MnO2 나트륨 금속
전지 29 K0.1Ni0.05Mn0.95O2 리튬 금속
전지 30 K0.1Ni0.05Mn0.95O2 나트륨 금속
전지 31 K0.1Ni0.1Mn0.9O2 리튬 금속
전지 32 K0.1Ni0.1Mn0.9O2 나트륨 금속
전지 33 Na0.74K0.08Ni0.41Mn0.59O2 나트륨 금속
전지 34 Na0.6K0.08Ni0.34Mn0.66O2 나트륨 금속
전지 35 Na0.6K0.08Ni0.2Mn0.8O2 나트륨 금속
모든 전기화학적 전지는 상기 나열된 구성요소 및 알루미늄 전류 수집기 상의 리튬 또는 나트륨 금속 필름을 포함하는 음극으로 2032 형 코인 셀 케이싱 내에 조립되었다. 전기화학적 전지는 약 80중량%의 전기화학적으로 활성인 물질, 약 10중량%의 결합제(PVDF) 및 약 10중량%의 전기적으로 전도성인 물질(Ketjen™ black, Super P™ 또는 VGCF)을 포함하는 전극 물질을 포함하였다. 액체 전해질을 포함하는 모든 전기화학적 전지가 Celgard™ 세퍼레이터로 조립되었다.
리튬 금속 필름을 포함하는 음극을 포함하는 전기화학적 전지의 세퍼레이터가 액체 전해질로서 EC/DMC 혼합물([4:6] 용적비로) 중의 1 M LiPF6 용액 및 2용적%의 VC로 함침시켰다.
나트륨 금속 필름을 포함하는 음극을 포함하는 전기화학적 전지의 세퍼레이터를 액체 전해질로서 EC/DEC([3:7] 용적비로) 또는 EC/DMC([4:6] 용적비로) 중의 1 M NaPF6 용액으로 함침시켰다.
b) 층상 칼륨 금속 옥사이드의 전기화학적 거동
본 실시예는 실시예 3(a)에서 기술된 바와 같은 전기화학적 전지의 전기화학적 거동을 설명하고 있다.
도 19는 0.1 내지 0.7의 x에 대해 기록된 화학식 KxNi0.5xMn1-0.5xO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드에 대해 용량(mAhㆍg-1) 대 x의 그래프를 나타내고 있다. 그 결과이 리튬-이온 배터리(적색 선)에 대해 그리고 나트륨-이온 배터리(흑색 선)에 대해 제공되었다. 도 19에 나타낸 바와 같이, x는 바람직하게는 약 0.4일 수 있다.
도 20 내지 도 37는 전지 1 내지 전지 28 그리고 전지 33 내지 전지 35에 대한 충전 및 방전 프로파일을 나타내고 있다. 충전 및 방전은 음극으로서 리튬 금속 필름을 포함하는 모든 전기화학적 전지에 대해 1.5 V 내지 4.5 V 대 Li+/Li에서 0.1 C에서 그리고 음극으로서 나트륨 금속 필름을 포함하는 모든 전기화학적 전지에 대해 1.5 V 내지 4.2 V 대 Na+/Na에서 0.1 C에서 수행되었다. 충전 및 방전은 방전으로 시작하여 25℃에서 수행되었다. 제1 방전(흑색 선, 1), 제2 방전(적색 선, 2) 및 종국적으로 제3 방전(청색 선, 3) 및 충전 사이클에 대해 결과가 제공되었다. 각 전기화학적 전지에 의해 전달되는 용량이 표 6에 표시되었다.
표 5의 전지에 의해 전달되는 용량
도면 리튬-이온 전지 용량(mAh.g-1) 나트륨-이온 전지 용량(mAh.g-1)
도 20 전지 1 ~ 129 전지 2 ~ 117
도 21 전지 3 ~ 132 전지 4 ~ 154
도 22 전지 5 ~ 141 전지 6 ~ 175
도 23 전지 7 ~ 162 전지 8 ~ 186
도 24 전지 9 ~ 140 전지 10 ~ 150
도 25 전지 11 ~ 120 전지 12 ~ 150
도 26 전지 13 ~ 124 전지 14 ~ 160
도 27 전지 15 ~ 120 전지 16 ~ 124
도 28 전지 17 ~ 166 전지 18 ~ 188
도 29 전지 19 ~ 125 전지 20 ~ 124
도 30 전지 21 ~ 124 전지 22 ~ 140
도 31 전지 23 ~ 90 전지 24 ~ 115
도 32 전지 25 ~ 120 전지 26 ~ 100
도 33 전지 27 ~ 62 전지 28 ~ 71
도 34 전지 29 ~ 34 전지 30 ~ 50
도 38은 (A)에 전지 1, 전지 3, 전지 5, 전지 17, 전지 19, 전지 25 및 전지 31에 대해; 그리고 (B)에 전지 2, 전지 4, 전지 6, 전지 18, 전지 26 및 전지 32에 대해 사이클의 수의 함수로서의 용량(mAhㆍg-1) 및 효율(%)을 나타내는 그래프를 나타내고 있다. C/10의 일정 충전 및 방전 전류 및 약 25℃의 온도에서 장기 사이클링 실험이 수행되었다. 나타난 결과를 도 38(A)에 대 Li+/Li로 약 45 사이클 동안 그리고 (B)에 대 Na+/Na로 약 35 사이클 동안 기록하였다.
고려되는 바와 같은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 상기 기술된 구현예 중의 어느 하나에 대해 다수의 변형이 이루어질 수 있다. 본원에서 참조된 참조 문헌, 특허 또는 과학 문헌 기록은 모든 목적에 대해 그 전체로 본 명세서에 참조로 포함된다.

Claims (67)

  1. 전기화학적 활성 물질을 포함하는 전극 물질로서, 상기 전기화학적 활성 물질은 화학식 KxMO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x는 0 < x ≤ 0.7의 수이고, M은 Co, Mn, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택되는, 전극 물질.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전기화학적 활성 물질은 화학식 KxMyMn1-yO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x는 제 1 항에 정의된 바와 같고, y는 0 ≤ y ≤ 1.0의 수이고, M은 Co, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택되는, 전극 물질.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxFeyMn1-yO2이고, 여기서 x는 제 1 항에 정의된 바와 같고, y는 0 ≤ y ≤ 1.0의 수인, 전극 물질.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxMnO2이고, 여기서 x는 제 1 항에 정의된 바와 같은, 전극 물질.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxNiMnO2이고, 여기서 x는 제 1 항에 정의된 바와 같은, 전극 물질.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxNiMnTiO2이고, 여기서 x는 제 1 항에 정의된 바와 같은, 전극 물질.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxFeMnO2이고, 여기서 x는 제 1 항에 정의된 바와 같은, 전극 물질.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxNi0.5xMn1-0.5xO2이고, 여기서 x는 제 1 항에 정의된 바와 같은, 전극 물질.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxNi0.5xMn1-0.5x-yMyO2이고, 여기서 x는 제 1 항에 정의된 바와 같고, y는 0 ≤ y ≤ (1.0 - 0.5x)의 수이고, M은 Co, Fe, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택되는, 전극 물질.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 KxNi0.5xMn1-0.5xTiyO2이고, 여기서 x는 제 1 항에 정의된 바와 같고 y는 제 9 항에 정의된 바와 같은, 전극 물질.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 K0.4Ni0.2Mn0.8-yTiyO2이고, 여기서 y는 0 ≤ y ≤ 0.8의 수인, 전극 물질.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 K0.67Ni0.33Mn0.67O2, K0.6Ni0.3Mn0.7O2, K0.5Ni0.25Mn0.75O2, K0.4Ni0.2Mn0.8O2, K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2, K0.4Ni0.2Mn0.7Ti0.1O2, K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2, K0.4Fe0.4Mn0.6O2, K0.4Ni0.1Mn0.9O2, K0.4MnO2, K0.3Ni0.15Mn0.85O2, K0.3Ni0.2Mn0.8O2, K0.3MnO2, K0.2Ni0.1Mn0.9O2, K0.2Ni0.2Mn0.8O2, K0.2MnO2, K0.1Ni0.05Mn0.95O2, K0.1Ni0.1Mn0.9O2 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 전극 물질.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 K0.4Ni0.2Mn0.8O2인, 전극 물질.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 K0.4Ni0.2Mn0.6Ti0.2O2인, 전극 물질.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 K0.4Ni0.2Mn0.75Ti0.05O2인, 전극 물질.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 K0.4Fe0.4Mn0.6O2인, 전극 물질.
  17. 전기화학적 활성 물질을 포함하는 전극 물질로서, 상기 전기화학적 활성 물질은 화학식 NazKxMO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x는 0 < x ≤ 0.7의 수이고, z는 0 < x ≤ 0.8의 수이고, M은 Co, Mn, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택되는, 전극 물질.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전기화학적 활성 물질은 화학식 NazKxMyMn1-yO2의 층상 칼륨 금속 옥사이드를 포함하고, 여기서 x 및 z는 제 17 항에 정의된 바와 같고, y는 0 ≤ y ≤ 1.0의 수이고, M은 Co, Fe, Ni, Ti, Cr, V, Cu, Zr, Sb 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택되는, 전극 물질.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 화학식 NazKxNiyMn1-yO2이고, 여기서 x 및 z는 제 17 항에 정의된 바와 같고, y는 0 ≤ y ≤ 1.0의 수인, 전극 물질.
  20. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 Na0.74K0.08Ni0.41Mn0.59O2, Na0.6K0.08Ni0.34Mn0.66O2, Na0.74K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.6K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.32K0.08Ni0.2Mn0.8O2, Na0.2K0.2Ni0.2Mn0.8O2 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 전극 물질.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 Na0.74K0.08Ni0.41Mn0.59O2인, 전극 물질.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 Na0.6K0.08Ni0.34Mn0.66O2인, 전극 물질.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 Na0.74K0.08Ni0.2Mn0.8O2인, 전극 물질.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 Na0.6K0.08Ni0.2Mn0.8O2인, 전극 물질.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 Na0.32K0.08Ni0.2Mn0.8O2인, 전극 물질.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 층상 칼륨 금속 옥사이드는 Na0.2K0.2Ni0.2Mn0.8O2인, 전극 물질.
  27. 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 전도성 물질을 더 포함하는, 전극 물질.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 전기 전도성 물질은 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연, 그래핀, 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 전극 물질.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 전기 전도성 물질은 탄소 섬유를 포함하는, 전극 물질.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유는 기상 성장 탄소 섬유(VGCF)인, 전극 물질.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 전기 전도성 물질은 카본 블랙을 포함하는, 전극 물질.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 카본 블랙은 슈퍼 P™ 카본(Super P™ carbon)인, 전극 물질.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 카본 블랙은 케첸™ 카본(Ketjen™ carbon)인, 전극 물질.
  34. 제 1 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    결합제를 더 포함하는, 전극 물질.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 결합제는, 폴리에테르 형의 폴리머성 결합제, 불화 폴리머 결합제, 및 수용성 결합제로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 전극 물질.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 결합제는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중에서 선택되는 불화 폴리머인, 전극 물질.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 결합제는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)인, 전극 물질.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 결합제는 폴리에테르 형의 폴리머성 결합제인, 전극 물질.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 폴리에테르 형의 폴리머성 결합제는 분지형 및/또는 가교화된 것인, 전극 물질.
  40. 제 38 항 또는 제 39 항에 있어서,
    상기 폴리에테르 형의 폴리머성 결합제는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)-기반 폴리머인, 전극 물질.
  41. 전류 수집기에 제 1 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 따른 전극 물질을 포함하는 전극.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 전극은 양극인 전극.
  43. 음극, 양극 및 전해질을 포함하는 전기화학적 전지로서, 상기 양극은 제 41 항 또는 제 42 항에 따른 전극인, 전기화학적 전지(Electrochemical cell).
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 음극은, 리튬 금속, 나트륨 금속, 칼륨 금속 또는 이들 중의 적어도 하나를 포함하는 합금을 포함하는, 전기화학적 전지.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 음극은 사전리튬화된 합금(prelithiated alloy), 사전리튬화된 흑연, 사전리튬화된 규소, 사전리튬화된 옥사이드 또는 이들 중의 적어도 2종의 조합 중의 적어도 하나를 포함하는, 전기화학적 전지.
  46. 제 43 항에 있어서,
    상기 음극은 사전나트륨화된 합금(presodiated alloy), 사전나트륨화된 난흑연화성 탄소(presodiated hard carbon) 및 사전나트륨화된 옥사이드 중 적어도 하나를 포함하는, 전기화학적 전지.
  47. 제 43 항에 있어서,
    상기 음극은 사전칼륨화된 합금(prepotassiated alloy), 사전칼륨화된 흑연, 사전칼륨화된 난흑연화성 탄소 및 사전칼륨화된 옥사이드 중 적어도 하나를 포함하는, 전기화학적 전지.
  48. 제 43 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 용매에 염을 포함하는 액체 전해질인, 전기화학적 전지.
  49. 제 43 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 용매에 염 및 선택적으로 용매화 폴리머를 포함하는 겔 전해질인, 전기화학적 전지.
  50. 제 43 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 용매화 폴리머에 염을 포함하는 고체 폴리머 전해질인, 전기화학적 전지.
  51. 제 48 항 내지 제 50 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 염은 리튬 염, 나트륨 염, 칼륨 염 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택되는, 전기화학적 전지.
  52. 제 48 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 염은 리튬 염인, 전기화학적 전지.
  53. 제 52 항에 있어서,
    상기 리튬 염은, 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(LiTFSI), 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(LiFSI), 리튬 2-트리플루오로메틸-4,5-디시아노이미다졸레이트(LiTDI), 리튬 4,5-디시아노-1,2,3-트리아졸레이트(LiDCTA), 리튬 비스(펜타플루오로에틸술포닐)이미드(LiBETI), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 비스(옥살라토)보레이트(LiBOB), 질산리튬(LiNO3), 염화리튬(LiCl), 브롬화리튬(LiBr), 불화리튬(LiF), 과염소산리튬(LiClO4), 리튬 헥사플루오로아르세네이트(LiAsF6), 리튬 트리플루오로메탄술포네이트(LiSO3CF3)(LiTf), 리튬 플루오로알킬포스페이트(Li[PF3(CF2CF3)3])(LiFAP), 리튬 테트라키스(트리플루오로아세트옥시)보레이트(Li[B(OCOCF3)4])(LiTFAB), 리튬 비스(1,2-벤젠디올레이토(2-)-O,O')보레이트([B(C6O2)2])(LiBBB) 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택되는, 전기화학적 전지.
  54. 제 52 항 또는 제 53 항에 있어서,
    상기 리튬 염은, LiPF6, LiFSI, LiTFSI, LiTDI, 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택되는, 전기화학적 전지.
  55. 제 48 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 염은 나트륨 염인, 전기화학적 전지.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 나트륨 염은, 나트륨 헥사플루오로포스페이트(NaPF6), 과염소산나트륨(NaClO4), 나트륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(NaTFSI), 나트륨 비스(플루오로술포닐)이미드(NaFSI), 나트륨 2-트리플루오로메틸-4,5-디시아노이미다졸레이트(NaTDI), 나트륨 비스(펜타플루오로에틸술포닐)이미드(NaBETI), 나트륨 트리플루오로메탄술포네이트(NaTF), 불화나트륨(NaF), 질산나트륨(NaNO3) 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택되는, 전기화학적 전지.
  57. 제 55 항 또는 제 56 항에 있어서,
    상기 나트륨 염은, NaPF6, NaFSI, NaTFSI, NaClO4, 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택되는, 전기화학적 전지.
  58. 제 48 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 염은 칼륨 염인, 전기화학적 전지.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 칼륨 염은, 칼륨 헥사플루오로포스페이트(KPF6), 칼륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(KTFSI), 칼륨 비스(플루오로술포닐)이미드(KFSI), 칼륨 트리플루오로메탄술포네이트(KSO3CF3)(KTf) 및 이들 중의 적어도 2종의 조합으로부터 선택되는, 전기화학적 전지.
  60. 제 58 항 또는 제 59 항에 있어서,
    상기 칼륨 염은 KPF6인, 전기화학적 전지.
  61. 제 43 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 유리 또는 세라믹 전해질인, 전기화학적 전지.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 전해질은 사이트-결함 페로브스카이트-형 전해질(site-deficient perovskite-type electrolyte), 가넷-형 전해질, NASICON-형 유리 세라믹 전해질, LISICON-형 전해질, 리튬-안정화 나트륨 이온(Na+) 전도성 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 및 다른 유사한 유리 또는 세라믹 전해질로부터 선택되는 유리 또는 세라믹 전해질인, 전기화학적 전지.
  63. 제 43 항 내지 제 62 항 중 어느 한 항에 따른 전기화학적 전지(cell)를 적어도 하나 포함하는 배터리(Battery).
  64. 제 63 항에 있어서,
    상기 배터리는, 리튬 배터리, 리튬-이온 배터리, 나트륨 배터리, 나트륨-이온 배터리, 칼륨 배터리 및 칼륨-이온 배터리로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 배터리.
  65. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 배터리는 리튬-이온 배터리인, 배터리.
  66. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 배터리는 나트륨-이온 배터리인, 배터리.
  67. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 배터리는 칼륨-이온 배터리인, 배터리.
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