KR20230084202A - 질소-함유 종을 포함하는 전기화학 전지 및/또는 이의 구성요소, 및 이의 제조 방법 - Google Patents
질소-함유 종을 포함하는 전기화학 전지 및/또는 이의 구성요소, 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230084202A KR20230084202A KR1020237014596A KR20237014596A KR20230084202A KR 20230084202 A KR20230084202 A KR 20230084202A KR 1020237014596 A KR1020237014596 A KR 1020237014596A KR 20237014596 A KR20237014596 A KR 20237014596A KR 20230084202 A KR20230084202 A KR 20230084202A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- species
- electrode
- electrochemical cell
- optionally substituted
- less
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/139—Processes of manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/139—Processes of manufacture
- H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2220/00—Batteries for particular applications
- H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
- Cell Separators (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이러한 종의 반응 생성물을 포함하는 전기화학 전지 및/또는 전기화학 전지 구성요소(예컨대 전극 및/또는 전해질)에 관한 물품 및 방법이 일반적으로 제공된다. 전기화학 전지는 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는 보호층을 포함하는 전극(예를 들어, 캐소드 및/또는 애노드)를 포함할 수 있다. 전기화학 전지는 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는 전해질을 포함할 수 있다.
Description
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이러한 종의 반응 생성물을 포함하는 전기화학 전지 및/또는 전기화학 전지 구성요소(예컨대 전극 및/또는 전해질)을 수반하는 물품 및 방법이 일반적으로 제공된다.
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 35 U.S.C. §119(e) 하에 2020년 10월 9일자 미국 가출원 제63/089,862호 및 2020년 10월 9일자 미국 가출원 제63/090,146호를 우선권 주장하며, 상기 특허는 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참고로 인용된다.
최근 몇 년 동안 고에너지 밀도 재충전가능한 배터리(예를 들어, 재충전가능한 Li-이온 배터리)의 개발에 상당한 관심이 존재한다. 이러한 전지에서, 전극(예를 들어, 애노드 및/또는 캐소드)은 바람직하지 않은 종의 형성을 초래하는 전해질 구성요소와의 반응을 수행할 수 있다. 이러한 바람직하지 않은 종을 형성하는 재충전가능한 배터리는 일반적으로 제한된 사이클 수명을 나타낸다. 예를 들어, 이러한 전지에서, 전극 물질(예를 들어, 캐소드 물질)은 사이클링 동안 열화되어, 용량 또는 사이클 수명의 감소로 이어질 수 있다. 이러한 열화의 한 가지 이유는 전극(예를 들어, 캐소드)으로부터 전해질로의 양이온(예를 들어, 코발트, 니켈, 망간, 등)의 확산 및 다른 전극(예를 들어, 애노드)에서의 환원 때문이다. 이러한 용량 및/또는 사이클 수명 감소의 또 다른 이유는 특히 더 높은 충전 전압에서 전극 표면(예를 들어, 캐소드 표면)의 전해질 성분의 산화 때문이다. 따라서, 사이클 수명의 증가 및/또는 기타 개선을 위한 물품 및 방법이 유익할 것이다.
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된(negatively-charged) 고리를 포함하는 종(species) 및/또는 이러한 종의 반응 생성물을 포함하는 전기화학 전지 및/또는 전기화학 전지 구성요소(예컨대 전극 및/또는 전해질)에 관한 물품 및 방법이 일반적으로 제공된다. 본원에 개시된 주제는 일부 경우에 상호관련된 제품, 특정 문제점에 대한 대안적 해결책, 및/또는 하나 이상의 시스템 및/또는 물품의 복수의 다양한 사용을 수반한다.
특정 실시양태는 전기화학 전지에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 제1 전극; 및 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는 제2 전극을 포함한다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 제1 전극; 제2 전극; 및 제2 전극 상에 배치된 보호층을 포함하고, 이때 제2 전극 상에 배치된 보호층은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지은 리튬 금속을 포함하는 제1 전극; 및 전해질을 포함하고, 이때 전해질은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전해질은 불안정한(labile) 할로겐 원자를 포함하는 제2 종을 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 전자-끄는(electron-withdrawing) 치환기는 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종에 존재하지 않는다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 리튬 금속을 포함하는 제1 전극; 및 제1 전극 상에 배치된 보호층을 포함하고, 이때 보호층은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전자-끄는 치환기는 상기 종에 존재하지 않는다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 제2 전극을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제2 전극은 전이 금속을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제2 보호층은 제2 전극 상에 배치된다. 일부 실시양태에서, 제2 보호층은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이의 제2 반응 생성물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 제2 반응 생성물은 리튬 금속과 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 사이의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종과 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 제2 종 사이의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 제2 종, 및 전이 금속 사이의 반응 생성물을 포함한다.
특정 실시양태는 방법에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 전이 금속을 포함하는 전극을 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종을 포함하는 용액에 노출시키는 단계; 및 상기 전극 상에 배치된 보호층을 형성하는 단계로서, 상기 보호층이 상기 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는, 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 전극은 제2 전극을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 제2 전극을 제1 전극과 조합하여 전기화학 전지를 형성하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 상기 방법은 전이 금속을 포함하는 예비 용액에 전극을 노출시키는 단계; 상기 전극을, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종을 포함하는 용액에 노출시키는 단계; 및 상기 전극 상에 배치된 보호층을 형성하는 단계로서, 상기 보호층이 상기 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는, 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 전극은 제2 전극을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 제2 전극을 제1 전극과 조합하여 전기화학 전지를 형성하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 상기 방법은 일정 부피의 전해질을 제1 전극을 포함하는 전기화학 전지에 배치하는 단계로서, 이때 제1 전극이 리튬 금속을 포함하고, 상기 전해질이 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종을 포함하는, 단계; 및 제1 전극 상에 보호층을 형성하는 단계로서, 상기 보호층이 상기 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는, 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 전자-끄는 치환기는 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종에 존재하지 않는다.
일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속)과 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 사이의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종과 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 제2 종 사이의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 제2 종, 및 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속) 사이의 반응 생성물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 전해질을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전해질은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 제2 종을 포함한다.
일부 실시양태에서, 제1 전극은 리튬 금속을 포함한다. 일부 실시양태에서, 보호층은 제1 전극 상에 배치된다. 일부 실시양태에서, 상기 보호층은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 리튬 금속과 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 사이의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종과 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 제2 종 사이의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 제2 종, 및 리튬 금속 사이의 반응 생성물을 포함한다.
본 발명의 다른 이점 및 신규 특징은 첨부하는 도면과 함께 고려할 때 본 발명의 다양하고 비제한적인 실시양태의 하기 상세한 설명으로부터 명백해진다. 본 명세서 및 참고로 인용된 문서가 상충되고/되거나 일치되지 않는 개시내용을 포함하는 경우는, 본 명세서가 우선한다. 참고로 인용된 둘 이상의 문서가 서로 상충되고/되거나 일치되지 않는 개시내용을 포함하는 경우에는, 유효일이 더 늦은 문서가 우선한다.
본 발명의 비제한적인 실시양태는 첨부하는 도면을 참조하여 예시로서 설명되고, 이러한 도면은 개략적인 것이며, 축척대로 도시하고자 한 것은 아니다. 도면에서, 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 전형적으로 하나의 부호로 표시된다. 명료하게 하기 위하여, 모든 도면의 모든 구성요소에 다 부호를 붙인 것은 아니며, 당업자가 본 발명을 이해하도록 하기 위해 도시할 필요가 없는 경우에는 본 발명의 각 실시양태의 모든 구성요소를 모두 도시하지 않는다.
도 1a는, 일부 실시양태에 따라, 전극(예를 들어, 캐소드 또는 애노드)을 도시한다.
도 1b는, 일부 실시양태에 따라, 전극(예를 들어, 캐소드 또는 애노드) 상에 배치된 층(예를 들어, 보호층)을 도시한다.
도 1c는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 1d는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며, 층(예를 들어, 보호층)이 전극 중 하나(예를 들어, 캐소드와 같은 제2 전극, 또는 애노드와 같은 제1 전극)에 배치된 전기화학 전지를 도시한다.
도 1e는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 및 전해질을 포함하며, 층(예를 들어, 보호층)이 제2 전극(예를 들어, 캐소드) 상에 배치된 전기화학 전지를 도시한다.
도 1f는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 및 전해질을 포함하며, 층(예를 들어, 보호층)이 제2 전극(예를 들어, 캐소드) 상에 배치되고, 층(예를 들어, 보호층)이 제1 전극(예를 들어, 애노드) 상에 배치된 전기화학 전지를 도시한다.
도 2는, 일부 실시양태에 따라, 이방성 힘이 가해진 전기화학 전지를 도시한다.
도 3a는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 및 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)을 포함하는 전해질을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 3b는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 및 전해질을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 3c는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 및 전해질을 포함하며, 상기 전해질이 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 3d는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 전해질(제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함하는 전해질), 및 층(예를 들어, 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물을 포함하는 층)을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 3e는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 전해질, 및 층(예를 들어, 보호층)을 포함하며, 상기 층이 반응 생성물(예를 들어, 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물; 제1 반응성 종과 전극 중 하나의 금속 사이의 반응 생성물; 및/또는 제1 반응성 종, 제2 반응성 종, 및 전극 중 하나의 금속 사이의 반응 생성물)을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 4는, 일부 실시양태에 따라, 실시예 9 및 비교 실시예 1에 대한 사이클의 함수로서 방전 용량(mAh)을 도시한다.
도 5는, 일부 실시양태에 따라, 실시예 10 및 비교 실시예 3 및 4에 대한 사이클의 함수로서 방전 용량(mAh)을 도시한다.
도 1a는, 일부 실시양태에 따라, 전극(예를 들어, 캐소드 또는 애노드)을 도시한다.
도 1b는, 일부 실시양태에 따라, 전극(예를 들어, 캐소드 또는 애노드) 상에 배치된 층(예를 들어, 보호층)을 도시한다.
도 1c는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 1d는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며, 층(예를 들어, 보호층)이 전극 중 하나(예를 들어, 캐소드와 같은 제2 전극, 또는 애노드와 같은 제1 전극)에 배치된 전기화학 전지를 도시한다.
도 1e는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 및 전해질을 포함하며, 층(예를 들어, 보호층)이 제2 전극(예를 들어, 캐소드) 상에 배치된 전기화학 전지를 도시한다.
도 1f는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 및 전해질을 포함하며, 층(예를 들어, 보호층)이 제2 전극(예를 들어, 캐소드) 상에 배치되고, 층(예를 들어, 보호층)이 제1 전극(예를 들어, 애노드) 상에 배치된 전기화학 전지를 도시한다.
도 2는, 일부 실시양태에 따라, 이방성 힘이 가해진 전기화학 전지를 도시한다.
도 3a는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 및 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)을 포함하는 전해질을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 3b는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 및 전해질을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 3c는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 및 전해질을 포함하며, 상기 전해질이 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 3d는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 전해질(제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함하는 전해질), 및 층(예를 들어, 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물을 포함하는 층)을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 3e는, 일부 실시양태에 따라, 제1 전극, 제2 전극, 전해질, 및 층(예를 들어, 보호층)을 포함하며, 상기 층이 반응 생성물(예를 들어, 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물; 제1 반응성 종과 전극 중 하나의 금속 사이의 반응 생성물; 및/또는 제1 반응성 종, 제2 반응성 종, 및 전극 중 하나의 금속 사이의 반응 생성물)을 포함하는 전기화학 전지를 도시한다.
도 4는, 일부 실시양태에 따라, 실시예 9 및 비교 실시예 1에 대한 사이클의 함수로서 방전 용량(mAh)을 도시한다.
도 5는, 일부 실시양태에 따라, 실시예 10 및 비교 실시예 3 및 4에 대한 사이클의 함수로서 방전 용량(mAh)을 도시한다.
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이러한 종의 반응 생성물을 포함하는 전기화학 전지 및/또는 전기화학 전지 구성요소(예를 들어, 전극 및/또는 전해질)에 관한 물품 및 방법이 일반적으로 제공된다. 하기에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 종은 전체적으로 "제1 반응성 종"으로 지칭될 수 있다. 따라서, 본원에서 사용되는 "제1 반응성 종"이라는 어구는 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 모든 종을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다. 제1 반응성 종에 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리는 전체적으로 "반응성 고리"로 지칭될 수 있다. 따라서, "반응성 고리"라는 어구는 제1 반응성 종의 일부를 형성하는 질소 원자를 포함하는 모든 공액 음성-대전된 고리를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다. 일부 실시양태에서, 둘 이상의 제1 반응성 종(예를 들어, 전극 상에 배치된 제1 반응성 종 및 전해질 내의 제1 반응성 종)이 있을 수 있다. 이러한 실시양태에서, 제1 반응성 종은 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
본원에 기재된 바와 같이, 전기화학 전지는 하나 이상의 전극(예를 들어, 제1 전극 및/또는 제2 전극)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 전극은 전이 금속을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제2 전극이 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하고/하거나, 보호층(예를 들어, 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는 보호층)이 제2 전극 상에 배치된다. 일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 전이 금속과 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 사이의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)과 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종) 사이의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 전이 금속, 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물(예를 들어, 전이 금속과, 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물 사이의 반응 생성물)을 포함한다.
본원에 개시된 반응 생성물 및/또는 본원에 개시된 보호층은 임의의 적합한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 제2 전극(예를 들어, 전이 금속 포함)은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)과, 및/또는 이의 반응 생성물과 상호작용한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물을 전극(예를 들어, 전이 금속을 포함하는 전극) 상에 증착하여, 원하는 특성을 갖는 보호층 또는 이의 구성요소를 형성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전이 금속을 포함하는 전극의 전이 금속은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)과 반응하여 반응 생성물을 형성한다. 이러한 반응의 반응 생성물을 전극(예를 들어, 전이 금속을 포함하는 전극) 상에 증착하여, 원하는 특성을 갖는 보호층 또는 이의 구성요소를 형성할 수 있다. 또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)은 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)과 반응하여 반응 생성물을 형성한다. 이러한 반응의 반응 생성물을 전극(예를 들어, 전이 금속을 포함하는 전극) 상에 증착하여, 원하는 특성을 갖는 보호층 또는 이의 구성요소를 형성할 수 있다. 또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 전이 금속을 포함하는 전극 중의 전이 금속은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)과 반응한다(예를 들어, 전이 금속은 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물과 반응한다). 이러한 반응의 반응 생성물을 전극(예를 들어, 전이 금속을 포함하는 전극) 상에 증착하여, 원하는 특성을 갖는 보호층 또는 이의 구성요소를 형성할 수 있다.
본원에 개시된 하나 이상의 반응 생성물 및/또는 보호층(들)은 하나 이상의 방식으로 바람직할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 보호층은 전기화학 전지에 또한 존재하는 하나 이상의 다른 종, 예컨대 전해질에 존재하는 하나 이상의 종과 유해한 반응으로부터 전극, 예컨대 캐소드(예를 들어, 전이 금속)을 보호할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 보호층이 유리할 수 있다. 예시로서, 상대적으로 낮은 저항을 가질 수 있다. 또 다른 예시로서, 제1 반응성 종은 금속(예를 들어, 전이 금속)과 반응하여 고체 전해질 층(solid electrolyte layer; SEI) 및/또는 SEI의 구성요소를 생성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 SEI는 하나 이상의 방식으로 다른 SEI와 비교하여 유리할 수 있다. 예시로서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 SEI는 특히 안정할 수 있고, 보호층으로서 기능할 수 있고/있거나, 상대적으로 낮은 저항을 가질 수 있다.
본원에 기재된 바와 같이, 전기화학 전지는 전해질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전해질은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함한다.
본원에 기재된 바와 같이, 전기화학 전지는 제1 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 전극은 리튬 금속(예를 들어, 진공 증착된 리튬)을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 제1 전극(예를 들어, 리튬 금속)은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)과, 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 전해질에서)과 상호작용한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물을 전극(예를 들어, 제1 전극, 예컨대 리튬 금속을 포함하는 애노드) 상에 증착하여, 원하는 특성을 갖는 보호층 또는 이의 구성요소를 형성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 리튬 금속을 포함하는 전극의 리튬 금속은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)과 반응하여 반응 생성물을 형성한다. 이러한 반응의 반응 생성물을 전극(예를 들어, 리튬 금속을 포함하는 전극) 상에 증착하여, 원하는 특성을 갖는 보호층 또는 이의 구성요소를 형성할 수 있다. 또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)은 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)과 반응하여 반응 생성물을 형성한다. 이러한 반응의 반응 생성물을 전극(예를 들어, 리튬 금속을 포함하는 전극) 상에 증착하여, 원하는 특성을 갖는 보호층 또는 이의 구성요소를 형성할 수 있다. 또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 리튬 금속을 포함하는 전극 중의 리튬 금속은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)과 반응한다(예를 들어, 리튬 금속은 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물과 반응한다). 이러한 반응의 반응 생성물을 전극(예를 들어, 리튬 금속을 포함하는 전극) 상에 증착하여, 원하는 특성을 갖는 보호층 또는 이의 구성요소를 형성할 수 있다.
금속(예를 들어, 리튬 금속)이 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물)과 반응하여 하나 이상의 방식으로 바람직한 반응 생성물을 생성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 반응 생성물은 금속(예를 들어, 리튬 금속)과 반응하여 보호층 및/또는 보호층의 구성요소를 생성할 수 있다. 보호층은 전기화학 전지에 또한 존재하는 하나 이상의 다른 종, 예컨대 전해질에 존재하는 하나 이상의 종과 유해한 반응으로부터 전극, 예컨대 애노드(예를 들어, 리튬)를 보호할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 보호층이 유리할 수 있다. 예시로서, 상대적으로 낮은 저항을 가질 수 있다. 또 다른 예시로서, 제1 반응성 종은 금속(예를 들어, 리튬 금속)과 반응하여 고체 전해질 층(SEI) 및/또는 SEI의 구성요소를 생성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 SEI는 하나 이상의 방식으로 다른 SEI와 비교하여 유리할 수 있다. 예시로서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 SEI는 특히 안정할 수 있고, 보호층으로서 기능할 수 있고/있거나, 상대적으로 낮은 저항을 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 전기화학 전지는 하나 이상의 유리한 특성을 갖는 보호층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 보호층은 SEI를 포함하거나, 또는 본질적으로 이로 구성될 수 있다. SEI는 전해질에 직접 노출되는 전극의 면적을 감소시키고/시키거나 전극과 전해질 사이의 반응 속도를 방지 또는 감소시켜 전극을 보호할 수 있다. 일부 실시양태에서, 보호층은 제1 반응성 종 및/또는 하나 이상의 이의 반응 생성물을 포함하고, 일부 실시양태에서, 다른 종을 추가로 포함한다. 이러한 다른 종은 전극과 전해질의 하나 이상의 구성요소, 예컨대 하나 이상의 유기 용매와의 반응 생성물을 포함할 수 있다. 본원에 기재된 일부 반응 생성물의 존재는 제1 반응성 종 및/또는 반응 생성물(들)이 결여된 동등한 SEI와 비교하여 SEI의 특성을 향상시킬 수 있다. 이것은 리튬 금속 및/또는 전이 금속을 포함하는 전극에 대해 특히 사실일 수 있는데, 이는 특히 제1 반응성 종 및/또는 제1 반응성 종의 반응 생성물과 유리하게 상호작용하여 SEI의 일부를 형성할 수 있고/있거나, 제1 반응성 종 및/또는 제1 반응성 종의 반응 생성물(예를 들어, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종 사이 반응의 반응 생성물)과 반응하여 SEI에 포함되기에 유리한 반응 생성물을 형성할 수 있다. 본원에 기재된 반응 생성물이 SEI에 혼입되는 경우 특히 유리할 수 있지만, 또한 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물이, 또한 또는 그 대신에, 다른 유형의 보호층(예를 들어, 하나 이상의 입자를 포함하는 보호층 또는 에어로졸 증착에 의해 형성된 보호층)에 혼입될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일부 실시양태는 하나 이상의 이유로 전형적으로 보호층으로 간주되지 않는 SEI에 관한 것이다. 예를 들어, 일부 이러한 SEI가 전극을 보호하지 않고/않거나, 보호층을 추가로 포함하는 전기화학 전지에 존재할 수 있다. 그러나, 이러한 SEI는 보호층과 관련하여 전술한 유리한 특징 중 하나 이상을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 보호층이 아닌 SEI를 포함한다.
상기 논의된 바와 같이, 일부 실시양태는 제1 반응성 종을 포함하는 종, 및 제1 반응성 종과 반응성인 종("제2 반응성 종"으로 지칭)을 포함하는 전기화학 전지에 관한 것이다. 따라서, "제2 반응성 종"이라는 어구는 제1 반응성 종과 반응성인 모든 종을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
제2 반응성 종과 제1 반응성 종의 반응은 하나 이상의 방식으로 바람직한 반응 생성물을 생성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 제2 반응성 종은 제1 반응성 종과 반응하여 보호층 및/또는 보호층의 구성요소를 보호할 수 있다. 보호층은 전기화학 전지에 또한 존재하는 하나 이상의 다른 종, 예컨대 전해질에 존재하는 하나 이상의 종과 유해한 반응으로부터 전극, 예컨대 캐소드 및/또는 애노드를 보호할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 보호층이 유리할 수 있다. 예시로서, 상대적으로 낮은 저항을 가질 수 있다. 또 다른 예시로서, 제2 반응성 종은 제1 반응성 종과 반응하여 고체 전해질 층(SEI) 및/또는 SEI의 구성요소를 생성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 SEI는 하나 이상의 방식으로 다른 SEI와 비교하여 유리할 수 있다. 예시로서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 SEI는 특히 안정할 수 있고, 보호층으로서 기능할 수 있고/있거나, 상대적으로 낮은 저항을 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지(예를 들어, 전해질) 및/또는 용액(예를 들어, 전극이 노출되는 용액)은 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종을 포함한다. 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종은 제2 반응성 종일 수 있다. (예를 들어, 용액 또는 전해질에서) 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종(예를 들어, 제2 반응성 종)과 제1 반응성 종 사이에 일어날 수 있는 반응 중 하나의 유형은 친핵성 치환 반응이다. 상기 반응에서, 하기 반응 I에 나타난 바와 같이, 제1 반응성 종은 불안정한 할로겐 원자를 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종으로 대체할 수 있다.
하기에 더욱 상세히 기재되는 바와 같이, 반응 I에서, 각 X는 독립적으로 -N= 및 
으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있고, Y는 할로겐 원자일 수 있고, 각각의 R은 각각 독립적으로 임의의 적합한 R 기(예를 들어, 본원에 기재된 임의의 R 기)일 수 있다. 반응 I이 5-원 반응성 고리를 갖는 제1 반응성 종을 나타내지만, 일부 실시양태는 다른 크기의 반응성 고리를 포함하는 반응성 종과 관련될 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 반응성 종은 또한 제2 반응성 종(예를 들어, 제2 반응성 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)과의 친핵성 치환 반응을 겪을 수 있다.
친핵성 치환 반응, 예컨대 반응 I에 기재된 친핵성 치환 반응의 진행은 NMR 측정, 예컨대 19F NMR 측정, 31P NMR 측정, 13C NMR 측정, 및/또는 1H NMR 측정에 의해 검출될 수 있다. NMR 측정은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함하는 전기화학 전지의 용액 및/또는 구성요소(들)에서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 친핵성 치환 반응은 전해질이 NMR 측정에 의해 검출될 수 있는 조성 변화를 겪게 할 수 있다. 예시로서, 친핵성 치환 반응은 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종의 농도를 감소시킬 수 있으며, 이러한 감소는 NMR 측정에 의해 관찰가능한 정도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 3차 질소, 예컨대 아졸 유도체를 포함하는 친핵성 치환 반응의 반응 생성물을 전극 상에 증착하여, 원하는 특성을 갖는 보호층 또는 이의 구성요소를 형성한다.
제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)이 금속(예를 들어, 리튬 금속 또는 전이 금속)과 반응하면 하나 이상의 방식으로 바람직한 반응 생성물을 생성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 금속과 반응하여 보호층 및/또는 보호층의 구성요소를 생성할 수 있다. 보호층은 전기화학 전지에 또한 존재하는 하나 이상의 다른 종, 예컨대 전해질에 존재하는 하나 이상의 종과 유해한 반응으로부터 전극, 예컨대 애노드(예를 들어, 리튬 포함) 또는 캐소드(예를 들어, 전이 금속 포함)를 보호할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 보호층이 유리할 수 있다. 예시로서, 상대적으로 낮은 저항을 가질 수 있다. 또 다른 예시로서, 제1 반응성 종은 금속과 반응하여 고체 전해질 층(SEI) 및/또는 SEI의 구성요소를 생성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 SEI는 하나 이상의 방식으로 다른 SEI와 비교하여 유리할 수 있다. 예시로서, 본원에 기재된 반응에 의해 형성된 SEI는 특히 안정할 수 있고, 보호층으로서 기능할 수 있고/있거나, 상대적으로 낮은 저항을 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 반응 생성물(들)은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 금속(예를 들어, 리튬 금속, 예컨대 리튬 금속을 포함하는 전극(예를 들어, 제1 전극)의 리튬 금속, 또는 전이 금속, 예컨대 전이 금속을 포함하는 전극(예를 들어, 제2 전극)의 전이 금속)의 반응 생성물을 포함하고; 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)의 반응 생성물; 및/또는 금속(예를 들어, 리튬 금속, 예컨대 리튬 금속을 포함하는 전극(예를 들어, 제1 전극)의 리튬 금속, 또는 전이 금속, 예컨대 전이 금속을 포함하는 전극(예를 들어, 제2 전극)의 전이 금속), 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)의 반응 생성물(예를 들어, 금속과 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물의 반응 생성물)을 포함한다.
일부 실시양태에서, 반응 생성물(들)은 공유 및/또는 배위 결합을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 반응 생성물(들)은 공유 및/또는 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속)과의 배위 결합을 포함한다.
일부 실시양태에서, 반응 생성물(들)은 중합체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 반응 생성물(들)은 중합체 네트워크(예를 들어, 2D 중합체 네트워크 및/또는 3d 중합체 네트워크)를 포함한다.
일부 실시양태에서, 하나 이상의(예를 들어, 모든) 반응 생성물은 전해질에 불용성이다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의(예를 들어, 모든) 반응 생성물은 하나 이상의(예를 들어, 모든) 유기 용매(예를 들어, 본원에 개시된 비수성 유기 용매)에 불용성이다.
상기 개시된 바와 같이, 본원에 기재된 일부 방법은 유리한 층(예를 들어, 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물) 및/또는 제1 반응성 종의 반응 생성물을 포함하는 층울 형성하는 것에 관한 것이다. 이러한 방법은 도 1a-1f 및 3a-3e과 관련하여 이해될 수 있다.
본원에 개시된 보호층은 임의의 적합한 방법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 방법은 전극(예를 들어, 도 1b의 전극(200))을 전이 금속(예를 들어, 본원에 개시된 전이 금속)을 포함하는 예비 용액에 노출시키는 단계, 상기 전극을 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)을 포함하는 용액에 노출시키는 단계, 및 상기 전극 상에 배치된 보호층(예를 들어, 도 1b의 층(404))을 형성하는 단계로서, 이때 보호층은 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 전이 금속과 제1 반응성 종 사이의 반응 생성물)을 포함하는, 단계를 포함한다.
또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 상기 방법은 전이 금속을 포함하는 전극(예를 들어, 도 1b의 전극(200))을 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)을 포함하는 용액에 노출시키는 단계, 및 상기 전극 상에 보호층(예를 들어, 도 1b의 층(404))을 형성하는 단계로서, 이때 보호층은 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 전이 금속과 제1 반응성 종 사이의 반응 생성물)을 포함하는 단계,를 포함한다.
일부 실시양태에서, 용액(예를 들어, 전이 금속 및/또는 제1 반응성 종을 포함하는 용액)은 유기 용매(예를 들어, 본원에 개시된 임의의 유기 용매)를 포함한다. 일부 실시양태에서, 유기 용매는 알코올(예를 들어, 에탄올) 및/또는 나이트릴(예를 들어, 벤조나이트릴)을 포함한다.
전이 금속(예를 들어, 전이 금속 염)은 전이 금속을 포함하는 용액에 임의의 적합한 양으로 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전이 금속(예를 들어, 전이 금속 염)은 용액에 0.5 중량% 이상, 1 중량% 이상, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 또는 4 중량% 이상의 양으로 존재한다. 일부 실시양태에서, 전이 금속(예를 들어, 전이 금속 염)은 용액에 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하, 또는 5 중량% 이하의 양으로 존재한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 0.5 중량% 이상 및 10 중량% 이하, 또는 3 중량% 이상 및 5 중량% 이하).
일부 실시양태에서, 전이 금속을 포함하는 용액은 하나 이상의(예를 들어, 1, 2, 3, 4, 5, 6개, 또는 이의 범위의, 예컨대 1-6개, 또는 1-3개의) 음이온을 포함한다. 적합한 음이온의 비제한적인 예는 할라이드, 트라이플레이트, 설페이트, 및/또는 나이트레이트를 포함한다.
제1 반응성 종은 제1 반응성 종을 포함하는 용액에 임의의 적합한 양으로 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 용액에 0.1 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 0.3 중량% 이상, 0.4 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 1 중량% 이상, 1.5 중량% 이상, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 또는 4 중량% 이상의 양으로 존재한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 용액에 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 1 중량% 이하, 또는 0.5 중량% 이하의 양으로 존재한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 0.1 중량% 이상 및 5 중량% 이하, 또는 0.5 중량% 이상 및 2 중량% 이하).
일부 실시양태에서, 전극(예를 들어, 제2 전극, 예컨대 캐소드)을 용액(예를 들어, 전이 금속 및/또는 제1 반응성 종을 포함하는 용액)에 노출시키는 단계는 전극, 전극 내에 포함된 전기활성 물질, 및/또는 이들의 표면을 용액으로 습윤(예를 들어, 부분적으로 습윤)시키는 임의의 적합한 수단을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전극을 용액에 노출시키는 단계는 전극을 용액에 담그는 단계, 전극을 용액에 침지시키는 단계, 및/또는 전극에 용액을 분무하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 전극을 용액에 노출시키는 단계는 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 또는 99% 이상의 전극, 전극 내에 포함된 전기활성 물질, 및/또는 이들의 표면을 용액으로 습윤시키는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 전극을 용액에 노출시키는 단계는 100% 이하, 99% 이하, 95% 이하, 또는 90% 이하의 전극, 전극 내에 포함된 전기활성 물질, 및/또는 이들의 표면을 용액으로 습윤시키는 단계를 포함한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 80% 이상 및 100% 이하, 90% 이상 및 100% 이하, 또는 95% 이상 및 100% 이하). 일부 실시양태에서, 전극을 용액에 노출시키는 단계는 100%의 전극, 전극 내에 포함된 전기활성 물질, 및/또는 이들의 표면을 용액으로 습윤시키는 단계를 포함한다.
전극(예를 들어, 제2 전극, 예컨대 캐소드)은 임의의 적합한 온도에서 용액(예를 들어, 전이 금속 및/또는 제1 반응성 종을 포함하는 용액)에 노출될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극은 용액의 동결점보다 높은 온도에서 용액에 노출된다. 일부 실시양태에서, 전극은 0℃ 이상, 10℃ 이상, 20℃ 이상, 실온 이상, 또는 30℃ 이상 온도에서 용액에 노출된다. 일부 실시양태에서, 전극은 40℃ 이하, 30℃ 이하, 실온 이하, 20℃또는 10℃ 이하의 온도에서 용액에 노출된다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 0℃ 이상 및 40℃ 이하). 일부 실시양태에서, 전극은 실온에서 용액에 노출된다.
전극(예를 들어, 제2 전극, 예컨대 캐소드)은 임의의 적합한 기간 동안 용액(예를 들어, 전이 금속 및/또는 제1 반응성 종을 포함하는 용액)에 노출될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극은 30초 이상, 1분 이상, 2분 이상, 3분 이상, 또는 4분 이상의 기간 동안 용액에 노출된다. 일부 실시양태에서, 전극은 5분 이하, 4분 이하, 3분 이하, 2분 이하, 또는 1분 이하의 기간 동안 용액에 노출된다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 30 초 이상 및 5 분이하).
일부 실시양태에서, 전극(예를 들어, 제2 전극, 예컨대 캐소드)은 (예를 들어, 부분적 또는 완전한) 진공 하에서 용액(예를 들어, 전이 금속 및/또는 제1 반응성 종을 포함하는 용액)에 노출된다.
일부 실시양태에서, 상기 방법은 전극을 건조하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 전극을 용액에 노출한 후(예를 들어, 전극을 전이 금속을 포함하는 용액에 노출한 후 및/또는 전극을 제1 반응성 종을 포함하는 용액에 노출한 후) 전극을 건조하는 단계 및/또는 전극을 용액에 노출하기 전(예를 들어, 전극을 전이 금속을 포함하는 용액에 노출하기 전 및 전극을 제1 반응성 종을 포함하는 용액에 노출하기 전) 건조하는 단계를 포함한다.
전극은 임의의 적합한 온도에서 건조될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극은 실온 이상, 30℃ 이상, 40℃ 이상, 50℃ 이상, 60℃ 이상, 70℃ 이상, 80℃ 이상, 90℃ 이상, 100℃ 이상, 110℃ 이상, 120℃ 이상, 130℃ 이상, 또는 140℃ 이상의 온도에서 건조된다. 일부 실시양태에서, 전극은 150℃ 이하, 140℃ 이하, 130℃ 이하, 120℃ 이하, 110℃ 이하, 100℃ 이하, 90℃ 이하, 80℃ 이하, 70℃ 이하, 60℃ 이하, 50℃ 이하, 40℃ 이하, 또는 30℃ 이하의 온도에서 건조된다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 실온 이상 및 150℃ 이하, 또는 120℃ 이상 및 130℃ 이하).
전극은 임의의 적합한 기간 동안 건조될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극은 1초 이상, 5초 이상, 15초 이상, 30초 이상, 1분 이상, 15분 이상, 30분 이상, 1시간 이상, 2시간 이상, 3시간 이상, 4시간 이상, 5시간 이상, 7시간 이상, 10시간 이상, 12시간 이상, 15시간 이상, 18시간 이상, 또는 20시간 이상의 기간 동안 건조된다. 일부 실시양태에서, 전극은 24시간 이하, 22시간 이하, 20시간 이하, 18시간 이하, 15시간 이하, 12시간 이하, 10시간 이하, 8시간 이하, 5시간 이하, 4시간 이하, 3시간 이하, 2시간 이하, 1시간 이하, 30분 이하, 15분 이하, 1분 이하, 30분 이하, 또는 15초 이하의 기간 동안 건조된다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 1초 이상 및 24시간 이하, 또는 5시간 이상 및 15시간 이하).
일부 실시양태에서, 상기 방법은 제1 온도(예를 들어, 본원에 개시된 임의의 온도)에서 제1 기간(예를 들어, 본원에 개시된 임의의 기간) 동안 전극을 건조한 다음, 제2 온도(예를 들어, 본원에 개시된 임의의 온도)(예를 들어, 실온 이상 및 150℃ 이하 또는 120℃ 이상 및 130℃ 이하)에 제2 기간(예를 들어, 본원에 개시된 임의의 기간)(예를 들어, 1초 이상 및 24시간 이하 또는 5시간 이상 및 15시간 이하) 동안 건조하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 제2 온도는 제1 온도보다 더 높다. 일부 실시양태에서, 제2 기간은 제1 기간보다 더 길다.
일부 실시양태에서, 상기 방법은 전극을 (예를 들어, 부분적으로 또는 완전한) 진공 하에서 건조하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종을 포함하는 용액은 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 (예를 들어, 용액에서) 제2 반응성 종과 반응하여 반응 생성물을 형성한다. 일부 실시양태에서, 전극을 상기 용액에 노출시키면 전극 상에 배치된 보호층이 형성되며, 이때 보호층은 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종을 포함하는 반응 생성물(예를 들어, 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전극을 상기 용액에 노출시키면 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종이 금속(예를 들어, 전극의 전이 금속 또는 리튬 금속)과 반응하여 반응 생성물(예를 들어, 금속과, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물 사이의 반응 생성물)을 형성한다. 일부 실시양태에서, 보호층은 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 금속(예를 들어, 전극의 리튬 금속 및/또는 전이 금속) 및 제1 반응성 종)의 반응 생성물, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물, 및/또는 제1 반응성 종, 제2 반응성 종 및 금속(예를 들어, 전극의 리튬 금속 및/또는 전이 금속)의 반응 생성물(예를 들어, 금속과 반응 생성물 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물 사이의 반응 생성물)을 포함한다.
존재하는 경우, 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)은 다양한 적합한 양의 용액을 구성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 용액은 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종) 및 이의 임의의 반대이온(들)을 5 중량% 이상, 7 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상, 20 중량% 이상, 또는 25 중량% 이상의 양으로 포함한다. 일부 실시양태에서, 용액은 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종) 및 이의 임의의 반대이온(들)을 50 중량% 이하, 45 중량% 이하, 40 중량% 이하, 35 중량% 이하, 또는 30 중량% 이하의 양으로 포함한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 5 중량% 이상 및 50 중량% 이하, 또는 10 중량% 이상 및 30 중량% 이하).
또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 도 1A는 전극(200)(예를 들어, 제2 전극, 예컨대 캐소드)을 포함한다. 전극은 임의의 적합한 방법에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 전극 물질(예를 들어, 전극의 일부를 형성하는 것으로서 본원에 기재된 임의의 물질, 예컨대 전기활성 물질, 예컨대 전이 금속 또는 전이 금속 산화물)을 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)(예를 들어, 용액, 예컨대 본원에 기재된 임의의 용액에서)과 조합하여 혼합물(예를 들어, 슬러리)을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 혼합물(예를 들어, 슬러리)은 임의의 적합한 양의 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 혼합물은 0.1 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 1 중량% 이상, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상, 5 중량% 이상, 7 중량% 이상, 10 중량% 이상, 12 중량% 이상, 15 중량% 이상, 또는 17 중량% 이상의 제1 반응성 종을 포함한다. 일부 실시양태에서, 혼합물은 20 중량% 이하, 18 중량% 이하, 15 중량% 이하, 13 중량% 이하, 10 중량% 이하, 8 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하, 또는 1 중량% 이하의 제1 반응성 종을 포함한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 0.1 중량% 이상 및 20 중량% 이하, 또는 5 중량% 이상 및 15 중량% 이하).
존재하는 경우, 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)은 다양한 적합한 양의 혼합물(예를 들어, 슬러리)을 구성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 혼합물은 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종) 및 이의 임의의 반대이온(들)을 5 중량% 이상, 7 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상, 20 중량% 이상, 또는 25 중량% 이상의 양으로 포함한다. 일부 실시양태에서, 혼합물은 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종) 및 이의 임의의 반대이온(들)을 50 중량% 이하, 45 중량% 이하, 40 중량% 이하, 35 중량% 이하, 또는 30 중량% 이하의 양으로 포함한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 5 중량% 이상 및 50 중량% 이하, 또는 10 중량% 이상 및 30 중량% 이하).
일부 실시양태에서, 혼합물(예를 들어, 슬러리)은 고체 구성요소 및 액체 구성요소를 포함한다. 혼합물은 임의의 적합한 양의 고체 구성요소 및/또는 액체 구성요소를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 액체 구성요소는 50 중량% 이상, 60 중량% 이상, 70 중량% 이상, 또는 80 중량% 이상의 혼합물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 액체 구성요소는 90 중량% 이하, 80 중량% 이하, 70 중량% 이하, 또는 60 중량% 이하의 혼합물을 포함한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 50 중량% 이상 및 90 중량% 이하).
일부 실시양태에서, 고체 구성요소는 50 중량% 이하, 40 중량% 이하, 30 중량% 이하, 또는 20 중량% 이하의 혼합물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 고체 구성요소는 10 중량% 이상, 20 중량% 이상, 30 중량% 이상, 또는 40 중량% 이상의 혼합물을 포함한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 10 중량% 이상 및 50 중량% 이하).
일부 실시양태에서, 액체 구성요소는 용매를 포함한다. 일부 실시양태에서, 용매는 유기 용매(예를 들어, 예컨대 N-메틸-2-피롤리돈 또는 본원에 기재된 임의의 유기 용매)를 포함한다.
일부 실시양태에서, 전극 물질, 혼합물(예를 들어, 슬러리), 및/또는 고체 구성요소는 금속 및/또는 금속 산화물(예를 들어, 리튬 금속, 전이 금속, 및/또는 전이 금속 산화물을 비롯한 본원에 기재된 임의의 금속 또는 금속 산화물)을 포함한다. 금속 및/또는 금속 산화물은 전극 물질 및/또는 고체 구성요소에 임의의 적합한 양으로 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극 물질, 혼합물, 및/또는 고체 구성요소는 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상, 95 중량% 이상, 또는 99 중량% 이상의 금속 및/또는 금속 산화물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전극 물질, 혼합물, 및/또는 고체 구성요소는 100 중량% 이하, 99 중량% 이하, 97 중량% 이하, 95 중량% 이하, 90 중량% 이하, 또는 80 중량% 이하의 금속 및/또는 금속 산화물을 포함한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 80 중량% 이상 및 100 중량% 이상, 80 중량% 이상 및 97 중량% 이상, 또는 90 중량% 이상 및 99 중량% 이하).
일부 실시양태에서, 전극 물질, 혼합물, 및/또는 고체 구성요소는 결합제를 포함한다. 전극 물질, 혼합물, 및/또는 고체 구성요소는 임의의 적합한 결합제를 포함할 수 있다. 적합한 결합제의 한 가지 비제한적인 예는 PVDF일 수 있다. 전극 물질, 혼합물, 및/또는 고체 구성요소는 임의의 적합한 양의 결합제를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극 물질, 혼합물, 및/또는 고체 구성요소는 0.1 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 1 중량% 이상, 1.5 중량% 이상, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상, 또는 5 중량% 이상의 결합제를 포함한다. 일부 실시양태에서, 전극 물질, 혼합물, 및/또는 고체 구성요소는 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하, 또는 1 중량% 이하의 결합제를 포함한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 0.1 중량% 이상 및 10 중량% 이하, 또는 0.5 중량% 이상 및 5 중량% 이하).
일부 실시양태에서, 전극 물질, 혼합물, 및/또는 고체 구성요소는 탄소계 물질(예를 들어, 카본 블랙 및/또는 그래파이트)을 포함한다. 전극 물질, 혼합물, 및/또는 고체 구성요소 포함할 수 있다 임의의 적합한 양의 탄소계 물질(예를 들어, 카본 블랙 및/또는 그래파이트)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극 물질, 혼합물, 및/또는 고체 구성요소는 0.1 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 1 중량% 이상, 1.5 중량% 이상, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상, 또는 5 중량% 이상의 탄소계 물질(예를 들어, 카본 블랙 및/또는 그래파이트)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전극 물질, 혼합물, 및/또는 고체 구성요소는 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하, 또는 1 중량% 이하의 탄소계 물질(예를 들어, 카본 블랙 및/또는 그래파이트)을 포함한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 0.1 중량% 이상 및 10 중량% 이하, 또는 0.5 중량% 이상 및 5 중량% 이하).
일부 실시양태에서, 상기 방법은 금속 기판을 혼합물로 코팅하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 금속 기판은 알루미늄, 알루미늄 합금, 및/또는 금속화된 폴리머 필름을 포함한다.
금속 기판은 임의의 적합한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 금속 기판은 4 마이크론 이상, 5 마이크론 이상, 7 마이크론 이상, 10 마이크론 이상, 12 마이크론 이상, 15 마이크론 이상, 20 마이크론 이상, 25 마이크론 이상, 30 마이크론 이상, 35 마이크론 이상, 또는 40 마이크론 이상의 두께를 갖는다. 일부 실시양태에서, 금속 기판은 50 마이크론 이하, 45 마이크론 이하, 40 마이크론 이하, 35 마이크론 이하, 30 마이크론 이하, 25 마이크론 이하, 20 마이크론 이하, 15 마이크론 이하, 또는 10 마이크론 이하의 두께를 갖는다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 4 마이크론 이상 및 50 마이크론 이하, 또는 7 마이크론 이상 및 15 마이크론 이하).
일부 실시양태에서, 상기 방법은 혼합물을 (예를 들어, 임의의 온도 전극 물질의 열화 온도 미만의 임의의 온도에서) 건조하여 전극(예를 들어, 임의의 전극 본원에 기재된, 예컨대 제2 전극, 예컨대 캐소드)을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 보호층(예를 들어, 본원에 기재된 임의의 보호층)은 전극 상에 배치된다. 일부 실시양태에서, 보호층은 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 본원에 기재된 임의의 반응 생성물, 예컨대 전극 물질 내의 금속(예를 들어, 전이 금속)과 제1 반응성 종 사이의 반응 생성물, 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물, 및/또는 금속(예를 들어, 전이 금속), 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물(예를 들어, 금속(예를 들어, 전이 금속)과 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물 사이의 반응 생성물))을 포함한다.
일부 실시양태에서, 상기 방법은 전극(예를 들어, 제2 전극, 예컨대 캐소드)(예를 들어, 도 1C 또는 도 1D의 전극(200))을 또 다른 전극(예를 들어, 제1 전극, 예컨대 애노드)(예를 들어, 도 1C의 전극(100) 및 도 1D의 전극(100))과 조합하여 전기화학 전지(예를 들어, 도 1C 및 도 1D의 전기화학 전지(1000))를 형성하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 상기 방법은 전해질(예를 들어, 도 1E의 전해질(300) 및 도 1F의 전해질(300))을 전기화학 전지에 첨가하는 단계를 포함한다. 전해질은 임의의 적합한 전해질(예를 들어, 본원에 기재된 임의의 전해질)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전해질은, 본원에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종은 서로 및/또는 전극(예를 들어, 제1 전극의 리튬 금속 및/또는 제2 전극의 전이 금속)과 반응하여, 반응 생성물(예를 들어, 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속)과 제1 반응성 종 사이의 반응 생성물, 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물, 및/또는 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속), 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물(예를 들어, 금속과, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물 사이의 반응 생성물)을 형성할 수 있다.
존재하는 경우, 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)은 다양한 적합한 양의 전기화학 전지(예를 들어, 전해질)를 구성할 수 있다. 제2 반응종은 전해질 이외의 전기화학 전지의 부분에 (전해질에 추가로 또는 대신에) 존재할 수 있지만, 전해질의 양에 대해 제2 반응종의 양을 설명하는 것이 편리할 수 있다. 따라서, 하기 나열된 중량% 범위는 그 안에 존재하는 임의의 제2 반응성 종 및 그 안에 있는 임의의 반대이온을 포함하는 전해질의 총 중량에 관한 것이다. 또한, 하기 나열된 범위는 다음 중 하나를 참조할 수 있음을 이해해야 한다: (1) 전기화학 전지에서 전체로서의 특정 제2 반응성 종 및 임의의 반대이온(들)의 총량; (2) 특정 제2 반응성 종 및 전해질 내의 임의의 반대이온(들)의 양(제2 반응성 종의 추가 양을 포함하거나, 포함하지 않음); (3) 전기화학 전지에서 전체로서의 모든 제2 반응성 종 및 임의의 반대이온의 양; 및 (4) 전해질 내의 모든 제2 반응성 종 및 임의의 반대이온의 양(전기화학 전지의 다른 위치에 추가 양의 제2 반응성 종을 포함하거나, 포함하지 않음).
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종) 및 이의 임의의 반대이온(들)을 5 중량% 이상, 7 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상, 20 중량% 이상, 또는 25 중량% 이상의 양으로 포함한다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종) 및 이의 임의의 반대이온(들)을 50 중량% 이하, 45 중량% 이하, 40 중량% 이하, 35 중량% 이하, 또는 30 중량% 이하의 양으로 포함한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 5 중량% 이상 및 50 중량% 이하, 또는 10 중량% 이상 및 30 중량% 이하).
일부 실시양태에서, 상기 방법은 제1 전극 상에 배치된 보호층을 형성하는 단계를 포함하고, 이때 보호층은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 하나 이상의 이의 반응 생성물을 포함한다. 예를 들어, 도 1F에서, 일부 실시양태에서, 층(406)(예를 들어, 보호층)은 전극(100) 상에 배치되고, 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 리튬 금속 및 제1 반응성 종 사이의 반응 생성물, 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물, 및/또는 리튬 금속, 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물(예를 들어, 리튬 금속과 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물)을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 방법은 제2 전극 상에 배치된 보호층을 형성하는 단계를 포함하고, 이때 보호층은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 전이 금속과 제1 반응성 종 사이의 반응 생성물; 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물; 및/또는 전이 금속, 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물(예를 들어, 전이 금속과, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물 사이의 반응 생성물))을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제2 전극 상에 배치된 보호층은 전해질의 첨가 전에 전극 상에 배치된 보호층 상에 배치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 2개의 보호층은 동일할 수 있거나 상이할 수 있다.
일부 실시양태에서, 전해질은 초기 사용 전(예를 들어, 초기 충전-방전 사이클 전, 또는 5차, 10차, 15차 또는 20차 충전-방전 사이클 전에) 전기화학 전지에 배치된다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전해질은 반응 생성물(들) 및/또는 보호층이 형성되기 위한 충분한 시간이 있도록 초기 사용 전에 전기화학 전지에 배치된다. 일부 실시양태에서, 전해질은 초기 사용 전(예를 들어, 초기 충전-방전 사이클 전, 또는 5차, 10차, 15차 또는 20차 충전-방전 사이클 전) 전지 적어도 24시간, 적어도 36시간, 적어도 48시간, 또는 적어도 72시간에 전기화학 전지에 배치된다.
제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종의 위치는 전해질에 제한되지 않을 수 있음을 이해해야 한다. 일부 실시양태에서, 전극은 공극을 포함할 수 있고, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종 중 하나 또는 둘 모두가 전극의 공극에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극은 제2 전극(예를 들어, 캐소드)이다. 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종에 대한 다른 가능한 위치는 전기화학 전지(예를 들어, 내부에 배치된 전해질) 및/또는 전기화학 전지의 또 다른 위치(예를 들어, 전해질)에 이형될 수 있는 하나 이상의 저장소(들)에 있는 세퍼레이터의 공극을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종은 전기화학 전지 내의 다수의 위치에 있을 수 있다.
또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 상기 방법은 일정 부피의 전해질을 전기화학 전지에 배치하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 상기 방법은 도 3a에 도시된 바와 같이 일정 부피의 전해질(300)을 전기화학 전지(1000)에 배치하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 일정 부피의 전해질은 제1 전극, 제2 전극, 및/또는 세퍼레이터의 공극의 대부분(예를 들어, 90% 이상, 95% 이상, 또는 99% 이상) 또는 전체(즉, 100%)를 채우기에 충분하다.
일부 실시양태에서, 전해질은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 상기 방법은 도 3a에 도시된 바와 같이, 전극(100)을 포함하는 전기화학 전지(1000)에 전해질(300)을 배치하는 단계를 포함하며, 이때 전해질(300)은 제1 반응성 종(12)을 포함한다. 일부 이러한 실시양태에서, 제1 전극(예를 들어, 도 3a의 전극(100))은 리튬 금속을 포함한다.
일부 이러한 실시양태에서, 제1 반응성 종은 리튬 금속과 상호작용하고/하거나 반응한다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 제1 전극 상에 보호층을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 보호층은, 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 리튬 금속과 제1 반응성 종 사이의 반응 생성물)을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 상기 방법은 도 1D에 도시된 바와 같이, 전극(100) 상에 층(404)을 형성하는 단계를 추가로 포함하며, 이때 층(404)은 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 리튬 금속(예를 들어, 전극(100) 내)과 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 사이의 반응 생성물)을 포함한다.
일부 실시양태에서, 전해질은 초기 사용 전(예를 들어, 초기 충전-방전 사이클 전, 또는 5차, 10차, 15차 또는 20차 충전-방전 사이클 전에) 전기화학 전지에 배치된다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전해질은 반응 생성물(들) 및/또는 층(예를 들어, 보호층)이 형성되기에 충분한 시간이 있도록 초기 사용 전에 전기화학 전지에 배치된다. 일부 실시양태에서, 전해질은 초기 사용 전(예를 들어, 초기 충전-방전 사이클 전, 또는 5차, 10차, 15차 또는 20차 충전-방전 사이클 전) 전지 적어도 24시간, 적어도 36시간, 적어도 48시간, 또는 적어도 72시간에 전기화학 전지에 배치된다.
도 3c-3e는 이러한 층 및/또는 반응 생성물이 형성될 수 있는 또 다른 예시적인 방법을 도시한다. 일부 실시양태에서, 전해질은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함한다. 도 3c-3d에서, 전기화학 전지(1000)의 전해질(300)은 제1 반응성 종(12)(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(22)(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종(12)은 제2 반응성 종(22)과 반응하여 반응 생성물을 포함하는 전극(100)(예를 들어, 제1 전극) 상에 배치된 층(404)을 형성한다(예를 들어, 일부 실시양태에서, 도 3E). 일부 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전극(100)(예를 들어, 제1 전극)은 리튬 금속을 포함한다. 일부 이러한 실시양태에서, 상기 반응 생성물은 리튬 금속, 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물(예를 들어, 리튬 금속과, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물 사이의 반응 생성물)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지(1000)는 전극(200)(예를 들어, 제2 전극)을 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 전극은 애노드일 수 있고/있거나, 제2 전극은 캐소드일 수 있다.
일부 실시양태에서, 층(예를 들어, 도 1b 및 3E에 도시된 층(404))은 보호층이다. 상기 기재된 바와 같이, 보호층은 SEI일 수 있고/있거나, SEI 이외의 구조일 수 있고/있거나, 상기 종(예를 들어, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종) 및 상기 논의된 반응 생성물 이외의 구성요소를 포함할 수 있다(예를 들어, 하나 이상의 전해질 구성요소와 제1 전극의 반응 생성물 및/또는 전지 조립 전에 제1 전극 상에 증착된 세라믹을 포함할 수 있음). 일부 실시양태에서, 층은 보호층이 아닌 SEI이다.
또한, 도 1a-1f 및 3a-3e는 예시적인 것이며, 본원에 기재되지 않은 도 1a-1f 및 3a-3e의 다른 변형도 가능하다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 일부 실시양태는 도 3c-3e에 도시된 방법 이외의 다른 방법에 의해 형성된(예를 들어, 전기화학 전지 조립 이전에 발생하는 방법에 의해 형성된) 유리한 종(예를 들어, 제1 반응성 종) 및/또는 반응 생성물을 포함하는 보호층에 관한 것이다. 또 다른 예시로서, 본원에 기재된 일부 공정 및/또는 반응, 예컨대 제1 반응성 종의 증착 및/또는 제1 반응성 종의 반응(예를 들어, 제1 반응성 종 및 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속) 사이, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종 사이, 또는 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속), 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종 사이(예를 들어, 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속)과, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종 사이의 형성된 반응 생성물 사이))은 층 이외의 유리한 구조의 형성을 야기할 수 있고/있거나, 전기화학 전지에 이미 존재하는 기존의 구조(예를 들어, SEI, 사전 형성된 보호층, 전극, 전해질)에 혼입되는 유리한 반응 생성물의 형성을 야기할 수 있다.
본원에 기재된 일부 방법은 (예를 들어, 층을 형성하기 위해) 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물을 제2 전극 상에 증착시키는 것에 관한 것이다. 이러한 방법은 도 3c-3e 및 도 1e와 관련하여 이해될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 일정 부피의 전해질을 전기화학 전지에 배치하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 전해질은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 상기 방법은 도 3c에 도시된 바와 같이, 전극(100)(예를 들어, 제1 전극) 및 전극(200)(예를 들어, 제2 전극)을 포함하는 전기화학 전지(1000)에 전해질(300)을 배치하는 단계를 포함하며, 이때 전해질(300)은 제1 반응성 종(12) 및/또는 제2 반응성 종(22)을 포함한다. 일부 이러한 실시양태에서, 제2 전극(예를 들어, 도 3c의 전극(200)(예를 들어, 제2 전극))은 전이 금속을 포함한다. 일부 이러한 실시양태에서, 제1 반응성 종은 전이 금속과 반응한다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 제2 전극 상에 보호층을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 보호층은, 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 전이 금속과 제1 반응성 종 사이의 반응 생성물)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 도 1E에 도시된 바와 같이, 전극(200) 상에 층(404)을 형성하는 단계를 포함하며, 이때 층(404)은 전이 금속(예를 들어, 전극(200) 내) 및 제1 반응성 종 사이의 반응 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 도 1E에 도시된 바와 같이, 전극(200) 상에 층(404)을 형성하는 단계를 포함하며, 이때 층(404)은 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물을 포함한다.
도 1a-1f 및 3a-3e는 본원에 기재된 하나 이상의 유리한 구성요소 및/또는 포함할 수 있고/있거나, 본원에 기재된 하나 이상의 유리한 방법이 발생할 수 있는 전기화학 전지, 또는 이의 구성요소를 도시한다. 도 1a-1f 및 3a-3e에 도시된 전기화학 전지는, 도시되지 않은 하나 이상의 구성요소, 예컨대 세퍼레이터, 하나 이상의 집전체, 하우징, 외부 회로, 전해질의 종, 보호층(들), 추가 전극(들) 등을 임의적으로 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
도 1b에서, 일부 실시양태에서, 층(404)(예를 들어, 보호층)은 전극(200)(예를 들어, 제2 전극 또는 제1 전극) 상에 배치된다. 일부 실시양태에서, 상기 층은 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 금속(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속) 및 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 사이의 반응 생성물; 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물; 및/또는 금속(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속), 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물(예를 들어, 전이 금속과, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물 사이의 반응 생성물)을 포함한다.
또 다른 예시로서, 도 3b에서, 전기화학 전지(1000)는 전극(100)(예를 들어, 제1 전극), 전해질(300), 및, 임의적으로, 전극(200)(예를 들어, 제2 전극)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지의 하나 이상의 구성요소는 하나 이상의 유리한 종을 포함한다. 예를 들어, 전기화학 전지의 하나 이상의 구성요소는 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)을 포함하는 전해질을 포함한다. 도 3a는 하나의 이러한 전기화학 전지를 도시하며, 전기화학 전지(1000)는 전극(100) 및 전해질(300)을 포함하고, 전해질(300)은 제1 반응성 종(12)을 포함한다. 또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 이들 종 모두를 포함하는 전해질을 포함한다. 도 3c는 하나의 이러한 전기화학 전지를 도시한다. 도 3c에서, 전기화학 전지(1000)는 전극(100)(예를 들어, 제1 전극), 전해질(300), 및, 임의적으로, 전극(200)(예를 들어, 제2 전극)을 포함한다. 도 3c의 전해질(300)은 제1 반응성 종(12) 및 제2 반응성 종(22)을 추가로 포함한다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 제1 반응성 종은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종(예를 들어, 아졸레이트)일 수 있고/있거나, 제2 반응성 종은 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지 내 제1 전극(예를 들어, 도 3a, 3b, 또는 3c의 제1 전극)은 리튬 금속을 포함한다. 제1 전극은 애노드일 수 있고/있거나, 제2 전극은 캐소드일 수 있다.
도 3c는 제1 반응성 종(예를 들어, 전해질(300) 내)에 대한 하나의 가능한 위치와 제2 반응성 종(예를 들어, 전해질(300) 내)에 대한 하나의 가능한 위치를 보여주지만, 이러한 종에 대한 다른 위치도 가능하다는 것을 이해해야 한다. 예시로서, 상기 종 중 하나 또는 둘 모두는, 전기화학 전지의 전극(예를 들어, 제2 전극)에, 부가적으로 또는 택일적으로, 존재할 수 있다. 예를 들어, 전극은 공극을 포함할 수 있고, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종 중 하나 또는 둘 모두가 전극의 공극에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극은 제2 전극(예를 들어, 캐소드)이다. 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종에 대한 다른 가능한 위치는 전기화학 전지(예를 들어, 내부에 배치된 전해질) 및/또는 전기화학 전지의 또 다른 위치(예를 들어, 전해질)에 이형될 수 있는 하나 이상의 저장소(들)에 있는 세퍼레이터의 공극을 포함한다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 제1 위치에 제1 반응성 종, 즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종을 포함하고, 제1 위치가 아닌 위치(예를 들어,제2 위치)에, 제2 반응성 종, 예컨대 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 위치는 제2 반응성 종을 포함하는 종을 갖지 않고/않거나, 제2 위치는 제1 반응성 종을 갖지 않는다. 예시로서, 전기화학 전지는 제1 반응성 종을 포함하는(및, 임의적으로, 제2 반응성 종을 갖지 않는) 제1 저장소 및 제2 반응성 종을 포함하는(및, 임의적으로, 제1 반응성 종을 갖지 않는) 제2 저장소를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지의 단일 구성요소(예를 들어, 전해질)는 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종) 둘 모두를 포함한다. 예시로서, 도 3c에 예시적으로 도시된 바와 같이, 전기화학 전지는 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종 모두를 포함하는 전해질을 포함할 수 있다. 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종에 대한 위치의 다른 조합도 또한 가능하다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 내부의 구성요소(예를 들어, 전극, 예컨대 제1 전극 또는 제2 전극) 상에 배치된 층(예를 들어, 보호층, 예컨대 SEI)을 포함한다. 예를 들어, 도 1b에서, 층(404)은 전극(200) 상에 배치된다. 일부 실시양태에서, 층(예를 들어, 보호층)은 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물(예를 들어, 본원에 개시된 반응 생성물)을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 층은 제1 반응성 종을 포함한다. 또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 층은 금속(예를 들어, 전극의 리튬 금속 및/또는 전이 금속) 및 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)을 포함한다. 또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 층은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함한다. 또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 층은 반응 생성물(예를 들어, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물) 및 금속(예를 들어, 전극 내 리튬 금속 및/또는 전이 금속) 사이의 반응 생성물을 포함한다.
또한, 도 1a-1f 및 3a-3e는 예시적인 것이며, 본원에 기재되지 않은 도 1a-1f 및 3a-3e의 다른 변형도 가능하다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 일부 실시양태는 도 1a-1f 및 3a-3e에 도시된 것과 상이한 방법에 의해 형성된 제1 반응성 종 및/또는 유리한 반응 생성물을 포함하는 보호층에 관한 것이다. 또 다른 예시로서, 본원에 기재된 일부 공정 및/또는 반응, 예컨대 제1 반응성 종의 증착 및/또는 제1 반응성 종의 반응(예를 들어, 제1 반응성 종 및 금속 사이; 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종 사이; 또는 금속, 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종 사이)은 층 이외의 유리한 구조의 형성을 야기할 수 있고/있거나, 전기화학 전지에 이미 존재하는 기존의 구조(예를 들어, SEI, 사전 형성된 보호층, 전극, 전해질)에 혼입되는 유리한 반응 생성물의 형성을 야기할 수 있다.
존재하는 경우, 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)은 다양한 적합한 양의 전기화학 전지를 구성할 수 있다. 제1 반응종은 전해질 이외의 전기화학 전지의 부분에 (전해질에 추가로 또는 대신에) 존재할 수 있지만, 전해질의 양에 대해 제1 반응종의 양을 설명하는 것이 편리할 수 있다. 따라서, 하기 나열된 중량% 범위는 그 안에 존재하는 임의의 제1 반응성 종 및 그 안에 있는 임의의 반대이온을 포함하는 전해질의 총 중량에 관한 것이다. 또한, 하기 나열된 범위는 다음 중 하나를 참조할 수 있음을 이해해야 한다: (1) 전기화학 전지에서 전체로서의 특정 제1 반응성 종 및 임의의 반대이온(들)의 총량; (2) 특정 제1 반응성 종 및 전해질 내의 임의의 반대이온(들)의 양(제1 반응성 종의 추가 양을 포함하거나, 포함하지 않음); (3) 전기화학 전지에서 전체로서의 모든 제1 반응성 종 및 임의의 반대이온의 양; 및 (4) 전해질 내의 모든 제1 반응성 종 및 임의의 반대이온의 양(전기화학 전지의 다른 위치에 추가 양의 제1 반응성 종을 포함하거나, 포함하지 않음).
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 이의 임의의 반대이온(들)을 전해질의 총 중량 대비 0.01 중량% 이상, 0.02 중량% 이상, 0.05 중량% 이상, 0.075 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 0.75 중량% 이상, 1 중량% 이상, 2 중량% 이상, 또는 3 중량% 이상의 양으로 포함한다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 제1 반응성 종 및 이의 반대이온(들)을 전해질의 총 중량 대비 5 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하, 1 중량% 이하, 0.75 중량% 이하, 0.5 중량% 이하, 0.2 중량% 이하, 0.1 중량% 이하, 0.075 중량% 이하, 0.05 중량% 이하, 또는 0.02 중량% 이하의 양으로 포함한다. 상기 언급된 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 0.01 중량% 이상 및 5 중량% 이하, 또는 1 중량% 이상 및 3 중량%). 다른 범위도 또한 가능하다.
다양한 제1 반응성 종이 본원에 기재된 전기화학 전지에 포함되기 적절할 수 있다. 상기 기재된 바와 같이, 제1 반응성 종은 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리(즉, "반응성 고리")를 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 1개 초과의 질소 원자(예를 들어, 2개 이상의 질소 원자 또는 3개 이상의 질소 원자; 5개 이하의 질소 원자, 4개 이하의 질소 원자, 3개 이하의 질소 원자 이하, 또는 2개 이하의 질소 원자; 이들의 조합, 예컨대 1-5개의 질소 원자 또는 2-3개의 질소 원자가 가능함)를 포함한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 치환된 또는 비치환된 1,2,4-트라이아졸, 치환된 또는 비치환된 1,2,3-트라이아졸, 치환된 또는 비치환된 1,3,4-트라이아졸, 치환된 또는 비치환된 피라졸, 치환된 또는 비치환된 이미다졸, 치환된 또는 비치환된 테트라졸, 치환된 또는 비치환된 벤즈이미다졸, 치환된 또는 비치환된 인다졸, 및/또는 치환된 또는 비치환된 벤조트라이아졸을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 피롤레이트 유도체, 아졸레이트 유도체, 이미다졸레이트 유도체, 피라졸레이트 유도체, 및/또는 트라이아졸레이트 유도체를 포함한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 치환된다(예를 들어, 단일-치환 또는 다중-치환). 적합한 치환기의 예는 알킬, 아릴, 알콕시, 아릴옥시, 나이트로, 아미노, 싸이오, 플루오로, 클로로, 브로모, 아이오도, 및/또는 포스페이트 치환기, 및/또는 본원에 개시된 임의의 치환기를 포함한다.
일부 제1 반응성 종은 특히 유리한 하나 이상의 구조적 특징을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종과 특히 반응성인 제1 반응성 종이 특히 바람직할 수 있다. 달리 말하면, 일부 실시양태에서, 제2 반응성 종이 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종이고, 제1 반응성 종이 이러한 종과 특히 반응성인 것이 특히 바람직할 수 있다. 따라서, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종과의 반응을 촉진하는 제1 반응성 종의 화학적 특성이 또한 일부 실시양태에서 바람직할 수 있다. 이러한 화학적 특성은, 예를 들어, 반응성 고리에 대해 상대적으로 높은 정도로 비편재화하는 음성-대전된를 포함할 수 있다.
전자 끄는 기는 (예를 들어, 친핵성 치환 반응, 제2 반응성 종과의 반응, 및/또는 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속)과의 반응에서) 반응성 고리 및/또는 제1 반응성 종의 반응성을 감소시킬 수 있는 반면에, 전자 주는 기는 (예를 들어, 친핵성 치환 반응, 제2 반응성 종과의 반응, 및/또는 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속)과의 반응에서) 반응성 고리 및/또는 제1 반응성 종의 반응성을 증가시킬 수 있지만, 특정 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니다. (상대적으로 더욱 비편재화된 음성-대전된와 비교하여) 반응성 고리에서 편재화된 음성-대전된가 (예를 들어, 친핵성 치환 반응, 제2 반응성 종과의 반응, 및/또는 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속)과의 반응에서) 반응성 고리 및/또는 제1 반응성 종의 반응성을 증가시킬 수 있지만, 특정 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니다. 반응성 고리가 하나 이상의 유리한 화학적 특성을 갖도록 할 수 있는 반응성 고리의 구조적 특징이 하기에 더욱 상세히 기재된다.
상기 기재된 바와 같이, 제1 반응성 종이 음으로 하전되는 것이 유리할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 전체적으로 하전된다. 전하는 음성-대전된일 수 있고; 즉, 제1 반응성 종은 음이온일 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 1가 음이온이다. 하전되는 경우, 제1 반응성 종은 하나 이상의 반대이온을 가질 수 있다. 반대이온(들)은 전기화학 전지에서 제1 반응성 종과 동일한 위치(들)에, 예컨대 전해질 및/또는 제2 전극에 존재할 수 있다. 적합한 반대이온에 대한 추가 세부사항은 하기에 제공된다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 상의 특정 작용기(예를 들어, 전자-끄는 기, 예컨대 강한 전자-끄는 기)의 존재는 불리하다. 따라서, 일부 실시양태에서, 이러한 불리한 작용기(예를 들어, 전자-끄는 기, 예컨대 강한 전자-끄는 기)는 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리에 존재하지 않는다.
다른 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 불리할 수 있는 하나 이상의 작용기를 제한된 양으로 포함한다. 예시로서, 일부 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 전체적으로 및/또는 일부 위치에 상대적으로 적은 수의 전자-끄는 기를 포함한다. 예를 들어, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 최대 하나의 전자-끄는 기를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 하나 초과의 전자-끄는 기를 포함하지만, 상대적으로 적은 수의 전자-끄는 기를 포함한다. 예를 들어, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 최대 2개 또는 최대 3개의 전자-끄는 기를 포함할 수 있다. 전자-끄는 기가 (예를 들어, 친핵성 치환 반응, 제2 반응성 종과의 반응, 및/또는 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속)과의 반응에서) 반응성 고리의 반응성을 감소시킬 수 있는 것으로 여겨지지만, 특정 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니다. 예를 들어, 전자-끄는 기는 예를 들어 불안정한 할로겐 원자가 부착된 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종의 비교적 전기양성인 부분을 덜 공격하게 만들 수 있다고 여겨진다. 이러한 반응성의 감소는 바람직하제 않게 하나 이상의 반응 생성물(예를 들어, 금속(예를 들어, 리튬 금속 또는 전이 금속) 및 제1 반응성 종 사이의 반응 생성물; 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물; 및/또는 금속, 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물(예를 들어, 금속과 제1 반응성 종과 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물)의 형성이 더 느리게 발생하거나 또는 전혀 발생하지 않게 할 수 있다.
전자-끄는 기는 전형적으로 강한 전자-끄는 기, 보통의 전자-끄는 기 및 약한 전자-끄는 기로 분류되며, 이의 예시가 하기에 제공된다. 강한 전자-끄는 기는 보통의 전자-끄는 기보다 더 큰 정도로 상기 언급된 바람직하지 않은 효과를 제공하는 것으로 여겨지며, 보통의 전자-끄는 기는 약한 전자-끄는 기보다 더 큰 정도로 상기 언급된 바람직하지 않은 효과를 제공하는 것으로 여겨진다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 하나 이상의 보통의 및/또는 약한 전자-끄는 기를 포함하지만, 강한 전자-끄는 기는 포함하지 않거나, 또는 하나 이상의 약한 전자-끄는 기를 포함하지만, 보통의 또는 강한 전자-끄는 기를 포함하지 않는다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 약한, 보통의, 또는 강한 전자-끄는 기를 포함하지 않는다(즉, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 전자-끄는 기를 포함하지 않는다).
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 최대 1개, 최대 2개 또는 최대 3개의 강한 전자-끄는 기를 포함할 수 있다. 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 최대 1개, 최대 2개 또는 최대 3개의 보통의 전자-끄는 기를 포함할 수 있다. 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 최대 1개, 최대 2개 또는 최대 3개의 약한 전자-끄는 기를 포함할 수 있다. 상기의 적합한 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 1 내지 3개의 전자-끄는 기, 1 내지 3개의 강한 전자-끄는 기, 1 내지 3개의 보통의 전자-끄는 기, 또는 1 내지 3개의 약한 전자-끄는 기를 포함할 수 있다).
강한 전자-끄는 기의 비제한적인 예는 트라이플릴 기, 트라이할라이드 기, 사이아노 기, 설포네이트 기, 나이트로 기, 암모늄 기, 및 4차 아민 기를 포함한다. 보통의 전자-끄는 기의 비제한적인 예는 알데하이드 기, 케톤 기, 카복실 산 기, 아실 클로라이드 기, 에스터 기, 및 아마이드 기를 포함한다. 약한 전자-끄는 기의 비제한적인 예는 할라이드 기, 포스페이트 기, 싸이오시아네이트 기, 아이소시아네이트 기, 아이소싸이오시아네이트 기, 및 싸이오카바메이트 기를 포함한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 유리할 수 있는 하나 이상의 작용기를 포함한다. 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는, 이러한 작용기를, 다른 제1 반응성 종에 비해 및/또는 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리에 존재하는 다른 유형의 작용기(예를 들어, 유리하지 않은 작용기 및/또는 불리하지. 않은 작용기)의 수에 비해 상대적으로 더 많은 양으로 포함할 수 있다. 예시로서, 일부 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 전체적으로 및/또는 일부 위치에 상대적으로 많은 수의 전자-주는(electron-donating) 기를 포함한다. 예를 들어, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 하나 이상의 전자-주는 기를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 질소 원자를 포함하는 반응성 고리는 적어도 2개, 적어도 3개 이상의 전자-주는 기를 포함한다. 다른 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 전자-주는 기를 갖지 않는다.
전자-주는 기가 (예를 들어, 친핵성 치환 반응, 제2 반응성 종과의 반응, 및/또는 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속)과의 반응에서) 반응성 고리의 반응성을 향상시킬 수 있는 것으로 여겨지지만, 특정 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니다. 이것은 전자-끄는 기에 대해 상기 기재된 유사한 이유, 즉, (기타 모든 요인은 동일하되 전자-끄는 기를 갖지 않는 반응성 고리와 비교하여) 반응성 고리 상의 전하를 증가시키기 때문이라고 여겨진다. 반응성 고리 상의 증가된 전하는 (예를 들어, 친핵성 치환 반응, 제2 반응성 종과의 반응, 및/또는 금속(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 전이 금속)과의 반응에서) 반응할 가능성을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 반응성 종이 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종이면, 반응성 고리 상의 증가된 전하로 인해 불안정한 할로겐 원자가 부착된 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종의 상대적으로 전기양성인 부분을 공격할 수 있다. 이것은 유리하게는 반응 I에 나타낸 바람직한 반응 생성물의 형성이 보다 신속하게 일어나도록 할 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 하나 이상의 전자-주는 기 및 전자-끄는 기(예를 들어, 최대 1개의 전자-끄는 기)를 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 동일한 수의 전자-주는 기 및 전자-끄는 기를 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 전자-끄는 기보다 더 많은 전자-주는 기를 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리 상의 전자-주는 기의 전체 강도는 (예를 들어, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리가 강한 전자-주는 기 및 약한 전자-끄는 기를 갖는 경우) 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리 상의 전자-끄는 기의 전체 강도보다 더 높다. 하나 이상의 전자 주는 기의 존재는 전술한 전자 끄는 기의 부정적인 효과를 상쇄할 수 있다고 여겨지지만, 특정 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니다.
전자-주는 기는 전형적으로 강한 전자-주는 기, 보통의 전자-주는 기, 및 약한 전자-주는 기로 분류된다. 강한 전자-주는 기는 보통의 전자-주는 기보다 더 큰 정도로 상기 언급된 바람직한 효과를 제공하는 것으로 여겨지며, 보통의 전자-주는 기는 약한 전자-주는 기보다 더 큰 정도로 상기 언급된 바람직한 효과를 제공하는 것으로 여겨진다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 하나 이상의 강한 전자-주는 기를 포함하지만 보통의 또는 약한 전자-주는 기를 포함하지 않거나, 또는 하나 이상의 강한 및/또는 보통의 전자-주는 기를 포함하지만 약한 전자-주는 기를 포함하지 않는다. 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 적어도 1개, 적어도 2개, 또는 적어도 3개의 강한 전자-주는 기를 포함할 수 있다. 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 적어도 1개, 적어도 2개, 또는 적어도 3개의 보통의 전자-주는 기를 포함할 수 있다. 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 적어도 1개, 적어도 2개, 또는 적어도 3개의 약한 전자-주는 기를 포함할 수 있다. 상기의 적합한 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 1 내지 3개의 전자-주는 기, 1 내지 3개의 강한 전자-주는 기, 1 내지 3개의 보통의 전자-주는 기, 또는 1 내지 3개의 약한 전자-주는 기를 포함할 수 있다). 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 강한 전자-주는 기를 갖지 않고/않거나, 보통의 전자-주는 기를 갖지 않고/않거나, 약한 전자-주는 기를 갖지 않는다.
강한 전자-주는 기의 비제한적인 예는 옥사이드 기, 싸이올레이트 기, 3차 아민 기, 2차 아민 기, 1차 아민 기, 에터 기, 싸이오에터 기, 알코올 기, 싸이올 기, 및 일부 알콕시 기를 포함한다. 보통의 전자-주는 기의 비제한적인 예는 아마이드 기, 싸이오아미드 기, 에스터 기, 싸이오에이트 기, 다이싸이오에이트 기, 싸이오에스터 기, 및 일부 알콕시 기를 포함한다. 약한 전자-주는 기의 비제한적인 실시양태는 지방족 기(예를 들어, 알킬 기), 방향족 기(예를 들어, 페닐 기), 헤테로방향족 기, 및 비닐 기를 포함한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 (예를 들어, 금속, 예컨대 리튬 금속 또는 전이 금속과의, 및/또는 제2 반응성 종, 예컨대 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종과의) 유리한 수준의 반응성을 나타내는 하나 이상의 화학적 특성을 가질 수 있다. 이러한 화학적 특성은, 예를 들어, 일부 화학적 환경에서의 안정성 부족이 포함될 수 있으며, 이는 첫 번째 반응성 종의 일반적인 반응성을 나타낼 수 있다. 예시로서, 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 표준 압력 및 온도 조건에서 물에서 불안정하다.
제1 반응성 종은 다양한 적합한 수의 고리를 포함할 수 있다. 이러한 종은 모노사이클릭일 수 있거나, 또는 폴리사이클릭일 수 있다. 제1 반응성 종이 모노사이클릭인 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종 및/또는 반응성 고리는 5-원 고리, 6-원 고리, 9-원 고리, 12-원 고리, 또는 16-원 고리이다. 제1 반응성 종이 폴리사이클릭인 경우, 바이사이클릭, 트라이사이클릭일 수 있거나, 또는 4개 이상의 고리를 포함할 수 있다. 폴리사이클릭 제1 반응성 종에 존재하는 각각의 고리는 다양한 크기일 수 있다. 예를 들어, 폴리사이클릭 제1 반응성 종은 5-원 고리, 6-원 고리, 9-원 고리, 12-원 고리, 16-원 고리, 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 폴리사이클릭 제1 반응성 종은 5-원 고리 및 6-원 고리 둘 모두를 포함한다. 일부 실시양태에서, 폴리사이클릭 제1 반응성 종은 (예를 들어, 5-원 고리 이외에) 2개의 6-원 고리를 포함한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 하기 나타낸 구조를 가질 수 있다:
화학식 I의 일부 실시양태에서, 각각의 X는 독립적으로 -N= 및 
으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있고; 이때, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알콕시, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있거나, 또는, 임의적으로, 임의의 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다.
화학식 I의 일부 실시양태에서, 각각의 X는 독립적으로 -N= 및 
으로 구성된 군으로부터 선택 될 수 있고; 이때, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알콕시, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드로 구성된 군으로부터 선택될 수 있거나, 또는, 임의적으로, 임의의 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 I에서와 같은 구조를 갖고, 최대 1개의 R가 전자-끄는 기이거나, 또는 어떠한 R도 전자-끄는 기가 아니다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 I에서와 같은 구조를 갖고, 적어도 1개의 R(또는 적어도 2개의 R, 적어도 3개의 R, 또는 4개의 R)이 전자-주는 기이다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 I에서와 같은 구조를 갖고, 전자-끄는 기인 1개의 R 및 전자-주는 기인 적어도 1개의 R을 포함한다. 화학식 I에 나타낸 구조를 가지는 분자는 본원의 다른 곳에서 "아졸레이트"로서 지칭될 수 있다.
일부 실시양태에서, 어떠한 X도 -N=이 아니며, 4개의 X는 -CR=이다. 일부 실시양태에서, 1개의 X는 -N=이고, 3개의 X는 -CR=이다. 일부 실시양태에서, 2개의 X는 -N=이고, 2개의 X는 -CR=이다. 일부 실시양태에서, 3개의 X는 -N=이고, 1개의 X는 -CR=이다.
일부 실시양태에서, 2개의 R은 연결되어 고리를 형성하지 않는다. 일부 실시양태에서, 2개의 R은 연결되어 고리(예를 들어, 제1 방향족 고리)를 형성한다. 일부 실시양태에서, 제1 방향족 고리는 적어도 하나의 질소 원자를 포함한다. 일부 실시양태에서, 2개의 R은 연결되어 제1 고리(예를 들어, 제1 방향족 고리)를 형성하고, 2개의 R은 연결되어 제2 고리(예를 들어, 제2 방향족 고리)를 형성한다. 일부 이러한 실시양태에서, 제1 및 제2 방향족 고리 중 적어도 하나는 적어도 하나의 질소 원자를 포함한다.
화학식 I에서, 음성-대전된는 화학식 I의 5-원 고리에 걸쳐 비편재화된 것으로 나타난다. 일부 제1 반응성 종, 예컨대 일부 아졸레이트의 경우, 화학식 I는 전하의 분포를 적절하게 나타낼 수 있다. 다른 종의 경우, 음성-대전된가 분자의 하나 이상의 원자 또는 영역에 국한되는 표현이 분자의 실제 전하 분포를 더 잘 나타낸다. 하기 화학식 IA는 화학식 I에 나타낸 분자의 이러한 표현 중 하나를 나타낸다:
제1 반응성 종이, 화학식 I에 나타낸 것과 같은 분포, 화학식 IA에 나타낸 것과 같은 분포 및 화학식 I 및 IA에 나타낸 것과 다른 분포를 포함하는 다양한 음성-대전된 분포를 가질 수 있음을 이해해야 한다. 분자의 화학 구조에서 전하 분포의 묘사는 제한적이지 않으며, 본원에 제시된 화학식에 대한 언급은 화학식에 제시된 원자의 배열을 지칭하는 것으로 이해되어야 하지만 반드시 화학식에 제시된 전하 분포를 의미하는 것은 아님을 또한 이해해야 한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 I에서와 같은 구조를 갖고, 적어도 2개의 X가 
이고, 적어도 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다. 달리 말하면, 반응성 고리에 부착된 2개의 기(예를 들어, 내부의 이중 결합의 1,2-위치)는, 반응성 고리를 형성하는 하나 이상의 원자와 함께, 반응성 고리에 융합된 제1 추가의 고리를 형성할 수 있다. 반응성 고리에 융합된 제1 추가의 고리는 치환 또는 비치환, 불포화 또는 포화, 및 헤테로사이클릭 또는 호모사이클릭일 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 추가의 융합된 고리는 5-원 고리 또는 6-원 고리이다. 하나 이상의 추가의 고리가 제1 융합된 고리 및/또는 반응성 고리에 임의적으로 융합될 수 있다. 이러한 추가의 고리는 각각, 독립적으로, 치환 또는 비치환, 불포화 또는 포화, 헤테로사이클릭 또는 호모사이클릭일 수 있고, 다양한 적합한 고리 크기(예를 들어, 5-원 고리 또는 6-원 고리)일 수 있다. 이러한 구조의 예가 화학식 IB에 예시적으로 나타난다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 (반응성 고리에 더하여) 서로 직접적으로 융합되지 않은 2개의 추가의 융합된 고리를 포함한다. 예를 들어, 반응성 고리의 2개의 이중 결합의 1,2-위치에 부착된 두 세트의 그룹은 각각 이중 결합 중 하나를 포함하는 별도의 고리를 형성할 수 있다. 이러한 추가의 고리 각각은, 독립적으로, 치환 또는 비치환, 불포화 또는 포화, 헤테로사이클릭 또는 호모사이클릭일 수 있고, 다양한 적합한 고리 크기(예를 들어, 5-원 고리 또는 6-원 고리)일 수 있다. 이러한 구조의 예가 화학식 IC에 예시적으로 나타난다.
다른 실시양태에서, 2개 미만의 X가 
이고/이거나, 2개의 R은 연결되어 고리를 형성하지 않는다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 화학식 I에서와 같은 구조를 갖는 제1 반응성 종을 포함하며, 이때 각 경우의 X는 독립적으로 
이다. 이러한 구조가 하기 화학식 II로 나타난다.
화학식 II의 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴으로 구성된 군으로부터 선택되거나, 또는, 임의적으로, 임의의 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다.
화학식 II의 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드로 구성된 군으로부터 선택되거나, 또는, 임의적으로, 임의의 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 II에서와 같은 구조를 갖고, 최대 1개의 R가 전자-끄는 기이거나, 또는 어떠한 R도 전자-끄는 기가 아니다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 II에서와 같은 구조를 갖고, 적어도 1개의 R(또는 적어도 2개의 R, 적어도 3개의 R, 또는 4개의 R)이 전자-주는 기이다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 I에서와 같은 구조를 갖고, 전자-끄는 기인 1개의 R 및 전자-주는 기인 적어도 1개의 R을 포함한다. 화학식 II에 나타낸 구조를 가지는 분자는 본원의 다른 곳에서 "피롤로레이트"로서 지칭될 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 II에서와 같은 구조를 갖고, 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다. 몇 가지 이러한 제1 반응성 종은 하기와 같이 나타낸다:
상기 나타낸 구조 각각에 대해, 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴으로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
상기 나타낸 구조 각각에 대해, 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 또는 임의적으로 치환된 설파이드로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 화학식 I에서와 같은 구조를 갖는 제1 반응성 종을 포함하며, 이때 3개의 X가
이고, 1개의 X가 -N=이다. 이러한 특징을 갖는 한 가지 가능한 구조가 하기 화학식 III으로 나타난다.
화학식 III에서, 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴으로 구성된 군으로부터 선택되거나, 또는 적어도 2개의 R이 연결되어, 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가 고리를 형성한다.
화학식 III의 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 또는 임의적으로 치환된 설파이드로 구성된 군으로부터 선택되거나, 또는 적어도 2개의 R이 연결되어, 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가 고리를 형성한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 III에서와 같은 구조를 갖고, 최대 1개의 R가 전자-끄는 기이거나, 또는 어떠한 R도 전자-끄는 기가 아니다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 III에서와 같은 구조를 갖고, 적어도 1개의 R(또는 적어도 2개의 R, 적어도 3개의 R)이 전자-주는 기이다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 III에서와 같은 구조를 갖고, 전자-끄는 기인 1개의 R 및 전자-주는 기인 적어도 1개의 R을 포함한다. 화학식 III에 나타낸 구조를 가지는 분자는 본원의 다른 곳에서 "이미다졸레이트"로서 지칭될 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 III에서와 같은 구조를 갖고, 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다. 2가지 이러한 제1 반응성 종은 하기와 같이 나타낸다:
상기 나타낸 구조 각각에 대해, 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴으로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
상기 나타낸 구조 각각에 대해, 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 또는 임의적으로 치환된 설파이드로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
화학식 I에서와 같은 구조를 가지며, 이때 3개의 X가 
이고 1개의 X가 -N=인 제1 반응성 종에 대해 또 다른 가능한 구조가 하기 화학식 IV으로 나타난다.
화학식 IV의 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
화학식 IV의 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 또는 임의적으로 치환된 설파이드로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 IV에서와 같은 구조를 갖고, 최대 1개의 R가 전자-끄는 기이거나, 또는 어떠한 R도 전자-끄는 기가 아니다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 IV에서와 같은 구조를 갖고, 적어도 1개의 R(또는 적어도 2개의 R, 적어도 3개의 R)이 전자-주는 기이다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 IV에서와 같은 구조를 갖고, 전자-끄는 기인 1개의 R 및 전자-주는 기인 적어도 1개의 R을 포함한다. 화학식 IV에 나타낸 구조를 가지는 분자는 본원의 다른 곳에서 "피라졸레이트"로서 지칭될 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 IV에서와 같은 구조를 갖고, 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다. 한 가지 이러한 제1 반응성 종은 하기와 같이 나타낸다:
상기 나타난 구조에 대해, 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴으로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
상기 나타난 구조에 대해, 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 또는 임의적으로 치환된 설파이드로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 화학식 I에서와 같은 구조를 갖는 제1 반응성 종을 포함하며, 이때 2개의 X가 
이고, 2개의 가 -N=이다. 이러한 특징을 가진 분자는 본원의 다른 곳에서 "트라이아졸레이트"로서 지칭될 수 있다. 이러한 특징을 갖는 한 가지 가능한 구조가 하기 화학식 V로 나타난다.
화학식 V의 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
화학식 V의 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 또는 임의적으로 치환된 설파이드로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 V에서와 같은 구조를 갖고, 최대 1개의 R가 전자-끄는 기이거나, 또는 어떠한 R도 전자-끄는 기가 아니다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 V에서와 같은 구조를 갖고, 적어도 1개의 R(또는 적어도 2개의 R)이 전자-주는 기이다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 V에서와 같은 구조를 갖고, 전자-끄는 기인 1개의 R 및 전자-주는 기인 적어도 1개의 R을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 V에서와 같은 구조를 갖고, 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다.
화학식 I에서와 같은 구조를 가지며, 이때 2개의 X가 
이고 2개의 X가 -N=인 제1 반응성 종에 대해 또 다른 가능한 구조가 하기 화학식 VI으로 나타난다.
화학식 VI의 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
화학식 VI의 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 또는 임의적으로 치환된 설파이드로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 적어도 2개의 R이 연결되어 상기 구조에 나타난 고리 이외의 추가의 고리를 형성한다.
일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 VI에서와 같은 구조를 갖고, 최대 1개의 R가 전자-끄는 기이거나, 또는 어떠한 R도 전자-끄는 기가 아니다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 VI에서와 같은 구조를 갖고, 적어도 1개의 R(또는 적어도 2개의 R)이 전자-주는 기이다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 VI에서와 같은 구조를 갖고, 전자-끄는 기인 1개의 R 및 전자-주는 기인 적어도 1개의 R을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 반응성 종은 화학식 VI에서와 같은 구조를 갖고, 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 화학식 I에서와 같은 구조를 갖는 제1 반응성 종을 포함하며, 이때 1개의 X가 
이고, 3개의 가 -N=이다. 이러한 특징을 가진 분자는 본원의 다른 곳에서 "테트라졸레이트"로서 지칭될 수 있다. 이러한 구조가 하기 화학식 VII로 나타난다.
화학식 VI의 일부 실시양태에서, R은 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴으로 구성된 군으로부터 선택된다. R은 전자-끄는 기, 전자-주는 기일 수 있거나, 또는 둘 모두 아닐 수 있다.
화학식 VI의 일부 실시양태에서, R은 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 또는 임의적으로 치환된 설파이드로 구성된 군으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 화학식 I의 제1 반응성 종 ( 
)은 하기 구조 중 하나를 갖는다:
상기 나타낸 구조 각각에 대해, 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴이거나; 임의적으로, 임의의 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다.
상기 나타낸 구조 각각에 대해, 일부 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 또는 임의적으로 치환된 설파이드이거나; 임의적으로, 임의의 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다.
광범위한 적합한 반대이온이 (예를 들어, 용액 및/또는 전해질 중에) 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)과 함께 제공될 수 있고/있거나, 제1 반응성 종이 반대이온을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반대이온은 1가 반대이온이다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 반대이온(들)은 하나 이상의 알칼리 금속 양이온, 예컨대 Li+, Na+, K+, Rb+, Fr+, 및/또는 Cs+를 포함한다. 일부 실시양태에서, 반대이온은 다가 반대이온, 예컨대 2가 반대이온, 3가 반대이온, 또는 더 높은 원자가 반대이온이다.
상기 기재된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지 및/또는 용액은 제2 반응성 종을 포함할 수 있다. 제2 반응성 종은 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종일 수 있다. 일부 실시양태에서, 불안정한 할로겐 원자는 불안정한 염소 원자, 불안정한 브롬 원자, 불안정한 요오드 원자, 및/또는 불안정한 불소 원자이다. 불안정한 염소 원자를 포함하는 종의 한 예는 클로로에틸렌 카보네이트이다.
일부 실시양태에서, 불안정한 할로겐 원자는 불안정한 불소 원자이다. 불안정한 불소 원자를 포함하는 적합한 종의 비제한적 예는 PF6 -, 불소화 에틸렌 카보네이트(예를 들어, 플루오로(에틸렌 카보네이트), 다이플루오로(에틸렌 카보네이트)), 불소화 (옥살라토)보레이트 음이온(예를 들어, 다이플루오로(옥살라토)보레이트 음이온), 및 불소화 (설포닐)이미드 음이온(예를 들어, 비스(플루오로설포닐)이미드 음이온, 비스(트라이플루오로에탄 설포닐)이미드 음이온)을 포함한다.
일부 전기화학 전지 및/또는 용액이 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 둘 이상의 종을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 일부 이러한 실시양태에서, 불안정한 할로겐 원자는 상이할 수 있거나(예를 들어, 불안정한 플루오린 원자를 포함하는 종 및 불안정한 염소 원자를 포함하는 종) 또는 동일할 수 있다(예를 들어, 불안정한 플루오린 원자를 포함하는 둘 이상의 상이한 종). 예를 들어, 전기화학 전지 및/또는 용액은 PF6 - 및 플루오로(에틸렌 카보네이트) 둘 모두를 포함할 수 있다.
전기화학 전지 및/또는 용액이 이온인 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종을 포함하는 경우, 전기화학 전지 및/또는 용액은 하나 이상의 반대이온을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반대이온은 1가 반대이온이다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 반대이온(들)은 하나 이상의 알칼리 금속 양이온, 예컨대 Li+, Na+, K+, Rb+, Fr+, 및/또는 Cs+를 포함한다. 일부 실시양태에서, 반대이온은 다가 반대이온, 예컨대 2가 반대이온, 3가 반대이온, 또는 더 높은 원자가 반대이온이다.
임의의 적합한 양(예를 들어, 본원 다른 곳에 개시된 임의의 양)의 제2 반응성 종이 존재할 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 전기화학 전지는 층(예를 들어, 전극, 예컨대 캐소드 및/또는 애노드 상에 배치된 보호층)을 포함한다. 또한 상기 기재된 바와 같이, 보호층은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 이의 반응 생성물, 예컨대 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 금속(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속)의 반응 생성물, 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)의 반응 생성물, 및/또는 금속(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속), 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종의 반응 생성물(예를 들어, 금속과, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물 사이의 반응 생성물)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 보호층은 예컨대 전형적인 SEI에서 발견되는 종(예를 들어, 전기활성 물질과 하나 이상의 전해질 구성요소의 반응 생성물)을 추가로 포함한다.
일부 실시양태에서, 층(예를 들어, 보호층)은 다양한 원소를 포함한다. 일부 실시양태에서, 이러한 원소의 식별 및/또는 이들 원소의 양은 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectra)를 사용하여 결정될 수 있다. 일부 실시양태에서, 층(예를 들어, 보호층)은 질소를 포함한다.
층이 질소를 포함하는 실시양태에서, 층은 임의의 적합한 양의 질소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, (예를 들어, 캐소드 및/또는 애노드 상의) 층은 0.1 원자% 이상, 0.25 원자% 이상, 0.5 원자% 이상, 0.75 원자% 이상, 1 원자% 이상, 1.25 원자% 이상, 1.5 원자% 이상, 1.75 원자% 이상, 2 원자% 이상, 2.25 원자% 이상, 2.5 원자% 이상, 2.75 원자% 이상, 3 원자% 이상, 4 원자% 이상, 또는 5 원자% 이상의 질소를 포함한다. 일부 실시양태에서, (예를 들어, 캐소드 및/또는 애노드 상의) 층은 10 원자% 이하, 9 원자% 이하, 8 원자% 이하, 7 원자% 이하, 6 원자% 이하, 5 원자% 이하, 4.5 원자% 이하, 4 원자% 이하, 3.5 원자% 이하, 3 원자% 이하, 2.5 원자% 이하, 2 원자% 이하, 또는 1.5 원자% 이하의 질소를 포함한다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 0.1 원자% 이상 및 10 원자% 이하, 0.1 원자% 이상 및 5 원자% 이하, 0.5 원자% 이상 및 3 원자% 이하, 1 원자% 이상 및 5 원자% 이하, 또는 0.5 원자% 이상 및 2 원자% 이하). 층에 질소가 존재하면 층이 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는 것을 입증하는 것으로 여겨지지만, 이러한 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니다.
일부 실시양태에서, (예를 들어, 캐소드 및/또는 애노드 상의) 층은 기타 모든 요인은 동일하되, 전해질이 제1 반응성 종을 포함하지 않는 전기화학 전지 내 층 및/또는 전극의 표면보다 더 많은 원소(예를 들어, 질소)를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, (예를 들어, 캐소드 및/또는 애노드 상의) 층은, 전해질이 제1 반응성 종을 포함하지 않는 전기화학 전지에서 전극의 층 및/또는 표면보다 0.1 원자% 이상, 0.25 원자% 이상, 0.5 원자% 이상, 0.75 원자% 이상, 1 원자% 이상, 1.25 원자% 이상, 1.5 원자% 이상, 1.75 원자% 이상, 2 원자% 이상, 2.25 원자% 이상, 2.5 원자% 이상, 2.75 원자% 이상, 3 원자% 이상, 4 원자% 이상, 또는 5 원자% 이상의 질소를 포함한다(기타 모든 요인은 동일함). 일부 실시양태에서, (예를 들어, 캐소드 및/또는 애노드 상의) 층은, 전해질이 제1 반응성 종을 포함하지 않는 전기화학 전지에서 전극의 층 및/또는 표면보다 10 원자% 이하, 9 원자% 이하, 8 원자% 이하, 7 원자% 이하, 6 원자% 이하, 5 원자% 이하, 4.5 원자% 이하, 4 원자% 이하, 3.5 원자% 이하, 3 원자% 이하, 2.5 원자% 이하, 2 원자% 이하, 또는 1.5 원자% 이하의 질소를 포함한다(기타 모든 요인은 동일함). 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 전해질이 제1 반응성 종을 포함하지 않는 전기화학 전지에서 전극의 층 및/또는 표면보다 0.1 원자% 이상 및 10 원자% 이하, 0.1 원자% 이상 및 5 원자% 이하, 0.5 원자% 이상 및 3 원자% 이하, 또는 0.5 원자% 이상 및 2 원자% 이하, 기타 모든 요인은 동일함). 예를 들어, 본원에 기재된 캐소드 상의 층이 3 원자% 질소를 포함하고, 전해질이 제1 반응성 종을 포함하지 않는 전기화학 전지에서 캐소드의 표면이 1 원자% 질소를 포함하면(기타 모든 요인은 동일함), 전자는 후자보다 2 원자% 더 많은 질소를 갖는다.
일부 실시양태에서, 보호층은 (예를 들어, 에어로졸 증착에 의해 증착된) 복수의 입자를 포함한다. 복수의 입자는 적어도 부분적으로 함께 융합될 수 있고/있거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 가질 수 있다. 에어로졸 증착의 적합한 유형의 융합된 입자 및 적합한 방법의 비제한적인 예는 미국 특허 공개번호 2016/0344067, 미국 특허 9,825,328, 미국 특허 공개번호 2017/0338475, 및 미국 특허 공개번호 2018/0351148에 기재된 것을 포함하며, 상기 특허 각각은 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로 인용된다. 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자는 보호층 전체 또는 그의 일부만을 통해 연장될 수 있다. 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자가 보호층 전체에 걸쳐 연장될 때, 보호층은 비교적 균일할 수 있거나 공간적으로 변할 수 있다(예를 들어, 보호층의 하나 이상의 다른 구성요소, 예컨대 제1 반응성 종 및/또는 그의 반응 생성물 중 하나 이상은 보호층을 통해 완전히 연장되지 않을 수 있다). 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자가 보호층의 일부를 통해서만 연장되는 경우, 이들은 보호층의 하나 이상의 다른 하위층과 분리된 별개의 하위층을 형성할 수 있거나 하나 이상의 다른 하위층과 상호침투(interpenetrate)할 수 있다. 다른 모폴로지가 또한 가능하다.
예를 들어, 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자는 본원 다른 곳에 기재된 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물, 예컨대 상기 종과 금속(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속)의 반응 생성물, 상기 종과 제2 반응성 종의 반응 생성물 및/또는 금속(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속)과 이들의 추가의 반응 생성물)와 함께 상대적으로 균일한 층을 형성할 수 있다. 일부 이러한 실시양태에서, 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자는 상기 구성요소(들)과 함께 상호침투 구조를 형성할 수 있다. 상호침투 구조는 3차원 구조일 수 있고/있거나 보호층의 두께에 걸칠 수 있다.
일부 실시양태에서, 보호층은 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자를 포함하는 제1 하위층, 및 제2 하위층을 포함한다. 제2 하위층은 전체적으로 보호층과 관련하여 본원 다른 곳에 기재된 하나 이상의 특징을 가질 수 있다. 예시로서, 제2 하위층은 제1 반응성 종 및/또는 본원 다른 곳에 기재된 하나 이상의 반응 생성물(예를 들어, 제1 반응성 종과 금속(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속)의 반응 생성물, 상기 종과 제2 반응성 종의 반응 생성물 및/또는 금속(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속)과 이들의 추가의 반응 생성물)을 포함할 수 있다. 보호층이 2개 이상의 하위층을 포함할 때, 하위층은 다양한 적절한 방식으로 서로에 대해 위치될 수 있다. 예를 들어, 보호층은 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자를 포함하며, 전극(예를 들어, 리튬 금속을 포함하는 제1 전극 또는 전이 금속을 포함하는 제2 전극)에 직접적으로 인접한 하위층을 포함할 수 있거나, 또는 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자를 포함하며, 하나 이상의 개재층(예를 들어, 전체적으로 보호층에 대해 본원 다른 곳에 기재된 하나 이상의 특징을 갖는 개재층)에 의해 전극으로부터 분리된 하위층을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자를 포함하는 하위층은 다층의 보호층 중 최외곽 하위층이다.
적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자는 다양한 적합한 방법에 의해 형성될 수 있다. 이러한 방법 중 하나는 에어로졸 증착에 의해 전극(및/또는 그 위에 배치된 임의의 층(들)) 상에 입자를 증착시키는 것을 포함한다. 보호층의 다른 구성요소(들)은 예컨대 전기화학 전지 조립 및/또는 사이클 동안 (예를 들어, 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종에 대해, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종에 대해) 관련된 종에 전극이 노출될 때 형성될 수 있다. 다른 방법도 또한 가능하다.
상기 기재된 바와 같이, 보호층은 적어도 부분적으로 함께 융합된 복수의 입자를 포함하는 층 및/또는 하위층을 포함할 수 있다. 용어 "융합하다" 및 "융합된"(및 "융합")은 당분야의 전형적인 의미로 제공되며, 일반적으로 단일 대상을 형성하는 2개 이상의 대상(예를 들어, 입자)의 물리적 결합을 지칭한다. 예를 들어, 일부 경우에, 융합 전에 단일 입자에 의해 점유된 부피(예를 들어, 입자의 외부 표면 내의 전체 부피)는 2개의 융합된 입자에 의해 점유된 부피의 절반에 실질적으로 동등하다. 당업자는 용어 "융합하다", "융합된" 및 "융합"이 하나 이상의 표면에서 또 다른 하나와 단순히 접촉하는 입자를 지칭하는 것이 아니라 각각의 개별적 입자의 원래 표면의 적어도 일부가 더 이상 다른 입자와 분간될 수 없는 입자를 지칭하는 것을 이해할 수 있다. 일부 실시양태에서, 융합된 입자(예를 들어, 융합 전 동등한 부피를 갖는 입자를 갖는 융합된 입자)는 1 μm 미만의 최소 단면 치수를 가질 수 있다. 예를 들어, 융합된 후에 복수의 입자는 1 μm 미만, 0.75 μm 미만, 0.5 μm 미만, 0.2 μm 미만 또는 0.1 μm 미만의 평균 최소 단면 치수를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서 미만, 융합 후에 복수의 입자는 0.05 μm 이상, 0.1 μm 이상, 0.2 μm 이상, 0.5 μm 이상 또는 0.75 μm 이상의 평균 최소 단면 치수를 갖는다. 또한, 전술된 범위의 조합이 가능하다(예를 들어, 1 μm 미만 및 0.05 μm 이상). 또한, 다른 범위가 가능하다.
일부 경우에, 복수의 입자의 적어도 일부가 보호층 및/또는 이의 하위층을 가로지르는(예를 들어, 보호층의 제1 표면과 보호층의 제2의 반대 표면 사이에; 하위층의 제1 표면과 하위층의 제2의 반대 표면 사이에) 연속 경로를 형성하도록 복수의 입자가 융합된다. 연속 경로는 예를 들어, 보호층 및/또는 이의 하위층의 제1 표면에서 제2의 반대 표면으로의 이온 전도성 경로를 포함할 수 있고, 이때 경로에 갭, 파손 또는 불연속부를 실질적으로 갖지 않는다. 층에 걸친 융합된 입자는 연속 경로를 형성할 수 있지만, 패킹된 융합되지 않은 입자를 포함하는 경로는 경로를 연속적이도록 만들 수 없는 입자들 사이의 갭 또는 불연속부를 가질 수 있다. 이러한 갭 및/또는 불연속부는 보호층 및/또는 이의 하위층의 또 다른 구성요소, 예컨대 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물 중 하나 이상(예를 들어, 제1 반응성 종과 금속(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속)의 반응 생성물; 제1 반응성 종과 제2 반응성 종의 반응 생성물; 및/또는 금속(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속), 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종의 반응 생성물)에 의해 (완전히 또는 부분적으로) 충전될 수 있다.
일부 실시양태에서, 적어도 부분적으로 함께 융합된 복수의 입자는 복수의 이러한 연속 경로를 보호층 및/또는 이의 하위층에 걸쳐 형성한다. 일부 실시양태에서, 보호층 및/또는 이의 하위층의 적어도 10 부피%, 적어도 30 부피%, 적어도 50 부피% 또는 적어도 70 부피%는 융합된 입자를 포함하는 하나 이상의 연속 경로를 포함한다(예를 들어, 이는 이온 전도성 물질을 포함할 수 있다). 일부 실시양태에서, 보호층 및/또는 이의 하위층의 100 부피% 이하, 90 부피% 이하, 70 부피% 이하, 50 부피% 이하, 30 부피% 이하, 10 부피% 이하 또는 5 부피% 이하는 융합된 입자를 포함하는 하나 이상의 연속 경로를 포함한다. 또한, 전술된 범위의 조합이 가능하다(예를 들어, 적어도 10 부피% 및 100 부피% 이하). 일부 경우에, 보호층의 하위층의 100 부피%는 융합된 입자를 포함하는 하나 이상의 연속 경로를 포함할 수 있다. 다시 말해서, 일부 실시양태에서, 보호층의 하위층은 융합된 입자로 본질적으로 이루어진다(예를 들어, 제2 층은 융합되지 않은 입자를 실질적으로 포함하지 않는다). 다른 실시양태에서, 보호층은 융합되지 않은 입자가 없고/없거나 융합되지 않은 입자를 실질적으로 미함유한다.
당업자는, 예를 들어, 공초점 라만 현미경법(CRM)의 수행을 포함하는, 입자가 융합된 것인지 여부를 결정하는 적합한 방법을 선택할 수 있다. CRM은 보호층 및/또는 이의 하위층 내 융합된 영역의 백분율을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 양태에서, 융합된 영역은 보호층 및/또는 이의 하위층 내 융합되지 않은 영역(예를 들어, 입자)에 비해 덜 결정질(더 비정질)일 수 있고, 융합되지 않은 영역의 것과 상이한 라만 특징적 스펙트럼 밴드를 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서, 융합된 영역은 비정질일 수 있고, 층 내 융합되지 않은 영역(예를 들어, 입자)은 결정질일 수 있다. 결정질 및 비정질 영역은 동일한/유사한 파장에서 피크를 가질 수 있으나, 비정질 피크는 결정질 영역의 것보다 넓을/덜 강할 수 있다. 일부 경우에, 융합되지 않은 영역은 층의 형성 전 벌크 입자의 스펙트럼 밴드(벌크 스펙트럼)와 실질적으로 유사한 스펙트럼 밴드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 융합되지 않은 영역은 동일하거나 유사한 파장에서의 피크를 포함할 수 있고 층의 형성 전 입자의 스펙트럼 밴드 내 피크와 유사한 피크 아래 면적(통합된 신호)를 갖는다. 융합되지 않은 영역은 예를 들어, 스펙트럼에서 최대 피크(최대 통합된 신호를 갖는 피크)에 대한 통합된 신호(피크 아래 면적)를 가질 수 있고, 이는 예를 들어, 벌크 스펙트럼의 상응하는 최대 피크에 대해 통합된 신호의 값의 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95% 또는 적어도 97% 이내일 수 있다. 대조적으로, 융합된 영역은 층의 형성 전 입자의 스펙트럼 밴드와 상이한 스펙트럼 밴드(예를 들어, 동일하거나 유사한 파장에서의 피크를 포함하나 실질적으로 상이한/더 낮은 통합된 신호를 가짐)를 포함할 수 있다. 융합된 영역은 예를 들어, 스펙트럼에서 최대 피크(최대 통합된 신호를 갖는 피크)에 대한 통합된 신호(피크 아래 면적)를 가질 수 있고, 이는 예를 들어, 벌크 스펙트럼의 상응하는 최대 피크에 대한 통합된 신호의 값의 50% 미만, 60% 미만, 70% 미만, 75% 미만, 80% 미만, 85% 미만, 90% 미만, 95% 미만 또는 97% 미만일 수 있다.
일부 실시양태에서, CRM의 2차원 및/또는 3차원 맵핑(mapping)이 보호층 및/또는 이의 하위층의 융합된 영역의 백분율(예를 들어, 상기에 기재된 바와 같이 층의 형성 전 입자에 대한 것과 상이한 스펙트럼의 최대 피크에 대한 통합된 신호를 갖는, 최소 단면적 내 영역의 백분율)을 결정하는 데 사용될 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 일부 방법은 보호층 및/또는 보호층의 하위층의 일부를 에어로졸 증착 공정에 의해 형성하는 것과 관련된다. 에어로졸 증착 공정은 일반적으로 입자(예를 들어, 무기 입자, 중합체성 입자) 표면 상에 상대적 고속으로 증착시킴(예를 들어, 분무함)을 포함한다. 에어로졸 증착은, 본원에 기재된 바와 같이, 일반적으로 복수의 입자의 적어도 일부의 충돌 및/또는 탄성 변형을 초래한다. 일부 양태에서, 에어로졸 증착은 복수의 입자의 적어도 일부가 복수의 입자의 적어도 또 다른 일부에 융합하는 것을 야기하는 데 충분한 조건 하에(예를 들어, 속도 사용) 수행될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 복수의 입자는 복수의 입자의 적어도 일부가 융합하도록(예를 들어, 보호층의 일부 및/또는 하위층을 형성함) 상대적으로 고속으로 전극(및/또는 그 상부에 배치된 임의의 하위층) 상에 증착된다. 입자 융합에 필요한 속도는 인자, 예컨대 입자의 물질 조성, 입자의 크기, 입자의 영률 및/또는 입자 또는 입자를 형성하는 물질의 항복 강도에 좌우된다.
일부 실시양태에서, 복수의 입자는 그 내부의 입자의 적어도 일부의 융합을 야기하는 데 충분한 속도로 증착된다. 그러나, 일부 양태에서, 입자가 입자의 적어도 일부가 융합되지 않는 속도로 증착됨이 이해되어야 한다. 일부 양태에서, 입자의 속도는 적어도 150 m/s, 적어도 200 m/s, 적어도 300 m/s, 적어도 400 m/s, 적어도 500 m/s, 적어도 600 m/s, 적어도 800 m/s, 적어도 1000 m/s 또는 적어도 1500 m/s이다. 일부 실시양태에서, 속도는 2000 m/s 이하, 1500 m/s 이하, 1000 m/s 이하, 800 m/s 이하, 600 m/s 이하, 500 m/s 이하, 400 m/s 이하, 300 m/s 이하 또는 200 m/s 이하이다. 또한, 전술된 범위의 조합이 가능하다(예를 들어, 적어도 150 m/s 및 2000 m/s 이하, 적어도 150 m/s 및 600 m/s 이하, 적어도 200 m/s 및 500 m/s 이하, 적어도 200 m/s 및 400 m/s 이하, 적어도 500 m/s 및 2000 m/s 이하). 또한, 다른 속도가 가능하다. 하나 초과의 입자 유형이 보호층 및/또는 이의 하위층에 포함되는 일부 실시양태에서, 각각의 입자 유형은 상술된 범위 중 하나 이상의 범위의 속도로 증착될 수 있다.
일부 실시양태에서, 적어도 부분적으로 융합되는 복수의 입자는 입자를 갖는 운반 기체를 가압함으로써 입자를 (예를 들어, 에어로졸 증착을 통해) 전극(및/또는 그 상부에 배치된 하위층)의 표면 상에 분무하는 것을 포함하는 방법에 의해 증착된다. 일부 실시양태에서, 운반 기체의 압력은 적어도 5 psi, 적어도 10 psi, 적어도 20 psi, 적어도 50 psi, 적어도 90 psi, 적어도 100 psi, 적어도 150 psi, 적어도 200 psi, 적어도 250 psi 또는 적어도 300 psi이다. 일부 실시양태에서, 운반 기체의 압력은 350 psi 이하, 300 psi 이하, 250 psi 이하, 200 psi 이하, 150 psi 이하, 100 psi 이하, 90 psi 이하, 50 psi 이하, 20 psi 이하 또는 10 psi 이하이다. 또한, 전술된 범위의 조합이 가능하다(예를 들어, 적어도 5 psi 및 350 psi 이하). 다른 범위가 또한 가능하고, 당업자는 운반 기체의 압력을 이의 설명서의 교시를 기반으로 선택할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 운반 기체의 압력은, 전기활성 물질(및/또는 그 상부에 배치된 임의의 하위층) 상에 증착된 입자의 속도가 입자의 적어도 일부가 또 다른 것에 융합하기에 충분하도록 한다.
일부 양태에서, 운반 기체(예를 들어, 적어도 부분적으로 융합될 복수의 입자를 수송하는 운반 기체)는 증착 전에 가열된다. 일부 양태에서, 운반 기체의 온도는 적어도 20℃, 적어도 25℃, 적어도 30℃, 적어도 50℃, 적어도 75℃, 적어도 100℃, 적어도 150℃, 적어도 200℃, 적어도 300℃ 또는 적어도 400℃이다. 일부 실시양태에서, 운반 기체의 온도는 500℃ 이하, 400℃ 이하, 300℃ 이하, 200℃ 이하, 150℃ 이하, 100℃ 이하, 75℃ 이하, 50℃ 이하, 30℃ 이하 또는 20℃ 이하이다. 또한, 전술된 범위의 조합이 가능하다(예를 들어, 적어도 20℃ 및 500℃ 이하). 또한, 다른 범위가 가능하다.
일부 실시양태에서, 적어도 부분적으로 융합될 복수의 입자는 진공 환경 하에 증착된다. 예를 들어, 입자는 용기에서 전극(및/또는 그 상부에 배치된 임의의 하위층)의 표면 상에 증착될 수 있고, 이때 진공이 (예를 들어, 입자 유동에 대한 대기 저항을 제거하기 위해, 입자의 고속을 허용하기 위해 및/또는 오염물을 제거하기 위해) 용기에 적용된다. 일부 실시양태에서, 용기 내 진공압은 적어도 0.5 mTorr, 적어도 1 mTorr, 적어도 2 mTorr, 적어도 5 mTorr, 적어도 10 mTorr, 적어도 20 mTorr 또는 적어도 50 mTorr이다. 일부 실시양태에서, 용기 내 진공압은 100 mTorr 이하, 50 mTorr 이하, 20 mTorr 이하, 10 mTorr 이하, 5 mTorr 이하, 2 mTorr 이하 또는 1 mTorr 이하이다. 또한, 전술된 범위의 조합이 가능하다(예를 들어, 적어도 0.5 mTorr 및 100 mTorr 이하). 또한, 다른 범위가 가능하다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 보호층 및/또는 이의 하위층을 형성하는 방법이 전구체 물질(예를 들어, 입자)의 벌크 특성(예를 들어, 결정도, 이온 전도성)이 생성된 층에서 유지되도록 수행될 수 있다.
일부 실시양태에서, 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자는 무기 물질을 포함한다. 예를 들어, 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자는 무기 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자는 2개 이상의 유형의 무기 물질을 포함한다. 무기 물질은 세라믹 물질(예를 들어, 유리, 유리-세라믹 물질)을 포함할 수 있다. 무기 물질은 결정질일 수 있거나, 비정질일 수 있거나, 부분적으로 결정질이고 부분적으로 비정질일 수 있다.
일부 실시양태에서, 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자는 LixMPySz를 포함한다. 상기 무기 물질에서, x, y 및 z는 정수(예를 들어, 32 미만의 정수)일 수 있고/있거나 M은 Sn, Ge, 및/또는 Si를 포함할 수 있다. 예로서, 무기 물질은 Li22SiP2S18, Li24MP2S19(예를 들어, Li24SiP2S19), LiMP2S12(예를 들어, 이때 M = Sn, Ge, Si), 및/또는 LiSiPS를 포함할 수 있다. 적합한 무기 물질의 추가적 예는 가닛, 설파이드, 포스페이트, 페로브스카이트, 안티-페로브스카이트, 기타 이온 전도성 무기 물질 및/또는 이들의 혼합물을 포함한다. LixMPySz 입자가 보호층 및/또는 이의 하위층에 사용되는 경우, 이는 예를 들어, 원료 구성요소 Li2S, SiS2 및 P2S5(또는 대안적으로 Li2S, Si, S 및 P2S5)를 사용함으로써 형성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자는 리튬, 알루미늄, 규소, 아연, 주석, 바나듐, 지르코늄, 마그네슘 및/또는 인듐 및/또는 이들의 합금의 옥사이드, 나이트라이드 및/또는 옥시나이트라이드를 포함한다. 적합한 옥사이드의 비제한적인 예는 Li2O, LiO, LiO2, LiRO2(이때 R은 희토류 금속임)(예를 들어, 리튬 란타늄 옥사이드), 리튬 티타늄 옥사이드, Al2O3, ZrO2, SiO2, CeO2 및 Al2TiO5를 포함한다 적어도 부분적으로 함께 융합되고/되거나 에어로졸 증착에 의해 증착된 입자를 나타내는 구조를 갖는 복수의 입자에 사용될 수 있는 적합한 물질의 추가적 예는 리튬 나이트레이트(예를 들어, LiNO3), 리튬 실리케이트, 리튬 보레이트(예를 들어, 리튬 비스(옥살레이트)보레이트, 리튬 다이플루오로(옥살레이트)보레이트), 리튬 알루미네이트, 리튬 옥살레이트, 리튬 포스페이트(예를 들어, LiPO3, Li3PO4), 리튬 인 옥시나이트라이드, 리튬 실리코설파이드, 리튬 게르마노설파이드, 리튬 플루오라이드(예를 들어, LiF, LiBF4, LiAlF4, LiPF6, LiAsF6, LiSbF6, Li2SiF6, LiSO3F, LiN(SO2F)2, LiN(SO2CF3)2), 리튬 보로설파이드, 리튬 알루미노설파이드, 리튬 포스포설파이드, 옥시-설파이드(예를 들어, 리튬 옥시-설파이드) 및/또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시양태에서, 복수의 입자는 Li-Al-Ti-PO4(LATP)를 포함한다.
상기 기재된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 전해질을 포함한다. 또한 상기 기재된 바와 같이, 전해질은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및/또는 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함할 수 있다. 전해질은 추가적 구성요소, 예컨대 하기에 보다 상세히 기재된 것을 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 전해질(예를 들어, 액체 전해질)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전해질(예를 들어, 액체 전해질)은 용매를 포함한다. 일부 실시양태에서, 전해질(예를 들어, 액체 전해질)은 비-수성 전해질이다. 적합한 비-수성 전해질은 유기 전해질, 예컨대 액체 전해질, 겔 중합체 전해질 및 고체 중합체 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 (예를 들어, 이온 전도성을 제공하거나 증진시키도록) 임의적으로 하나 이상의 이온성 전해질 염을 포함할 수 있다. 유용한 용매(예를 들어, 비-수성 액체 전해질 용매)의 예는 비제한적으로 비-수성 유기 용매, 예컨대 N-메틸 아세트아미드, 아세토나이트릴, 아세탈, 케탈, 에스터(예를 들어, 카본산, 설폰산 및/또는 인산의 에스터), 카보네이트(예를 들어, 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 다이플루오로에틸렌 카보네이트), 설폰, 설파이트, 설폴란, 설폰이미드(예를 들어, 비스(트라이플루오로메탄)설폰이미드 리튬 염), 에터(예를 들어, 지방족 에터, 비사이클릭 에터, 사이클릭 에터), 글림, 폴리에터, 포스페이트 에스터(예를 들어, 헥사플루오로포스페이트), 실록산, 다이옥솔란, N-알킬피롤리돈, 나이트레이트-함유 화합물, 전술된 것의 치환된 형태, 및 이들의 블렌드를 포함한다. 사용될 수 있는 비사이클릭 에터의 예는 비제한적으로 다이에틸 에터, 다이프로필 에터, 다이부틸 에터, 다이메톡시메탄, 트라이메톡시메탄, 1,2-다이메톡시에탄, 다이에톡시에탄, 1,2-다이메톡시프로판 및 1,3-다이메톡시프로판을 포함한다. 사용될 수 있는 사이클릭 에터의 예는 비제한적으로 테트라하이드로푸란, 테트라하이드로피란, 2-메틸테트라하이드로푸란, 1,4-다이옥산, 1,3-다이옥솔란 및 트라이옥산을 포함한다. 사용될 수 있는 폴리에터의 예는 비제한적으로 다이에틸렌 글리콜 다이메틸 에터(다이글림), 트라이에틸렌 글리콜 다이메틸 에터(트라이글림), 테트라에틸렌 글리콜 다이메틸 에터(테트라글림), 고급 글림, 에틸렌 글리콜 다이비닐 에터, 다이에틸렌 글리콜 다이비닐 에터, 트라이에틸렌 글리콜 다이비닐 에터, 다이프로필렌 글리콜 다이메틸 에터 및 부틸렌 글리콜 에터를 포함한다. 사용될 수 있는 설폰의 예는 비제한적으로 설폴란, 3-메틸 설폴란 및 3-설폴렌을 포함한다. 전술된 것의 불화된 유도체가 또한 액체 전해질 용매로서 유용하다.
일부 경우에, 본원에 기재된 용매의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 용매의 혼합물은 1,3-다이옥솔란 및 다이메톡시에탄; 1,3-다이옥솔란 및 다이에틸렌글리콜 다이메틸 에터; 1,3-다이옥솔란 및 트라이에틸렌글리콜 다이메틸 에터; 및 1,3-다이옥솔란 및 설폴란으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 용매의 혼합물은 다이메틸 카보네이트 및 에틸렌 카보네이트를 포함한다. 일부 실시양태에서, 용매의 혼합물은 에틸렌 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트를 포함한다. 혼합물에서 2개의 용매의 중량비는, 일부 경우에, 약 5 중량%:95 중량% 내지 95 중량%:5 중량% 범위일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전해질은 다이메틸 카보네이트:에틸렌 카보네이트의 50 중량%:50 중량% 혼합물을 포함한다. 일부 다른 실시양태에서, 전해질은 에틸렌 카보네이트:에틸 메틸 카보네이트의 30 중량%:70 중량% 혼합물을 포함한다. 전해질은 다이메틸 카보네이트:에틸렌 카보네이트의 혼합물을 포함할 수 있되, 이때 다이메틸 카보네이트:에틸렌 카보네이트 비는 50 중량%:50 중량% 이하이고 30 중량%:70 중량% 이상이다.
일부 실시양태에서, 전해질은 플루오로에틸렌 카보네이트 및 다이메틸 카보네이트의 혼합물을 포함할 수 있다. 플루오로에틸렌 카보네이트 대 다이메틸 카보네이트의 중량비는 약 20 중량%:80 중량% 또는 약 25 중량%:75중량%일 수 있다. 플루오로에틸렌 카보네이트 대 다이메틸 카보네이트의 중량비는 20 중량%:80 중량% 이상이고 25 중량%:75 중량% 이하일 수 있다.
적합한 겔 중합체 전해질의 비제한적인 예는 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리실록산, 폴리이미드, 폴리포스파젠, 폴리에터, 설폰화된 폴리이미드, 과불화된 막(NAFION 수지), 폴리다이비닐 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 다이메타크릴레이트 전술된 것의 유도체, 전술된 것의 공중합체, 전술된 것의 가교결합된 네트워크 구조, 및 전술된 것의 블렌드를 포함한다.
적합한 고체 중합체 전해질의 비제한적인 예는 폴리에터, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리이미드, 폴리포스파젠, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리실록산, 전술된 것의 유도체, 전술된 것의 공중합체, 전술된 것의 가교결합된 네트워크 구조, 및 전술된 것의 블렌드를 포함한다.
일부 실시양태에서, 전해질은 특정 두께를 갖는 층의 형태로 존재한다. 전해질 층은 예를 들어, 적어도 1 μm, 적어도 5 μm, 적어도 10 μm, 적어도 15 μm, 적어도 20 μm, 적어도 25 μm, 적어도 30 μm, 적어도 40 μm, 적어도 50 μm, 적어도 70 μm, 적어도 100 μm, 적어도 200 μm, 적어도 500 μm 또는 적어도 1 mm의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 전해질 층의 두께는 1 mm 이하, 500 μm 이하, 200 μm 이하, 100 μm 이하, 70 μm 이하, 50 μm 이하, 40 μm 이하, 30 μm 이하, 20 μm 이하, 10 μm 이하 또는 50 μm 이하이다. 다른 값이 또한 가능하다. 전술된 범위의 조합이 또한 가능하다.
일부 실시양태에서, 전해질은 적어도 하나의 염(예를 들어, 리튬 염)을 포함한다. 예를 들어, 일부 경우에, 적어도 하나의 염(예를 들어 리튬 염)은 하기를 포함한다: LiSCN, LiBr, LiI, LiSO3CH3, LiNO3, LiPF6, LiBF4, LiB(Ph)4, LiClO4, LiAsF6, Li2SiF6, LiSbF6, LiAlCl4, 리튬 비스(옥살레이토)보레이트, 리튬 다이플루오로(옥살레이토)보레이트, LiCF3SO3, LiN(SO2F)2, LiN(SO2CF3)2, LiC(CnF2n+1SO2)3(이때 n은 1 내지 20 범위의 정수임) 및 (CnF2n+1SO2)mXLi(이때 n은 1 내지 20 범위의 정수이고, m은 X가 산소 또는 황으로부터 선택될 때 1이거나, m은 X가 질소 또는 인으로부터 선택될 때 2이거나, m은 X가 탄소 또는 규소로부터 선택될 때 3임).
존재하는 경우, 리튬 염은 다양한 적합한 농도로 전해질에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 리튬 염은 0.01 M 이상, 0.02 M 이상, 0.05 M 이상, 0.1 M 이상, 0.2 M 이상, 0.5 M 이상, 1 M 이상, 2 M 이상 또는 5 M 이상의 농도로 전해질에 존재한다. 리튬 염은 10 M 이하, 5 M 이하, 2 M 이하, 1 M 이하, 0.5 M 이하, 0.2 M 이하, 0.1 M 이하, 0.05 M 이하 또는 0.02 M 이하의 농도로 전해질에 존재할 수 있다. 또한, 전술된 범위의 조합이 가능하다(예를 들어, 0.01 M 이상 및 10 M 이하, 또는 0.01 M 이상 및 5 M 이하). 또한, 다른 범위가 가능하다.
일부 실시양태에서, 전해질은 LiPF6을 유리한 양으로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전해질은 LiPF6을 0.01 M 이상, 0.02 M 이상, 0.05 M 이상, 0.1 M 이상, 0.2 M 이상, 0.5 M 이상, 1 M 이상 또는 2 M 이상의 농도로 포함한다. 전해질은 LiPF6을 5 M 이하, 2 M 이하, 1 M 이하, 0.5 M 이하, 0.2 M 이하, 0.1 M 이하, 0.05 M 이하 또는 0.02 M 이하의 농도로 포함할 수 있다. 또한, 전술된 범위의 조합이 가능하다(예를 들어, 0.01 M 이상 및 5 M 이하). 또한, 다른 범위가 가능하다.
일부 실시양태에서, 전해질은 옥살레이토(보레이트) 기를 갖는 종(예를 들어, LiBOB, 리튬 다이플루오로(옥살레이토)보레이트)을 포함하고, 전해질에서 (옥살레이토)보레이트 기를 갖는 종의 총 중량은 전해질이 총 중량 대비 30 중량% 이하, 28 중량% 이하, 25 중량% 이하, 22 중량% 이하, 20 중량% 이하, 18 중량% 이하, 15 중량% 이하, 12 중량% 이하, 10 중량% 이하, 8 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하 또는 1 중량% 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지에서 (옥살레이토)보레이트 기를 갖는 종의 총 중량은 전해질의 총 중량 대비 0.2 중량% 초과, 0.5 중량% 초과, 1 중량% 초과, 2 중량% 초과, 3 중량% 초과, 4 중량% 초과, 6 중량% 초과, 8 중량% 초과, 10 중량% 초과, 15 중량% 초과, 18 중량% 초과, 20 중량% 초과, 22 중량% 초과, 25 중량% 초과 또는 28 중량% 초과이다. 또한, 전술된 범위의 조합이 가능하다(예를 들어, 0.2 중량% 초과 및 30 중량% 이하, 0.2 중량% 초과 및 20 중량% 이하, 0.5 중량% 초과 및 20 중량% 이하, 1 중량% 초과 및 8 중량% 이하, 1 중량% 초과 및 6 중량% 이하, 4 중량% 초과 및 10 중량% 이하, 6 중량% 초과 및 15 중량% 이하 또는 8 중량% 초과 및 20 중량% 이하). 또한, 다른 범위가 가능하다.
일부 실시양태에서, 전해질은 플루오로에틸렌 카보네이트를 포함한다. 일부 실시양태에서, 전해질에서 플루오로에틸렌 카보네이트의 총 중량은 전해질의 총 중량 대비 30 중량% 이하, 28 중량% 이하, 25 중량% 이하, 22 중량% 이하, 20 중량% 이하, 18 중량% 이하, 15 중량% 이하, 12 중량% 이하, 10 중량% 이하, 8 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하 또는 1 중량% 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전해질에서 플루오로에틸렌 카보네이트의 총 중량은 전해질의 총 중량 대비 0.2 중량% 초과, 0.5 중량% 초과, 1 중량% 초과, 2 중량% 초과, 3 중량% 초과, 4 중량% 초과, 6 중량% 초과, 8 중량% 초과, 10 중량% 초과, 15 중량% 초과, 18 중량% 초과, 20 중량% 초과, 22 중량% 초과, 25 중량% 초과 또는 28 중량% 초과이다. 또한, 전술된 범위의 조합이 가능하다(예를 들어, 0.2 중량% 이하 및 30 중량% 초과, 15 중량% 이하 및 20 중량% 초과, 또는 20 중량% 이하 및 25 중량% 초과). 또한, 다른 범위가 가능하다.
일부 실시양태에서, 하나 이상의 전해질 구성요소의 중량%는 공지된 양의 다양한 구성요소를 사용하여 전기화학 전지의 첫 번째 사용 또는 첫 번째 방전 전에 측정된다. 다른 실시양태에서, 중량%는 전지의 사이클 라이프 동안의 시점에서 측정된다. 일부 이러한 실시양태에서, 전기화학 전지의 사이클링은 중단될 수 있고, 전해질에서 관련 구성요소의 중량%는 예를 들어, 기체 크로마토그래피-질량 분석법을 사용하여 결정될 수 있다. 다른 방법, 예컨대 NMR, 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS) 및 원소 분석법이 또한 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 전해질은 조합에서 특히 유익한 여러 종을 함께 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전해질은 플루오로에틸렌 카보네이트, 다이메틸 카보네이트 및 LiPF6을 포함한다. 플루오로에틸렌 카보네이트 대 다이메틸 카보네이트의 중량비는 20 중량%:80 중량% 내지 25 중량%:75 중량%일 수 있고, 전해질에서 LiPF6의 농도는 약 1 M(예를 들어, 0.05 M 내지 2 M)일 수 있다. 전해질은 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(예를 들어, 전해질에서 0.1 중량% 내지 6 중량%, 0.5 중량% 내지 6 중량% 또는 1 중량% 내지 6 중량%의 농도) 및/또는 리튬 트리스(옥살레이토)포스페이트(예를 들어, 전해질에서 1 중량% 내지 6 중량%의 농도)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 제1 전극을 포함한다. 상기 제1 전극은 애노드 및/또는 네거티브 전극(예를 들어, 방전 시 산화가 일어나고 충전 시 환원이 일어나는 전극)일 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 전극은 리튬을 포함하는 전기활성 물질(예를 들어, 리튬 금속)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제1 전극은 리튬이 합금의 일부를 형성하는 전기활성 물질을 포함한다. 적합한 리튬 합금은 리튬과 알루미늄, 마그네슘, 실리슘(규소), 인듐 및/또는 주석의 합금을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 전극은 적어도 50 중량%의 리튬을 포함하는 전기활성 물질을 포함한다. 일부 경우에, 전기활성 물질은 적어도 75 중량%, 적어도 90 중량%, 적어도 95 중량% 또는 적어도 99 중량%의 리튬을 함유한다.
제1 전극의 전기활성 물질은 포일(예를 들어, 리튬 포일), 전도성 기판 상에 증착된(예를 들어, 진공 증착된) 리튬(예를 들어, 이형된 Cu/PVOH 기판과 같은 전도성 기판 상에 증착된 리튬)의 형태를 가질 수 있거나, 또는 다른 적절한 구조를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 전극의 전기활성 물질은 임의적으로 서로 분리되는 하나의 필름 또는 여러 필름을 형성한다. 일부 실시양태에서, 제1 전극 및/또는 전기활성 물질은 리튬 탄소 애노드와 같은 리튬 층간삽입(intercalation) 화합물(예를 들어, 격자 부위 및/또는 간극 부위에 리튬 이온을 가역적으로 삽입할 수 있는 화합물)을 포함한다.
일부 실시양태에서, 제1 전극의 전기활성 물질의 표면은 패시베이션될 수 있다. 패시베이션된 전기활성 물질 표면은 전기활성 물질의 벌크에서 존재하는 물질보다 (예를 들어, 전해질과) 덜 반응성인 층을 형성하는 화학 반응을 수행하는 표면이지만, 이러한 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니다. 전기활성 물질 표면의 패시베이션의 하나의 방법은 전기활성 물질을 CO2 및/또는 SO2를 포함하는 플라즈마에 노출시켜 CO2- 및/또는 SO2-유도된 층을 형성하는 것이다. 일부 창의적 방법 및 물품은 전기활성 물질을 CO2 및/또는 SO2에 노출시킴으로써 전기활성 물질을 패시베이션하는 것, 또는 CO2 및/또는 SO2에 대한 노출에 의해 패시베이션된 표면을 갖는 전기활성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 노출은 전기활성 물질 상에 다공성 패시베이션 층(예를 들어, CO2- 및/또는 SO2-유도된 층)을 형성할 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 전기화학 전지는 제2 전극을 포함한다. 상기 제2 전극은 캐소드 및/또는 포지티브 전극(예를 들어, 방전시 환원이 일어나고 충전시 산화가 일어나는 전극)일 수 있다.
일부 실시양태에서, 제2 전극은 전기활성 물질을 포함한다. 제2 전극은 리튬 층간삽입 화합물(예를 들어, 격자 위치 및/또는 틈새 위치에서 리튬 이온을 가역적으로 삽입할 수 있는 화합물)을 포함하는 전기활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 전기활성 물질은 리튬 전이 금속 옥소 화합물(즉 옥소 산의 리튬 전이 금속 산화물 또는 리튬 전이 금속 염)을 포함한다. 전기활성 물질은 적층된 산화물(예를 들어, 리튬 전이 금속 옥소 화합물이기도한 적층된 산화물)일 수 있다. 적층된 산화물은 일반적으로 층상 구조(예를 들어, 서로 포개진 복수의 시트 또는 층)를 갖는 산화물을 지칭한다. 적합한 적층된 산화물(예를 들어, 리튬 전이 금속 산화물)의 비제한적인 예는 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2), 리튬 니켈 옥사이드(LiNiO2) 및 리튬 망간 옥사이드(LiMnO2)를 포함한다.
일부 실시양태에서, 제2 전극은 적층된 산화물을 포함하며, 이는 리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드(LiNixMnyCozO2, "NMC" 또는 "NCM", 예컨대 NCM622, NCM721, 및/또는 NCM811으로도 지칭)이다. 일부 이러한 실시양태에서, x, y 및 z의 합은 1이다. 예를 들어, 적합한 NMC 화합물의 비제한적인 예는 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2이다. 적합한 NMC 화합물의 다른 비제한적인 예는 LiNi3/5Mn1/5Co1/5O2 및 LiNi7/10Mn1/10Co1/5O2를 포함한다.
일부 실시양태에서, 제2 전극은 적층된 산화물을 포함하며, 이는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드(LiNixCoyAlzO2, "NCA"로도 지칭)이다. 일부 이러한 실시양태에서, x, y 및 z의 합은 1이다. 예를 들어, 적합한 NCA 화합물의 비제한적인 예는 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2이다.
일부 실시양태에서, 제2 전극 및/또는 전기활성 물질은 전이 금속을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전이 금속은 Co, Ni, Mn, Fe, Cr, V, Cu, Zr, Nb, Mo, Ag, 및/또는 란타나이드 금속을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전이 금속은 전이 금속 산화물(예를 들어, 상기 논의된 바와 같은 리튬 전이 금속 산화물)을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 제2 전극 및/또는 전기활성 물질은 전이 금속 다가 음이온 산화물(예를 들어, 1 초과의 절대값을 갖는 전하를 갖는 음이온을 포함하는 화합물)를 포함한다. 적합한 전이 금속 다가 음이온 산화물의 비제한적인 예는 리튬 철 포스페이트(LiFePO4, "LFP"로도 지칭)이다. 적합한 전이 금속 다가 음이온 산화물의 또 다른 비제한적인 예는 리튬 망간 철 포스페이트(LiMnxFe1-xPO4, "LMFP"로도 지칭)이다. 적합한 LMFP 화합물의 비제한적인 예는 LiMn0.8Fe0.2PO4이다. 일부 실시양태에서, 전기활성 물질은 스피넬(예를 들어, 구조 AB2O4를 갖는 화합물, 이때 A는 Li, Mg, Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Ti 또는 Si일 수 있고, B는 Al, Fe, Cr, Mn 또는 V일 수 있음)을 포함한다. 적합한 스피넬의 비제한적인 예는 리튬 망간 옥사이드(LiMn2O4, "LMO"로도 지칭)이다. 또 다른 비제한적인 예는 리튬 망간 니켈 옥사이드(LiNixM2-xO4, "LMNO"로도 지칭)이다. 적합한 LMNO 화합물의 비제한적인 예는 LiNi0.5Mn1.5O4이다. 일부 경우에, 전기활성 물질은 Li1.14Mn0.42Ni0.25Co0.29O2("HC-MNC"), 리튬 카보네이트(Li2CO3), 리튬 카바이드(예를 들어, Li2C2, Li4C, Li6C2, Li8C3, Li6C3, Li4C3, Li4C5), 바나듐 옥사이드(예를 들어, V2O5, V2O3, V6O13), 및/또는 바나듐 포스페이트(예를 들어, 리튬 바나듐 포스페이트, 예컨대 Li3V2(PO4)3) 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제2 전극의 전기활성 물질은 전환 화합물을 포함한다. 예를 들어, 전기활성 물질은 리튬 전환 물질일 수 있다. 전환 화합물을 포함하는 캐소드가 상대적으로 큰 비용량을 가질 수 있음이 인정되었다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 상대적으로 큰 비용량은 (예를 들어, 층간 화합물의 0.1 내지 1개의 전자 수송과 비교하여) 전이 금속 당 하나 초과의 전자 수송이 발생하는 전환 반응을 통해 화합물의 모든 가능한 산화 상태를 사용함으로써 달성될 수 있다. 적합한 전환 화합물은 비제한적으로 전이 금속 산화물(예를 들어, Co3O4), 전이 금속 수소화물, 전이 금속 황화물, 전이 금속 질화물 및 전이 금속 불화물(예를 들어, CuF2, FeF2, FeF3)을 포함한다. 전이 금속은 일반적으로 원자가 부분적으로 d 서브-쉘(d sub-shell)을 충전하는 원소(예를 들어, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Rf, Db, Sg, Bh, Hs)를 지칭한다.
일부 경우에, 전기활성 물질은 하나 이상의 도판트로 도핑되어 전기활성 물질의 전기적 특성(예를 들어, 전기 전도성)을 변경하는 물질을 포함할 수 있다. 적합한 도판트의 비제한적인 예는 알루미늄, 니오븀, 은 및 지르코늄을 포함한다.
일부 실시양태에서, 제2 전극의 전기활성 물질은 황을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 캐소드 전극은 전기활성 황-함유 물질을 포함할 수 있다. 본원에 사용된 "전지활성 황-함유 물질"은 임의의 형태의 원소 황을 포함하는 전기활성 물질을 지칭하고, 이때 전기화학 활성은 황 원자 또는 모이어티의 산화 또는 환원을 포함한다. 예로서, 전기활성 황-함유 물질은 원소 황(예를 들어, S8)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기활성 황-함유 물질은 원소 황 및황-함유 중합체의 혼합물을 포함한다. 따라서, 적합한 전기활성 황-함유 물질은 비제한적으로 원소 황, 설파이드 또는 폴리설파이드(예를 들어, 알칼리 금속의)(유기 또는 무기일 수 있음), 및 황 원자 및 탄소 원자를 포함하는 유기 물질(중합체성일 수 있거나 아님)을 포함할 수 있다. 적합한 유기 물질은 비제한적으로 헤테로 원자를 추가로 포함하는 것, 전도성 중합체 절편, 복합물, 및 전도성 중합체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 제2 전극(예를 들어, 캐소드) 내 전기활성 황-함유 물질은 적어도 40 중량%의 황을 포함한다. 일부 경우에, 전기활성 황-함유 물질은 적어도 50 중량%, 적어도 75 중량% 또는 적어도 90 중량%의 황을 포함한다.
황-함유 중합체의 예는 US 5,601,947 및 5,690,702(Skotheim et al.); US 5,529,860 및 6,117,590(Skotheim et al.); US 6,201,100(공개일: 2001년 3월 13일, Gorkovenko et al.), 및 WO 99/33130에 기재된 것을 포함한다(상기 특허는 그 전체가 모든 목적을 위해 본원에 참조로 인용됨). 폴리설파이드 결합을 포함하는 다른 적합한 전기활성 황-함유 물질은 US 5,441,831(Skotheim et al.); US 4,664,991(Perichaud et al.) 및 US 5,723,230, 5,783,330, 5,792,575 및 5,882,819(Naoi et al.)에 기재되어 있다. 전기활성 황-함유 물질의 추가적 예는 예를 들어, US 4,739,018(Armand et al.); US 4,833,048 및 4,917,974(De Jonghe et al.); US 5,162,175 및 5,516,598(Visco et al.); 및 US 5,324,599(Oyama et al.)에 기재된 다이설파이드 기를 포함하는 것을 포함한다(상기 특허는 그 전체가 모든 목적을 위해 본원에 참조로 인용됨).
일부 실시양태에서, 제2 전극 및/또는 전기활성 물질은 제2 전극에 대해 기재된 임의의 전기활성 물질의 조합(예를 들어, NCM811 및 NCM721)을 포함한다.
일부 실시양태에서, 층(예를 들어, 보호층, 예컨대 SEI)은 제2 전극 상에 배치된다. 일부 실시양태에서, 층은 제1 반응성 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 층은 전기활성 물질의 구성요소(예를 들어, 전이 금속) 및 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종)을 포함한다. 또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 층은 제1 반응성 종(즉, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종) 및 제2 반응성 종(예를 들어, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 종)을 포함한다. 또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 층은 전기활성 물질의 구성요소(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속), 제1 반응성 종, 및 제2 반응성 종 사이의 반응 생성물(예를 들어, 전이 금속 및/또는 리튬 금속과, 제1 반응성 종 및 제2 반응성 종의 반응 생성물 사이의 반응 생성물)을 포함한다.
본원에 기재된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 세퍼레이터를 포함한다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 중합체성 물질(예를 들어, 전해질에 노출시 팽창하거나 팽창하지 않는 중합체성 물질)(예를 들어, 단층 또는 다층), 유리, 세라믹 및/또는 이들의 조합(예를 들어, 세라믹/중합체 복합재 또는 세라믹 코팅된 중합체)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 전해질과 전극 사이에(예를 들어, 전해질과 제1 전극 사이에, 전해질과 제2 전극 사이에, 및/또는 두 전극 사이에(예를 들어, 제1 전극과 제2 전극 사이에) 위치한다.
세퍼레이터는 전기화학 전지의 단락을 초래할 수 있는, 2개의 전극들 사이에(예를 들어, 제1 전극과 제2 전극 사이에) 물리적 접촉을 억제하도록(예를 들어, 방지하도록) 구성될 수 있다. 세퍼레이터는 실질적으로 전기 비전도성이도록 구성될 수 있고, 이는 전류가 흐르는 경향을 감소시켜 단락이 통과할 가능성을 감소시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 모든 또는 하나 이상의 세퍼레이터는 적어도 104, 적어도 105, 적어도 1010, 적어도 1015 또는 적어도 1020 Ohm-미터의 벌크 전자 저항을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 벌크 전자 저항은 실온(예를 들어, 25℃)에서 측정될 수 있다.
일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 이온 전도성일 수 있는 반면에, 다른 실시양태에서, 세퍼레이터는 실질적으로 이온 비전도성이다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터의 평균 이온 전도성은 적어도 10-7 S/cm, 적어도 10-6 S/cm, 적어도 10-5 S/cm, 적어도 10-4 S/cm, 적어도 10-2 S/cm 또는 적어도 10-1 S/cm이다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터의 평균 이온 전도성은 1 S/cm 이하, 10-1 S/cm 이하, 10-2 S/cm 이하, 10-3 S/cm 이하, 10-4 S/cm 이하, 10-5 S/cm 이하, 10-6 S/cm 이하, 10-7 S/cm 이하 또는 10-8 S/cm 이하일 수 있다. 상술된 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 적어도 10-8 S/cm 및 10-1 S/cm 이하의 평균 이온 전도성). 다른 값의 이온 전도성이 또한 가능하다.
세퍼레이터의 평균 이온 전도성은 세퍼레이터의 평균 저항이 압력이 증가함에 따라 변하지 않을 때까지 일련의 증가하는 압력에서 세퍼레이터의 평균 저항을 측정하도록 전도성 브릿지(즉 임피던스 측정 회로)를 사용함으로서 결정될 수 있다. 이러한 값은 세퍼레이터의 평균 저항인 것으로 간주되고, 이의 역은 세퍼레이터의 평균 전도성인 것으로 간주된다. 전도성 브릿지는 1 kHz에서 작동할 수 있다. 압력은 적어도 3 ton/cm2의 세퍼레이터에 대한 압력을 적용할 수 있는 세퍼레이터의 반대하는 면들에 위치한 2개의 구리 실린저에 의해 세퍼레이터에 500 kg/cm2 증분으로 적용될 수 있다. 평균 이온 전도성은 실온(예를 들어, 25℃)에서 측정될 수 있다.
일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 고체일 수 있다. 세퍼레이터는 전해질 용매가 이를 통과하는 것을 허용하도록 충분히 다공성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 세퍼레이터의 공극을 통과하거나 이에 잔류할 수 있는 용매를 제외하고 용매를 실질적으로 포함하지 않는다(예를 들어, 이는 이의 벌크에 걸쳐 용매를 포함하는 겔과 상이할 수 있다). 다른 실시양태에서, 세퍼레이터는 겔의 형태일 수 있다.
세퍼레이터는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 세퍼레이터는 하나 이상의 중합체를 포함할 수 있고/있거나(예를 들어, 이는 중합체성일 수 있다, 이는 하나 이상의 중합체로 형성될 수 있다), 및/또는 무기 물질을 포함할 수 있다(예를 들어, 이는 무기물일 수 있다, 이는 하나 이상의 무기 물질로 형성될 수 있다).
세퍼레이터에 사용될 수 있는 적합한 중합체의 예는 비제한적으로 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리(부텐-1), 폴리(n-펜텐-2), 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌); 폴리아민(예를 들어, 폴리(에틸렌 이민) 및 폴리프로필렌 이민(PPI)); 폴리아미드(예를 들어, 폴리아미드(Nylon), 폴리(ε-카프로락탐)(Nylon 6), 폴리(헥사메틸렌 아디파미드)(Nylon 66)); 폴리이미드(예를 들어, 폴리이미드, 폴리나이트릴, 및 폴리(피로멜리트이미드-1,4-다이페닐 에터)(Kapton®)(NOMEX®)(KEVLAR®)); 폴리에터 에터 케톤(PEEK); 비닐 중합체(예를 들어, 폴리아크릴아미드, 폴리(2-비닐 피리딘), 폴리(N-비닐피롤리돈), 폴리(메틸시아노아크릴레이트), 폴리(에틸시아노아크릴레이트), 폴리(부틸시아노아크릴레이트), 폴리(아이소부틸시아노아크릴레이트), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알코올), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 플루오라이드), 폴리(2-비닐 피리딘), 비닐 중합체, 폴리클로로트라이플루오로 에틸렌, 및 폴리(아이소헥실시아노아크릴레이트)); 폴리아세탈; 폴리에스터(예를 들어, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리하이드록시부티레이트); 폴리에터(폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO), 폴리(프로필렌 옥사이드)(PPO), 폴리(테트라메틸렌 옥사이드)(PTMO)); 비닐리덴 중합체(예를 들어, 폴리이소부틸렌, 폴리(메틸 스티렌), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)); 폴리아라미드(예를 들어, 폴리(이미노-1,3-페닐렌 이미노이소프탈로일) 및 폴리(이미노-1,4-페닐렌 이미노테레프탈로일)); 폴리헤테로방향족 화합물(예를 들어, 폴리벤즈이미다졸(PBI), 폴리벤조비스옥사졸(PBO) 및 폴리벤조비스싸이아졸(PBT)); 폴리헤테로사이클릭 화합물(예를 들어, 폴리피롤); 폴리우레탄; 페놀계 중합체(예를 들어, 페놀-폼알데하이드); 폴리알킨(예를 들어, 폴리아세틸렌); 폴리다이엔(예를 들어, 1,2-폴리부타다이엔, 시스 또는 트랜스-1,4-폴리부타다이엔); 폴리실록산(예를 들어, 폴리(다이메틸실록산)(PDMS), 폴리(다이에틸실록산)(PDES), 폴리다이페닐실록산(PDPS), 및 폴리메틸페닐실록산(PMPS)); 및 무기 중합체(예를 들어, 폴리포스파젠, 폴리포스포네이트, 폴리실란, 폴리실라잔)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 중합체는 폴리(n-펜텐-2), 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아미드(예를 들어, 폴리아미드(Nylon), 폴리(ε-카프로락탐)(Nylon 6), 폴리(헥사메틸렌 아디파미드)(Nylon 66)), 폴리이미드(예를 들어, 폴리나이트릴, 및 폴리(피로멜리트이미드-1,4-다이페닐 에터)(Kapton®)(NOMEX®)(KEVLAR®)), 폴리에터 에터 케톤(PEEK) 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
적합한 무기 세퍼레이터 물질의 비제한적인 예는 유리 섬유 를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 유리 섬유 여과지인 세퍼레이터를 포함한다.
존재하는 경우, 세퍼레이터는 다공성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터의 공극 크기는 5 μm 이하, 3 μm 이하, 1 μm 이하, 500 nm 이하, 300 nm 이하, 100 nm 이하 또는 50 nm 이하이다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터의 공극 크기는 50 nm 이상, 100 nm 이상, 300 nm 이상, 500 nm 이상, 1 μm 이상 또는 3 μm 이상이다. 다른 값이 또한 가능하다. 상술된 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 5 μm 이하 및 50 nm 이상, 300 nm 이하 및 100 nm 이상, 1 μm 이하 및 300 nm 이상, 또는 5 μm 이하 및 500 nm 이상).
일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 실질적으로 비-다공성이다. 달리 말하면, 일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 공극이 없을 수 있고/있거나 최소의 공극을 포함할 수 있고/있거나 이의 많은 부분에서 공극을 포함하지 않는다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 전기화학 전지는 적어도 하나의 집전체를 포함한다. 집전체는 전극(예를 들어, 제1 전극, 제2 전극) 상에 배치될 수 있고, 전극에서 외부 회로로 전자를 제공할 수 있거나(예를 들어, 양극 또는 음극에 배치된 집전체의 경우), 또는 외부 회로로부터 전극으로 전자를 공급할 수 있다(예를 들어, 음극 또는 양극에 배치된 집전체의 경우). 집전체에 사용될 수 있는 적합한 물질의 비제한적 예는 금속(예를 들어, 구리, 니켈, 알루미늄, 패시베이션된 금속), 금속화된 중합체(예를 들어, 금속화된 PET), 전기 전도성 중합체, 및 내부에 분산된 전도성 입자를 포함하는 중합체를 포함한다.
집전체는 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 집전체는 물리적 기상 증착, 화학적 기상 증착, 전기화학 증착, 스퍼터링(sputtering), 닥터 블레이딩, 플래쉬 증발 또는 선택된 물질에 대해 임의의 기타 적절한 증착 기법을 사용하여 전극에 증착된다. 또 다른 예시로서, 일부 실시양태에서, 집전체는 개별적으로 형성되고 전극(및/또는 이의 구성요소, 예컨대 층)에 결합된다. 그러나, 일부 실시양태에서, 전극과 분리된(예를 들어, 제1 전극과 분리된, 제2 전극과 분리된) 집전체가 필요하지 않거나 존재하지 않음이 통찰되어야 한다. 이는 전극 자체(및/또는 그 내부의 전기활성 물질)가 전기 전도성인 경우 해당할 수 있다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 전기화학 전지의 하나 이상의 부분(예를 들어, 전극, 보호층)은 지지층 상에 배치되거나 증착될 수 있다. 지지층은 전기화학 전지의 관련 부분을 지지하는 층일 수 있고/있거나 전기화학 전지의 관련 부분을 증착하는 것이 유익한 층일 수 있다. 예를 들어, 한 세트의 실시양태에서, 지지층은 최종 전기화학 전지에 통합되도록 설계되지 않은 캐리어 기판과 같은 층 상에 배치될 수 있고, 상기 층으로부터 전기화학 전지의 관련 부분을 이형시킬 수 있다. 지지층이 캐리어 기판에 인접할 때, 지지층은 전기화학 전지 형성의 후속 단계 동안 전기활성 물질 또는 층으로부터 부분적으로 또는 전체적으로 박리될 수 있고/있거나 전기화학 전지 형성에서 후속 단계 동안 캐리어 기판으로부터 부분적으로 또는 전체적으로 박리될 수 있다.
다른 예로서, 지지층은 전기화학 전지에 통합될 수 있지만 전기화학 전지의 하나 이상의 부분을 증착하는 것이 어려울 수 있는 층(예를 들어, 전극, 보호층) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 지지층은 세퍼레이터 또는 추가 지지층(예를 들어, 세퍼레이터 상의 추가 지지층) 상에 배치될 수 있다. 세퍼레이터에 인접한 지지층은 전기화학 전지의 관련 부분의 하나 이상의 부분이 세퍼레이터에 존재하는 임의의 기공으로 침착되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있고/있거나 세퍼레이터와 전기화학 전지의 관련 부분 사이의 접촉을 방지하는 역할을 할 수 있다. 일부 실시양태에서, 초기에 캐리어 기판 또는 세퍼레이터에 인접한 지지층은 최종 전기화학 전지에 통합될 수 있다.
지지층이 최종 전기화학 전지에 통합되는 경우와 같은 일부 경우에, 지지층은 전해질에서 안정하고 전극의 구조적 무결성을 실질적으로 방해하지 않는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 지지층은 중합체 또는 겔 전해질(예를 들어, 리튬 이온을 포함하고/하거나 리튬 이온에 전도성일 수 있음) 및/또는 액체 전해질에서 팽윤하여 중합체 겔 전해질을 형성할 수 있는 중합체로 형성될 수 있다. 특정 실시양태에서, 지지층 자체는 세퍼레이터로서 기능할 수 있다. 일부 실시양태에서, 지지층은 복합 보호층을 포함하는 전극이 위치하는 전기화학 전지에 존재하는 전해질(예를 들어, 비양성자성 전해질)에 가용성인 중합체로 형성될 수 있고/있거나 전해질에 대한 노출 시(예를 들어, 비양성자성 전해질에 대한 노출 시) 용해될 수 있다.
지지층을 포함하는 전기화학 전지 부분에 적합한 구조의 비제한적 예는 하기를 포함한다: 임의적인 캐리어 기판/지지층/임의적인 집전체/제1 전극/임의적인 보호층/임의적인 세퍼레이터 및 임의적인 캐리어 기판/지지층/임의적인 세퍼레이터 /보호층/전극/임의적인 집전체. 선행 문장에서 선택사항으로 기재된 층이 구조 내에 존재할 수도 있고 임의적으로 존재하지 않을 수도 있다. 존재하지 않는 경우, 임의적인 층의 어느 한 쪽에 위치하는 것으로 기술된 층은 서로 바로 인접하게 위치할 수 있거나, 다른 층의 반대쪽에 위치할 수 있다. 유사하게, 상기 문장에서 슬래시에 의해 분리된 층은 서로 직접 인접할 수 있거나, 하나 이상의 개재층에 의해 분리될 수 있음을 이해해야 한다.
일부 실시양태에서, 지지층은 미국 특허 공개번호 2014/272,565, 미국 특허 공개번호 2014/272,597 및 미국 특허 공개번호 2011/068,001에 개시된 이형층일 수 있으며, 상기 특허 각각은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 일부 실시양태에서, 지지층이 하이드록실 작용기를 포함하고(예를 들어, PVOH 및/또는 EVAL을 포함함) 전술한 구조 중 하나를 갖는 이형층인 것이 바람직할 수 있다.
일 세트의 실시양태에서, 지지층(예를 들어, 중합체 지지층, 이형층)은 중합체 물질로 형성된다. 적절한 중합체의 구체적인 예는 폴리옥사이드, 폴리(알킬 옥사이드)/폴리알킬렌 옥사이드(예를 들어, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리부틸렌 옥사이드), 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 포말, 비닐 아세테이트-비닐 알코올 공중합체, 에틸렌-비닐 알코올 공중합체 및 비닐 알코올-메틸 메타크릴레이트 공중합체, 폴리실록산 및 불소화 중합체를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 중합체는 예를 들어, 고체 중합체(예를 들어, 고체 중합체 전해질), 유리 상태 중합체, 또는 중합체 겔의 형태일 수 있다.
중합체 물질의 추가 예에는 폴리설폰, 폴리에터설폰, 폴리페닐설폰(예를 들어, Ultrason® S 6010, S 3010 및 S 2010, BASF에서 입수가능), 폴리에터설폰-폴리알킬렌옥사이드 공중합체, 폴리페닐설폰-폴리알킬렌옥사이드 공중합체, 폴리설폰-폴리알킬렌 옥사이드 공중합체, 폴리아이소부틸렌(예를 들어, Oppanol® B10, B15, B30, B80, B150 및 B200, BASF에서 입수가능), 폴리아이소부틸렌 석신산 무수물(PIBSA), 폴리아이소부틸렌-폴리알킬렌옥사이드 공중합체, 폴리아미드 6(예를 들어, Ultramid® B33, BASF에서 입수가능)(예를 들어, 폴리올레핀 캐리어에 2 μm 폴리아미드 층 압출 또는 폴리올레핀 캐리어 기판에 PA 층 용액 캐스팅), 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐피롤리돈-폴리비닐이미다졸 공중합체(예를 들어, Sokalan® HP56, BASF에서 입수가능), 폴리비닐피롤리돈-폴리비닐아세트산염 공중합체(예를 들어, Luviskol®, BASF에서 입수가능), 말레인이미드-비닐에터 공중합체, 폴리아크릴아미드, 불소화 폴리아크릴레이트(임의적으로 표면 반응성 공단량체 포함), 폴리에틸렌-폴리비닐알코올 공중합체(예를 들어, Kuraray®, BASF에서 입수가능), 폴리에틸렌-폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐알코올 및 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리옥시메틸렌(예를 들어, 압출), 폴리비닐부티랄(예를 들어, Kuraray®, BASF에서 입수가능), 폴리우레아(예를 들어, 분지형), 아크롤레인 유도체(CH2=CR-C(O)R)의 광중합 기반 중합체, 폴리설폰-폴리알킬렌옥사이드 공중합체, 폴리비닐리덴 다이플루오라이드(예를 들어, Kynar® D155, BASF에서 입수가능), 및 이들의 조합을 포함한다.
하나의 실시양태에서, 지지층은 폴리에터설폰-폴리알킬렌 옥사이드 공중합체를 포함한다. 일 특정 실시양태에서, 폴리에터설폰-폴리알킬렌 옥사이드 공중합체는 (A1) 하나 이상의 방향족 다이할로겐 화합물, (B1) 하나 이상의 방향족 다이하이드록실 화합물, 및 (B2) 적어도 2개의 하이드록실 기를 갖는 적어도 하나의 폴리알킬렌 옥사이드 성분을 포함하는 반응 혼합물(RG)의 중축합에 의해 수득된 폴리아릴에테르설폰-폴리알킬렌 옥사이드 공중합체(PPC)이다. 반응 혼합물은 또한 (C) 적어도 하나의 비양성자성 극성 용매 및 (D) 적어도 하나의 금속 카보네이트를 포함할 수 있으며, 여기서 반응 혼합물(RG)은 물과 공비 혼합물을 형성하는 어떠한 물질도 포함하지 않는다. 생성된 공중합체는 랜덤 공중합체 또는 블록 공중합체일 수 있다. 예를 들어, 생성된 공중합체는 A1-B1 블록 및 A1-B2 블록을 포함할 수 있다. 생성된 공중합체는 일부 경우에 A1-B1-A1-B2의 블록을 포함할 수 있다.
중합체 물질의 추가 예는 헥사플루오로프로필렌(HFP) 코팅(예를 들어, Dupont에서 입수가능)을 갖는 폴리이미드(예를 들어, Kapton® 규소화 폴리에스터 필름(예를 들어, Mitsubishi 폴리에스터), 금속화 폴리에스터 필름(예를 들어, Mitsubishi 또는 Sion Power에서 입수가능), 폴리벤즈이미다졸(PBI; 예를 들어, 저분자량 PBI -Celanese에서 입수가능), 폴리벤족사졸(예를 들어, Foster-Miller, Toyobo에서 입수가능), 에틸렌-아크릴산 공중합체(예를 들어, Poligen®, BASF에서 입수가능), 아크릴레이트계 중합체(예를 들어, Acronal®, BASF에서 입수가능), (하전된) 폴리비닐피롤리돈-폴리비닐이미다졸 공중합체(예를 들어, Sokalane® HP56, Luviquat®, BASF에서 입수가능), 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 스티렌-아크릴로나이트릴(SAN), 열가소성 폴리우레탄(예를 들어, Elastollan® 1195 A 10, BASF에서 입수가능), 폴리설폰-폴리(아킬렌 옥사이드) 공중합체, 벤조페논-개질된 폴리설폰(PSU) 중합체, 폴리비닐피롤리돈-폴리비닐아세트산 공중합체(예를 들어, Luviskol®, BASF에서 입수가능), 및 이들의 조합을 포함한다.
일부 실시양태에서, 지지층은 특정 이온(예를 들어, 알칼리 금속 이온)에 전도성이지만 또한 실질적으로 전기 전도성인 중합체를 포함한다. 이러한 물질의 예는 리튬 염(예를 들어, LiSCN, LiBr, LiI, LiClO4, LiAsF6, LiSO3CF3, LiSO3CH3, LiBF4, LiB(Ph)4, LiPF6, LiC(SO2CF3)3, 및 LiN(SO2CF3)2)으로 도핑된 전기 전도성 중합체(전자 중합체 또는 전도성 중합체로도 알려짐)를 포함한다. 전도성 중합체의 예는 폴리(아세틸렌), 폴리(피롤), 폴리(싸이오펜), 폴리(아닐린), 폴리(플루오렌), 폴리나프탈렌, 폴리(p-페닐렌 설파이드), 및 폴리(파라-페닐렌 비닐렌)을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 전기 전도성 첨가제는 또한 전기 전도성 중합체를 형성하기 위해 중합체에 첨가될 수 있다.
일부 실시양태에서, 지지층은 하나 이상의 유형의 이온에 전도성인 중합체를 포함한다. 일부 경우에, 지지층은 실질적으로 비전도성일 수 있다. 이온 전도성 종(실질적으로 비전도성일 수 있음)의 예는 리튬 염으로 도핑된 비전도성 물질(예를 들어, 전기 절연 물질)을 포함한다. 예를 들어, 아크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드, 실리콘, 폴리염화비닐, 및 리튬염으로 도핑된 다른 절연 중합체는 이온 전도성일 수 있다(그러나, 실질적으로 비전도성이다). 중합체의 추가 예는 이온 전도성 중합체, 설폰화 중합체 및 탄화수소 중합체를 포함한다. 적합한 이온 전도성 중합체는, 예를 들어, 리튬 전기화학 전지용 고체 중합체 전해질 및 겔 중합체 전해질에 유용한 것으로 알려진 이온 전도성 중합체, 예를 들어, 폴리에틸렌 옥사이드를 포함할 수 있다. 적합한 설폰화 중합체는, 예를 들어, 설폰화 실록산 중합체, 설폰화 폴리스티렌-에틸렌-부틸렌 중합체 및 설폰화 폴리스티렌 중합체를 포함할 수 있다. 적합한 탄화수소 중합체는, 예를 들어, 에틸렌-프로필렌 중합체, 폴리스티렌 중합체 등을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 지지층은 가교 가능한 중합체를 포함한다. 가교성 중합체의 비제한적 예는 폴리비닐 알코올, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐피리딜, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 아크릴로나이트릴 부타다이엔 스티렌(ABS), 에틸렌-프로필렌 고무(EPDM), EPR,염소화 폴리에틸렌(CPE), 에틸렌비스아크릴아미드(EBA), 아크릴레이트(예를 들어, 알킬 아크릴레이트, 글리콜 아크릴레이트, 폴리글리콜 아크릴레이트, 에틸렌 에틸 아크릴레이트(EEA)), 수소화 나이트릴 부타다이엔 고무(HNBR), 천연 고무, 나이트릴 부타다이엔 고무(NBR), 특정 불소 중합체, 실리콘 고무, 폴리아이소프렌, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 클로로설포닐 고무, 불소화 폴리(아릴렌 에터)(FPAE), 폴리에터 케톤, 폴리설폰, 폴리에터 이미드, 다이에폭사이드, 다이아이소시아네이트, 다이아이소싸이오시아네이트, 폼알데하이드 수지, 아미노 수지, 폴리우레탄, 불포화 폴리에터, 폴리글리콜 비닐 에터, 폴리글리콜 다이비닐 에터, 이들의 공중합체, 및 세퍼레이터 층용 보호 코팅 층에 대한 공통 양수인 Ying 등의 미국 특허 제6,183,901호에 기재된 중합체를 포함한다.
가교 가능하거나 가교된 중합체의 추가 예에는 UV/E-빔 가교 Ultrason® 또는 유사한 중합체(즉, 폴리(설폰), 폴리(에터설폰) 및 폴리(페닐설폰) 중 하나 이상의 비정질 블렌드를 포함하는 중합체), UV 가교 Ultrason® 폴리알킬렌옥사이드 공중합체, UV/E-빔 가교 Ultrason® 아크릴아미드 블렌드, 가교 폴리아이소부틸렌-폴리알킬렌옥사이드 공중합체, 가교 분지형 폴리이미드(BPI), 가교 말레인이미드-Jeffamine 중합체(MSI 겔), 가교 아크릴아미드 및 이들의 조합을 포함한다.
당업자는 본원의 설명과 함께 당업계의 일반적인 지식에 기초하여 가교될 수 있는 적절한 중합체 및 적합한 가교 방법을 선택할 수 있다. 가교된 중합체 물질은 리튬 이온 전도도를 향상시키기 위해 염, 예를 들어, 리튬 염을 추가로 포함할 수 있다.
가교성 중합체가 사용되는 경우, 중합체(또는 중합체 전구체)는 하나 이상의 가교제를 포함할 수 있다. 가교제는 하나 이상의 중합체 사슬 사이에 가교 결합을 형성하는 방식으로 중합체 사슬의 작용기와 상호 작용하도록 설계된 반응성 부분(들)이 있는 분자이다. 본원에 기재된 지지층에 사용되는 중합체 물질을 가교시킬 수 있는 가교제의 예는, 폴리아미드-에피클로로하이드린(폴리컵 172); 알데하이드(예를 들어, 폼알데하이드 및 우레아-폼알데하이드); 다이알데하이드(예를 들어, 글리옥살 글루타르알데하이드 및 하이드록시아디프알데하이드); 아크릴레이트(예를 들어, 에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트, 다이(에틸렌 글리콜) 다이아크릴레이트, 테트라(에틸렌 글리콜) 다이아크릴레이트, 메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 다이메타크릴레이트, 다이(에틸렌 글리콜) 다이메타크릴레이트, 트라이(에틸렌 글리콜) 다이메타크릴레이트); 아미드(예를 들어, N,N'-메틸렌비스아크릴아미드, N,N'-에틸렌비스아크릴아미드, N,N'-(1,2-다이하이드록시에틸렌)비스아크릴아미드, N-(1-하이드록시-2,2-다이메톡시에틸)아크릴아미드); 실란(예를 들어, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 테트라메톡시실란(TMOS), 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라프로폭시실란, 메틸트리스(메틸에틸데톡심)실란, 메틸트리스(아세톡심)실란, 메틸트리스(메틸이소부틸케톡심)실란, 다이메틸다이(메틸에틸데톡심)실란, 트라이메틸(메틸에틸케톡심)실란, 비닐트리스(메틸에틸케톡심)실란, 메틸비닐다이(메틸에틸케톡심)실란, 메틸비닐다이(사이클로헥사논옥심)실란, 비닐트리스(메틸이소부틸케톡심)실란, 메틸트리아세톡시실란, 테트라아세톡시실란, 페닐트리스(메틸에틸케톡심)실란); 다이비닐벤젠; 멜라민; 지르코늄 암모늄 카보네이트; 다이사이클로헥실카르보디이미드/다이메틸아미노피리딘(DCC/DMAP); 2-클로로피리디늄 이온; 1-하이드록시사이클로헥실페닐 케톤; 아세토페논 다이메틸케탈; 벤조일메틸 에터; 아릴 트라이플루오로비닐 에터; 벤조사이클로부텐; 페놀 수지(예를 들어, 페놀과 폼알데하이드 및 메탄올, 에탄올, 부탄올 및 아이소부탄올과 같은 저급 알코올의 축합물), 에폭사이드; 멜라민 수지(예를 들어, 메탄올, 에탄올, 부탄올 및 아이소부탄올과 같은 폼알데하이드 및 저급 알코올과 멜라민의 축합물); 폴리아이소시아네이트; 및 다이알데하이드를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
지지층에 사용하기에 적합할 수 있는 다른 부류의 중합체는 폴리아민(예를 들어, 폴리(에틸렌 이민) 및 폴리프로필렌 이민(PPI)); 폴리아미드(예를 들어, 폴리(ε-카프로락탐)(Nylon 6), 폴리(헥사메틸렌 아디파미드)(Nylon 66)), 폴리이미드(예를 들어, 폴리이미드, 폴리나이트릴 및 폴리(피로멜리티미드-1,4-다이페닐 에터)(Kapton)) ; 비닐 중합체(예를 들어, 폴리아크릴아미드, 폴리(2-비닐 피리딘), 폴리(N-비닐피롤리돈), 폴리(메틸시아노아크릴레이트), 폴리(에틸시아노아크릴레이트), 폴리(부틸시아노아크릴레이트), 폴리(아이소부틸시아노아크릴레이트), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알코올), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 플루오라이드), 폴리(2-비닐 피리딘), 폴리클로로트리플루오로 에틸렌 및 폴리(아이소헥실시아나오아크릴레이트)); 폴리아세탈; 폴리올레핀(예를 들어, 폴리(부텐-1), 폴리(n-펜텐-2), 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌); 폴리에스터(예를 들어, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리하이드록시부티레이트); 폴리에터(폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO), 폴리(프로필렌 옥사이드)(PPO), 폴리(테트라메틸렌 옥사이드)(PTMO)); 비닐리덴 중합체(예를 들어, 폴리아이소부틸렌, 폴리(메틸 스티렌), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리(비닐리덴 클로라이드) 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 다이플루오라이드, 폴리(비닐리덴 다이플루오라이드 블록 공중합체);, 폴리(이미노-1,3-페닐렌 이미노이소프탈로일) 및 폴리(이미노-1,4-페닐렌 이미노테레프탈로일)), 폴리헤테로방향족 화합물(예를 들어, 폴리벤즈이미다졸(PBI), 폴리벤조비스옥사졸(PBO) 및 폴리벤조비스티아졸(PBT)); 폴리피롤), 폴리우레탄, 페놀 중합체(예를 들어, 페놀-폼알데하이드), 폴리알킨(예를 들어, 폴리아세틸렌), 폴리다이엔(예를 들어, 1,2-폴리부타다이엔, 시스 또는 트랜스-1,4-폴리부타다이엔), 폴리실록산(예를 들어, 폴리 (다이메틸실록산)(PDMS), 폴리(디에틸실록산)(PDES), 폴리디페닐실록산(PDPS) 및 폴리메틸페닐실록산(PMPS)) 및 무기 중합체(예를 들어, 폴리포스파젠, 폴리포스포네이트, 폴리실란, 폴리실라잔)을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
일부 실시양태에서, 중합체의 분자량은 특정 접착 친화도를 달성하도록 선택될 수 있고 지지층에서 변할 수 있다. 일부 실시양태에서, 지지층에 사용되는 중합체의 분자량은 1,000 g/mol 이상, 5,000 g/mol 이상, 10,000 g/mol 이상, 15,000 g/mol 이상, 20,000 g/mol 이상, 25,000 g/mol 이상, 30,000 g/mol 이상, 50,000 g/mol 이상, 100,000 g/mol 이상 또는 150,000 g/mol 이상일 수 있다. 특정 실시양태에서, 지지층에 사용되는 중합체의 분자량은 150,000 g/mol 이하, 100,000 g/mol 이하, 50,000 g/mol 이하, 30,000 g/mol 이하, 25,000 g/mol 이하, 20,000 g/mol 이하, 10,000 g/mol 이하, 5,000 g/mol 이하, 또는 1,000g/mol 이하일 수 있다. 다른 범위도 또한 가능하다. 상기 언급된 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 약 5,000 g/mol 이상 및 약 50,000 g/mol 이하).
중합체가 사용되는 경우, 중합체는 실질적으로 가교결합되거나, 실질적으로 비가교결합되거나, 부분적으로 가교결합될 수 있는데, 이는 본 발명이 이러한 방식으로 제한되지 않기 때문이다. 또한, 중합체는 실질적으로 결정질이거나 부분적으로 결정질이거나 실질적으로 비정질일 수 있다. 중합체의 결정화가 표면 조도를 증가시킬 수 있기 때문에 중합체가 비정질인 실시양태는 더욱 매끄러운 표면을 나타낼 수 있으나, 이러한 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니다. 특정 실시양태에서, 이형층은 왁스로 형성되거나 왁스를 포함한다.
상기 열거되고 본원에 기재된 중합체 물질은 염, 예를 들어, 리튬 염(예를 들어, LiSCN, LiBr, LiI, LiClO4, LiAsF6, LiSO3CF3, LiSO3CH3, LiBF4, LiB(Ph)4, LiPF6, LiC(SO2CF3)3, 및 LiN(SO2CF3)2)을 추가로 포함하여, 리튬 이온 전도도 향상시킬 수 있다.
본원에 기재된 바와 같이, 지지층은 전극의 제조를 용이하게 하기 위해 캐리어 기판 상에 위치될 수 있다. 임의의 적합한 물질이 캐리어 기판으로 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 캐리어 기판의 물질(및 두께)는 고온과 같은 특정 처리 조건을 견딜 수 있는 능력으로 인해 적어도 부분적으로 선택될 수 있다. 기판 물질은 또한 이형층에 대한 접착 친화력에 기초하여 적어도 부분적으로 선택될 수 있다. 경우에 따라 캐리어 기판은 고분자 물질이다. 캐리어 기판의 전부 또는 일부를 형성하기 위해 사용될 수 있는 적합한 물질의 예는, 임의적으로, 개질된 분자량, 가교 밀도, 및/또는 첨가제 또는 다른 구성성분의 첨가를 갖는 이형층으로서 적합한 본원에 기재된 특정 물질을 포함한다. 특정 실시양태에서, 캐리어 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)(예를 들어, 광학 등급 폴리에틸렌 테레프탈레이트), 폴리올레핀, 폴리프로필렌, 나일론, 폴리염화비닐 및 폴리에틸렌(임의적으로 금속화될 수 있음)과 같은 폴리에스터를 포함한다. 일부 경우에, 캐리어 기판은 금속(예를 들어, 니켈 포일 및/또는 알루미늄 포일과 같은 포일), 유리 또는 세라믹 물질을 포함한다. 일부 실시양태에서, 캐리어 기판은 더욱 두꺼운 기판 물질 상에 임의적으로 배치될 수 있는 필름을 포함한다. 예를 들어, 특정 실시양태에서, 캐리어 기판은 중합체 필름(예를 들어, PET 필름) 및/또는 금속화된 중합체 필름(알루미늄 및 구리와 같은 다양한 금속 사용)과 같은 하나 이상의 필름을 포함한다. 캐리어 기판은 또한 충전제, 결합제 및/또는 계면활성제와 같은 추가 구성성분을 포함할 수 있다.
추가로, 캐리어 기판은 임의의 적절한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 캐리어 기판의 두께는 약 5 마이크론 이상, 약 15 마이크론 이상, 약 25 마이크론 이상, 약 50 마이크론 이상, 또는 약 75 마이크론 이상, 약 100 마이크론 이상, 약 200 마이크론 이상, 약 500 마이크론 이상 또는 약 1mm 이상일 수 있다. 일부 실시양태에서, 캐리어 기판은 약 10mm 이하, 약 5mm 이하, 약 3mm 이하, 또는 약 1mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 상기 언급된 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 약 100 마이크론 이상 및 약 1 mm 이하). 다른 범위도 가능하다. 일부 경우에, 캐리어 기판은 이형층의 두께와 같거나 더 큰 두께를 갖는다.
특정 실시양태에서, 하나 이상의 캐리어 기판은 전극 제조 후에 전극과 함께 온전한 상태로 남을 수 있지만, 전극이 전기화학 전지에 통합되기 전에 박리될 수 있다. 예를 들어, 전극은 포장되어 제조업체로 배송될 수 있으며 제조업체는 전극을 전기화학 전지에 통합할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 전극은 전극 구조의 하나 이상의 구성요소의 열화 및/또는 오염을 방지하거나 억제하기 위해 기밀 및/또는 방습 패키지에 삽입될 수 있다. 하나 이상의 캐리어 기판이 전극에 부착된 상태로 유지되도록 하면 전극의 취급 및 운송이 용이해질 수 있다. 예를 들어, 캐리어 기판(들)은 상대적으로 두껍고 상대적으로 높은 강성을 가질 수 있으며, 이는 취급 중에 전극이 뒤틀리는 것을 방지하거나 억제할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 캐리어 기판(들)은 전기화학 전지의 조립 전, 동안 또는 후에 제조자에 의해 제거될 수 있다.
일부 실시양태에 따라, 충전 및/또는 방전 동안에 이방성 힘을 본원에 기재된 전기화학 전지에 적용하는 것이 유리할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 전기화학 전지 및/또는 전극은 이의 구조적 완전성을 유지하면서 적용된 이방성 힘(예를 들어, 전지 내 전극의 형태를 강화시키도록 적용된 힘)을 견디도록 구성될 수 있다.
특정 실시양태에서, 본원에 기재된 임의의 전극은 전지의 충전 및/또는 방전 동안 적어도 하나의 기간 동안, 전기화학 전지 내 전극(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함하는 전극, 예컨대 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함하는 애노드)의 활성 표면에 수직인 분력을 갖는 이방성 힘을 전지에 적용하도록 구축되고 배열된 전기화학 전지의 부분일 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 임의의 보호층 및/또는 SEI는 전지의 충전 및/또는 방전 동안 적어도 하나의 기간 동안, 전기화학 전지 내 전극(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함하는 전극, 예컨대 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함하는 애노드)의 활성 표면에 수직인 분력을 갖는 이방성 힘을 전지에 적용하도록 구축되고 배열된 전기화학 전지의 부분일 수 있다. 하나의 세트의 실시양태에서, 적용된 이방성 힘은 전극(예를 들어, 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함하는 전극, 예컨대 리튬 금속 및/또는 리튬 합금 애노드)의 형태를 강화시키도록 선택될 수 있다.
"이방성 힘"은 당분야에서 이의 통상적 의미로 제공되며, 모든 방향에서 동등하지 않은 힘을 의미한다. 모든 방향에서 동등한 힘은 예를 들어, 유체 또는 물질 내 유체 또는 물질의 내부 압력, 예컨대 물체의 내부 기체 압력이다. 모든 방향에서 동등하지 않은 힘의 예는 특정 방향으로 향하는 힘, 예컨대 중력을 통해 테이블 상의 물체에 의해 적용된 테이블 상의 힘을 포함한다. 이방성 힘의 또 다른 예는 물체의 둘레 주변에 배열된 밴드에 의해 적용된 힘을 포함한다. 예를 들어, 고부 밴드 또는 턴버클은 감싸는 물체의 둘레 주변에 힘을 적용할 수 있다. 그러나, 밴드는 밴드와 접촉하지 않은 물체의 외부 표면의 임의의 부분 상에 임의의 직접적 힘을 적용하지 않는다. 또한, 밴드가 제2 축보다 크게 제1 축을 따라 확장되는 경우, 밴드는 제2 축에 평행하게 적용된 힘보다 큰 힘을 제1 축에 평행하게 방향으로 적용할 수 있다.
일부 이러한 경우에, 이방성 힘은 전기화학 전지 내 전극의 활성 표면에 수직인 분력을 포함한다. 본원에 사용된 용어 "활성 표면"은 전기화학 반응이 발생할 수 있는 전극의 표면을 기술하는 데 사용된다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 전기화학 전지(5210)는 활성 표면(5218)을 포함할 수 있는 제2 전극(5212) 및/또는 활성 표면(5220)을 포함할 수 있는 제1 전극(5216)을 포함할 수 있다. 전기화학 전지(5210)는 전해질(5214) 및 보호층(5222)을 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 이방성 힘이 가해지는 전기화학 전지는 (예를 들어, 보호층에 더하여, 대신에, 또는 보호층의 구성요소로서) SEI를 포함한다. 도 2에서, 이방성 힘(5250)의 분력(5251)은 제2 전극의 활성 표면 및 제1 전극의 활성 표면 둘 모두에 대해 수직이다. 일부 실시양태에서, 이방성 힘은 전해질과 접촉한 보호층의 표면에 수직인 분력을 포함한다.
표면에 "수직인 분력"을 갖는 힘은 당업자에 이해될 수 있는 바와 같은 이의 통상적 의미로서 제공되며, 예를 들어, 적어도 부분적으로 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 스스로 가하는 힘을 포함한다. 예를 들어, 테이블 상에 받쳐 있고 중력에 의해서만 영향을 받는 물체를 갖는 수평 테이블의 경우, 물체는 테이블의 표면에 본질적으로 완전히 수직인 힘을 가한다. 물체가 또한 수평 테이블 표면을 가로질러 걸쳐 옆으로 압박되는 경우, 이는 테이블에 힘을 가하며, 이는 수평 표면에 완전히 수직은 아니지만 테이블 표면에 수직인 분력을 포함한다. 당업자는 특히 본원의 설명에서 적용된 바와 같이 이들 용어의 다른 예를 이해할 수 있다. 굽은 표면(예를 들어, 오목한 표면 또는 볼록한 표면)의 경우, 전극의 활성 표면에 수직인 이방성 힘의 분력은 이방성 힘이 적용되는 지점에서 굽은 표면에 접하는 면에 수직인 분력에 상응할 수 있다. 이방성 힘은, 일부 경우에, 임의적으로 전극의 활성 표면에 걸쳐 및/또는 보호층의 표면에 걸쳐 분포된, 하나 이상의 사전 결정된 위치에서 적용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 이방성 힘은 제1 전극(예를 들어, 애노드)의 활성 표면에 균일하게 걸쳐 및/또는 전해질과 접촉한 보호층의 표면에 균일하게 걸쳐 적용된다.
본원에 기재된 임의의 전기화학 전지 특성 및/또는 성능 매트릭스는 이방성 힘이 충전 및/또는 방전 동안에 (예를 들어, 전지의 충전 동안에 및/또는 방전 동안) 전기화학 전지에 적용되는 동안 단독으로 또는 서로 조합으로 달성될 수 있다. 일부 실시양태에서, (예를 들어, 전지의 충전 및/또는 방전 동안 적어도 하나의 기간 동안) 전극 및/또는 전기화학 전지에 적용된 이방성 힘은 전극(예를 들어, 전기화학 전지 내 애노드, 예컨대 리튬 금속 및/또는 리튬 합금 애노드)의 활성 표면에 수직인 분력을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극의 활성 표면에 수직인 이방성 힘의 분력은 1 kg/cm2 이상, 2 kg/cm2 이상, 4 kg/cm2 이상, 6 kg/cm2 이상, 8 kg/cm2 이상, 10 kg/cm2 이상, 12 kg/cm2 이상, 14 kg/cm2 이상, 16 kg/cm2 이상, 18 kg/cm2 이상, 20 kg/cm2 이상, 22 kg/cm2 이상, 24 kg/cm2 이상, 26 kg/cm2 이상, 28 kg/cm2 이상, 30 kg/cm2 이상, 32 kg/cm2 이상, 34 kg/cm2 이상, 36 kg/cm2 이상, 38 kg/cm2 이상, 40 kg/cm2 이상, 42 kg/cm2 이상, 44 kg/cm2 이상, 46 kg/cm2 이상 또는 48 kg/cm2 이상의 압력으로 정의된다. 일부 실시양태에서, 활성 표면에 수직인 이방성 힘의 분력은 예를 들어, 50 kg/cm2 이하, 48 kg/cm2 이하, 46 kg/cm2 이하, 44 kg/cm2 이하, 42 kg/cm2 이하, 40 kg/cm2 이하, 38 kg/cm2 이하, 36 kg/cm2 이하, 34 kg/cm2 이하, 32 kg/cm2 이하, 30 kg/cm2 이하, 28 kg/cm2 이하, 26 kg/cm2 이하, 24 kg/cm2 이하, 22 kg/cm2 이하, 20 kg/cm2 이하, 18 kg/cm2 이하, 16 kg/cm2 이하, 14 kg/cm2 이하, 12 kg/cm2 이하, 10 kg/cm2 이하, 8 kg/cm2 이하, 6 kg/cm2 이하, 4 kg/cm2 이하 또는 2 kg/cm2 이하의 압력으로 정의될 수 있다. 또한, 전술된 범위의 조합이 가능하다(예를 들어, 1 kg/cm2 이상 및 50 kg/cm2 이하, 1 kg/cm2 이상 및 40 kg/cm2 이하, 1 kg/cm2 이상 및 30 kg/cm2 이하, 1 kg/cm2 이상 및 20 kg/cm2 이하, 또는 10 kg/cm2 이상 및 20 kg/cm2 이하). 또한, 다른 범위가 가능하다.
일부 실시양태에서, 애노드 활성 표면에 대해 수직인 이방성 힘의 분력은 애노드 물질(예를 들어, 리튬 금속)의 항복 응력의 약 20% 내지 약 200%, 애노드 물질의 항복 응력의 약 50% 내지 약 120%, 또는 애노드 물질의 항복 응력의 약 80% 내지 약 100%이다.
본원에 기재된 바와 같이 충전 및/또는 방전 동안에 적용된 이방성 힘은 당분야에 공지된 임의의 방법을 사용하여 적용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘은 압축 스프링을 사용하여 적용될 수 있다. 힘은 특히 벨빌 워셔(Belleville washer), 머신 스크류(machine screw), 공압 장치 및/또는 추를 비제한적으로 포함하는 (격납 구조 내부 또는 외부) 기타 요소를 사용하여 적용될 수 있다. 일부 경우에, 전지는 격납 구조에 삽입되기 전에 사전 압축될 수 있고, 격납 구조에 삽입시, 이는 확대되어 전지에 대한 알짜힘을 생성한다. 이러한 힘을 적용하는 적합한 방법은 예를 들어, 그 전문이 본원에 참고로 인용된 US 9,105,938에 상세히 기재되어 있다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 물품(예를 들어, 전기화학 전지 및/또는 전기화학 전지 구성요소)은, 기타 모든 요인은 동일하되 제1 반응성 종, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 반응 생성물, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 보호층, 및/또는 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종을 포함하는 전해질을 포함하지 않는 물품과 비교하여, 하나 이상의 이점(예를 들어, 사이클 수명 증가, 용량 증가, 안정성 증가, 전극(예를 들어, 캐소드 및/또는 제2 전극) 상의 전해질의 산화 감소, 고전압에서의 조작 능력 증가, 고전압까지의 충전 능력 증가, 전압 방전 증가, 방전 에너지 증가 및/또는 제2 전극으로부터 전해질로의 전이 금속(예를 들어, Co, Ni, Mn)의 양이온 확산 감소 및/또는 제1 전극 상의 환원)을 갖는다.
예를 들어, 일부 실시양태에서, 물품(예를 들어, 전기화학 전지 및/또는 전기화학 전지 구성요소)은, 기타 모든 요인은 동일하되 제1 반응성 종, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 반응 생성물, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 보호층, 및/또는 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종을 포함하는 전해질을 포함하지 않는 물품과 비교하여, 용량이 초기 용량의 80%로 감소하기 전에 충전-방전 사이클 수의 115% 이상, 120% 이상, 140% 이상, 160% 이상, 180% 이상, 또는 200% 이상을 완료한다(또는 완료하도록 구성된다). 일부 실시양태에서, 물품은, 기타 모든 요인은 동일하되 제1 반응성 종, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 반응 생성물, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 보호층, 및/또는 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종을 포함하는 전해질을 포함하지 않는 물품과 비교하여, 용량이 초기 용량의 80%로 감소하기 전에 충전-방전 사이클 수의 500% 이하, 400% 이하, 350% 이하, 300% 이하, 250% 이하, 또는 200% 이하를 완료한다(또는 완료하도록 구성된다). 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 115% 이상 및 500% 이하, 또는 115% 이상 및 200% 이하).
유사하게, 일부 실시양태에서, 물품(예를 들어, 전기화학 전지 및/또는 전기화학 전지 구성요소)은, 기타 모든 요인은 동일하되 제1 반응성 종, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 반응 생성물, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 보호층, 및/또는 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종을 포함하는 전해질을 포함하지 않는 물품과 비교하여, 초기 용량의 62.5%로 감소하기 전에 충전-방전 사이클 수의 115% 이상, 125% 이상, 140% 이상, 150% 이상, 175% 이상, 200% 이상, 250% 이상, 300% 이상, 350% 이상, 400% 이상, 450% 이상, 500% 이상, 또는 550% 이상을 완료한다(또는 완료하도록 구성된다). 일부 실시양태에서, 물품은, 기타 모든 요인은 동일하되 제1 반응성 종, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 반응 생성물, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 보호층, 및/또는 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종을 포함하는 전해질을 포함하지 않는 물품과 비교하여, 용량이 초기 용량의 62.5%로 감소하기 전에 충전-방전 사이클 수의 1,000% 이하, 900% 이하, 800% 이하, 700% 이하, 600% 이하, 또는 550% 이하를 완료한다(또는 완료하도록 구성된다). 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 115% 이상 및 1,000% 이하, 115% 이상 및 600% 이하, 또는 150% 이상 및 550% 이하). 예를 들어, 본원에 개시된 물품이 용량이 초기 용량의 62.5%로 감소하기 전에 500회의 충전-방전 사이클을 완료하는 반면에 반응성 종, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 반응 생성물, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 보호층, 및/또는 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종을 포함하는 전해질을 포함하지 않는(그러나 기타 모든 요인은 동일한) 물품이 용량이 초기 용량의 62.5%로 감소하기 전에 100회의 충전-방전 사이클을 완료하는 경우, 본원에 개시된 물품은, 제1 반응성 종, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 반응 생성물, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 보호층, 및/또는 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종을 포함하는 전해질을 포함하지 않는(그러나 기타 모든 요인은 동일한) 물품의 충전-방전 사이클의 500%를 완료한다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 물품(예를 들어, 전기화학 전지 및/또는 전기화학 전지 구성요소)은, 물품이 고전압에서 충전될 때, 기타 모든 요인은 동일하되 제1 반응성 종, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 반응 생성물, 본원에 개시된 하나 이상의(예를 들어, 모든) 보호층, 및/또는 제1 반응성 종 및/또는 제2 반응성 종을 포함하는 전해질을 포함하지 않는 물품과 비교하여, 하나 이상의 이점(예를 들어, 사이클 수명 증가 (상기에서 더욱 상세히 논의), 용량 증가, 안정성 증가, 전극(예를 들어, 캐소드 및/또는 제2 전극 상의 전해질의 산화 감소)을 갖는다. 본원에서 사용 시, 고전압은 4.0 V 이상의 전압이다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 고전압은 4.0 V 이상, 4.1 V 이상, 4.2 V 이상, 4.3 V 이상, 4.35 V 이상, 4.5 V 이상, 또는 4.6 V 이상이다. 일부 실시양태에서, 고전압은 4.75 V 이하, 4.7 V 이하, 또는 4.65 V 이하이다. 이러한 범위의 조합이 또한 가능하다(예를 들어, 4.0 V 이상 및 4.75 V 이하, 또는 4.35 V 이상 및 4.65 V 이하).
일부 실시양태에서, (예를 들어, 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는) 전극은 전기화학 전지(예를 들어, 재충전가능한 전기화학 전지)의 일부일 수 있다. 특정 실시양태에서, (예를 들어, 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는) 전극은 배터리(예를 들어, 재충전가능한 배터리) 내에 통합되는 전기화학 전지의 일부일 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 개시된 전기화학 전지는 배터리(예를 들어, 재충전가능한 배터리)에 통합된다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 전기화학 전지 및/또는 재충전가능한 배터리는 전기 차량에 전력을 제공하거나, 그렇지 않으면 전기 차량에 통합되는 데 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 본원에 기재된 전기화학 전지 및/또는 재충전가능한 배터리는 특정 실시양태에서 전기 차량의 드라이브 트레인에 전력을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 차량은 육상, 해상 및/또는 항공 여행에 적합한 임의의 적합한 차량일 수 있다. 예를 들어, 차량은 자동차, 트럭, 오토바이, 보트, 헬리콥터, 비행기 및/또는 기타 적절한 유형의 차량일 수 있다.
편의상, 명세서, 실시예 및 첨부된 청구항에 사용된 용어 중 일부를 여기에 나열한다. 특정 작용기 및 화학 용어의 정의는 하기에 보다 상세히 기재된다. 본 발명의 목적을 위해, 화학 원소는 문헌[Periodic Table of the Elements, CAS version, Handbook of Chemistry and Physics, 75th Ed.] 내표지에 따라 확인되고, 특정 작용기는 일반적으로 그 안에 기재된 바와 같이 정의된다. 또한, 유기 화학의 일반적 원리, 및 특정 작용기 및 반응성은 문헌[Organic Chemistry, Thomas Sorrell, University Science Books, Sausalito: 1999]에 기재되어 있다.
본원에 사용된 용어 "지방족"은 포화 및 불포화, 비-방향족, 직쇄(즉 비분지형), 분지형, 비사이클릭(acyclic) 및 사이클릭(즉, 탄소사이클릭) 탄화수소를 포함하고, 이는 하나 이상의 작용기로 임의적으로 치환된다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 본원에서 "지방족"은 비제한적으로 알킬, 알케닐, 알키닐, 사이클로알킬, 사이클로알케닐 및 사이클로알키닐 잔기를 포함하는 것으로 의도된다. 따라서, 본원에 사용된 용어 "알킬"은 직쇄, 분지쇄 및 사이클릭 알킬 기를 포함한다. 유사한 관례가 다른 일반 용어, 예컨대 "알케닐", "알키닐" 등에 적용된다. 또한, 본원에 사용된 용어 "알킬", "알케닐", "알키닐" 등은 치환된 기 및 비치환된 기 둘 다를 포함한다. 일부 실시양태에서, 본원에 사용된 "지방족"은 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 지방족 기(사이클릭, 비사이클릭, 치환, 비치환, 분지형 또는 비분지형)를 나타내는 데 사용된다. 지방족 기 치환기는 비제한적으로 안정한 잔기(예를 들어, 지방족, 알킬, 알케닐, 알키닐, 헤테로지방족, 헤테로사이클릭, 아릴, 헤테로아릴, 아실, 옥소, 이미노, 싸이오옥소, 시아노, 아이소시아노, 아미노, 아지도, 나이트로, 하이드록시, 싸이올, 할로, 지방족아미노, 헤테로지방족아미노, 알킬아미노, 헤테로알킬아미노, 아릴아미노, 헤테로아릴아미노, 알킬아릴, 아릴알킬, 지방족옥시, 헤테로지방족옥시, 알킬옥시, 헤테로알킬옥시, 아릴옥시, 헤테로아릴옥시, 지방족싸이옥시, 헤테로지방족싸이옥시, 알킬싸이옥시, 헤테로알킬싸이옥시, 아릴싸이옥시, 헤테로아릴싸이옥시, 아실옥시 등, 이들 각각은 추가로 치환되지 않거나 치환될 수 있다)의 형성을 야기하는 본원에 기재된 임의의 치환기를 포함한다.
용어 "알킬"은 직쇄 알킬 기, 분지쇄 알킬 기, 사이클로알킬(지환족) 기, 알킬 치환된 사이클로알킬 기, 및 사이클로알킬 치환된 알킬 기를 포함하는 포화 지방족 기의 라디칼을 지칭한다. 알킬 기는 하기에 보다 상세히 기재되는 바와 같이 임의적으로 치환될 수 있다. 알킬 기의 예는 비제한적으로 메틸, 에틸, 프로필, 아이소프로필, 부틸, 아이소부틸, tert-부틸, 2-에틸헥실, 사이클로프로필, 사이클로부틸, 사이클로펜틸, 사이클로헥실 등을 포함한다. "헤테로알킬" 기는 적어도 하나의 원자가 헤테로 원자(예를 들어, 산소, 황, 질소, 인 등)이고 나머지 원자는 탄소 원자인 알킬 기이다. 헤테로알킬 기의 예는 비제한적으로 알콕시, 폴리(에틸렌 글리콜)-, 알킬-치환된 아미노, 테트라하이드로푸라닐, 피페리디닐, 모폴리닐 등을 포함한다.
용어 "알케닐" 및 "알키닐"은 상기에 기재된 알킬 기와 유사하나 각각 적어도 하나의 이중결합 또는 삼중결합을 포함하는 불포화 지방족 기를 지칭한다. 케닐키닐케닐키닐용어 "아릴"은 단일 고리(예를 들어, 페닐), 다중 고리(예를 들어, 바이페닐) 또는 적어도 하나가 방향족인 융합된 다중 고리(예를 들어, 1,2,3,4-테트라하이드로나프틸, 나프틸, 안트릴 또는 페난트릴)를 갖는 방향족 탄소사이클릭 기를 지칭하며, 이들 모두는 임의적으로 치환된다. "헤테로아릴" 기는 방향족 고리의 적어도 하나의 원자가 헤테로 원자이고 나머지 고리 원자가 탄소 원자인 아릴 기이다. 헤테로아릴 기의 예는 푸라닐라닐, 싸이에닐, 피리딜, 피롤릴, N 저급 알킬 피롤릴, 피리딜 N 옥사이드, 피리미딜, 피라닐, 이미다졸릴, 인돌릴 등을 포함하고, 이들 모두는 임의적으로 치환된다.
용어 "아민" 및 "아미노"는 비치환 및 치환 아민 둘 모두, 예를 들어, 화학식 N(R')(R'')(R''')(이때 R', R'' 및 R'''은 각각 독립적으로 원자가 규칙에 의해 허용되는 기를 나타냄)에 의해 나타낼 수 있는 잔기를 지칭한다.
용어 "아실"은 당업계에서 인식되어 있으며, 하기 화학식으로 나타낼 수 있는 모이어티를 포함할 수 있다:
상기 식에서, W는 H, OH, O-알킬, O-알케닐 또는 이들의 염이다. W가 O-알킬인 경우, 상기 화학식은 "에스터"를 나타낸다. W가 OH인 경우, 상기 화학식은 "카복시산"을 나타낸다. 일반적으로, 상기 화학식의 산소 원자가 황으로 대체되는 경우, 상기 화학식은 "싸이올카보닐" 기를 나타낸다. W가 S-알킬인 경우, 상기 화학식은 "싸이올에스터"를 나타낸다. W가 SH인 경우, 상기 화학식은 "싸이올카복시산"을 나타낸다. 반면에, W가 알킬인 경우, 상기 화학식은 "케톤" 기를 나타낸다. W가 수소인 경우, 상기 화학식은 "알데하이드" 기를 나타낸다.
본원에 사용된 용어 "헤테로방향족" 또는 "헤테로아릴"은 탄소 원자 고리원 및 하나 이상의 헤테로 원자 고리원(예컨대 산소, 황 또는 질소)을 포함하는 일사이클릭 또는 다사이클릭 헤테로방향족 고리(또는 이의 라디칼)를 의미한다. 전형적으로, 헤테로방향족 고리는 5 내지 약 14개의 고리원을 갖고, 이때 적어도 1개의 고리원은 산소, 황 및 질소로부터 선택된 헤테로 원자이다. 또 다른 실시양태에서, 헤테로방향족 고리는 5 또는 6원 고리이고, 1 내지 약 4개의 헤테로 원자를 함유할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 헤테로방향족 고리 시스템은 7 내지 14개의 고리원을 갖고, 1 내지 약 7개의 헤테로 원자를 함유할 수 있다. 대표적 헤테로아릴은 피리딜, 푸릴, 싸이에닐, 피롤릴, 옥사졸릴, 이미다졸릴, 인돌리지닐, 싸이아졸릴, 아이소옥사졸릴, 피라졸릴, 아이소싸이아졸릴, 피리다지닐, 피리미디닐, 피라지닐, 트라이아지닐, 트라이아졸릴, 피리미디닐, 싸이아다이아졸릴, 피라지닐, 퀴놀릴, 아이소퀴놀릴, 인다졸릴, 벤족사졸릴, 벤조푸라닐, 벤조싸이아졸릴, 인돌리지닐, 이미다조피리디닐, 이소싸이아졸릴, 테트라졸릴, 벤즈이미다졸릴, 벤족사졸릴, 벤조싸이아졸릴, 벤조싸이아다이아졸릴, 벤족사다이아졸릴, 카바졸릴, 인돌릴, 테트라하이드로인돌릴, 아자인돌릴, 이미다조피리딜, 퀴나졸리닐, 푸리닐, 피롤로[2,3]피리미딜, 피라졸로[3,4]피리미딜, 벤조(b)싸이에닐 등을 포함한다. 이들 헤테로아릴 기는 하나 이상의 치환기로 임의적으로 치환될 수 있다.
용어 "치환된"은 유기 화합물의 모든 허용가능한 치환기를 포함하는 것으로 이해되며, 이때 "허용가능한"은 당업자에게 공지된 원자자가의 화학 규칙을 따른다. 일부 경우에, "치환된"은 일반적으로 본원에 기재된 치환기에 의한 수소의 대체를 지칭할 수 있다. 그러나, 본원에 사용된 "치환된"은, 예를 들어, "치환된" 작용기가 치환을 통해 상이한 작용기가 되도록 하는, 분자를 식별하는 주요 작용기 대체 및/또는 변경을 포함하지는 않는다. 예를 들어, "치환된 페닐"은 페닐 잔기를 계속 포함해야 하고 본 정의에서 치환에 의해 헤테로아릴 기, 예컨대 피리딘이 되도록 변경되지 않는다. 넓은 양태에서, 허용가능한 치환기는 유기 화합물의 비사이클릭 및 사이클릭, 분지형 및 비분지형, 탄소사이클릭 및 헤테로사이클릭, 방향족 및 비방향족 치환기를 포함한다. 예시적 치환기는 예를 들어, 본원에 기재된 것을 포함한다. 허용가능한 치환기는 하나 이상일 수 있고 적절한 유기 화합물에 대해 동일하거나 상이할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 헤테로 원자, 예컨대 질소는 헤테로 원자의 원자가를 충족시키는 수소 치환기 및/또는 본원에 기재된 유기 화합물의 임의의 허용가능한 치환기를 가질 수 있다. 본 발명은 유기 화합물의 허용가능한 치환기에 의해 임의의 방법으로 제한되도록 의도되지 않는다.
치환기의 예는 비제한적으로 알킬, 아릴, 아르알킬, 사이클릭 알킬, 헤테로사이클로알킬, 하이드록시, 알콕시, 아릴옥시, 퍼할로알콕시, 아르알콕시, 헤테로아릴, 헤테로아릴옥시, 헤테로아릴알킬, 헤테로아르알콕시, 아지도, 아미노, 할로겐, 알킬싸이오, 옥소, 아실, 아실알킬, 카복시 에스터, 카복시, 카복스아미도, 나이트로, 아실옥시, 아미노알킬, 알킬아미노아릴, 알킬아릴, 알킬아미노알킬, 알콕시아릴, 아릴아미노, 아르알킬아미노, 알킬설포닐, 카복스아미도알킬아릴, 카복스아미도아릴, 하이드록시알킬, 할로알킬, 알킬아미노알킬카복시, 아미노카복스아미도알킬, 알콕시알킬, 퍼할로알킬, 아릴알킬옥시알킬 등을 포함한다.
실시예
실시예 1
본 실시예는 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트로 처리된 LCO 캐소드의 제조를 설명한다. 본 실시예는 처리된 캐소드를 포함하는 전기화학 전지에 대한 사이클 수명 증가를 입증한다.
LCO 캐소드는 실온에서 1 내지 2분 동안 에탄올 중 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트의 1 중량% 용액에 침지시켜 처리하였다. 처리된 캐소드를 에탄올이 증발할 때까지 실온에서 건조시킨 다음, 130℃에서 밤새 건조시켰다.
전기화학 전지("실시예 1")은 이러한 처리된 LCO 캐소드, 애노드로서 진공 증착된 리튬, 및 ENTEK EP 세퍼레이터로 만들어졌다. 전지를 0.55g의 전해질(다이메틸카보네이트/플루오로에틸렌카보네이트(4:1 w/w)과 리튬 비스(옥살라토보레이트) 1 중량%의 혼합물 중 LiPF6 1M 용액)으로 채웠다.
실시예 1 전기화학 전지와 동일한 두 그룹의 대조군 전기화학 전지를 제조하되, 대조군 1의 LCO 캐소드는 처리하지 않은 채로 두고, 대조군 2는 에탄올로만 처리하였다.
모든 전기화학 전지는 30mA 전류로 4.55V까지 충전되었고, 120mA 전류로 3.2V까지 방전되었다. 모든 전기화학 전지는 첫 방전시 510mAh 용량을 가지고 있었으며, 이를 초기 용량으로 하였다. 대조군 1과 대조군 2는 초기 용량의 80%인 용량에 도달하기 전에 45회 사이클를 완료하였다. 실시예 1의 전기화학 전지는 초기 용량의 80%인 용량에 도달하기 전에 90회 사이클을 완료하였다. 따라서, 캐소드를 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트로 처리하면 처리되지 않은 대조군과 비교하여 초기 용량의 80%인 용량에 도달하기 전에 사이클 수가 200%가 되었다.
실시예 2
본 실시예는 금속 트라이플레이트 및 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트로 처리된 NCM 811 캐소드의 제조를 설명한다. 본 실시예는 처리된 캐소드를 포함하는 전기화학 전지에 대한 사이클 수명 증가 및 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트 첨가제가 NCM 811 캐소드에 혼입되었음을 입증한다.
NCM 811 캐소드는 벤조나이트릴 중 5 중량% 트라이플레이트(예를 들어, Cu, Zn, Ni, Co 또는 Ca)의 용액에 30초 동안 침지하여 처리하였다. 캐소드를 진공에서 밤새 50℃에서 건조시켰다. 이어서 캐소드를 실온에서 1분 동안 에탄올 중 1 중량% 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트 용액으로 처리하였다. 캐소드를 130℃에서 밤새 건조시켰다. SEM(scanning electron microscopy) 및 EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy) 분석은 캐소드 표면에 코발트와 질소가 균일하게 분포되어 있음을 보여주었다. 질소(포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트에서 유래)와 코발트(NCM 811 캐소드에서 유래)의 존재 및 균일한 분포는 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트 첨가제가 NCM 811 캐소드의 SEI 층 내에 혼입되었음을 입증하였다.
이러한 처리된 NCM 811 캐소드, 애노드로서 진공 증착된 리튬, 및 ENTEK EP 세퍼레이터로 전기화학 전지("실시예 2")를 제조하였다. 전지를 0.55g의 전해질(다이메틸카보네이트/플루오로에틸렌카보네이트(4:1 w/w)과 리튬 비스(옥살라토보레이트) 1 중량%의 혼합물 중 LiPF6 1M 용액)으로 채웠다.
실시예 2 전기화학 전지와 동일한 두 그룹의 대조 전기화학 전지를 제조하되, 대조군 1의 NCM 811 캐소드는 처리하지 않은 채로 두고 대조군 2를 벤조나이트릴/에탄올로만 처리하였다.
모든 전기화학 전지는 30mA 전류로 4.5V까지 충전되었고, 120mA 전류로 3.2V까지 방전되었다. 모든 전기화학 전지는 3차 방전시 400mAh 용량을 나타냈으며, 이를 초기 용량으로 하였다. 표 1은 용량이 250mAh(초기 용량의 62.5%)로 감소하기 전에 연구된 각 전기화학 전지에 대해 얼마나 많은 사이클이 완료되었는지 보여준다.
| 전기화학 전지의 성능 | |
| 전기화학 전지 |
250mAh 용량까지
사이클 |
| 대조군 1 | 296 |
| 대조군 2 | 324 |
| 구리(II) 트라이플레이트 및 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트로 처리 | 358 |
| 아연 트라이플레이트 및 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트로 처리 | 353 |
| 니켈(II) 트라이플레이트 및 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트로 처리 | 460 |
| 코발트(II) 트라이플레이트 및 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트로 처리 | 377 |
| 칼슘 트라이플레이트 및 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트로 처리 | 347 |
따라서, 캐소드를 금속 트라이플레이트 및 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트로 처리하면, 처리되지 않은 대조군과 비교하여 초기 용량의 62.5%인 용량에 도달하기 전에 사이클 수가 107-155%가 되었다.
실시예 3
본 실시예는 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트로 처리된 NCM 811 캐소드의 제조를 설명한다. 본 실시예는 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트 첨가제가 NCM 811 캐소드 상의 SEI 층에 혼입되었고 사이클링 동안 그곳에 남아 있음을 입증한다.
NCM 811 캐소드는 상온에서 1-2분 동안 에탄올에 녹인 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트의 1 중량% 용액에 침지하여 처리하였다. 처리된 캐소드를 에탄올이 증발할 때까지 실온에서 건조시킨 다음, 130℃에서 밤새 건조시켰다.
전기화학 전지("실시예 3")는 이러한 처리된 NCM 811 캐소드, 애노드로서 진공 증착된 리튬, 및 ENTEK EP 세퍼레이터로 만들어졌다. 전지를 0.55g의 전해질(다이메틸카보네이트/플루오로에틸렌카보네이트(4:1 w/w)과 리튬 비스(옥살라토보레이트) 1 중량%의 혼합물 중 LiPF6 1M 용액)으로 채웠다.
모든 전기화학 전지는 30mA 전류로 4.5V까지 충전되었고, 120mA 전류로 3.2V까지 방전되었다. 20회 충전-방전 사이클 후에, 캐소드를 전기화학 전지에서 제거하였다. 캐소드를 다이메틸 카보네이트로 헹구고 실온에서 건조시켰다. 캐소드의 표면은 EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy)로 분석하였다. EDS 분석은 캐소드 표면에서 0.517 원자%의 질소를 확인했으며, 이는 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트 첨가제가 NCM811 캐소드의 SEI 층에 통합되어 사이클링 동안 그곳에 남아 있음을 보여준다.
실시예 4
본 실시예는 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 사용한 LCO 캐소드의 제조를 설명한다. 본 실시예는 캐소드를 제조할 때 캐소드 슬러리에 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 첨가하면 사이클 수명이 증가함을 입증한다.
LCO 캐소드 슬러리는 40 중량% 고체 성분 및 60 중량% NMP(N-메틸-2-피롤리돈) 용매를 함유하여 제조되었다. 고체 성분은 LCO 95 중량%, 결합제(PVDF) 2 중량% 및 카본 블랙 및 그래파이트 3 중량%를 포함하였다. 이어서 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 총 고체 성분에 대해 0.53 중량%의 양으로 LCO 캐소드 슬러리에 첨가하여 혼합물을 형성하였다.
혼합물을 20 마이크론 두께의 알루미늄 포일 기판에 코팅한 다음 건조하여 캐소드를 형성하였다. 캐소드는 실시예 1에서와 같이 전기화학 전지로 조립되었다. 전기화학 전지는 75mA에서 4.55V로 충전되었고 300mA에서 3.2V로 방전되었다. 전기화학 전지는 410-411mAh의 초기 용량을 산출했다. 전지는 용량이 250mAh(초기 용량의 약 61%)로 감소하기 전에 137회의 충전-방전 사이클을 완료하였다.
LCO 캐소드 슬러리에 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 동일한 캐소드 및 전기화학 전지를 만들었다. 이 전기화학 전지는 410 - 412mAh의 초기 용량을 제공하고 용량이 250mAh(초기 용량의 약 61%)로 감소하기 전에 93회의 충전-방전 사이클을 완료하였다.
따라서, 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트의 첨가는 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 첨가하지 않은 대조군과 비교하여 초기 용량의 61%인 용량에 도달하기 전에 약 147%의 사이클 수를 초래하였다.
실시예 5
코발트 나이트레이트 및 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트로 처리된 NCM 811 캐소드의 제조를 설명한다. 본 실시예는 코발트 나이트레이트 및 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트 첨가제 둘 모두가 NCM 811 캐소드 상의 SEI 층에 혼입되었음을 입증한다.
NCM 811 캐소드는 에탄올에 녹인 5 중량% 코발트 나이트레이트 용액에 30초 동안 침지하여 처리하였다. 캐소드를 실온에서 20분 동안 건조시킨 다음 에탄올 중 1 중량% 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트 용액으로 실온에서 1분 동안 처리하였다. 처리된 캐소드를 130℃에서 밤새 건조시켰다. 캐소드의 표면은 SEM(scanning electron microscopy)과 EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy)로 분석하였다. EDS 분석은 캐소드 표면에 코발트와 질소가 균일하게 분포되어 있음을 보여주었는데, 이는 코발트 나이트레이트와 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트 첨가제가 NCM811 캐소드의 SEI 층에 통합되었음을 보여준다.
실시예 6
본 실시예는 포타슘 트라이아졸레이트의 합성을 설명한다. 무수 테트라하이드로푸란 150mL에 용해된 1H-1,2,4-트라이아졸 6.57g의 용액을 제조하였다. 실온에서 아르곤 하에서 일정하게 교반하면서 포타슘 하이드라이드 3.82g을 상기 용액에 조금씩 첨가하였다. 생성된 반응 혼합물을 1시간 동안 교반한 후, 생성물을 불활성 분위기에서 여과하여 회수하였다. 여과 후, 생성물을 20 mL의 테트라하이드로푸란으로 세척한 다음 진공 하에 130℃에서 밤새 건조시켰다. 9.4g의 포타슘 트라이아졸레이트를 92.2%의 수율로 회수하였다. 포타슘 트라이아졸레이트는 246-247℃의 융점을 가졌다. 400MHz에서 MeOH-d4중 1H NMR로 분석했을 때, 포타슘 트라이아졸레이트는 7.92ppm에서 단일 피크를 나타냈다. 100MHz에서 MeOH-d4 중 13C NMR로 분석했을 때, 포타슘 트라이아졸레이트는 150.37ppm에서 피크를 나타냈다.
실시예 7
본 실시예는 리튬 트라이아졸레이트의 합성을 설명한다. 무수 테트라하이드로푸란 150mL에 용해된 10.78g의 1H-1,2,4-트라이아졸 용액을 제조하였다. 실온에서 아르곤 하에 계속 교반하면서 헥산 중 부틸 리튬의 2.5M 용액 62.4mL를 상기 용액에 적가하였다. 생성된 반응 혼합물을 1시간 동안 교반한 후, 생성물을 불활성 분위기에서 여과하여 회수하였다. 여과 후, 생성물을 20 mL의 테트라하이드로푸란으로 세척한 다음 진공 하에 130℃에서 밤새 건조시켰다. 9.4g의 리튬 트라이아졸레이트를 80.3%의 수율로 회수하였다. 리튬 트라이아졸레이트의 융점은 261-262℃였다. 400MHz에서 MeOH-d4중 1H NMR로 분석했을 때, 리튬 트라이아졸레이트는 7.91ppm에서 단일항 피크를 나타냈다. 100MHz에서 MeOH-d4 중 13C NMR로 분석했을 때, 리튬 트라이아졸레이트는 150.20ppm에서 피크를 나타냈다.
실시예 8
본 실시예는 전기화학 전지에서 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 포함하는 전해질을 실시예 4(즉, 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 포함하는 LCO 캐소드)와 조합하는 효과를 설명한다. 본 실시예는 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 포함하는 전해질을 첨가하면 실시예 4의 사이클 수명을 훨씬 더 증가시켰음을 입증한다.
전기화학 전지는 실시예 4에 따라 제조하되, 2% 중량의 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 함유하는 전해질 0.55g으로 채웠다. 실시예 1의 전해질에 2 중량% 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 첨가하여 전해질을 제조하였다.
전기화학 전지는 30mA에서 4.55V로 충전되었고 120mA에서 3.2V로 방전되었다. 전기화학 전지는 407mAh의 초기 용량을 산출하였다. 전지는 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 포함하는 전해질을 갖지 않는 실시예 4에 의해 완료된 137회의 충전-방전 사이클(75mA에서 4.55V로 충전되고 300mA에서 3.2V로 방전됨)과 비교하여 용량이 250mAh(초기 용량의 약 61%)로 감소되기 전에 289회의 충전-방전 사이클을 완료하였다.
실시예 9 및 비교예 1
실시예 9 및 비교예 1은 트라이아졸레이트 염을 포함하는 전기화학 전지(실시예 9) 및 다른 모든 인자는 동일하되 트라이아졸레이트 염을 갖지 않는 전기화학 전지(비교예 1)의 제조 및 사이클링에 관한 것이다. 트라이아졸레이트 염을 포함하는 전기화학 전지는 트라이아졸레이트 염을 갖지 않는 전기화학 전지보다 사이클 수명이 더 길었다.
각각의 전기화학 전지는 적층 구조를 형성하여 제조하였으며, 이때 2개의 애노드, 3개의 세퍼레이터 및 3개의 캐소드(이때 애노드와 세퍼레이터 각각은 각 캐소드의 길이의 2배)가 하기의 순서로 적층된다: 애노드/세퍼레이터/캐소드/세퍼레이터/애노드/애노드/세퍼레이터/캐소드/세퍼레이터/애노드/애노드/세퍼레이터/캐소드/세퍼레이터/애노드(이때 각각의 캐소드는 2배 길이의 세퍼레이터에 의해 양면이 덮여 있고, 첫 번째 및 마지막 캐소드는 각각 2배 길이의 애노드로 양면이 덮여 있고, 중간 캐소드는 각각 첫 번째 및 마지막 캐소드를 덮는 애노드의 다른 면에 의해 각 면이 덮여있다). 애노드는 각각 하기의 구조를 가졌다: 15 마이크론 두께의 기상 증착된 리튬/200nm 두께의 구리 집전체/2마이크론 두께의 PVOH 이형층(이때 기상 증착된 리튬이 재적층되어 양면 애노드를 제공하며, 애노드는 100mm의 길이를 가짐). 세퍼레이터는 Tonen에서 제조한 각각 9 마이크론 두께의 다공성 폴리올레핀 필름이었다. 캐소드는 각각 16마이크론 두께의 알루미늄 집전체의 각 면에 19.3mg/cm2 로 코팅된 BASF NCM622 니켈 망간 코발트 캐소드 활성 물질을 포함하였다. 캐소드의 전체 표면적은 100cm2이었다. 형성 후, 포일 파우치에 적층 구조를 첨가하고, 이때 전해질 0.55mL를 또한 첨가하였다.
실시예 9의 전해질은 1M LiPF6, 4 중량% LiBOB 및 BASF LP9(80 중량% 다이메틸 카보네이트: 20 중량% 플루오로에틸렌 카보네이트 혼합물)에 용해된 2 중량% 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 포함하였다. 비교예 1의 전해질은 BASF LP9(다이메틸 카보네이트 80 중량%: 플루오로에틸렌 카보네이트 20 중량% 혼합물)에 용해된 1M LiPF6 및 4 중량% LiBOB를 포함하였다.
적층 구조와 전해질을 포함하는 포일 파우치를 진공 밀봉한 후 24시간 동안 그대로 두었다. 그 다음, 전기화학 전지는 10 kg/cm2 압력 하에서 하기 절차에 따라 반복적으로 사이클링하였다: (1) 4.5 V로 C/10(30 mA) 충전; (2) 4.5V에서 3mA로 테이퍼링; (3) 3.2V로 C/2.5(120mA) 방전. 전지가 초기 용량의 80%를 더 이상 달성할 수 없을 때 사이클링을 중단하였다.
실시예 9는 사이클 수명이 220 사이클인 반면, 비교예 1은 사이클 수명이 180 사이클이었다. 도 4는 실시예 9 및 비교예 1에 대한 시간의 함수로서의 방전 용량을 나타내고, 실시예 9의 비교적 더 긴 사이클 수명을 나타낸다.
실시예 10 및 비교예 2-4
실시예 10 및 비교예 2 내지 4는 트라이아졸레이트 염을 포함하는 전기화학 전지(실시예 10) 및 다른 모든 인자는 동일하되 트라이아졸레이트 염을 갖지 않는 전기화학 전지(비교예 2)의 제조 및 사이클링에 관한 것이다. 추가의 비교 전지는 트라이아졸레이트 염을 포함하지 않지만 이미다졸(비교예 3) 또는 트라이아졸(비교예 4)을 추가로 포함하였다. 트라이아졸레이트 염을 포함하는 전기화학 전지(실시예 10)는 다른 전기화학 전지보다 더 긴 사이클 수명을 가졌다.
각각의 전기화학 전지는 적층 구조를 형성하여 제조하였으며, 이때 6개의 애노드, 6개의 세퍼레이터 및 3개의 캐소드가 하기의 순서로 적층된다: 애노드/세퍼레이터/캐소드/세퍼레이터/애노드/애노드/세퍼레이터/캐소드/세퍼레이터/애노드/애노드/세퍼레이터/캐소드/세퍼레이터/애노드. 애노드는 각각 하기와 같은 구조를 가졌다: 15 마이크론 두께의 기상 증착된 리튬/200nm 두께의 구리 집전체/2 마이크론 두께의 PVOH 이형층. 세퍼레이터는 Tonen에서 제조한 각각 9 마이크론 두께의 다공성 폴리올레핀 필름이었다. 캐소드는 각각 16 마이크론 두께의 알루미늄 집전체의 각 면에 20.66mg/cm2로 코팅된 BASF NCM721 니켈 망간 코발트 캐소드 활성 물질을 포함하였다. 캐소드의 전체 표면적은 100cm2이었다. 형성 후, 포일 파우치에 적층 구조를 첨가하고, 여기에 전해질 0.55mL를 또한 첨가하였다.
실시예 10의 전해질은 1M LiPF6, 1 중량% LiBOB 및 BASF LP9(80 중량% 다이메틸 카보네이트: 20 중량% 플루오로에틸렌 카보네이트 혼합물)에 용해된 2 중량% 리튬 1H-1,2,4-트라이아졸레이트를 포함했다. 비교예 2의 전해질은 BASF LP9(다이메틸 카보네이트 80 중량%: 플루오로에틸렌 카보네이트 20 중량% 혼합물)에 용해된 1M LiPF6 및 1 중량% LiBOB를 포함하였다. 비교예 3의 전해질은 1M LiPF6, 1 중량% LiBOB, 2 중량% 1H-이미다졸을 BASF LP9(80 중량% 다이메틸 카보네이트: 20 중량% 플루오로에틸렌 카보네이트 혼합물)에 녹였다. 비교예 4의 전해질은 1M LiPF6, 1 중량% LiBOB 및 BASF LP9(80 중량% 다이메틸 카보네이트: 20 중량% 플루오로에틸렌 카보네이트 혼합물)에 용해된 4 중량% 1H-1,2,4-트라이아졸을 포함하였다.
적층 구조와 전해질을 포함하는 포일 파우치를 진공 밀봉한 후 24시간 동안 그대로 두었다. 그 다음, 전기화학 전지는 10kg/cm2의 압력 하에서 하기 절차에 따라 반복적으로 사이클링하였다: (1) C/4(75mA)를 4.5V로 충전; (2) 4.5V에서 10mA로 테이퍼링; (3) 3.2V로 C(300mA) 방전. 전지가 더 이상 초기 용량의 80%를 달성할 수 없을 때 사이클링을 중단하였다.
실시예 10은 사이클 수명이 260회 사이클, 비교예 2는 사이클 수명이 190 회 사이클, 비교예 3은 사이클 수명이 92회 사이클, 비교예 4는 사이클 수명이 197회 사이클이었다. 도 5는 실시예 10 및 비교예 3 및 4에 대한 시간의 함수로서의 방전 용량을 나타내고, 실시예 10의 비교적 더 긴 사이클 수명을 나타낸다.
실시예 11 및 비교예 5
실시예 11 및 비교예 5는 트라이아졸레이트 염을 포함하는 전기화학 전지(실시예 11) 및 다른 모든 인자는 동일하되 트라이아졸레이트 염을 갖지 않는 전기화학 전지(비교예 5)의 제조 및 사이클링에 관한 것이다. 트라이아졸레이트 염을 포함하는 전기화학 전지 는 트라이아졸레이트 염을 갖지 않는 전기화학 전지보다 사이클 수명이 더 길었고, 트라이아졸레이트 염은 두 전극의 SEI 층에 통합되었다.
99.4 cm2 전극 활성 영역, 9 마이크론 폴리올레핀 세퍼레이터 및 0.55 mL의 전해질을 갖는 전기화학 전지를 조립하였다. 네가티브 전극/애노드는 금속 리튬(이형된 Cu/PVOH 기판에 20 마이크론 진공 증착된 리튬)으로 만들어졌다. 포지티브 전극/캐소드는 NCM811 캐소드였다. 비교예 5에서 사용한 전해질은 LiPF6 11.9 중량%, 플루오로에틸렌 카보네이트 16.82 중량%, 다이메틸 카보네이트 67.28 중량% 및 LiBOB 4 중량% 였다. 실시예 11에서 사용된 전해질은 비교예 5에서 사용된 전해질 98 중량% 및 포타슘 1H-1,2,4-트라이아졸레이트(KTZ) 2 중량%를 사용하였다.
전기화학 전지를 12 kg/cm2 압력 하에서 테스트하였다. 30mA에서 4.35V로 충전하고 120mA에서 3.2V로 방전하였다. 전지의 초기 용량은 400mAh이었다. 전지를 250mAh의 방전 용량으로 사이클링하고, 사이클 수명을 결정하였다. 실시예 11은 472회 사이클을 산출한 반면 비교예 5는 291회 사이클을 산출했다. 따라서, KTZ의 첨가는 실시예 11이 비교예 5의 사이클 수의 162%를 수행하므로 사이클 수명을 개선시켰다.
실시예 11' 및 비교예 5'(각각, 실시예 11 및 비교예 5와 동일함)를 20회 방전 후 정지시켜 분해하였다. 전극을 제거하고 다이메틸 카보네이트로 헹구고 건조시켰다. EDS(Energy Dispersive X-ray Spectra)로 표면을 분석하였다. EDS 결과는 실시예 11'이 애노드 표면에 2.88% 질소 및 캐소드 표면에 1.47% 질소를 갖는 반면, 비교예 5'의 표면에는 질소가 발견되지 않음을 입증하였다. 전해질의 유일한 질소 공급원은 KTZ였으며, 이는 KTZ가 캐소드뿐만 아니라 애노드의 SEI 층에 통합되었음을 보여준다.
실시예 11" 및 비교예 5"(각각, 실시예 11 및 비교예 5와 동일함)는 실시예 11 및 비교예 5와 동일한 조건에서 사이클을 수행하되. 충전 전압을 4.35V에서 4.55V로 증가시켰다. 초기 전지 용량은 465mAh이었다. 실시예 11"은 281회 사이클을 산출한 반면, 비교예 5"는 124회 사이클을 산출했다. 따라서, 실시예 11이 비교예 5보다 229%의 사이클 수를 수행하여, KTZ의 첨가는 개선된 사이클 수명을 제공하였다.
실시예 12 및 비교예 6
실시예 12 및 비교예 6은 트라이아졸레이트 염을 포함하는 전기화학 전지(실시예 12) 및 다른 모든 인자는 동일하되 트라이아졸레이트 염을 갖지 않는 전기화학 전지(비교예 6)의 제조 및 사이클링에 관한 것이다. 실시예 12는 실시예 11과 동일하고, 비교예 6은 비교예 5와 동일하되, 캐소드가 LCO 캐소드(각각 LCO 물질 2.53g 함유)이다. 트라이아졸레이트 염을 포함하는 전기화학 전지는 트라이아졸레이트 염을 갖지 않는 전기화학 전지보다 사이클 수명이 더 길었고, 이러한 향상은 더 높은 충전 전압으로 증가하였다.
실시예 12 및 비교예 6은 30mA에서 4.4V 내지 4.65V의 전압으로 충전되었고 120mA 내지 3.2V에서 방전되었다. 표 2는 다양한 충전 전압에서 관찰된 성능을 제공한다. 표 2는 KTZ를 추가하면 사이클 수명이 개선되고 충전 전압이 높을수록 개선 정도가 증가함을 보여준다.
| 다양한 충전 전압에서 LCO 캐소드 전지 성능 | |||||||
|
충전 전압
(V) |
전지
초기 용량 (mAh) |
캐소드 비용량
(mAh/g) |
평균
방전 전압 |
캐소드 비에너지 (mWh/g) |
사이클
수명 비교예 8 |
사이클
수명 실시예 8 |
실시예 8에 의해 수행된 비교예 8 사이클의 % |
| 4.40 | 418 | 165 | 3.99 | 658 | 261 | 392 | 150% |
| 4.50 | 459 | 181 | 4.03 | 730 | 121 | 255 | 211% |
| 4.55 | 500 | 197 | 4.07 | 800 | 71 | 220 | 310% |
| 4.60 | 548 | 217 | 4.11 | 892 | 16 | 86 | 538% |
| 4.65 | 574 | 225 | 4.06 | 911 | 11 | 61 | 555% |
본 발명의 일부 실시양태가 본원에서 기술되고 예시되었지만, 당업자는 본원에 기술된 기능을 수행하고/하거나 본원에 기술된 결과 및/또는 하나 이상의 이점을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조체를 쉽게 구상할 것이며, 각각의 이러한 변형 및/또는 수정은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당업자들은 본원에 기술된 모든 파라미터들, 치수들, 물질들 및 구성들이 예시적인 것으로 의도되고 실제 파라미터들, 치수들, 물질들 및/또는 구성들은 본 발명의 교시가 사용되는 특정 적용례에 따라 달라질 것이라는 점을 쉽게 이해할 것이다. 당업자라면 일상적인 실험을 사용하거나 본원에 기술된 본 발명의 특정 실시양태에 대한 많은 균등물을 사용하여 알 수 있거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시양태는 단지 예시로서 제공되며, 첨부된 청구 범위 및 이에 상응하는 균등 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 설명되고 청구된 것과 달리 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명은 본원에 기술된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법이 상호 불일치하지 않는 경우, 둘 이상의 상기 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법의 임의의 조합이 본 발명의 범주 내에 포함된다.
본원에 정의되고 사용되는 모든 정의는 사전적 정의, 참고로 인용된 문헌에서의 정의 및/또는 정의된 용어의 통상적 의미보다 우선하는 것으로 이해되어야 한다.
본원 및 청구범위에서 사용된 단수형 표현은, 달리 명확히 기재되지 않는 한, "하나 이상"이 존재함을 의미하는 것으로 이해해야 한다.
본원 및 청구범위에서 사용된 용어 "및/또는"은 함께 결합된 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 다", 즉 일부 경우에는 결합적으로 존재하고 다른 경우에는 분리적으로 존재하는 요소를 의미하는 것으로 이해해야 한다. "및/또는"을 사용하여 나열된 여러 요소는 동일한 방식으로, 즉 함께 결합된 요소 중 "하나 이상"으로 이해되어야 한다. 구체적으로 식별된 요소와 관련이 있는지 여부와 상관없이 용어 "및/또는"에 의해 구체적으로 식별되는 요소들 이외에 다른 요소들도 임의적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 용어와 함께 사용될 때, "A 및/또는 B"라는 표현은, 하나의 실시양태에서, 단지 A(임의적으로 B 이외의 요소들을 포함함); 다른 실시양태에서는 단지 B(임의적으로 A 이외의 요소들을 포함함); 또 다른 실시양태에서는 A 및 B 둘 다(임의적으로 다른 요소들을 포함함) 등을 나타낼 수 있다.
본원 및 청구범위에 사용된 "또는"은 상기에서 정의된 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로 해석되어야 하며, 즉 여러 개의 또는 목록의 요소들 중 하나 이상을 포함하지만, 여러 개의 또는 목록의 요소 중 하나 초과 및 임의적으로는 열거되지 않은 부가적인 항목까지 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. "오직 하나" 또는 "정확히 하나" 또는 청구범위에 사용되는 "~로 이루어진"과 같이 달리 명확히 표시된 용어는 여러 또는 목록의 요소들 중 정확히 하나의 요소만을 포함하는 것을 의미할 것이다. 일반적으로, 본원에 사용된 "또는"이라는 용어가 예를 들어 "둘 중 하나", "중 하나", "중 단지 하나" 또는 "중 정확하게 하나"와 같은 배타적인 용어 앞에 사용되는 경우, 배타적인 대안(즉, 하나 또는 다른 하나, 그러나, 둘 다는 안됨)을 의미하는 것으로만 해석될 것이다. 청구범위에 사용된 "~으로 본질적으로 이루어진"은 특허법 분야에 사용되는 바와 같은 통상적인 의미를 갖는다.
본원 및 청구범위에서 사용될 때, 하나 이상의 요소들의 목록과 관련하여 "적어도 하나"이라는 어구는, 요소의 목록에서 요소들 중 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하고, 필수적이지는 않지만, 요소의 목록 중 요소의 임의의 조합을 배제하지 않고 요소들의 목록 중에 구체적으로 열거된 모든 요소 및 각각의 요소들 중 적어도 하나를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 상기 정의는 또한, 구체적으로 확인된 요소들과 관련되거나 관련되지 않거나, "적어도 하나"라는 어구가 지칭하는 요소의 목록에서 구체적으로 확인되는 요소 이외에 요소들이 선택적으로 존재할 수도 있음을 허용한다. 따라서, 비-제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 동등하게, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 동등하게, "A 및/또는 B 중 적어도 하나")은, 하나의 실시양태에서, 어떠한 B도 존재하지 않으면서(임의적으로 B 이외의 요소는 포함함), 하나 초과를 임의적으로 포함하는 적어도 하나의 A를 지칭하거나; 또 다른 실시양태에서, 어떠한 A도 존재하지 않으면서(임의적으로 A 이외의 요소는 포함함), 하나 초과를 임의적으로 포함하는 적어도 하나의 B를 지칭하거나; 또 다른 실시양태에서, 하나 초과를 임의적으로 포함하는 적어도 하나의 A 및 하나 초과를 임의적으로 포함하는 적어도 하나의 B (임의적으로, 다른 요소를 포함함)를 지칭할 수 있다.
또한, 명백히 반대를 나타내지 않는 한, 하나 초과의 단계 또는 작용을 포함하는 본원에 청구된 임의의 방법에서, 방법은 방법의 단계 또는 작용이 언급된 순서에 반드시 제한되는 것은 아님이 이해되어야 한다.
전술한 명세서뿐만 아니라 청구범위에서, "포함하는", "비롯한", "수반하는", "갖는", "함유하는", "포괄하는", "보유하는", "구성되는" 등의 모든 전이 어구(transitional phrase)는, 개방형으로, 즉 이로서 한정하는 것이 아니라 이를 포함하는 것으로 이해되어야만 한다. 단지 "~으로 이루어진" 및 "~으로 본질적으로 이루어진"과 같은 전이 어구는, 미국 특허청의 특허심사지침서 섹션 2111.03에 개시된 바와 같이, 각각 폐쇄형 또는 반-폐쇄형 어구가 된다.
Claims (174)
- 제1 전극; 및
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된(negatively-charged) 고리를 포함하는 종(species) 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는 제2 전극
을 포함하는 전기화학 전지(electrochemical cell). - 제1 전극;
제2 전극; 및
제2 전극 상에 배치된 보호층
을 포함하는 전기화학 전지로서, 이때 제2 전극 상에 배치된 보호층이 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지. - 리튬 금속을 포함하는 제1 전극; 및
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종을 포함하는 전해질로서, 이때 상기 종에 전자-끄는(electron-withdrawing) 치환기가 존재하지 않는, 전해질
을 포함하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전극 상에 배치된 보호층을 추가로 포함하고, 이때 제1 전극 상에 배치된 보호층이 상기 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지. - 리튬 금속을 포함하는 제1 전극; 및
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는 제1 전극 상에 배치된 보호층으로서, 이때 상기 종에 전자-끄는 치환기가 존재하지 않는, 제1 전극 상에 배치된 보호층
을 포함하는, 전기화학 전지. - 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 전극을 추가로 포함하는 전기화학 전지. - 제6항에 있어서,
제2 전극이 상기 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학 전지가 제2 전극 상에 배치된 보호층을 포함하고, 이때 제2 전극 상에 배치된 보호층이 상기 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전극 상에 배치된 보호층 및/또는 제2 전극 상에 배치된 보호층이 상기 종을 포함하는, 전기화학 전지. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전극 상에 배치된 보호층 및/또는 제2 전극 상에 배치된 보호층이 상기 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 전극이 전이 금속을 포함하는, 전기화학 전지. - 제11항에 있어서,
상기 반응 생성물이 전이 금속과 상기 종 사이의 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지. - 전이 금속을 포함하는 전극을, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종을 포함하는 용액에 노출시키는 단계; 및
상기 전극 상에 배치된 보호층을 형성하는 단계로서, 이때 보호층이 상기 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는, 단계
를 포함하는 방법. - 전이 금속을 포함하는 예비 용액에 전극을 노출시키는 단계;
상기 전극을, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종을 포함하는 용액에 노출시키는 단계; 및
상기 전극 상에 배치된 보호층을 형성하는 단계로서, 이때 보호층이 상기 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는, 단계
를 포함하는 방법. - 제14항에 있어서,
예비 용액이 0.5 중량% 이상 및 10 중량% 이하의 전이 금속 염을 포함하는, 방법. - 제15항에 있어서,
예비 용액이 3 중량% 이상 및 5 중량% 이하의 전이 금속 염을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
보호층이 상기 종을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
보호층이 상기 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 생성물이 전이 금속과 상기 종 사이의 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용액이 불안정한(labile) 할로겐 원자를 포함하는 제2 종을 추가로 포함하는, 방법. - 제20항에 있어서,
상기 용액이 5 중량% 이상 및 50 중량% 이하, 및/또는 10 중량% 이상 및 30 중량% 이하의 제2 종을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
전극을 예비 용액 및/또는 용액에 노출시키는 것이, 전극을 예비 용액 및/또는 용액에 담그고/담그거나, 침지시키고/침지시키거나, 전극에 예비 용액 및/또는 용액을 분무하는 것을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
전극이 전기활성 물질을 포함하고, 전기활성 물질이 표면을 포함하고, 전극을 예비 용액 및/또는 용액에 노출시키는 것이, 전기활성 물질의 표면의 80% 이상 및/또는 90% 이상 및 100% 이하를 습윤시키는 것을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
전극을 예비 용액 및/또는 용액에 노출시키는 단계가 예비 용액 및/또는 용액의 동결점 초과의 온도에서, 0℃ 이상의 온도에서, 40℃ 이하의 온도에서, 및/또는 실온에서 수행되는, 방법. - 제13항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
전극을 예비 용액 및/또는 용액에 노출시키는 단계가 30초 이상 동안 및/또는 5분 이하 동안 수행되는, 방법. - 제13항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
전극을 예비 용액 및/또는 용액에 노출시키는 단계가 진공하에서 수행되는, 방법. - 제13항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
전극을 건조시키는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제27항에 있어서,
건조가 일정한 온도에서 일정 시간 동안 건조하는 것을 포함하는, 방법. - 제28항에 있어서,
온도가 실온 이상, 150℃ 이하, 및/또는 120℃ 이상 및 130℃ 이하인, 방법. - 제28항 또는 제29항에 있어서,
기간이 1초 이상 및 24시간 이하, 및/또는 5시간 이상 및 15 시간이하인, 방법. - 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
건조가 제2 온도에서 제2 기간 동안 건조하는 것을 추가로 포함하는, 방법. - 제31항에 있어서,
제2 온도가 상기 온도를 초과하고/하거나, 제2 기간이 상기 기간을 초과하는, 방법. - 제31항 또는 제32항에 있어서,
제2 온도가 실온 이상 및 150℃ 이하 및/또는 120℃ 이상 및 130℃ 이하인, 방법. - 제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 기간이 1초 이상 및 24시간 이하 및/또는 5시간 이상 및 15시간 이하인, 방법. - 제27항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
건조가 진공 하의 건조를 포함하는, 방법. - 제27항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
건조가, 전극을 예비 용액에 노출시킨 후 및 전극을 용액에 노출시키기 전에 전극을 건조시키는 것을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
예비 용액 및/또는 용액이 유기 용매를 포함하는, 방법. - 제37항에 있어서,
유기 용매가 알코올 및/또는 나이트릴을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 상기 용액에 0.1 중량% 이상 및 5 중량% 이하, 및/또는 0.5 중량% 이상 및 2 중량% 이하의 양으로 존재하는, 방법. - 전이 금속을 포함하는 전극 물질을, 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종과 조합하여 혼합물을 형성하는 단계,
금속 기판을 상기 혼합물로 코팅하는 단계, 및
상기 혼합물을 건조하여 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 방법. - 제40항에 있어서,
보호층이 상기 전극 상에 배치되고, 이때 보호층이 상기 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제41항에 있어서,
보호층이 상기 종을 포함하는, 방법. - 제41항 또는 제42항에 있어서,
보호층이 상기 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제41항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 생성물이 전이 금속과 상기 종 사이의 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제40항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
조합하는 것이 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 제2 종과 상기 종 및 상기 전극 물질을 조합하여 혼합물을 생성하는 것을 추가로 포함하는, 방법. - 제40항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 혼합물이 고체 구성요소 및 액체 구성요소를 포함하는, 방법. - 제46항에 있어서,
상기 혼합물이 10 중량% 이상 및 50 중량% 이하의 고체 구성요소를 포함하는, 방법. - 제46항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 구성요소가 유기 용매를 포함하는, 방법. - 제40항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 물질 및/또는 고체 구성요소가 금속 및/또는 금속 산화물을 포함하는, 방법. - 제40항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 물질 및/또는 고체 구성요소가 80 중량% 이상의 금속 및/또는 금속 산화물을 포함하는, 방법. - 제49항 또는 제50항에 있어서,
금속 및/또는 금속 산화물이 리튬 금속, 전이 금속, 및/또는 전이 금속 산화물을 포함하는, 방법. - 제40항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 혼합물이 0.1 중량% 이상 및 20 중량% 이하의 상기 종 및/또는 5 중량% 이상 및 15 중량% 이하의 상기 종을 포함하는, 방법. - 제40항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 물질 및/또는 고체 구성요소가 결합제를 포함하는, 방법. - 제53항에 있어서,
상기 전극 물질 및/또는 고체 구성요소가 0.1 중량% 이상의 결합제 및 10 중량% 이하의 결합제 및/또는 0.5 중량% 이상의 결합제 및 5 중량% 이하의 결합제를 포함하는, 방법. - 제40항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서,
전극 물질 및/또는 고체 구성요소가 탄소계 물질을 포함하는, 방법. - 제55항에 있어서,
전극 물질 및/또는 고체 구성요소가 0.1 중량% 이상 및 10 중량% 이하 및/또는 0.5 중량% 이상 및 5 중량% 이하의 탄소계 물질을 포함하는, 방법. - 제40항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
금속 기판이 알루미늄, 알루미늄 합금, 및/또는 금속화된 중합체 필름을 포함하는, 방법. - 제40항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서,
금속 기판이 4 마이크론 이상 및 50 마이크론 이하 및/또는 7 마이크론 이상 및 15 마이크론 이하의 두께를 갖는, 방법. - 제13항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
전극이 제2 전극인, 방법. - 제59항에 있어서,
제2 전극을 제1 전극과 조합하여 전기화학 전지를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 일정 부피의 전해질을 제1 전극을 포함하는 전기화학 전지에 배치하는 단계로서, 이때 제1 전극이 리튬 금속을 포함하고, 전해질이 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리를 포함하는 종을 포함하는, 단계; 및
제1 전극 상에 보호층을 형성하는 단계로서, 이때 보호층이 상기 종 및/또는 이의 반응 생성물을 포함하고, 상기 종에 전자-끄는 치환기가 존재하지 않는, 단계
를 포함하는, 방법. - 제61항에 있어서,
보호층이 상기 종을 포함하는, 방법. - 제61항 또는 제62항에 있어서,
보호층이 상기 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제61항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 생성물이 리튬 금속과 상기 종 사이의 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제61항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학 전지가 제2 전극을 추가로 포함하는, 방법. - 제65항에 있어서,
제2 전극이 전이 금속을 포함하는, 방법. - 제65항 내지 제66항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학 전지에 일정 부피의 전해질을 배치하는 단계가 제2 전극 상에 제2 보호층을 추가로 형성하는, 방법. - 제67항에 있어서,
제2 보호층이 상기 종 및/또는 이의 제2 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제68항에 있어서,
제2 보호층이 상기 종을 포함하는, 방법. - 제68항 또는 제69항에 있어서,
제2 보호층이 제2 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제68항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 반응 생성물이 전이 금속과 상기 종 사이의 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제61항 내지 제71항 중 어느 한 항에 있어서,
전해질이 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 제2 종을 추가로 포함하는, 방법. - 제72항에 있어서,
전해질이 5 중량% 이상 및 50 중량% 이하, 및/또는 10 중량% 이상 및 30 중량% 이하의 제2 종을 포함하는, 방법. - 제61항 내지 제73항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물 및/또는 제2 반응 생성물이 상기 종 및 제2 종 사이의 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제61항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물이 상기 종, 제2 종, 및 리튬 금속 사이의 반응 생성물을 포함하는, 방법. - 제68항 내지 제75항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 반응 생성물이 상기 종, 제2 종, 및 전이 금속을 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제76항 중 어느 한 항에 있어서,
전자 끄는 치환기가 상기 종에 존재하지 않는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제77항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물이 상기 종 및 제2 종 사이의 반응 생성물을 포함하고, 이때 제2 종이 불안정한 할로겐 원자를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제78항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물이 상기 종, 전이 금속, 및 제2 종 사이의 반응 생성물을 포함하고, 이때 제2 종이 불안정한 할로겐 원자를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학 전지가 전해질을 추가로 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제80항 중 어느 한 항에 있어서,
전해질이 상기 종을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제81항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물이 리튬 금속과 상기 종 사이의 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서,
전해질이 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 제2 종을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제83항에 있어서,
전해질이 5 중량% 이상 및 50 중량% 이하, 및/또는 10 중량% 이상 및 30 중량% 이하의, 불안정한 할로겐 원자를 포함하는 제2 종을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제84항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전극이 리튬 금속을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서,
보호층이 제1 전극 상에 배치되는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제86항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전극 상에 배치된 보호층이 상기 종 및/또는 제2 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제87항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전극 상에 배치된 보호층이 상기 종을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제88항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전극 상에 배치된 보호층이 제2 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제89항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 반응 생성물이 리튬 금속과 상기 종 사이의 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제90항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 반응 생성물이 상기 종 및 제2 종 사이의 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 반응 생성물이 상기 종, 제2 종, 및 리튬 금속 사이의 반응 생성물을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제92항 중 어느 한 항에 있어서,
전해질이 제2 종을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서,
불안정한 할로겐 원자가 불안정한 불소 원자를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제94항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 종이 PF6 -, 플루오로에틸렌 카보네이트, 다이플루오로에틸렌 카보네이트, 다이플루오로(옥살라토)보레이트 음이온, 비스(플루오로설포닐)이미드 음이온, 및/또는 비스(트라이플루오로에탄 설포닐)이미드 음이온을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서,
전해질이 제2 종에 대한 반대이온을 추가로 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제96항에 있어서,
제2 종에 대한 상기 반대이온이 다가인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제96항 또는 제97항에 있어서,
제2 종에 대한 반대이온이 알칼리 금속 양이온을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제96항 내지 제98항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 종에 대한 반대이온이 Li+, Na+, K+, Rb+, Fr+, 및/또는 Cs+ 중 하나 이상을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제99항 중 어느 한 항에 있어서,
전해질이 제2 종과 상이한 불안정한 불소 원자를 포함하는 제3 종을 추가로 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제100항에 있어서,
제2 종이 PF6 -를 포함하고, 제3 종이 플루오로에틸렌 카보네이트를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제101항 중 어느 한 항에 있어서,
불안정한 할로겐 원자가 불안정한 염소 원자를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제102항에 있어서,
제2 종이 클로로에틸렌 카보네이트를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제103항 중 어느 한 항에 있어서,
불안정한 할로겐 원자가 불안정한 브롬 원자 및/또는 불안정한 요오드 원자를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제104항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 전극이 캐소드를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제105항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 전극이 전이 금속 및/또는 전이 금속 산화물을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제106항 중 어느 한 항에 있어서,
전이 금속이 Co, Ni, Mn, Fe, Cr, V, Cu, Zr, Nb, Mo, Ag, 및/또는 란타나이드(lanthanide) 금속을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제107항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 전극이 리튬 전이 금속 산화물을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제108항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 전극이 리튬-층간삽입 전극, LCO 캐소드, NCM622 캐소드, NCM721 캐소드, NCM811 캐소드, LiNixCoyMnz 캐소드(여기서 x+y+z =1임), 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 캐소드, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 캐소드, 리튬 철 포스페이트 캐소드, 및/또는 리튬 코발트 산화물 캐소드를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제109항 중 어느 한 항에 있어서,
전해질이 액체 전해질을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제110항 중 어느 한 항에 있어서,
전해질이 LiPF6, 플루오로에틸렌 카보네이트, 다이메틸 카보네이트, 및/또는 리튬 비스(옥살레이트)보레이트를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제111항 중 어느 한 항에 있어서,
전해질이 용매를 추가로 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제112항에 있어서,
용매가 카보네이트를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제113항에 있어서,
카보네이트가 다이메틸 카보네이트를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제114항 중 어느 한 항에 있어서,
전해질이 부가 염을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제115항에 있어서,
부가 염이 (옥살라토)보레이트 기, 리튬 비스(옥살라토)보레이트, 트리스(옥살라토)포스페이트 음이온, 및/또는 리튬 트리스(옥살라토)포스페이트를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제116항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물 중 하나 이상이 전해질에 불용성인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제117항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물 중 하나 이상이 유기 용매에 불용성인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제118항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물 중 하나 이상이 전이 금속 및/또는 리튬 금속과의 공유 및/또는 배위 결합을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제119항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물 중 하나 이상이 중합체를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제120항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물 중 하나 이상이 2D 중합체 네트워크 및/또는 3D 중합체 네트워크를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제121항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학 전지가 모든 다른 요인은 동일하되 상기 종 및/또는 하나 이상의 반응 생성물이 없는 전기화학 전지와 비교하여 증가된 사이클 수명을 갖는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제122항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학 전지가, 상기 종 및/또는 하나 이상의 반응 생성물이 없는 전기화학 전지와 비교하여 용량이 초기 용량의 80%로 감소하기 전에 115% 이상 및/또는 115% 이상 및 500% 이하의 충전-방전 사이클 수를 완료하도록 구성되는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제123항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학 전지가, 상기 종 및/또는 하나 이상의 반응 생성물이 없는 전기화학 전지와 비교하여 용량이 초기 용량의 62.5%로 감소하기 전에 115% 이상 및/또는 115% 이상 및 1,000% 이하의 충전-방전 사이클 수를 완료하도록 구성되는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제122항 내지 제124항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학 전지가 고전압으로 충전되는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제122항 내지 제125항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학 전지가 4.0 V 이상 및/또는 4.0 V 이상 및 4.75 V 이하로 충전되는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제126항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전극이 애노드를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제127항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학 전지가 세퍼레이터(separator)를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제128항에 있어서,
세퍼레이터가 폴리올레핀 세퍼레이터를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제129항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 알칼리 금속을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제130항에 있어서,
알칼리 금속이 Li, Na, K, Rb, Cs, 및/또는 Fr를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제131항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 둘 이상의 질소 원자를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제132항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 치환된 또는 비치환된 1,2,4-트라이아졸, 1,2,3-트라이아졸, 1,3,4-트라이아졸, 피라졸, 이미다졸, 테트라졸, 벤즈이미다졸, 인다졸, 및/또는 벤조트라이아졸을 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제133항 중 어느 한 항에 있어서,
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리가 치환된, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제134항 중 어느 한 항에 있어서,
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리가 단일-치환된, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제135항 중 어느 한 항에 있어서,
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리가 다중-치환된, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제136항 중 어느 한 항에 있어서,
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리가 알킬, 아릴, 알콕시, 아릴옥시, 나이트로, 아미노, 싸이오, 플루오로, 클로로, 브로모, 아이오도, 및/또는 포스페이트 치환기로 치환된, 전기화학 전지 또는 방법. - 제13항 내지 제137항 중 어느 한 항에 있어서,
사용 중에 이방성 힘을 제1 전극의 표면에 수직인 분력으로 전기화학 전지에 인가하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제138항에 있어서,
제1 전극의 표면에 수직인 이방성 힘의 분력이 리튬 금속의 항복 응력의 약 20% 내지 약 200%인, 방법. - 제1항 내지 제139항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 전자-주는(electron-donating) 기를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제140항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 표준 온도 및 압력 조건에서 물에서 불안정한, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제141항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 모노사이클릭인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제142항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 폴리사이클릭인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제143항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 바이사이클릭 및/또는 트라이사이클릭인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제144항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 5-원 고리, 6-원 고리, 2개의 6-원 고리, 5-원 고리 및 6-원 고리, 9-원 고리, 12-원 고리, 및/또는 16-원 고리를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제145항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 1가 음이온인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제146항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 질소 원자에 부착된 임의의 산성 양성자를 포함하지 않는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제147항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종이 임의의 산성 양성자를 포함하지 않는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제148항 중 어느 한 항에 있어서,
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리가 피롤레이트 유도체, 아졸레이트 유도체, 이미다졸레이트 유도체, 피라졸레이트 유도체, 및/또는 트라이아졸레이트 유도체를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제151항 중 어느 한 항에 있어서,
전해질이 질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리에 대한 반대이온을 추가로 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제150항에 있어서,
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리에 대한 반대이온이 1가인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제150항에 있어서,
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리에 대한 반대이온이 다가인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제150항 내지 제152항 중 어느 한 항에 있어서,
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리에 대한 반대이온이 알칼리 금속 양이온인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제150항 내지 제153항 중 어느 한 항에 있어서,
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리에 대한 반대이온이 Li+, Na+, K+, Rb+, Fr+, 및/또는 Cs+ 중 하나 이상인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제154항 중 어느 한 항에 있어서,
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리 및 이의 반대이온이 함께 0.01 중량% 이상 및 5 중량% 이하 및/또는 1 중량% 이상 및 3 중량% 이하의 전해질을 구성하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제155항 중 어느 한 항에 있어서,
질소 원자를 포함하는 공액 음성-대전된 고리가 하기 구조를 갖는, 전기화학 전지 또는 방법:
,
상기 식에서,
각각의 X는 독립적으로 -N= 및 -CR=으로 구성된 군으로부터 선택되고;
각 경우의 R은 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알콕시, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴으로부터 선택되고;
임의적으로, 임의의 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다. - 제156항에 있어서,
각 경우의 R이 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알콕시, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 또는 임의적으로 치환된 설파이드로부터 선택되는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제156항 또는 제157항에 있어서,
어떠한 X도 -N=이 아니며 4개의 X가 -CR=이고, 하나의 X가 -N=이며 3개의 X가 -CR=이고, 2개의 X가 -N=이며 2개의 X가 -CR=이고, 및/또는 3개의 X가 -N=이며 하나의 X가 -CR=인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제156항 내지 제158항 중 어느 한 항에 있어서,
어떠한 R도 연결되어 고리를 형성하지 않는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제156항 내지 제158항 중 어느 한 항에 있어서,
2개의 R이 연결되어 제1 방향족 고리를 형성하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제160항에 있어서,
제1 방향족 고리가 적어도 하나의 질소 원자를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제160항 또는 제161항에 있어서,
2개의 R이 연결되어 제1 방향족 고리를 형성하고, 2개의 R이 연결되어 제2 방향족 고리를 형성하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제162항에 있어서,
제1 및 제2 방향족 고리 중 적어도 하나가, 적어도 하나의 질소 원자를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제156항 또는 제157항에 있어서,
가
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
, 또는
를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법:
상기 식에서,
각 경우의 R이 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알코올, 할로, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 나이트로, 임의적으로 치환된 설포닐, 임의적으로 치환된 아실, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 임의적으로 치환된 설파이드, 아이소나이트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 또는 나이트릴으로부터 선택되고;
임의적으로, 임의의 2개의 R이 연결되어 고리를 형성한다. - 제164항에 있어서,
각 경우의 R이 독립적으로 수소, 임의적으로 치환된 알킬, 알콕시, 임의적으로 치환된 헤테로알킬, 임의적으로 치환된 사이클로헤테로알킬, 임의적으로 치환된 알케닐, 임의적으로 치환된 알키닐, 임의적으로 치환된 아릴, 임의적으로 치환된 헤테로아릴, 임의적으로 치환된 알케닐옥시, 임의적으로 치환된 알콕시, 임의적으로 치환된 싸이오, 에폭시, 임의적으로 치환된 옥시아실옥시, 임의적으로 치환된 아미노아실, 아자이드, 임의적으로 치환된 아미노, 임의적으로 치환된 포스핀, 또는 임의적으로 치환된 설파이드로부터 선택되는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제165항 중 어느 한 항에 있어서,
친핵성 치환 반응이, 전해질이 NMR 측정에 의해 검출가능한 조성 변화를 겪도록 야기하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제166항에 있어서,
NMR 측정이 19F NMR 측정, 31P NMR 측정, 13C NMR 측정, 및/또는 1H NMR 측정인, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제167항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전극 상에 배치된 보호층 및/또는 제2 전극 상에 배치된 보호층이 복수의 입자를 추가로 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제168항에 있어서,
상기 복수의 입자가 에어로졸 증착에 의해 증착되는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제1항 내지 제169항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전극 상에 배치된 보호층 및/또는 제2 전극 상에 배치된 보호층이 0.1 원자% 이상 및 10 원자% 이하의 질소, 1 원자% 이상 및 5 원자% 이하의 질소, 및/또는 0.5 원자% 이상 및 2 원자% 이하의 질소를 포함하는, 전기화학 전지 또는 방법. - 제13항 내지 제170항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전해질의 부피가 제1 전극의 모든 공극을 채우는, 방법. - 제13항 내지 제171항 중 어느 한 항에 있어서,
일정 부피의 전해질을 전기화학 전지에 배치하는 단계가 전기화학 전지의 초기 사용 전 적어도 24시간 전에 수행되는, 방법. - 제1항 내지 제12항 및 제77항 내지 제170항 중 어느 한 항의 전기화학 전지를 포함하는 재충전가능한 배터리.
- 제1항 내지 제12항 및 제77항 내지 제170항 중 어느 한 항의 전기화학 전지, 또는 제173항의 재충전가능한 배터리를 포함하는 전기 차량.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202063089862P | 2020-10-09 | 2020-10-09 | |
| US202063090146P | 2020-10-09 | 2020-10-09 | |
| US63/090,146 | 2020-10-09 | ||
| US63/089,862 | 2020-10-09 | ||
| PCT/US2021/053089 WO2022076251A1 (en) | 2020-10-09 | 2021-10-01 | Electrochemical cells and/or components thereof comprising nitrogen-containing species, and methods of forming them |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230084202A true KR20230084202A (ko) | 2023-06-12 |
Family
ID=81126782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020237014596A KR20230084202A (ko) | 2020-10-09 | 2021-10-01 | 질소-함유 종을 포함하는 전기화학 전지 및/또는 이의 구성요소, 및 이의 제조 방법 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4226437A1 (ko) |
| JP (1) | JP2023544821A (ko) |
| KR (1) | KR20230084202A (ko) |
| WO (1) | WO2022076251A1 (ko) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103814468B (zh) * | 2013-09-27 | 2018-07-06 | 惠州亿纬锂能股份有限公司 | 一种锂电池用电解液及使用该电解液的锂电池 |
| CN107394115B (zh) * | 2016-04-29 | 2022-03-29 | 三星电子株式会社 | 用于锂金属电池的负极和包括其的锂金属电池 |
| US10734677B2 (en) * | 2017-06-26 | 2020-08-04 | Robert Bosch Gmbh | Substituted imidazole and benzimidazole lithium salts |
| CN109065832B (zh) * | 2018-06-25 | 2021-07-09 | 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） | 一种在二次锂电池金属负极表面生长保护层的方法 |
-
2021
- 2021-10-01 EP EP21878265.4A patent/EP4226437A1/en active Pending
- 2021-10-01 WO PCT/US2021/053089 patent/WO2022076251A1/en active Application Filing
- 2021-10-01 KR KR1020237014596A patent/KR20230084202A/ko unknown
- 2021-10-01 JP JP2023521483A patent/JP2023544821A/ja active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023544821A (ja) | 2023-10-25 |
| EP4226437A1 (en) | 2023-08-16 |
| WO2022076251A1 (en) | 2022-04-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11088395B2 (en) | Additives for electrochemical cells | |
| US11784297B2 (en) | Passivating agents for electrochemical cells | |
| KR102349772B1 (ko) | 전극 및 전기화학 전지 보호층 | |
| US10868306B2 (en) | Passivating agents for electrochemical cells | |
| US20210057753A1 (en) | Electrochemical cells and components comprising thiol group-containing species | |
| KR20190122469A (ko) | 복합분리막, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지 | |
| US20220115705A1 (en) | Electrochemical cells comprising nitrogen-containing species, and methods of forming them | |
| US20230261182A1 (en) | Electrochemical cells and/or components thereof comprising nitrogen-containing species, and methods of forming them | |
| EP3404748A1 (en) | Electrochemical cells comprising additives | |
| KR20230084202A (ko) | 질소-함유 종을 포함하는 전기화학 전지 및/또는 이의 구성요소, 및 이의 제조 방법 | |
| EP3168915B1 (en) | Additives for electrochemical cells | |
| US20220352521A1 (en) | Integrated battery electrode and separator | |
| US20230112241A1 (en) | High voltage lithium-containing electrochemical cells including magnesium-comprising protective layers and related methods | |
| US20220320586A1 (en) | In-situ control of solid electrolyte interface for enhanced cycle performance in lithium metal batteries | |
| EP3404749B1 (en) | Electrochemical cells comprising additives |