KR20240023389A - 리튬-공기 배터리 - Google Patents

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KR20240023389A
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제르지 가즈다
카렐 밴회스덴
라트나쿠마르 붓가
다니엘 쿡
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라이텐, 인코포레이티드
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Abstract

배터리는 애노드, 애노드에 대향하여 배치된 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리기, 캐소드 전체에 분산되어 애노드와 접촉하는 전해질, 및 이중 기공 시스템을 포함할 수 있다. 애노드는 복수의 리튬 이온을 방출하도록 구성될 수 있다. 캐소드는 복수의 다공성 비-중공 탄소질 구형 입자에 의해 정의된 복수의 경로를 포함할 수 있고, 각각이 다공성 비-중공 탄소질 구형 입자 그룹의 합체에 기반하는 복수의 탄소질 구조를 포함할 수 있다. 이중 기공 시스템은 캐소드에 배치되고 복수의 탄소질 구조에 의해 모양 및 배향이 정의될 수 있다. 일부 양태에서, 이중 기공 시스템은 주변 대기로부터 기체 산소를 수용하도록 구성될 수 있다.

Description

리튬-공기 배터리
본 특허 출원은 2021년 6월 16일에 출원된 "LITHIUM-AIR BATTERY"라는 제목의 미국 가특허 출원 번호 63/211,445호에 대해 우선권을 주장하는 2021년 9월 27일에 출원된 "LITHIUM-AIR BATTERY"라는 제목의 미국 특허 출원 번호 제17/485,888호의 부분 계속 출원이고 이에 대해 우선권을 주장하고, 이 둘 모두는 본원의 양수인에게 양도된다. 종래 출원의 개시내용은 그 전체가 본 특허 출원에 그 전체가 참조로 포함된다.
본 개시내용은 일반적으로 리튬-공기 배터리에 관한 것이고, 더 구체적으로는 다공성 경로를 갖는 캐소드를 갖는 리튬-공기 배터리에 관한 것이다.
리튬-공기 배터리는 휴대용 통신 디바이스에서 전기 차량에 이르기까지 다양한 부하에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 리튬-공기 배터리는 산소를 캐소드 활성 재료로 사용하여, 예를 들어, 배터리 방전 사이클 동안 애노드에서 리튬을 산화시키고, 배터리 방전 사이클 동안 캐소드에서 산소를 산화 리튬으로 환원시키고, 배터리 충전 사이클 동안 그 반대이다. 주변 공기에 의해 공급되는 산소를 캐소드 활성 재료로 사용함으로써, 리튬-공기 배터리는 임의의 캐소드 활성 재료를 저장할 필요가 없다. 리튬-공기 배터리가 이론적으로 매우 높은 비에너지(예를 들어, 11,000 Wh/kg 초과)를 가지고 있지만, 실제 비에너지는 전자 전달의 느린 동역학 및/또는 산화 리튬의 산화환원 반응 및 축적을 위한 캐소드 다공성 기하구조의 불완전한 활용으로 인해 더 낮을 수 있고 리튬-공기 배터리의 동작 사이클링 동안 캐소드의 다른 부산물은 캐소드 내부 및 캐소드 전반에 걸쳐 산소의 흐름을 제약할 수 있고, 이는 리튬-공기 배터리의 성능을 저하시킬 수 있다. 그러므로, 리튬-공기 배터리의 추가적인 개선이 바람직하다.
이 요약은 아래의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 개념 선택을 단순화된 형태로 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구된 청구대상의 주요 특징이나 필수적인 특징을 식별하려는 의도가 없고 청구된 청구대상의 범위를 제한하려는 의도도 없다.
본 개시내용에 설명된 청구대상의 하나의 혁신적인 양태는 리튬-공기 배터리에서 구현될 수 있다. 리튬-공기 배터리는 애노드, 애노드에 대향하여 배치된 캐소드, 캐소드 전체에 걸쳐 분산된 전해질, 및 캐소드를 주변 공기에 선택적으로 노출시키는 하나 이상의 개구를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 캐소드는 탄소질 구조의 배열로 형성될 수 있고, 탄소질 구조의 제1 그룹에 의해 정의된 복수의 기공, 탄소질 구조의 제2 그룹에 의해 정의된 복수의 상호 연결 경로, 및 각각의 경로 내에 형성되거나 이와 연관된 하나 이상의 공동을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 기공은 주변 공기에 의해 공급된 산소가 캐소드에 진입하게 하도록 구성될 수 있고, 상호 연결 경로는 캐소드 전체에 산소를 분산하도록 구성될 수 있으며, 각각의 공동은 리튬 금속을 저장하도록 구성될 수 있다. 일부 양태에서, 애노드는 리튬 금속으로 구성된다.
다양한 구현에서, 탄소질 구조 각각은 탄소 나노-어니언(CNO: carbon nano-onion) 입자의 대응하는 그룹의 합체(coalescence)에 기반할 수 있다. 일부 경우에, 탄소질 구조 각각은 또한 복수의 상호 연결된 그래핀 플레이크(graphene flake)를 포함할 수 있다. 다른 경우에, 탄소질 구조 각각은 또한 편평한 그래핀, 주름진 그래핀, 곡선형 그래핀, 또는 다공성 비-중공(non-hollow) 구형 입자 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, CNO 입자는 대략 5 나노미터 내지 500 나노미터의 반경을 갖는다. 다른 양태에서, 탄소질 구조의 제1 그룹의 CNO 입자 중 적어도 일부는 100 나노미터 초과의 반경을 갖고 복수의 공동을 포함한다. 일부 다른 경우에서, 탄소질 구조 각각은 그래핀 나노시트의 3차원(3D) 스택을 포함한다.
일부 구현에서, 탄소질 구조의 제1 그룹의 CNO 입자 중 적어도 일부는 소수성으로 구성될 수 있다. 일부 경우에, 탄소질 구조의 제1 그룹의 소수성 CNO 입자는 표면을 따라 복수의 기공 중 하나 이상을 향한 물방울의 이동을 억제한다. 다른 구현에서, 탄소질 구조의 제2 그룹의 CNO 입자 중 적어도 일부는 친수성으로 구성될 수 있다. 일부 경우에, 탄소질 구조의 제2 그룹의 친수성 CNO 입자는 물방울이 친수성 CNO 입자의 각자의 표면을 따라 연속적인 수막을 형성하게 한다. 일부 양태에서, 연속적인 수막은 연속적인 수막 내의 응집력 및 연속적인 수막과 친수성 CNO 입자의 각자의 표면 사이의 접착력으로 인해 평형 상태에 있을 수 있다. 연속적인 수막과 연관된 표면 장력은 연속적인 수막의 물방울이 캐소드에 축적되는 것을 방지한다.
일부 경우에, 리튬-공기 배터리는 또한 탄소질 구조의 제3 그룹에 의해 정의되는 복수의 다른 상호 연결 경로를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 복수의 다른 상호 연결 경로는 탄소질 구조의 제2 그룹에 의해 정의된 상호 연결 경로의 적어도 일부 부분으로부터 원하지 않는 부산물을 제거하도록 구성될 수 있다. 다른 경우, 리튬-공기 배터리는 또한 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 분리기를 포함할 수 있다.
일부 다른 구현에서, 리튬-공기 배터리는 또한 애노드 상에 배치된 보호층을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 보호층은 애노드의 하나 이상의 노출된 표면 위에 증착된 중합체 네트워크 - 중합체 네트워크는 서로 가교된 복수의 불화 중합체 사슬과 그래프팅된(grafted) 탄소질 구조를 포함함 -, 및 애노드에 의해 제공되는 리튬 및 중합체 네트워크로 형성된 불화 리튬(LiF) 막을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 리튬-공기 배터리는 또한 불화 리튬 막 상에 증착된 외부 층을 포함할 수 있다. 외부 층은 중합체 또는 에폭시 캡슐화된 이온 전도체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 개시내용에 설명된 청구대상의 하나 이상의 구현의 세부사항은 아래의 첨부 도면 및 설명에서 설명된다. 다른 특징, 양태 및 장점은 설명, 도면 및 청구범위로부터 명백하게 될 것이다. 다음 도면들의 상대 치수들이 축척에 맞게 도시되지 않을 수 있다는 것에 유의한다.
다음 도면의 상대 치수가 축척에 맞게 도시되지 않을 수 있다는 것에 유의한다. 아래에 설명된 도면은 예시 목적을 위한 것이다. 도면은 본 개시내용의 범위를 제한하려는 의도가 아니다.
도 1은 일부 구현에 따른 예시적인 배터리를 묘사하는 다이어그램을 도시한다.
도 2는 일부 구현에 따른, 도 1의 배터리의 캐소드를 묘사하는 다이어그램을 도시한다.
도 3은 일부 구현에 따른 중합체 네트워크의 다이어그램을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 일부 구현에 따른 다양한 탄소질 재료의 현미경 사진을 도시한다.
도 5a는 일부 구현에 따른 그래핀 분말의 SEM 현미경 사진을 도시한다.
도 5b는 일부 구현에 따라 열적 프로세스에 의해 생성된 노듈러 탄소(nodular carbon)의 SEM 현미경 사진을 도시한다.
도 5c는 일부 구현에 따른 이산화탄소(CO2) 처리 탄소의 SEM 현미경 사진을 도시한다.
도 5d는 일부 다른 구현에 따른 이산화탄소(CO2) 처리 탄소의 SEM 현미경 사진을 도시한다.
도 6은 일부 구현에 따른 이산화탄소(CO2) 처리 후의 3차원(3D) 그래핀의 현미경 사진을 도시한다.
도 7은 일부 구현에 따른, 예시적인 탄소질 입자의 기공 부피 대 기공 폭의 예시적인 분배를 묘사하는 그래프를 도시한다.
도 8a는 3 내지 15개 층의 탄소 원자를 갖는 FLG(few layer graphene)의 소수성 거동을 묘사하는 예시를 도시한다.
도 8b는 리튬-공기 배터리의 예시적인 플러딩(flooding)을 묘사하는 예시를 도시한다.
도 9a는 리튬-공기 배터리의 충전 상태를 묘사한 예시를 도시한다.
도 9b는 리튬-공기 배터리의 방전 상태를 묘사하는 예시를 도시한다.
도 10은 다양한 유형의 FLG를 묘사하는 예시를 도시한다.
도 11은 다수의 단일 입자로 형성된 집합체를 묘사하는 예시(1100)를 도시한다.
다양한 도면에서 유사한 참조 번호 및 명칭은 유사한 요소를 나타낸다.
다음 설명은 본 개시내용의 혁신적인 양태를 설명하기 위한 일부 예시적인 구현에 관한 것이다. 그러나, 통상의 기술자는 본원의 교시가 다수의 상이한 방식으로 적용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 설명된 구현은 임의의 유형의 전기화학 셀, 배터리 또는 배터리 팩에서 구현될 수 있고, 다양한 성능 관련 결함을 보상하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 개시된 구현은 본원에 제공된 예에 의해 제한되지 않고, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 고려되는 모든 구현을 포함한다. 추가로, 본 개시내용의 잘 알려진 요소는 본 개시내용의 관련된 세부사항을 모호하게 하지 않도록 상세히 설명되지 않거나 생략될 것이다.
본원에 사용된 "다공도"는 재료의 기하학적 부피에 대한 재료의 기공 또는 공간 부피의 비율을 의미한다. 다공성은 BET 방법 및 기체 투과도 측정과 같은 적합한 방법을 사용하여 측정될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 본원에 사용된 "약" 및 "대략"이라는 용어는 유연성을 제공하기 위해 사용되고, 예를 들어 수치 범위 종료점의 주어진 값이 종료점의 "약간 위" 또는 "약간 아래"일 수 있음을 나타내는 데 사용된다. 특정 변수에 대한 유연성 정도는 문맥에 기반하여 통상의 기술자에 의해 쉽게 결정될 수 있다. 식별된 속성 또는 상황과 관련하여 본원에 사용된 "실질적으로"는 식별된 속성 또는 상황을 측정 가능하게 손상시키지 않을 정도로 충분히 작은 편차 정도를 의미한다. 허용되는 정확한 편차 정도는 일부 경우에서 특정 상황에 따를 수 있다.
게다가, 농도, 양, 다른 수치 데이터는 범위 형식으로 본원에 제시될 수 있다. 이러한 범위 형식이 단지 편의와 간결성을 위해 사용되고 범위의 한계로 명시적으로 언급된 수치 값뿐만 아니라, 각각의 수치 값과 서브범위가 명시적으로 언급된 것처럼 그 범위 내에 포함된 모든 개별 수치 값 또는 서브범위를 포함하도록 유연하게 해석되어야 한다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 약 1 내지 약 2.5의 수치 범위는 1 내지 약 2.5의 명시적으로 언급된 한계뿐만 아니라, 2, 3, 4와 같은 개별 수치 및 1 내지 3, 2 내지 4 등과 같은 서브범위를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 동일한 원리는 "약 2.5 미만" 같은 단지 하나의 수치 값을 열거하는 범위에 적용되고, 이는 위에서 열거된 값 및 범위 모두를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 추가로, 이러한 해석은 범위의 폭이나 설명되는 특성에 관계없이 적용되어야 한다.
배터리는 일반적으로 모바일 폰, 랩톱, 전기 차량(EV), 공장 및 건물(그러나 이에 제한되지 않음)과 같은 다양한 디바이스에 전력을 공급하기 위해 직렬 및/또는 병렬 네트워크로 연결될 수 있는 여러 전기화학 셀을 포함한다. 전해질은 전기화학 셀과 모든 배터리 유형, 특히 리튬 기반 배터리의 핵심 구성요소이고, 사용되는 전해질 유형이나 제어되지 않는 배터리 부반응으로 인해 성능이 제한될 수 있다. 결과적으로, 전해질의 최적화는 각자의 배터리의 사이클성, 방전 비용량, 방전 용량 유지율, 안전성, 수명을 포함하는 전반적인 성능을 개선할 수 있다.
리튬-공기 배터리는 주변 공기에 의해 공급되는 산소를 캐소드 활성 재료로, 리튬 금속을 애노드로 사용한다. 리튬-공기 배터리에 다공성 캐소드의 사용은 주변 공기에 의해 공급된 기체 산소가 캐소드 전체로 확산되어 배터리 방전 반응 동안 리튬 이온과 반응하게 하고, 기체 산소가 배터리 충전 프로세스 동안 주변 공기로 되돌아가게 한다. 산소를 캐소드 활성 재료로 사용함으로써, 리튬-공기 배터리는 캐소드에서 이용 가능한 산소가 풍부하기 때문에, 1차 셀 또는 재충전 가능한 셀에서 다른 유형의 배터리보다 더 큰 에너지 저장 능력을 제공할 수 있다. 즉, 산소를 캐소드 활성 재료로 사용함으로써, 리튬-공기 배터리는 어떠한 캐소드 활성 재료도 저장할 필요가 없으므로, 리튬-공기 배터리의 비에너지 및 에너지 저장 능력은 캐소드에 저장될 수 있는 캐소드 활성 재료의 양에 의해 제한되지 않는다.
리튬-공기 배터리 사이클링과 연관된 산소 환원은 고체(캐소드), 액체(전해질) 및 기체(산소)가 서로 접촉하는 3상 경계에서 발생할 수 있다. 대안적으로, 이러한 구성은 리튬 이온이 액체 전해질을 통해 이동 및/또는 수송되고, 캐소드 내의 다공성 경로를 통한 기체 산소 및 캐소드 내의 탄소질 재료에서 전도되는 전자에 대한 이용 가능한 경로를 제공한다. 이러한 방식으로, 높은 다공성 캐소드 구조는 이용 가능한 전기화학 반응 영역을 증가시키기 위해 리튬-공기 배터리에 사용되어, 리튬-공기 배터리로부터 전류 전도를 증가시킬 수 있다.
리튬-공기 배터리의 연속적인 방전 및 충전 사이클 동안, 캐소드에서 생성된 방전 생성물은 배터리 성능에 동역학적으로 영향을 미치고 비에너지, 에너지 용량 및 배터리 수명을 저하시킬 수 있다. 예를 들어, 캐소드에서 리튬 이온과 산소 사이의 화학 반응은 이산화 리튬(Li2O)과 초산화 리튬(Li2O2)을 생성될 수 있다. 이산화 리튬 및 일부 경우 초산화 리튬은 리튬-공기 배터리에 사용되는 소정 유형의 전해질에 용해되지 않으므로, 전해질을 통해 캐소드에서 확산될 수 없다. 대신, 이러한 산화 리튬 생성물은 캐소드에 갇혀 다양한 기공, 특히 기공 입구(예를 들어, 기공 "입") 및 배터리 동작 사이클링 동안 주변 공기에서 캐소드로 산소를 공급하는 경로에 축적될 수 있다. 그러한 부산물의 완화되지 않은 축적은 이런 기공 및/또는 경로를 막거나 차단할 수 있고, 이에 따라 리튬-공기 배터리에서 전류 생성과 연관된 화학 반응에 참여하기 위해 캐소드에서 이용 가능한 산소의 양을 감소시킬 수 있다.
본 개시내용의 양태는 종래의 리튬-공기 배터리가 캐소드로부터 산화 리튬 생성물을 제거할 수 없을 수 있고, 따라서 캐소드의 기공 및/또는 경로 내에서 이들 산화 리튬 생성물의 축적을 제어할 수 없을 수 있다는 것을 인식한다. 본원에 개시된 청구대상의 다양한 양태에 따르면, 다양한 크기의 저장 경로 및 저장 공동의 상호 연결된 네트워크는 리튬-공기 배터리의 캐소드 내에 제공되어 주변 공기에 의해 공급된 산소를 캐소드로 가져오는 역할을 하는 기공 및/또는 경로로부터 이 생성물의 축적물을 추출하거나 제거할 수 있고, 이에 의해 이 기공 및/또는 경로가 리튬-공기 배터리의 충전 및 방전 사이클 동안 캐소드에 전달할 수 있는 산소의 양을 증가시킨다. 배터리 충전 및 방전 사이클 동안 각각 산화 리튬 및 리튬 이온과 반응하기 위해 캐소드에서 이용 가능한 산소의 양을 증가시킴으로써, 본원에 개시된 청구대상의 양태는 리튬-공기 배터리의 비에너지 용량 및 유효 수명을 증가시킬 수 있다. 일부 경우에, 이러한 경로는 캐소드 내에 더 큰 다공성 탄소질 구조를 형성하기 위해 서로 합쳐지는 다공성 비-중공 탄소질 구형 입자에 의해 모양, 크기 및 배향이 정의될 수 있다.
도 1은 일부 구현에 따른 예시적인 배터리(100)를 묘사하는 다이어그램을 도시한다. 배터리(100)는 배터리(100) 외부 환경과 연관된 주변 공기(170)와 유체 연통하는 리튬-공기 배터리일 수 있다. 일부 구현에서, 배터리(100)는 캐소드(110), 캐소드(110)에 대향하여 배치된 애노드(120), 전해질(130), 고체 전해질 인터페이스(SEI) 층(140), 중합체 네트워크(150) 및 장벽 층(160)을 포함할 수 있는 본체(105)를 포함한다. 일부 다른 구현에서, SEI 층(140) 또는 중합체 네트워크(150) 중 하나 이상은 배터리(100)에서 생략될 수 있다. 단순화를 위해 도 1에 도시되지는 않았지만, 배터리(100)는 캐소드(110)가 배치될 수 있는 캐소드(110)에 인접하게 배치된 제1 기판을 포함할 수 있고, 애노드(120)가 배치될 수 있는 애노드(120)에 인접하게 배치된 제2 기판을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 제1 및 제2 기판은 배터리(100)의 에너지 용량 및 비에너지를 변경 또는 조정하기 위해 선택적으로 에칭되고, 탄소질 재료로 코팅되고/되거나, 적합한 재료로 처리될 수 있는 고체 구리 금속 포일일 수 있다. 다른 구현에서, 제1 및 제2 기판은 알루미늄, 구리, 니켈, 티타늄, 스테인리스강 및/또는 하나 이상의 탄소질 재료의 선택을 포함하거나 이들로부터 형성될 수 있다.
일부 다른 구현에서, 제1 및 제2 기판은 금속 폼(foam), 금속 웹(web), 금속 스크린, 천공된 금속, 또는 시트 기반 3D 구조 중 임의의 하나 이상으로부터 선택되는 적어도 부분적으로 폼 기반일 수 있다. 일부 양태에서, 제1 및 제2 기판은 금속 섬유 매트(mat), 금속 나노와이어 매트, 전도성 중합체 나노섬유 매트, 전도성 중합체 폼, 전도성 중합체 코팅 섬유 폼, 탄소 폼, 흑연 폼, 또는 탄소 에어로겔일 수 있다. 일부 다른 양태에서, 제1 및 제2 기판은 탄소 제로젤(xerogel), 그래핀 폼, 산화 그래핀 폼, 환원된 산화 그래핀 폼, 탄소 섬유 폼, 흑연 섬유 폼, 박리된 흑연 폼, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 제1 및 제2 기판의 특정 구성요소 및 구성은 배터리(100)의 특정 최종 사용 애플리케이션 및/또는 성능 요건에 따라 달라질 수 있다.
캐소드(110)는 배터리(100)의 양의 전극 역할을 할 수 있다. 일부 구현에서, 캐소드(110)는 배터리(100)의 동작 사이클링 동안 주변 공기(170)에 의해 공급된 산소를 캐소드(110) 전체에 확산 또는 분배할 수 있는 복수의 상호 연결 기공(112) 및 경로(114)를 포함할 수 있다. 기공(112) 및 경로(114)는 캐소드(110)의 하나 이상의 부분 전체에 걸쳐 배치, 분포 또는 달리 배열된 다양한 다공성 비-중공 탄소질 구형 입자에 의해 정의될 수 있다. 다공성 비-중공 탄소질 구형 입자 그룹은 서로 합쳐져 캐소드(110) 내에서 더 큰 탄소질 구조를 형성할 수 있다(단순화를 위해, 다공성 비-중공 탄소질 구형 입자도 더 큰 탄소질 구조도 도 1에 도시되지 않음). 다공성 비-중공 탄소질 구형(NHCS) 입자는 다양한 레벨의 농도에서 서로 인접하여 더 큰 탄소질 구조를 형성할 수 있고, 여기서 더 높은 농도 레벨은 더 높은 전기 전도도와 연관될 수 있다. 다양한 구현에서, 기공(112) 및 경로(114)의 제1 그룹은 주변 공기(170)에 의해 공급된 산소가 캐소드(110) 전체에 유입되어 확산되게 하는 방식으로 배열되고 크기가 정해질 수 있고 경로(114) 및 공동(116)의 제2 그룹은 기공(112) 및 경로(114)의 제1 그룹으로부터 원하지 않는 화학적 부산물(180)을 제거할 수 있는 방식으로 배열되고 크기가 정해질 수 있다. 일부 경우에, 경로(114) 및 공동(116)의 제2 그룹은 기공(112) 및 경로(114)의 제1 그룹으로부터 제거된 부산물(180)을 보유하거나 저장할 수 있다. 이러한 방식으로, 경로(114) 및 공동(116)의 제2 그룹은 캐소드(110) 내에 축적될 수 있고/있거나 기공(112) 및 경로(114)의 제1 그룹의 표면에 스스로 부착될 수 있는 부산물(180)이 없이 기공(112) 및 경로(114)의 제1 그룹을 유지할 수 있다. 도 2를 참조하여 더 상세히 설명되는 바와 같이, 본원에 사용된 "수송 기공" 및 "수송 경로"라는 용어는 기공(112) 및 경로(114)의 제1 그룹을 지칭할 수 있고, "저장 경로" 및 "저장 공동"이라는 용어는 경로(114) 및 공동(116)의 제2 그룹을 지칭할 수 있다.
다양한 구현에서, 캐소드(110)는 예를 들어 배터리(100)의 비용량을 증가시키기 위해 배터리(100) 내의 산소 환원 프로세스의 동역학을 향상시킬 수 있는 하나 이상의 금속 촉매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 양태에서, 망간, 코발트, 루테늄, 백금, 은, 또는 코발트와 망간의 혼합물은 순수한 금속 형태로 또는 추가 금속 또는 다른 원소와 형성된 화합물로서 캐소드(110)용 촉매로서 사용될 수 있다. 일부 경우에, 캐소드(110)에 산화 망간 촉매를 사용하는 것은 대략 3,137 mA·H/g 탄소의 비용량을 초래할 수 있다.
애노드(120)는 배터리(100)의 음의 전극 역할을 할 수 있다. 일부 구현에서, 애노드(120)는 임의의 탄소 또는 탄소질 재료 재료가 없는 리튬 금속(예를 들어, 원소 리튬)의 단일 층으로 형성될 수 있다. 즉, 종래의 많은 리튬-공기 배터리에 이용되는 애노드와 달리, 배터리(100)의 애노드(120)는 탄소 스캐폴드(scaffold)나 다른 탄소질 재료를 포함하지 않고, 대신 리튬 금속을 포함한다. 결과적으로, 애노드(120)는 유사한 크기의 탄소기반 애노드에 비해 더 많은 리튬을 산화용으로 제공할 수 있어, 이러한 종래의 리튬-공기 배터리에 비해 배터리(100)의 에너지 용량 및 비에너지를 증가시킬 수 있다. 일부 경우에, 애노드(120)는 애노드(120)로부터 리튬 덴드라이트의 형성 및 성장을 억제하도록 구성된 고체-상태 전해질과 함께 작용할 수 있다.
전해질(130)은 캐소드(110) 전체에 분산되고, 애노드(120)의 하나 이상의 표면과 접촉될 수 있다. 전해질(130)은 배터리(100)의 동작 사이클링 동안 애노드(120)와 캐소드(110) 사이에서 리튬 이온을 수송할 수 있는 임의의 적합한 재료 또는 혼합물일 수 있다. 일부 구현에서, 전해질(130)은 액상 전해질(예를 들어, 비양성자성 액상 전해질 용액)일 수 있다. 일부 다른 구현에서, 전해질(130)은 다른 예 중에서, 고체 중합체, 겔 중합체(예를 들어, 무기 유리질 또는 세라믹 전해질)일 수 있다. 일부 경우에, 전해질(130)은 겔상에서 시작하고 이어서 나중에 배터리(100)의 활성화 시 고형화될 수 있다.
SEI 층(140)은 전해질(130)에 근접하거나 이와 접촉하는 애노드(120)의 하나 이상의 표면 상에 배치될 수 있다. 일부 경우에서, SEI 층(140)은 배터리(100)의 동작 사이클링 동안 애노드(120)에 의해 제공되는 리튬과 전해질(130) 사이의 반응에 반응하여 애노드(120) 상에 형성될 수 있다. SEI 층(140)은 주석, 망간, 몰리브덴 및/또는 불소 화합물을 포함할 수 있다. 몰리브덴에 의해 제공된 양이온은 불소 화합물에 의해 제공된 음이온과 상호작용하여 불화 주석(II)(SnF2), 불화 망간(II)(MnF2), 질화 규소(Si3N4), 질화 리튬(Li3N), 질산 리튬(LiNO3), 인산 리튬(Li3PO4), 산화 망간 또는 산화 리튬 란타늄 지르코늄(LLZO, Li7La3Zr2O12) 같은(그러나 이에 제한되지 않음) 하나 이상의 유형 또는 구성의 염을 생성할 수 있다.
일부 구현에서, SEI 층(140)은 배터리(100)에 대한 구조적 지지를 제공하는 기계적 강도 강화제(단순화를 위해 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 기계적 강도 강화제는 또한 리튬 덴드라이트가 애노드(120) 위에서 형성 및/또는 애노드(120)로부터 성장하는 것을 방지할 수 있다. 기계적 강도 강화제는 애노드(120) 위에 보호 코팅으로 형성될 수 있고, 하나 이상의 탄소 동소체, 탄소 나노-어니언(CNO), 나노튜브(CNT), 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 산화물(GO) 및/또는/또는 탄소 나노 다이아몬드를 포함할 수 있다. 일부 다른 구현에서, SEI 층(140)은 어떠한 기계적 강도 강화제도 포함하지 않을 수 있다.
중합체 네트워크(150)는 애노드(120)의 하나 이상의 노출된 표면 위에 증착되거나 형성될 수 있다. 일부 구현에서, 중합체 네트워크(150)는 SEI 층(140)의 하나 이상의 부분 전체에 균일하게 산재될 수 있고, 서로 가교된 불화 중합체 사슬과 그래핑된 다양한 탄소질 구조를 포함할 수 있다(단순화를 위해, 탄소질 구조도 불화 중합체 사슬도 도 1에 도시되지 않음). 구체적으로, 탄소질 재료는 불화 중합체 사슬과 그래프팅되고 애노드(120)의 하나 이상의 노출된 표면에 증착될 수 있다. 불화 중합체 사슬은 부르츠 반응(Wurtz reaction)을 통해 애노드(120)로부터 리튬 금속과 착물화될 때 중합체 네트워크(150)를 형성하기 위해 가교결합될 수 있다. 이러한 방식으로 형성되면, 중합체 네트워크(150)는 애노드(120)로부터 리튬 덴드라이트의 형성을 억제할 수 있다. 일부 구현에서, 중합체 네트워크(150)의 적어도 일부를 형성하는 탄소질 재료는 그래핀, FLB(few layer graphene), 다층 그래핀, 그래핀 나노입자, 3D 그래핀 스캐폴드 등을 포함(그러나 이에 제한되지 않음)할 수 있다. 탄소질 재료는 탄소-불소(C-F) 결합을 통해 불화 중합체 사슬과 화학적으로 그래프팅될 수 있다. 일부 양태에서, 이들 C-F 결합은 애노드(220)로부터의 리튬 금속과 화학적으로 반응하여 고이온성 탄소-리튬 결합(C-Li)을 생성할 수 있고, 이는 차례로 탄소질 재료와 불화 중합체 사슬 사이의 C-F 결합과 반응하여 새로운 탄소-탄소 결합을 형성한다. 이러한 새로운 탄소-탄소 결합은 또한 중합체 네트워크(150)를 형성하기 위해 중합체 사슬을 가교하는 데 사용될 수 있다.
일부 구현에서, 중합체 네트워크(150)는 불화 리튬의 층을 포함할 수 있다(단순화를 위해 도시되지 않음). 불화 리튬 층은 리튬 이온(122)과 불소 이온 사이의 화학적 결합에 응답하여 형성될 수 있다. 일부 양태에서, 불화 리튬 층은 또한 위에서 논의된 "새로운" 탄소-탄소 결합에 의해 생성된 불화 리튬을 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 불화 리튬 층은 리튬 이온(122)이 서로 결합 및/또는 반응할 가능성이 더 적고 중합체 네트워크(150)에 내장된 불화 중합체 사슬에 의해 이용 가능한 불소 원자와 결합 및/또는 반응할 가능성이 더 크도록 중합체 네트워크(150)의 주변을 따라 균일하게 분포될 수 있다. 일부 다른 구현에서, 배터리(100)는 중합체 네트워크(150)를 포함하지 않을 수 있다.
장벽 층(160)은 캐소드(110)에 근접한 배터리 본체(105)의 외부 표면 위에 제거 가능하게 배치될 수 있다. 배터리(100)가 휴면 상태(예를 들어, 사용자가 구매하여 활성화하기 전 창고 또는 상점 선반에 있는 경우)에 있을 때, 장벽 층(160)은 배터리 본체(105)에 부착되고 캐소드(110)와 연관된 기공(112)과 경로(114)가 주변 공기(170)로부터 밀봉되도록 배열될 수 있다. 이런 방식으로, 장벽 층(160)은 주변 공기(170)에 의해 공급된 산소가 캐소드(110)으로 진입되어 배터리(100) 내의 리튬과 반응하는 것을 방지할 수 있다. 이런 방식으로, 장벽 층(160)은 휴면 상태에서 배터리(100)가 의도치 않게 활성화되는 것을 방지할 수 있다.
일부 구현에서, 사용자는 배터리 본체(105)의 외부 표면에서 장벽 층(160)을 제거함으로써 배터리(100)를 활성화할 수 있다. 예를 들어, 장벽 층(160)이 제거되거나 달리 존재하지 않는 경우, 주변 공기(170)에 의해 공급된 산소는 캐소드(110)에 형성된 기공(112) 및 경로(114)로 진입되어 캐소드(110) 전체에 확산될 수 있다. 논의된 바와 같이, 산소는 배터리 방전 사이클 동안 애노드(120)에 의해 제공된 리튬을 산화시키는 데 사용될 수 있고, 배터리 방전 사이클 동안 산소 환원 반응에 사용될 수 있다. 이와 같이, 주변 공기(170)로부터 제공된 산소가 캐소드(110)으로 진입되어 전지(100) 내의 다양한 화학반응에 참여할 수 있도록 배터리 본체(105)의 외부 표면에서 장벽 층(160)을 제거하는 것은 배터리(100)를 활성화시킨다.
일부 양태에서, 배터리(100)는 또한 애노드(120) 상의 덴드라이트 형성 및 애노드로부터의 성장을 추가로 억제할 수 있는 분리기(단순화를 위해 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 분리기는 전해질(130)과 유사한 이온 전도성을 가질 수 있으면서도 여전히 리튬 덴드라이트 형성을 억제할 수 있다. 일부 양태에서, 분리기는 금속 리튬과 화학적으로 반응하지 않는 세라믹 함유 재료로 형성될 수 있으므로 전해질(130)을 통한 전자의 흐름 또는 통과를 방해하여 단락을 방지하면서 분리기를 통한 리튬 이온 수송을 제어하는 데 사용될 수 있다.
논의된 바와 같이, 배터리(100)가 리튬-공기 배터리로 동작하도록 구성되는 경우, 주변 공기(170)에 의해 공급되는 산소는 캐소드 활성 재료로 사용된다. 주변 공기(170)에 의해 공급되는 산소의 사용은 캐소드(110) 내에 임의의 활성 재료를 저장하지 않고 리튬-공기 배터리(100)의 동작을 위해 활성 재료의 충분한 공급을 보장할 수 있다. 구체적으로, 배터리 방전 사이클 동안, 애노드(120)에 의해 공급된 리튬은 주변 공기(170)에 의해 산화되어 리튬 이온(122) 및 자유 전자(124)를 생성한다. 애노드(120)에서 발생하는 절반-반응은 다음과 같이 표현될 수 있다:
(식 1)
리튬 이온(124)은 전해질(130)을 통해 애노드(120)에서 캐소드(110)로 이동한다. 주변 공기(170)에 의해 제공된 산소 가스(O2)는 캐소드(110)의 수송 기공(112)으로 진입하고 수송 경로(114)를 통해 캐소드(110) 전체에 확산된다. 산소 가스는 캐소드(110)에서 리튬 이온(122)과 반응하여 산화 리튬을 생성한다. 자유 전자(124)는 외부 회로를 통해 애노드(120)에서 캐소드(110)로 이동할 수 있고, 이에 의해 외부 회로와 연관된 부하(190)에 전력을 공급할 수 있는 전류를 제공할 수 있다. 캐소드(110)에서 발생하는 절반-반응은 다음과 같이 표현될 수 있다:
4Li + O2 → 2 Li2O (E0 = 2.9 V) (식 2)
2Li + O2 → Li2O2 (E0 = 3.1 V) (식 3)
각각의 배터리 충전 사이클 동안, 위의 프로세스는 반대가 된다. 즉, 주변 공기(170)에 의해 공급된 산소는 캐소드(110)에서 산화 리튬의 적어도 일부에 전자를 공여하여 리튬 이온(122) 및 전자(124)를 생성한다. 애노드(120)와 캐소드(110) 사이의 전기화학적 전위는 이런 리튬 이온(122)을 캐소드(110)로부터 전해질(130)을 통해 애노드(120)로 다시 이동시킬 수 있다. 리튬 이온(122)은 애노드(120)에 축적되어 애노드(120)를 리튬으로 도금함으로써, 애노드(120)에서의 리튬 공급을 보충할 수 있다.
논의된 바와 같이, 리튬 이온(122)과 캐소드(110)에서의 산소 사이의 화학 반응은 원하지 않는 부산물로서 산화 리튬(예를 들어, 과산화 리튬(Li2O2) 및 초산화 리튬(Li2O))을 생성한다. 산화 리튬은 비양성자성 전해질에 용해되지 않으므로, 전해질(130)을 통해 캐소드(110)으로부터 분산될 수 없다. 대신에, 이런 원하지 않는 부산물은 캐소드(110) 내에 포획되어 배터리(100)의 각각의 방전 사이클 후에 캐소드(110) 내의 수송 기공(112) 및 수송 경로(114)에 부착될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 이러한 부산물은 캐소드(110) 전체에 걸쳐 주변 공기(170)로부터 산소를 확산시키는 역할을 하는 다양한 수송 기공(112) 및 수송 경로(114) 상에 및/또는 내부에 축적될 수 있고, 이에 따라 다양한 수송 기공(112) 및 수송 경로(114)를 막거나 차단할 수 있고, 이는 차례로 애노드(120)에 의해 공급되는 리튬과 반응하는데 이용 가능한 산소의 양을 감소시킬 수 있다. 결과적으로 이용 가능한 산소량의 감소는 배터리(100)의 동작 사이클링 동안 생성된 리튬 이온(122) 및 자유 전자(124)의 양을 감소시키고, 이는 차례로 부하(190)에 전달될 수 있는 전류의 양을 감소시킬 수 있다.
일부 양태에서 이러한 부산물의 생성은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Li+ + e- +O2 + * → LiO2 (식 4)
Li+ + e- +LiO2* → Li2O2* (식 5)
여기서 "*"는 과산화 리튬(Li2O2) 부산물 표면의 중성 Li 공석을 나타낸다.
본원에 개시된 청구대상의 다양한 양태는 배터리(100)의 동작 사이클링 동안 운송 기공(112) 및 운송 경로(114)로부터 배터리(100)의 동작 동안 생성된 산화 리튬 및 과산화 리튬을 제거하여, 운송 기공(112) 및 운송 경로(114)가 배터리(100)의 사이클 동안 리튬 이온과 자유 전자를 생성하기에 충분한 양의 산소를 제공하게 할 수 있다. 일부 구현에서, 캐소드(110)는 수송 기공(112) 및 수송 경로(114)의 네트워크와 유체 연통하는 저장 경로 및 저장 공동의 네트워크를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 도 2를 참조하여 더 상세히 논의된 바와 같이, 저장 경로 네트워크는 수송 기공(112) 및 수송 경로(114)로부터 원하지 않는 부산물을 제거할 수 있고, 저장 공동 네트워크는 수송 기공(112) 및 수송 경로(114)의 네트워크로부터 제거된 원하지 않는 부산물을 저장하거나 달리 보유할 수 있다. 이런 방식으로, 배터리(100)의 동작 동안 생성되는 산화 리튬 및 과산화 리튬은 기공(112)의 개구 또는 그 가까이에 축적되지 않으므로, 배터리(100)의 활성화 및/또는 동작을 위해 주변 공기(170)에 의해 제공되는 산소 공급을 방해하지 않을 수 있다.
도 2는 일부 구현에 따른 캐소드(200)를 묘사하는 다이어그램을 도시한다. 캐소드(200)는 도 1의 캐소드(110)의 일 예일 수 있고, 스캐폴드된 탄소질 재료(224)(예를 들어, 복수의 탄소질 구조(225) 및/또는 다공성 비-중공 탄소질 구형(NHCS) 입자(226)의 그룹 이외의 FLG(few layer graphene)의 합체된 응집체)로 형성될 수 있다. 일부 양태에서, 스캐폴드된 탄소질 재료(224) 및/또는 캐소드(110)와 연관된 복수의 탄소질 구조(225)는 배터리 충전 사이클링 동안 산화에 대한 증가된 저항성을 나타낼 수 있고(종래의 리튬-공기 배터리와 비교하여), 이는 차례로 리튬-공기 배터리의 동작 시간을 연장시킬 수 있다. 일부 경우에, 탄소질 구조(225)와 연관된 그래핀화된 재료는 극성 그룹으로 작용되어 각자의 탄소질 구조(225) 내 표면의 습윤성을 향상시킬 수 있다.
일부 구현에서, 캐소드(200)는 복수의 기공(210a-210b), 복수의 수송 경로(220), 복수의 저장 경로(221), 및 캐소드(200) 전체에 형성된 복수의 공동(230a-230d)을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 기공(210a-210b)은 도 1의 기공(112)의 예일 수 있고, 경로(220 및 221)는 도 1의 경로(114)의 예일 수 있고, 공동(230a-230d)은 도 1의 공동(116)의 예일 수 있다. 즉, 기공(210a-210b) 및 경로(220)는 각각 수송 기공 및 수송 경로일 수 있고, 이를 통해 주변 공기(170)로부터의 산소(171)가 캐소드(200) 내부로 진입될 수 있다. 기공(210a-210b) 및 경로(220)는 또한 산소(172)를 주변 공기(170)로 다시 방출하는 데 사용될 수 있다. 경로(221) 및 공동(230a-230d)은 각각 수송 경로 및 수송 공동일 수 있고, 이를 통해 원하지 않는 부산물이 수송 기공(210a-210b) 및 수송 경로(220)로부터 제거될 수 있다. 도 2의 예는 2개의 수송 기공(210a-210b), 여러 수송 경로(220) 및 저장 경로(221), 및 4개의 공동(230a-230d)만을 도시하지만, 다른 구현에서, 캐소드(200)는 다른 개수의 수송 기공(210a-210b), 수송 경로(220), 저장 경로(221), 및 공동(230a-230d)을 포함할 수 있다.
일부 구현에서, 수송 기공(210a-210b) 및 수송 경로(220)는 저장 경로(221) 및 저장 공동(230a-230d)에 의해 형성된 저장 네트워크와 유체 연통하는 수송 네트워크를 형성할 수 있다. 예를 들어, 배터리(100)의 동작 사이클링 동안, 주변 공기(170)에 의해 제공되는 산소(171)는 수송 기공(210a)을 통해 캐소드(200)에 진입할 수 있고 수송 경로(220)에 의해 캐소드(200) 전체에 분포될 수 있다. 캐소드(200)로부터 방출된 산소(172)는 수송 경로(220) 및 수송 기공(210b)을 통해 주변 공기(170)로 복귀될 수 있다. 이러한 방식으로, 운송 기공(210) 및 운송 경로(220)는 충분한 양의 산소가 배터리(100)의 동작 사이클링과 연관된 산화 및 환원 프로세스 이용 가능하도록 보장하는 방식으로 주변 공기(170)로부터 캐소드(200)로 산소를 전달할 수 있다. 저장 경로(221)는 수송 기공(210) 및 수송 경로(220)로부터 원하지 않는 부산물(예를 들어, 이산화 리튬 및 초산화 리튬)을 제거할 수 있다. 일부 경우에, 저장 경로(221)는 이러한 원하지 않는 부산물을 유지하거나 저장할 수 있는 저장 공동(230a-230d) 중 하나 이상을 향해 이러한 원하지 않는 부산물을 안내할 수 있다. 이러한 방식으로, 저장 경로(221) 및 저장 공동(230a-230d)은 원하지 않는 부산물이 캐소드(200)에 축적되어 수송 기공(210) 및/또는 수송 경로(220) 중 하나 이상을 차단하는 것을 방지할 수 있다.
수송 기공(210a-210b), 수송 경로(220), 저장 경로(221), 및 저장 공동(230a-230d)는 캐소드(200) 전체에 걸쳐 분포된 복수의 탄소질 구조(225)에 의해 모양, 크기 및/또는 배향이 정의될 수 있다. 다양한 구현에서, 탄소질 구조물(225) 중 일부는 친수성 특성을 나타내도록, 예를 들어 리튬-공기 배터리의 동작과 연관된 수증기를 끌어당기고/당기거나 보유하도록 조정될 수 있다. 일부 예에서, 반응 용기 내의 탄소 함유 증기 흐름 스트림으로부터의 자가 핵생성과 같은 "상향식" 합성 절차는 제1 그룹 또는 다수의 탄소질 구조(225)의 노출된 표면을 친수성으로 조정하는 데 사용될 수 있다. 논의된 바와 같이, 탄소질 구조(225) 각각은 다공성 비-중공 탄소질 구형(NHCS) 입자(226)의 대응하는 그룹의 합체에 의해 형성될 수 있다. 일부 양태에서, 수송 기공(210)은 반응 부산물을 보유하기 위해 대략 0.6 나노미터(nm) 내지 6.6 nm 범위의 주요 치수(예를 들어, 폭 또는 직경)를 가질 수 있고, 수송 경로(220)는 각각 5.0 내지 10.0 미크론의 치수(또는 주변 공기(170)에 의해 제공되는 산소 가스가 캐소드(200) 내로 유입되어 캐소드(200) 전체에 확산되도록 하는 다른 적합한 치수)를 가질 수 있다. 논의된 치수는 복수의 탄소질 구조(225) 중 적어도 일부(예를 들어, 3.0 nm - 5.5 nm, 5.5 nm - 6.0 nm 등)의 노출된 표면의 습윤(예를 들어, 각자의 표면에 증기의 응결에 의해)을 수용할 수 있다. 게다가, 각자의 탄소질 구조(225)의 적어도 일부 노출된 표면의 극성 제어는 용매(예를 들어, 탄산염, 에테르 및/또는 에스테르, 및/또는 비양성자성 용매 등)의 증발을 촉진 및/또는 감소시킬 수 있다. 이런 방식으로, 캐소드(200)에 도입된 용매 중 적어도 일부와 탄소질 구조(225)의 노출된 표면 사이의 표면 상호작용은 조정되거나 조절될 수 있다.
저장 경로(221)는 각각 대략 0.1 내지 5.0 미크론의 직경(또는 수송 경로(220)로부터 산화 리튬 부산물을 제거하고 산화 리튬 부산물을 공동(230a-230d) 중 하나 이상에 증착시킬 수 있는 다른 적합한 치수)을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 수송 경로(220) 중 하나 이상은 저장 사이트 네트워크와 연관된 저장 경로(221) 중 하나 이상에 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 묘사된 바와 같이, 저장 사이트의 네트워크와 연관된 저장 공동(230a-230d) 각각은 캐소드(110) 전체에 분포된 대응 저장 경로(221)를 통해 기공(210) 및/또는 수송 경로(220)에 연결될 수 있다. 일부 양태에서, 배터리(100)의 방전 용량은 수송 경로(220)의 직경에 대한 저장 경로(221)의 직경에 적어도 부분적으로 기반할 수 있다. 예를 들어, 비교적 큰 직경을 갖는 수송 경로(220)는 상대적으로 작은 직경을 갖는 수송 경로(220)보다 단위 시간당 더 많은 양의 산소(171)를 유도할 수 있다.
본 개시내용의 양태는 원하지 않는 부산물(예를 들어, 산화 리튬) 중 일부가 배터리 동작 동안 생성된 후 소정 거리 내에 남아 있을 수 있으므로, 운송 경로(220)(또는 저장 경로(221)) 중 하나에 도달하기에 충분히 멀리 이동하지 않을 수 있다는 것을 인식한다. 이런 원하지 않는 부산물은 캐소드(120)의 외부 부분에 남아 기공(210a-210b)의 개구를 차단할 수 있다. 이와 같이, 일부 구현에서, 기공(210a-210b)의 개구의 폭 또는 직경은 예를 들어, 원하지 않는 부산물에 의한 막힘 가능성을 감소시키기 위해 증가될 수 있고, 이는 차례로 예를 들어 도 1의 배터리(100)와 같은 리튬-공기 배터리의 배출 속도를 증가시킬 수 있다.
일부 구현에서, 각각의 탄소질 구조(225)는 다수의 NHS 입자(226)를 포함할 수 있고, 각각은 3-15개의 그래핀 나노시트(도 2에 도시되지 않음)의 스택을 포함하고/하거나 이로부터 형성될 수 있다. 각각의 그래핀 나노시트는 1μm 미만의 주요 치수를 가질 수 있고, 일부 그래핀 나노시트는 메조기공(mesopore)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 메조기공은 대략 1 cc/g,(예를 들어, 1.5 cc/g - 2.0 cc/g)보다 큰 부피를 가질 수 있다. 제조 동안, 캐소드(200)는 질소 및/또는 황으로 도핑된 그래핀 나노시트를 포함하는 고유의 3D 탄소질 구조를 형성하기 위해 시드 입자를 필요로 하지 않고 자가 핵생성하는 탄소 함유 자유 라디칼 종으로 형성될 수 있다. 일부 양태에서, 캐소드(200)는 캐소드가 대략 5 m2/g - 3,000 m2/g 사이의 범위의 표면적을 갖도록 내부에 탄소질 구조를 정의하기 위해 생산 동안 오존(O3)으로 처리될 수 있다. 게다가, 캐소드(200)는 주변 공기(170)에 노출되는 하나 이상의 표면을 포함할 수 있어, 촉매(예를 들어, 산화 망간, 산화 니켈, 코발트, 백금, 금 등)는 표면에 증착될 수 있다.
도 2의 NHCS 입자(225)를 생성하기 위해 사용된 그래핀의 헤테로원자 도핑은 캐소드(200)의 전반적인 전기활성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 최대 10.2 원자%(at%)의 질소를 함유한 질소 도핑 탄소 나노튜브는 캐소드(200)의 NHCS 입자(225)를 위한 형성 캐소드 재료로서 사용될 수 있다. 게다가, 피리딘형 질소 질소-풍부 탄소 재료는 NHCS 입자(225)를 형성하고 산소 흡착을 제공하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 평면 내 피리딘형 질소는 원래의 질소 및/또는 흑연질 질소에 비해 과산화 리튬 클러스터의 핵생성을 촉진하는 데 더 높은 활성을 나타낼 수 있다. 다수의 유형의 헤테로원자를 캐소드의 탄소질 재료에 도핑함으로써, 질소 도핑된 탄소 나노튜브(CNT), 질소 도핑 그래핀, 황 도핑 그래핀 및 질소, 황 공동 도핑된 그래핀과 같은 많은 이중 기능성 캐소드 재료는 캐소드(200)에 적용될 수 있다. 질소 도핑은 국소 전자 구조를 조작하여 탄소질 재료의 촉매 활성을 개선하여, 단위 부피당 더 높은 농도의 전기활성 사이트를 제공할 수 있다. 황 도핑된 그래핀은 또한 -C-S-C- 및 -C==S- 구조의 안정성으로 인해 사이클링 안정성을 제공할 수 있다.
3D 나노 다공성 비-도핑, N 도핑, S 도핑 그래핀 재료는 벤젠, 피리딘, 또는 탄소, 질소 및 황 소스로서 티오펜을 사용한 나노 다공성 금속 기반 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 캐소드(110)용 NHS 입자(222)를 합성하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 금속이 없는 그래핀은 10,400 mAh/g의 용량을 제공하고 1,000 mAh/g에서 최대 300 사이클 동안 캐소드(200)용 NHCS 입자(225)를 생성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 나노 다공성 그래핀으로 구성되는 경우 캐소드(200)의 전하 과전위는 상대적으로 높을 수 있고, 이는 상대적으로 낮은 에너지 효율을 초래할 수 있다. 이 문제는 나노 다공성 그래핀의 표면 화학물을 조정하거나 충전을 선호하는 호환 가능한 산화환원 매개체와 통합함으로써 해결될 수 있다.
도 3은 일부 구현에 따른 예시적인 중합체 네트워크(310)의 다이어그램(300)을 도시한다. 일부 양태에서, 중합체 네트워크(310)는 도 1의 중합체 네트워크(150)의 일 예일 수 있다. 중합체 네트워크(310)는 전기적으로 비전도성일 수 있고, 애노드(302) 상에 배치될 수 있다. 중합체 네트워크(310)는 전기적으로 비전도성일 수 있고, 애노드(302) 상에 배치될 수 있다. 이런 방식으로, 중합체 네트워크(310)는 노출된 리튬 함유 표면(예를 들어, 애노드(302)의 대부분에 비해 융기된 표면)에 추가적인 리튬 도금을 피할 수 있다. 애노드(302)는 임의의 수의 알칼리 금속 함유 나노구조 또는 마이크로구조를 포함하는 하나 이상의 노출 표면을 갖는 알칼리 금속 층으로 형성될 수 있다. 알칼리 금속은 리튬, 나트륨, 아연, 인듐 및/또는 갈륨을 포함(그러나 이에 제한되지 않음)할 수 있다. 애노드(302)는 배터리의 동작 사이클링 동안 알칼리 이온을 방출할 수 있다.
탄소질 재료의 층(314)은 불화 중합체 사슬과 그래프팅될 수 있고 애노드(302)의 하나 이상의 노출된 표면 위에 증착될 수 있다. 그래프팅은 하나 이상의 라디칼 개시제, 예를 들어 벤조일 퍼옥사이드(BPO) 또는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)을 사용한 탄소질 재료의 활성화(예를 들어, 이에 의해 개시됨) 다음, 단량체 분자와의 반응에 기반할 수 있다. 중합체 네트워크(310)는 층(314)이 중합체 네트워크(310)의 생성 동안 소모되도록 서로 가교된 불화 중합체 사슬 및 층(314)의 탄소질 재료에 기반할 수 있다. 일부 구현에서, 중합체 네트워크(310)는 대략 0.001 μm 내지 5 μm 사이의 두께를 가질 수 있고 대략 0.001 중량% 내지 2 중량%의 불화 중합체 사슬을 포함할 수 있다. 일부 다른 구현에서, 중합체 네트워크(310)는 불화 중합체 사슬 및 나머지의 불화 중합체, 또는 하나 이상의 비불화 중합체, 또는 하나 이상의 가교성 단량체, 또는 이들의 조합과 그래프팅된 복수의 탄소질 재료를 대략 5 중량% 내지 100 중량% 포함할 수 있다. 일 구현에서, 불화 중합체 사슬과 그래프팅된 탄소질 재료는 불화 중합체 사슬 및 나머지의 탄소질 재료의 5 중량% 내지 50 중량%를 포함할 수 있다.
배터리 사이클링 동안, 중합체 네트워크(310) 내의 탄소-불소 결합은 리튬 금속과 화학적으로 반응하여 탄소-리튬 결합(C-Li)으로 변환될 수 있다. 차례로, 이런 C-Li 결합은 부르츠 반응(350)을 통해 중합체 네트워크(310) 내의 탄소-불소 결합과 추가로 반응하여, 새로 탄소-탄소(C-C) 결합을 형성함으로써 중합체 네트워크를 추가로 가교시키고 또한 불화물을 함유한 알칼리 금속, 예를 들어 불화 리튬(LiF)을 생성할 수 있다. 불화물을 함유하는 알칼리 금속의 균일한 형성을 유도하는 추가적인 중합체 네트워크 가교는 그에 따라 애노드(302)와 연관된 알칼리 금속 덴드라이트(340) 형성을 억제하여, 배터리 성능 및 수명을 개선할 수 있다. 일 구현에서, 층(314)의 탄소질 재료의 하나 이상의 노출된 그래핀 표면에 대한 불화 m/아크릴레이트(FMA)의 그래프팅은 유기 용액에서 수행될 수 있고, 예를 들어 그래핀-그래프트-폴리-FMA 등을 유도한다. 노출된 그래핀 표면에 탄소-불소 결합의 통합은 탄소-불소 결합과 애노드(302)에 의해 제공되는 알칼리 금속(예를 들어, 리튬)의 금속 표면 사이에서 부르츠 반응(350) 발생하게 할 수 있다. 이런 방식으로, 부르츠 반응(350)의 완료는 중합체 네트워크(330)의 형성을 초래할 수 있다. 일부 양태에서, 중합체 네트워크(330)는 부르츠 반응(350)의 완료에 따른 밀도 구배(316)를 포함할 수 있다. 밀도 구배(316)는 상호 연결된 그래핀 플레이크를 포함할 수 있고 현장에서 형성된 하나 이상의 금속 불화물 염이 주입될 수 있다. 게다가, 층 다공성 및/또는 기계적 속성은 탄소 로딩 및/또는 각각 독특하고/또는 별개의 물리적 구조를 갖는 관능화된 탄소의 조합에 의해 조정될 수 있다.
일부 구현에서, 밀도 구배(316) 내의 탄소질 재료는 편평한 그래핀, 주름진 그래핀, 탄소 나노튜브(CNT), 또는 탄소 나노-어니언(CNO) 모양의 구형 비-중공 구조(예를 들어 도 4a 및 도 4b에 묘사된 바와 같이) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 구현에서, 그래핀 나노플레이트는 중합체 네트워크(310) 내에서 전체적으로 분산되고 서로 분리될 수 있다. 그래핀 나노플레이트의 분산은 하나 이상의 상이한 농도 레벨을 포함한다. 일 구현에서, 그래핀 나노플레이트의 분산액은 불화 중합체 사슬 중 적어도 일부로 관능화된 탄소질 재료 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 불화 중합체 사슬은 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-도데카플루오로헵틸 아크릴레이트(DFHA), 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-헵타데카플루오로데실 메타크릴레이트(HDFDMA), 2,2,3,3,4,4,5,5-옥타플루오로펜틸 메타크릴레이트(OFPMA), 테트라플루오로프로필 메타크릴레이트(TFPM), 3-[3,3,3-트리플루오로-2-히드록시-2-(트리플루오로메틸)프로필]비시클로[2.2.1]헵트-2-일 메타크릴레이트(HFA 모노머) 또는 2,3,4,5,6-펜타플루오로스티렌(PFSt)을 포함한 비닐 기반 모노머를 포함하는 하나 이상의 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 단량체를 포함할 수 있다.
일부 구현에서, 불화 중합체 사슬은 탄소질 재료 층의 표면에 그래프팅될 수 있고 이에 의해 부르츠 반응(350)을 통해 애노드의 알칼리 금속의 하나 이상의 표면과 화학적으로 상호작용할 수 있다. 유기 화학, 유기금속 화학 및 무기 주족 중합체에서, 부르츠 반응은 결합 반응이고, 이에 의해 2개의 할로겐화 알킬은 고급 알칸을 형성하기 위해 건조 에테르 용액에서 나트륨 금속(또는 일부 다른 금속)과 반응된다. 이 반응에서 할로겐화 알킬은 건조 에테르(수분 없음) 용액에서 알칼리 금속, 예를 들어 나트륨 금속으로 처리되어 고급 알칸을 생성한다. 부르츠 반응의 리튬 중간 생성물의 경우, 극성이 높고 반응성이 높은 탄소-리튬 금속 결합이 생성되고, 이는 차례로 탄소-할로겐화물(예를 들어, 불화물) 결합과 화학적으로 반응하여 새로 형성된 C-C 결합과 불화 리튬을 생성한다. 새로운 C-C 결합의 형성은 짝수의 탄소 원자를 포함하는 고급 알칸을 준비하기 위해 부르츠 반응을 사용하게 하고, 예를 들어 다음과 같다:
C-F + 2Li → C-Li+ + LiF (식 4)
C-Li+ + C-F → C-C + LiF (식 5)
이들 중에서, 은, 아연, 철, 활성 구리, 인듐, 망간과 염화구리의 혼합물 같은 다른 금속들은 또한 부르츠 결합에 영향을 미치는 데 사용되었다. 할로겐화 아릴을 다루는 관련 반응은 부르츠-피티히(Wurtz-Fittig) 반응으로 칭해진다. 이는 알켄을 제공하기 위한 자유 라디칼 중간체의 형성과 그에 따른 불균형화에 의해 설명될 수 있다. 부르츠 반응(350)은 알켄 부산물을 생성하는 부반응을 가능하게 하는 자유 라디칼 메커니즘을 통해 발생한다. 일부 구현에서, 위에서 설명된 부르츠 반응과 연관된 화학적 상호작용은 알칼리 금속 불화물, 예를 들어 불화 리튬을 형성할 수 있다.
일 구현에서, 중합체 네트워크(310)는 애노드(302)와 접촉하는 인터페이스 층(318)을 포함할 수 있다. 애노드(302)와 중합체 네트워크(310) 사이의 인터페이스에서 부르츠 반응(350)에 기반할 수 있는 보호층(320)은 인터페이스 층(318)의 상단에 배치될 수 있다. 인터페이스 층(318)은 상대적으로 높은 가교 밀도(예를 들어, 불화 중합체 등), 높은 금속-불화물 농도, 및 상대적으로 낮은 탄소-불소 결합 농도를 가질 수 있다. 인터페이스 층(318)과 대조적으로, 보호층(320)은 상대적으로 낮은 가교 밀도, 낮은 금속-불화물 농도 및 높은 탄소-불소 결합 농도를 가질 수 있다.
일부 구현에서, 인터페이스 층(318)은 메타크릴레이트(MA), 아크릴레이트, 비닐 작용기, 또는 에폭시와 아민 작용기의 조합과 같은 가교성 단량체를 포함할 수 있다. 일 구현에서, 보호층(320)은 밀도 구배(316)를 특징으로 할 수 있다. 이런 방식으로, 밀도 구배(316)는 보호층(320)의 하나 이상의 자가 치유 특성과 연관될 수 있고/있거나 중합체 네트워크(310)를 강화할 수 있다. 일부 구현에서, 강화된 보호층(320)은 배터리 사이클링 동안 애노드(302)로부터 알칼리 금속 덴드라이트 형성(340)을 추가로 억제할 수 있다.
동작적으로, 인터페이스 층(318)은 애노드(302)의 길이에 걸쳐 인터페이스에서 금속 불화물, 예를 들어 불화 리튬을 균일하게 생성함으로써 애노드(302)와 연관된 알칼리 금속 덴드라이트 형성(340)을 억제할 수 있다. 금속 불화물의 균일한 생성은 예를 들어 금속 불화물로의 전환을 통해 덴드라이트 표면 용해를 유발하여 궁극적으로 알칼리 금속 덴드라이트 형성(340)을 억제한다. 추가로, 나머지 덴드라이트에 대한 불화 중합체 사슬의 가교는 알칼리 금속 덴드라이트 형성(340)을 더 억제할 수 있다. 일부 구현에서, 밀도 구배(316)는 불화 중합체 사슬 사이의 가교 정도를 제어하도록 조정될 수 있다.
도 4a는 일부 구현에 따른 복수의 탄소질 구형 입자(402)의 현미경 사진(400)을 도시한다. 일부 경우에, 탄소질 구형 입자(402)는 도 2의 NHCS 입자(226)의 예일 수 있다. 탄소질 구형 입자(402) 각각은 다양한 모놀리식 탄소 성장 및/또는 상대적으로 높은 탄소 밀도를 갖는 층으로 둘러싸인 상대적으로 낮은 탄소 밀도를 갖는 비-중공 코어 영역을 포함할 수 있다. 탄소질 구형 입자(402)는 여러 동심 다층 풀러렌 및/또는 다양한 레벨의 밀도 및/또는 농도로 구성된 유사한 모양의 탄소질 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄소질 구형 입자(402)의 최종 모양, 크기 및 그래핀 구성은 다양한 제조 프로세스에 따를 수 있다. 탄소질 구형 입자(402)는 일부 양태에서 불량한 수용성을 나타낼 수 있다. 따라서, 일부 구현에서, 비-공유 작용화는 기본 탄소 나노재료의 고유 속성에 영향을 주지 않고 탄소질 구형 입자(402)의 하나 이상의 분산 속성을 변경하기 위해 활용될 수 있다. 일부 양태에서, 기본 탄소 나노재료는 sp2 탄소 나노재료를 형성할 수 있다. 일부 구현에서, 탄소질 구형 입자(402) 각각은 대략 20 nm 내지 500 nm의 직경을 가질 수 있다. 다양한 구현에서, 탄소질 구형 입자(402)의 그룹은 합체 및/또는 집합하여 탄소질 구조(404)를 형성할 수 있다. 일부 경우에, 탄소질 구조(404)는 도 2의 탄소질 구조(225)의 예일 수 있다. 게다가, 탄소질 구조(404)의 그룹은 응집체(406)를 형성하기 위해 함께 합체 및/또는 합쳐질 수 있다.
도 4b는 일부 구현에 따른 탄소질 구조(460)의 현미경 사진(450)을 도시한다. 일부 경우에, 탄소질 구조(460)는 도 4a의 탄소질 구조물(404)의 예일 수 있다. 일 구현에서, 외부 탄소질 쉘형 구조(442, 444, 및 446)는 함께 융합되어 탄소질 구조(460)를 형성할 수 있다. 탄소질 구조(460)의 그룹은 서로 합체 및/또는 합쳐져 도 4a의 응집체(406)를 형성할 수 있다. 일부 양태에서, 각자의 탄소질 쉘형 구조(446)의 코어 구역(448)은 예를 들어 코어 구역(448)이 상호 연결된 그래핀 구조의 다양하게 정의된 농도 레벨을 포함할 수 있다는 점에서 조정 가능할 수 있다. 일부 구현에서, 각자의 탄소질 쉘형 구조(446)는 각자의 탄소질 쉘형 구조(446)에서 또는 그 가까이에서 대략 0.1g/cc 내지 2.3g/cc의 상호 연결된 탄소의 제1 농도를 가질 수 있다. 각자의 탄소질 쉘형 구조는 코어 구역(448)을 향해 안쪽으로 연장되는 리튬 이온을 수송하기 위한 기공을 가질 수 있다.
일부 구현에서, 탄소질 쉘형 구조(442, 444, 및 446) 각각의 기공은 대략 0.0 nm 내지 0.5 nm, 대략 0.0 내지 0.1 nm, 대략 0.0 내지 6.0 nm, 또는 대략 0.0 nm 내지 35 nm의 폭 또는 치수를 가질 수 있다. 탄소질 쉘형 구조(442, 444, 446) 각각은 또한 코어 영역(448) 또는 그 가까이에서 제1 농도와 다른 제2 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 농도는 동심원으로 배열된 상대적으로 낮은 밀도의 여러 탄소질 구역을 포함할 수 있다. 일 구현에서, 제2 농도는 대략 0.0 g/cc 내지 1.0 g/cc 또는 대략 1.0 g/cc 내지 1.5 g/cc로 제1 농도보다 낮을 수 있다. 일부 양태에서, 제1 농도와 제2 농도 사이의 관계는 리튬 이온의 수송 및 기체 산소의 흡입을 최대화하는 동시에, 산화 리튬에 대한 적합한 보유 위치를 제공하는 데 사용될 수 있다.
일부 구현에서, 탄소질 쉘형 구조(442, 444, 및 446) 중 적어도 일부는 모놀리식 및/또는 상호 연결된 성장으로 구성된 탄소 나노-어니언(CNO) 산화물을 포함할 수 있고 열 반응기에서 생성될 수 있다. 일 구현에서, 탄소질 쉘형 구조(442, 444, 및 446)는 다음 예시 레시피에 따라 코발트 나노입자로 데코레이팅될 수 있고: 코발트(II) 아세테이트(C4H6CoO4), 아세트산의 코발트 염(종종 사수화물 Co(CH3CO2)2· 4 H2O로 발견되고, 이는 Co(CH3CO2)2· 4 H2O로 약칭할 수 있고, 40.40 중량% 탄소(CNO 형태의 탄소를 의미함)에 대응하는 대략 59.60 중량%의 비율로 열 반응기로 유입될 수 있음), 이는 코발트로 CNO 산화물의 활성 사이트의 작용화를 초래한다. 일부 구현에서, 코발트-데코레이팅된 CNO를 생성하는 데 사용되는 적합한 가스 혼합물은 다음 단계를 포함할 수 있다.
30분 동안 분당 Ar 퍼지 0.75 표준 입방피트(scfm);
Ar 퍼지가 실행을 위해 0.25 scfm으로 변경됨;
온도 증가: 25°C - 300°C 20분; 및
온도 증가: 300° - 500°C 15분.
도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명된 탄소질 재료는 하나 이상의 그래핀 인스턴스를 포함하거나 달리 그로부터 형성될 수 있고, 이는 벌집 구조에서 각각의 원자가 3개의 이웃에 결합된 탄소 원자의 단일 층을 포함할 수 있다. 단일 층은 응축된 상의 표면 내부 또는 표면과 같이 일차원으로 제한되는 개별 재료일 수 있다. 예를 들어, 그래핀은 x 및 y 평면에서만 외향으로 성장할 수 있다(z 평면에서는 성장할 수 없음). 이러한 방식으로, 그래핀은 각각의 층의 원자가 동일한 층의 이웃 원자에 강하게 결합된(예를 들어, 복수의 탄소-탄소 결합에 의해) 하나 또는 여러 개의 층을 포함하는 2차원(2D) 재료일 수 있다.
일부 구현에서, 그래핀 나노플레이트(예를 들어, 탄소질 쉘형 구조(442, 444, 및 446) 각각에 포함된 형성 구조)는 화려하고 자연스러운 3D 탄소 구조를 형성하기 위해 모두가 수직 방향으로 서로의 위에 적층되는 제1 그래핀 층, 제2 그래핀 층, 및 제3 그래핀 층과 같은 그래핀의 다중 인스턴스를 포함할 수 있다. GNP로 지칭될 수 있는 그래핀 나노플레이트 각각은 1 nm 내지 3 nm의 두께를 가질 수 있고, 대략 100 nm 내지 100 μm 범위의 측면 치수를 가질 수 있다. 일부 구현에서, 그래핀 나노플레이트는 롤투롤(R2R: roll-to-roll) 생산에 의해 순차적으로 배열된 다중 플라즈마 스프레이 토치에 의해 생산될 수 있다. 일부 양태에서, R2R 생산은 2D 재료(들)를 별도의 기판으로 전달하는 것을 포함하여 롤 시트로 프로세싱되는 연속적인 기판에 대한 증착을 포함할 수 있다. R2R 프로세스에 사용되는 플라즈마 스프레이 토치는 특정 농도 레벨의 그래핀 나노플레이트를 생성하기 위해 상이한 농도 레벨에서 탄소질 재료를 분사할 수 있고, 이에 의해 도 1의 캐소드(110) 및/또는 도 2의 캐소드(200)에 대해 미세한 레벨의 조정 가능성을 제공할 수 있다.
도 5a는 일부 구현에 따른 그래핀 분말의 SEM 현미경 사진(500A)을 도시한다. 현미경 사진(500A)의 인접한 그래핀화된 시트 및/또는 층은 그래핀 재적층을 방지하기 위해 복잡한 3D 구조를 가질 수 있고, 2D 그래핀 사용의 여러 단점을 피할 수 있다.
도 5c는 일부 구현에 따라 열적 프로세스에 의해 생성된 노듈러 탄소의 SEM 현미경 사진(500B)을 도시한다. 현미경 사진(500B)에 도시된 노듈러 탄소는 도 1 및/또는 도 2의 캐소드(110)에서 NHS 입자(222)를 생성하는 데 사용될 수 있다. 이런 방식으로, 현미경 사진(500B)의 노둘러 탄소는 최적의 리튬-공기 배터리 동작에 필요한 대로 기체 산소가 캐소드(110)의 내부 영역으로 자유롭게 통과하는 것을 촉진하면서 산화 리튬을 동시에 보유할 수 있는 독특한 이중 기공 시스템을 생성할 수 있다. 현미경 사진(500B)에 도시된 노둘러 탄소는 기공을 특징으로 할 수 있고, 각각의 기공은 대략 0.6 나노미터(nm) 내지 6.6 nm의 직경을 갖고, 이에 의해 이들 기공 내에 산화 리튬을 보유할 수 있다.
도 5c는 일부 구현에 따른 이산화탄소(CO2) 처리 탄소의 SEM 현미경 사진(500c)을 도시한다. 현미경 사진(500C)에 도시된 3D 그래핀화 및/또는 탄소질 재료는 CO2 처리에 의해 생성될 수 있고 도 1의 배터리(100)의 도 1 및/또는 도 2의 캐소드(110)의 NHS 입자(222)를 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 5d는 일부 다른 구현에 따른 이산화탄소(CO2) 처리 탄소의 SEM 현미경 사진(500D)을 도시한다. 현미경 사진(500C)에 도시된 3D 그래핀화 및/또는 탄소질 재료는 CO2 처리에 의해 생성될 수 있고 도 1의 배터리(100)의 도 1 및/또는 도 2의 캐소드(110)의 NHS 입자(222)를 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 6은 일부 구현에 따른 이산화탄소(CO2) 처리 후의 3차원(3D) 그래핀의 현미경 사진(600)을 도시한다. 일부 경우에, 처리된 3D 그래핀은 각각 도 1 및 도 2의 리튬-공기 배터리(100 및 200)의 캐소드(110)의 NHCS 입자(226)를 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 7은 일부 구현에 따라, 도 2의 캐소드(110)의 NHCS 입자(226) 또는 본원에 설명된 다른 탄소질 재료의 그래핀화된 나노시트 내 기공의 기공 폭 대 기공 부피의 예시적 분포를 묘사하는 그래프(700)를 도시한다. 그래프(700)에 묘사된 바와 같이, 비교적 높은 기공 부피와 연관된 기공은 상대적으로 낮은 기공 폭을 가질 수 있어서, 예를 들어 기공 부피가 감소함에 따라 기공 폭은 일반적으로 증가한다. 일부 양태에서, 대략 1.0 nm 미만의 기공 폭을 갖는 기공은 마이크로기공으로 지칭될 수 있고, 대략 3 내지 11 nm의 기공 폭을 갖는 기공은 메조기공으로 지칭될 수 있고, 대략 24 nm 초과의 기공 폭을 갖는 기공은 매크로기공(macropore)으로 지칭될 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 리튬-공기 배터리(100)는 주변 공기(170)에 의해 공급된 산소가 캐소드(110) 내에 형성된 다양한 기공(112) 및 경로(114)를 통해 리튬-공기 배터리(100) 내부로 진입되게 하여 활성화될 수 있다. 논의된 바와 같이, 리튬-공기 배터리(100)에 제공된 산소는 애노드(120)에 의해 공급된 리튬과 반응하여 애노드(120)에서 또는 그 가까이에서 리튬 이온 및 자유 전자를 생성한다. 리튬 이온은 애노드(120)에서 전해질(130)을 통해 캐소드(110)로 이동하고, 캐소드(110) 또는 그 가까이의 산소와 반응하여 산화 리튬을 생성한다. 자유 전자는 외부 회로를 통해 애노드(120)에서 캐소드(110)로 이동하여, 외부 회로를 통해 전류를 생성할 수 있다. 배터리 충전 사이클 동안, 주변 공기(170)에 의해 공급된 산소는 캐소드(110)에 또는 그 가까이에 존재하는 산화 리튬에 전자를 공여하여 리튬 이온 및 전자를 생성한다. 애노드(120)와 캐소드(110) 사이의 전기화학적 전위는 리튬 이온이 애노드(120)로 되돌아가게 하고, 여기서 되돌아오는 리튬 이온은 축적되어 애노드(120)를 리튬으로 도금할 수 있다.
도 2를 참조하여 논의된 바와 같이, 배터리(100)의 동작 동안 생성된 산화 리튬(및 다른 원하지 않는 부산물)은 주변 공기(170)로부터 배터리(100)의 내부 부분으로 산소를 전달하는 역할을 하는 기공(210a-210b)의 개구를 차단할 수 있다. 일부 구현에서, 기공(210a-210b)의 개구의 폭 또는 직경은 산화 리튬(및 다른 원하지 않는 부산물)에 의해 차단될 가능성을 줄이기 위해 증가될 수 있다. 그러나, 본 개시내용의 양태는 또한 기공 개구의 폭 또는 직경을 증가시키면 물방울 및/또는 수증기가 도 1을 참조하여 설명된 기공(112) 및 경로(114)를 통해 캐소드(110)에 진입하는 것을 부주의하게 허용할 수 있다는 것을 인식한다. 게다가, 캐소드(110) 내의 수송 기공(210) 및 수송 경로(220)를 정의하는 탄소질 구조(225) 중 적어도 일부의 친수성 특성이 이러한 탄소질 구조(225)가 배터리(100)의 다양한 화학 반응과 연관된 수증기를 끌어당기거나 보유하게 하지만, 이러한 탄소질 구조(225)의 친수성 특성은 물방울이 이러한 탄소질 구조(225)의 표면에 축적되게 할 수 있다. 일부 경우에, 축적된 물방울은 캐소드(110) 내에 형성된 다공성 경로(114)로 진입하고, 캐소드(110)의 적어도 일부 부분 전체에 확산되어, 배터리 내의 리튬과 바람직하지 않게 반응할 수 있다. 일반적으로 '플러딩'으로 지칭되는 이러한 현상은 배터리(100)의 비용량을 감소시킬 뿐만 아니라, 배터리의 수명을 단축시킬 수 있다.
도 8a는 FLG(few layer graphene)(810)의 외부 표면에 형성되거나 배치된 물방울을 묘사하는 예시(800)를 도시한다. 3-15개의 탄소 원자 층을 포함할 수 있는 FLG(810)는 도 1의 배터리(100)의 캐소드(110)에 형성된 다양한 기공(210) 및 경로(220)를 정의하는 탄소질 구조(225)를 형성하는 데 사용될 수 있다. 구체적으로, FLG(810)(및/또는 도 2를 참조하여 설명된 다공성 비-중공 탄소질 구형(NHCS) 입자(226))의 다수의 인스턴스는 서로 합쳐져 캐소드(110) 전체에 형성된 기공(210) 및 경로(220)의 모양, 크기, 및/또는 배향을 정의하는 탄소질 재료의 응집체를 형성할 수 있다. 제1 직경(d1)을 갖는 제1 기공(811)은 FLG(810)의 상부 표면(801)에 형성되고, FLG(810) 전체에 형성된 경로 및/또는 공동(단순화를 위해 도시되지 않음) 중 하나 이상과 유체 연통할 수 있다. 제2 직경(d2)을 갖는 제2 기공(812)은 FLG(810)의 하부 표면(802)에 형성되고, FLG(810) 전체에 형성된 경로 및/또는 공동(단순화를 위해 도시되지 않음) 중 하나 이상과 유체 연통할 수 있다. 제1 및 제2 기공(811 및 812)은 기공 간격 거리만큼 분리될 수 있다. 일부 양태에서, 제1 직경(d1)은 제2 직경(d2)보다 커서, 예를 들어 제1 기공(811)의 개구는 제2 기공(812)의 개구보다 넓다.
도 8a의 예에서, 제1 물방울(821)은 FLG(810)의 상부면(801)에 형성 또는 배치되고, 복수의 제2 물방울(822)은 FLG(810)의 하부면(802)에 형성 또는 배치된다. FLG(810)의 조정 가능성을 엄밀히 설명하기 위해, FLG(810)의 상부 부분은 소수성 특성을 나타내도록 조정되고, FLG(810)의 하부 부분은 친수성 특성을 나타내도록 조정될 수 있다. FLG(810) 상부 부분의 소수성 특성은 물방울(821)이 FLG(810)의 상부면(801)을 따라 이동하여 제1 기공(811)으로 진입되는 것을 방지할 수 있는 반면, FLG(810)의 하부 부분의 친수성 특성은 복수의 물방울(802)이 FLG(810)의 하부면(802)을 따라 연속적인 수막을 형성하게 할 수 있다. 일부 경우에, 물방울(822)의 연속적인 막은 수막 내의 응집력과 물방울과 FLG 표면 사이의 접착력으로 인해 평형 상태에 있을 수 있다. 도시된 바와 같이, 물방울(822)의 연속적인 막의 표면 장력은 적어도 부분적으로 제2 기공(812)의 상대적으로 작은 직경(d2)으로 인해(예를 들어, 제1 기공(811)의 상대적으로 큰 직경(d1)에 비해) 물방울(822)이 제2 기공(812)으로 진입하는 것을 방지할 수 있다.
도 8b는 도 8a를 참조하여 설명된 FLG(810)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 캐소드를 포함하는 리튬-공기 배터리(단순화를 위해 도시되지 않음)의 예시적인 플러딩을 묘사하는 예시(850)를 도시한다. 도 8a를 참조하여 논의된 바와 같이, 제1 기공(811)은 상대적으로 큰 기공 개구(제1 직경(d1)으로 표시됨)를 갖고, 제2 기공(812)은 상대적으로 작은 기공 개구(제2 직경(d2)으로 표시됨, 여기서 d1 > d2)를 갖는다. 일부 경우에, 제1 기공(811)의 상대적으로 큰 개구는 FLG(810)의 상부면(801)에 수집된 물방울(821)이 제1 기공(811)의 내부 부분으로 진입되어 플러딩하게 할 수 있다. 유사하게, 도 8b의 예에서 제2 기공(812)의 더 큰 직경(d2)은 연속적인 막 내의 물방울(822) 중 일부가 제2 기공(812)의 내부 부분으로 진입하여 플러딩하게 할 수 있다.
일부 구현에서, 캐소드(110) 전체에 걸쳐 다양한 기공(210) 및 경로(220)를 정의하는 FLG(810)(및 다른 탄소 기반 구조)는 리튬이 플러딩에 취약하지 않은 FLG(801) 내에 형성된 기공 및/또는 공동 내에 증착하게 하는 방식으로 조정될 수 있다. 구체적으로, 일부 경우에, FLG(810)는 제1 기공(811(d1)) 및 제2 기공(812(d2))의 각자의 직경 둘 모두가 각자의 제1 및 제2 기공(811 및 812)의 플러딩을 방지할 만큼 충분히 작도록 조정될 수 있다.
도 9a는 리튬-공기 배터리의 충전 상태를 묘사한 예시(900)를 도시한다. 일부 구현에서, FLG(810)는 리튬-공기 배터리의 캐소드의 적어도 일부를 형성하는 데 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, FLG(810)는 도 1의 배터리(100)의 캐소드(110) 내의 다양한 기공(210) 및 경로(220)를 정의하는 탄소질 구조를 위한 빌딩 블록일 수 있다. 논의된 바와 같이, FLG(810)(및/또는 다른 예 중에서 도 2의 다공성 NHCS 입자(226) 또는 CNO 입자와 같은 다른 탄소질 재료)는 서로 합체하여 캐소드(110) 전체에 걸쳐 기공(210) 및 경로(220)의 모양, 크기 및/또는 배향을 정의하는 탄소질 재료의 응집체를 형성할 수 있다.
FLG(810)는 다수의 Li2O 결정(912), 육각형 LiOx 결정(914) 및 FLG(810)의 상부면(801)에 수집되는 3개의 물방울(921-923)을 포함하는 기공(910)을 포함한다. 3개의 물방울(921-923) 각각은 FLG(810)의 상부면(801)에 대해 대응하는 제1 각도(θ1)에 배치된다. 중간 물방울(922)은 FLG(810)의 상부면(801)에 대해 제2 각도(θ2)로 기공(910) 위에 배치되고, 기공(910)은 직경(d2)을 갖는다. 다양한 양태에서, 기공(910)의 직경(d2)은 물이 기공(910)으로 진입하거나 기공(910) 내에 축적되는 것을 방지하기 위해 기공(910)에 대해 충분히 작을 수 있다.
육각형 LiOx 결정(914)은 육각형 LiOx 결정(914)이 기공(910) 내의 탄소 재료와 접촉하지 않도록 기공(910)의 벽으로부터 제1 거리(L1)만큼 떨어져 배치된다. 일부 경우에, 제1 거리(L1)는 전자 터널링 거리보다 작고, 이는 산화 반응 동안 생성된 전자(e-)가 FLG(810)를 통해 기공(910)으로 터널링하는 것을 허용한다. 결과적인 전자의 기공(910) 내로의 전달은 전자가 Li2O(912)와 반응하고 Li2O(912)를 리튬 금속으로 전환하게 하고, 이에 의해 연관된 리튬-공기 배터리의 동작을 위한 활성 재료를 제공한다. 이런 방식으로, 그래핀과 전기화학적으로 소통하는 화학양론적 Li2O 결정(예를 들어, Li2O 결정(912))은 전자와 반응하여 리튬 금속을 형성할 수 있다. 일부 양태에서, 기공(910)은 각도(θ2)가 90도보다 클 때 친수성인 것으로 간주될 수 있고, 기공(910)은 각도(θ2)가 90도 미만일 때 소수성인 것으로 간주될 수 있다.
도 9b는 리튬-공기 배터리의 방전 상태를 묘사하는 예시(950)를 도시한다. 일부 구현에서, FLG(810)는 리튬-공기 배터리의 캐소드의 적어도 일부를 형성하는 데 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, FLG(810)는 도 1의 배터리(100)의 캐소드(110)에 형성된 다양한 기공(210) 및 경로(220)를 정의하는 탄소질 구조를 형성하는 데 사용될 수 있다. 논의된 바와 같이, 도 2를 참조하여 설명된 FLG(810) 및/또는 다공성 비-중공 탄소질 구형(NHCS) 입자(226)는 서로 합쳐져 캐소드(110) 전체에 기공(210) 및 경로(220)의 모양, 크기, 및/또는 배향을 정의하는 탄소질 재료의 응집체를 형성할 수 있다.
FLG(810)는 도 9a를 참조하여 설명된 Li2O 결정(912), 육각형 LiOx 결정(914) 및 3개의 물방울(921-923)을 포함하는 기공(910)을 포함한다. 도 9b의 예에서, 육각형 LiOx 결정(914)은 도 9a의 육각형 LiOx 결정(914)을 기준으로 회전되고, 기공(910)의 벽으로부터 떨어진 거리(L2)에 배치되고 여기서 거리(L2)는 도 9a의 거리(L1)보다 크다. 구체적으로, 도 9b에서 육각형 LiOx 결정(914)의 배치는 거리(L2)가 전자 터널링 거리보다 더 커지게 하고, 이는 전자가 FLG(810)를 통해 기공(910)으로 터널링하고 육각형 LiOx 결정(914)과 반응하는 것을 배제할 수 있다. 이런 방식으로, 비화학양론적 LiOx 결정(예를 들어, LiOx 결정(914))은 리튬 금속으로 변환되지 않는 데, 그 이유는 전자가 기공(910)을 통해 터널링하여 비화학양론적 LiOx 결정과 반응할 수 없기 때문이다. 일부 양태에서, 기공(910)은 각도(θ2)가 90도보다 클 때 친수성인 것으로 간주될 수 있고, 기공(910)은 각도(θ2)가 90도 미만일 때 소수성인 것으로 간주될 수 있다.
도 10은 다양한 유형의 FLG를 묘사하는 예시(1000)를 도시한다. 구체적으로, 예시(1000)는 FLG 모델(1010)을 평평한 시트로 묘사하고, 곡선형 FLG(1020)를 아치형 표면으로 묘사한다. 예시(1000)는 또한 다층 풀러렌(1030)을 주변 공기에 노출되지 않는 내부 기공을 갖는 구형 CNO 입자로 묘사하고, 이는 다층 풀러렌(1030)이 주변 공기에 의해 제공되는 산소(또는 물)와 반응하는 것을 방지할 수 있다. 예시(1000)는 또한 주변 공기가 처리된 CNO 입자(1040)에 의해 형성된 캐소드 전체에 진입되어 확산될 수 있는 조정되거나 구성된 기공 개구(1042)를 갖는 처리된 CNO 입자(1040)를 묘사한다.
도 11은 일부 구현에 따른 탄소질 집합체(1100)를 묘사한다. 탄소질 집합체(1100)는 복수의 CNO 입자(1110 및 1120)를 포함한다(단순화를 위해 2개의 CNO 입자(1110-1120)만 도시됨). 일부 경우에, 탄소질 집합체(1100)는 도 2를 참조하여 설명된 탄소질 구조물(225)의 일 예일 수 있다. CNO 입자(1110 및 1120) 각각은 CNO 입자(1110 및 1120)의 각자의 개구(1111 및 1121)의 원하는 폭을 달성하도록 처리 및 조정될 수 있다. 도시된 바와 같이, 주변 공기에 의해 공급된 산소(O2)는 탄소질 집합체(1100)의 벽을 통해 탄소질 집합체(1100)의 내부 부분으로 진입할 수 있다. 일부 구현에서, 복수의 CNO 입자(1110 및 1120)는 수증기 또는 물방울과 같은 물방울(H20)이 탄소질 집합체(1100)의 내부 부분으로 진입되는 것을 밀어낼 수 있는 소수성 특성을 나타내도록 조정될 수 있다. 일부 양태에서, 소수성 조정된 CNO 입자(1110 및 1120)는 CNO 입자(1110-1120) 사이의 다양한 수송 경로(단순화를 위해 도시되지 않음) 내에서 물을 보유할 수 있다. 이런 방식으로, 소수성 특성을 나타내도록 CNO 입자(1110 및 1120)를 조정하는 것은 물이 기공 구멍을 통해 배터리에 진입되어, 리튬과 반응하는 것을 방지할 수 있다(이는 바람직하지 않음).
일부 경우에, CNO 입자(1110 및 1120) 각각은 대략 5 nm 내지 25 nm의 반경을 가질 수 있다. 다른 경우에, CNO 입자(1110 및 1120)의 반경은 대략 5 nm 내지 50 nm일 수 있다. 일부 다른 경우에, CNO 입자(1110 및 1120)의 반경은 대략 3 nm 내지 500 nm일 수 있다. 본원에 개시된 청구대상의 양태는 각자의 CNO 입자의 반경이 대략 100 nm 미만인 경우, 단일 공동이 각자의 CNO 입자의 형성 동안 생성될 수 있다는 것을 인식한다. CNO 입자(1110 및 1120) 내에 단일 공동을 형성하고 조정하는 것은 (다수의 공동을 형성하고 조정하는 것에 비해) 관리가 상대적으로 용이하다는 장점을 가질 수 있다. 다른 한편, 각자의 CNO 입자의 반경이 대략 100 nm에 도달하거나 초과하는 경우, 다수의 공동은 각자의 CNO 입자 형성 동안 생성될 수 있다. CNO 입자 내의 다수의 공동은 내부에 형성된 경로(예를 들어, 도 2를 참조하여 설명된 경로(220))가 단일 공동을 갖는 CNO 입자에 형성된 경로보다 더 비틀리도록 허용할 수 있다. 게다가, CNO 입자 내에 다수의 공동을 제공하는 것은 CNO 입자의 공동 내에 저장될 수 있는 리튬의 양을 증가시킬 수 있고, 이는 차례로 연관된 리튬-공기 배터리의 비용량을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 CNO 입자(1110)는 대략 100 nm 미만의 반경(R1)을 갖고, 제2 CNO 입자(1120)는 대략 100 nm보다 큰 반경(R2)을 갖는다. 이와 같이, 제1 CNO 입자(1110)는 제1 CNO 입자(1110)의 개구(1111)와 코어(1112) 사이의 상대적으로 낮은 구불구불한 경로(1113)와 연관된 단일 공동(단순화를 위해 도시되지 않음)를 포함할 수 있고, 제2 CNO 입자(1120)는 제2 CNO 입자(1120)의 개구(1121)와 코어(1122) 사이에 상대적으로 높은 구불구불한 경로(1123)와 연관된 다수의 공동(단순화를 위해 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 제1 CNO 입자(1110)에 형성된 비교적 낮은 구불구불한 경로(1113)는 주변 공기에 의해 공급된 산소가 CNO 입자(1110)를 통해 코어(1112)를 향해 전파되는 것을 허용한다. 그러나, 상대적으로 낮은 구불구불한 경로(1113)는 또한 물(예를 들어, 물방울 또는 수증기)이 제1 CNO 입자(1110)의 내부 부분으로 진입하는 것을 허용할 수 있고, 이는 위에서 논의한 바와 같이 연관된 리튬-공기 배터리(예를 들어, 도 1의 리튬-공기 배터리(100))의 플러딩을 초래할 수 있다.
반대로, 제2 CNO 입자(1120)에 형성된 상대적으로 높은 구불구불한 경로(1123)는 물방울이 제2 CNO 입자(1120)의 내부 부분으로 진입되는 것을 방지할 수 있어서(예를 들어, 상대적으로 높은 구불구불한 경로(1123)를 통해 기공 개구(1121)와 코어(1122) 사이의 증가된 이동 거리로 인함), 연관된 리튬-공기 배터리의 플러딩을 방지할 수 있다. 그러나, 상대적으로 높은 구불구불한 경로(1123)는 또한 주변 공기에 의해 공급된 산소가 제2 CNO 입자(1120)를 통해 흐르고 대응 애노드 전체로 확산되는 것을 제한하거나 억제할 수 있고, 이는 위에서 논의된 바와 같이 연관된 리튬-공기 배터리의 비용량을 감소시킬 수 있다.
본원에 개시된 청구대상의 양태는 리튬-공기 배터리의 최적 성능이 리튬-공기 배터리의 캐소드를 형성하는 CNO 입자를 통해 전파되는 충분한 양의 산소를 허용하는 것과 그러한 CNO 입자로 물의 전파를 방지(또는 적어도 억제)하는 것 사이의 원하는 균형을 달성하는 것과 관련될 수 있음을 인식한다. 일부 구현에서, 이러한 원하는 균형은 소정 레벨의 친수성 거동을 나타내거나 소정 레벨의 소수성 거동을 나타내기 위해 리튬-공기 배터리의 캐소드 내의 탄소질 재료(예를 들어, 도 11의 CNO 입자(1110 및 1120))를 선택적으로 조정함으로써 달성될 수 있다. 일부 경우에, 이런 탄소질 재료는 리튬이 플러딩에 민감하지 않은 CNO 입자의 다양한 공동 내에서 반응하게 하는 방식으로 조정될 수 있다.
구체적으로, 다양한 구현에서, CNO 입자(1110 및 1120)(및 다른 탄소질 재료 또는 구조)는 에칭되어 각자의 기공 개구(1111 및 1121)의 폭 또는 직경이 물방울이 각자의 경로(1113 및 1123)에 진입하는 것을 방지하는 것과 연관된 임계 치수보다 작도록 구성할 수 있다. 일부 경우에, 캐소드 내의 CNO 입자 중 적어도 일부의 노출된 표면은 도 8a를 참조하여 설명된 바와 같이, 물방울이 캐소드 또는 CNO 입자의 표면을 따라 가까운 기공 개구를 향해 이동하는 것을 억제할 수 있는 소수성 특성을 나타내도록 조정될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 캐소드 내의 일부 다른 CNO 입자의 노출된 표면은 도 8a를 참조하여 설명된 바와 같이 물방울이 기공 개구에 진입하여 리튬-공기 배터리를 플러딩하는 것을 방지하기에 충분한 표면 장력을 갖는 연속적인 수막을 배치된 물방울이 형성하게 하는 친수성 특성을 나타내도록 조정될 수 있다. 일부 경우에, 캐소드를 형성하는 복수의 CNO 입자(및/또는 다른 탄소질 재료 또는 구조)는 주변 공기에 의해 공급되는 산소가 캐소드 전체에 진입하여 확산하게 함과 동시에 물방울이 캐소드 내부 또는 전체에 전파되는 것을 억제하는 구불구불한 수송 경로(예를 들어, CNO 입자(1120)에 형성된 구불구불한 경로(1123))를 형성하기 위해 선택적으로 에칭될 수 있다.
논의된 바와 같이, CNO 입자(예를 들어, CNO 입자(1110 및 1120)) 그룹 또는 다공성 비-중공 탄소질 구형 입자는 서로 합체하여 리튬-공기 배터리의 캐소드 내의 다양한 기공, 경로 및 공동을 정의하는 더 큰 탄소질 구조를 형성할 수 있다. 다양한 양태에서, 이러한 더 큰 탄소질 구조의 크기 및 다공성은 경로의 소정 레벨의 구불구불함을 보장하고/하거나 각자의 기공 개구가 임계 치수보다 작도록 보장하기 위해 제어 및/또는 조정될 수 있다. 이런 방식으로, 리튬-공기 배터리의 캐소드에 사용되는 CNO 입자(1110 및 1120)(및/또는 다른 탄소질 재료)의 계층적 기공 구조, 구성된 다공성 및 조정된 거동은 물이 기공 개구로 진입하여 리튬-공개 배터리를 플러딩하는 것을 방지함과 동시에 주변 공기에 의해 공급되는 충분한 양의 산소가 캐소드의 다양한 기공 및 경로를 통해 전파되고 리튬-공기 배터리의 출력 전류(또는 전압) 생성과 연관된 화학 반응에 참여하는 것을 방지할 수 있다. 게다가, 리튬-공기 배터리가 물방울이 캐소드 전체에 진입하여 확산되는 것을 방지할 수 있는 정도를 증가시킴으로써, 본원에 개시된 청구대상의 구현은 예를 들어, 리튬-공기 배터리가 비, 스프링클러 또는 다른 물방울 소스에 노출되어 야기되는 리튬-공기 배터리의 부주의한 활성화를 방지함으로써 리튬-공기 배터리의 수명을 증가시킬 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 항목의 목록 중 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 언급하는 문구는 단일 멤버를 포함하여 이러한 항목의 임의의 조합을 지칭한다. 예를 들어, "a, b, 또는 c 중 적어도 하나"는 a만, b만, c만, a와 b의 조합, a와 c의 조합, b와 c의 조합, 및 a와 b와 c의 조합의 가능성을 커버하도록 의도된다.
본원에 개시된 구현과 관련하여 설명된 다양한 예시적 구성요소, 논리, 논리 블록, 모듈, 회로, 동작, 및 알고리즘 프로세스는 본 명세서에 개시된 구조 및 이의 구조 등가물을 포함하는 전자 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어, 펌웨어 또는 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있다. 하드웨어, 펌웨어 및 소프트웨어의 상호교환성은 일반적으로 기능 측면에서 설명되었고, 위에서 설명된 다양한 예시 구성요소, 블록, 모듈, 회로 및 프로세스에 예시된다. 이러한 기능이 하드웨어로 구현되는지, 펌웨어로 구현되는지 또는 소프트웨어로 구현되는지 여부는 전체 시스템에 적용되는 애플리케이션 및 설계 제약에 의존한다.
본 개시내용에 설명된 구현에 대한 다양한 수정은 통상의 기술자에게 쉽게 명백할 수 있고, 본원에서 정의된 일반적인 원리는 본 개시내용의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다른 구현에 적용될 수 있다. 따라서, 청구범위는 본원에 도시된 구현으로 제한되도록 의도되지 않고, 본원과 일치하는 가장 넓은 범위, 본원에 개시된 원리 및 신규 특징과 부합되어야 한다.
추가로, 개별 구현의 맥락에서 본 명세서에 설명된 다양한 특징은 또한 단일 구현으로 조합하여 구현될 수 있다. 반대로, 단일 구현의 맥락에서 설명된 다양한 특징은 또한 별도로 또는 임의의 적합한 서브조합의 다중 구현으로 구현될 수 있다. 이와 같이, 특징이 서로 조합하여 위에서 설명될 수 있고, 심지어 초기에 그와 같이 청구될 수 있지만, 청구된 조합의 하나 이상의 특징은 일부 경우에서 조합에서 제거될 수 있고 청구된 조합은 서브조합 또는 서브조합의 변형으로 지향될 수 있다.
유사하게, 동작이 도면에서 특정 순서로 묘사될 수 있지만, 이것은 원하는 결과를 달성하기 위해 그러한 동작이 도시된 특정 순서 또는 순차적인 순서로 수행되거나, 모든 예시된 동작이 수행될 것을 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 추가로, 도면은 흐름도 또는 흐름 다이어그램의 형태로 또는 하나 이상의 예시적인 프로세스를 개략적으로 묘사할 수 있다. 그러나, 묘사되지 않은 다른 동작은 개략적으로 예시된 예시적인 프로세스에 포함될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 동작은 예시된 동작 중 임의의 동작 이전, 이후, 동시에, 또는 그 사이에 수행될 수 있다. 일부 상황에서, 멀티태스킹 및 병렬 프로세싱은 유리할 수 있다. 게다가, 위에서 설명된 구현에서 다양한 시스템 구성요소의 분리는 모든 구현에서 그러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안 되고, 설명된 프로그램 구성요소 및 시스템이 일반적으로 단일 제품으로 함께 통합되거나 다수의 제품으로 패키징될 수 있음이 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 리튬-공기 배터리에 있어서,
    애노드;
    탄소질 구조의 배열로 형성되고 상기 애노드에 대향하여 배치된 캐소드로서,상기 캐소드는,
    상기 탄소질 구조의 제1 그룹에 의해 정의된 복수의 기공- 상기 기공은 주변 공기에 의해 공급된 산소가 상기 캐소드에 진입하도록 구성됨 -;
    상기 탄소질 구조의 제2 그룹에 의해 정의된 복수의 상호 연결 경로- 상기 상호 연결 경로는 상기 캐소드 전체에 상기 산소를 확산시키도록 구성됨 -; 및
    각각의 상기 경로 내에 형성되거나 이와 연관된 하나 이상의 공동- 각 공동은 리튬 금속을 저장하도록 구성됨 - 을 포함하는, 상기 캐소드;
    상기 캐소드 전체에 분산된 전해질- 상기 전해질은 상기 애노드와 유체 접촉함 -; 및
    상기 복수의 기공 중 적어도 일부를 상기 주변 공기에 선택적으로 노출시키도록 구성된 하나 이상의 개구를 포함하는, 리튬-공기 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 애노드는 리튬 금속으로 이루어진, 리튬-공기 배터리.
  3. 제1항에 있어서, 각각의 탄소질 구조는 대응하는 탄소 나노-어니언(CNO: carbon nano-onion) 입자 그룹의 합체(coalescence)에 기반하는, 리튬-공기 배터리.
  4. 제3항에 있어서, 각각의 탄소질 구조는 복수의 상호 연결된 그래핀 플레이크(graphene flake)를 더 포함하는, 리튬-공기 배터리.
  5. 제3항에 있어서, 각각의 탄소질 구조는 평평한 그래핀, 주름진 그래핀, 곡선형 그래핀, 또는 다공성 비-중공(non-hollow) 구형 입자 중 하나 이상을 더 포함하는, 리튬-공기 배터리.
  6. 제3항에 있어서, 상기 CNO 입자는 대략 5 나노미터 내지 500 나노미터의 반경을 갖는, 리튬-공기 배터리.
  7. 제3항에 있어서, 상기 탄소질 구조의 제1 그룹의 상기 CNO 입자 중 적어도 일부는 반경이 100 나노미터보다 큰, 리튬-공기 배터리.
  8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 일부의 CNO 입자 각각은 복수의 공동을 포함하는, 리튬-공기 배터리.
  9. 제3항에 있어서, 상기 탄소질 구조의 제1 그룹의 상기 CNO 입자 중 적어도 일부는 소수성으로 구성되는, 리튬-공기 배터리.
  10. 제9항에 있어서, 상기 탄소질 구조의 제1 그룹의 상기 소수성 CNO 입자는 물방울이 표면을 따라 상기 복수의 기공 중 하나 이상을 향해 이동하는 것을 억제하는, 리튬-공기 배터리.
  11. 제3항에 있어서, 상기 탄소질 구조의 제2 그룹의 상기 CNO 입자 중 적어도 일부는 친수성으로 구성된, 리튬-공기 배터리.
  12. 제11항에 있어서, 상기 탄소질 구조의 제2 그룹의 상기 친수성 CNO 입자는 물방울이 상기 친수성 CNO 입자의 각자의 표면을 따라 연속적인 수막을 형성하도록 하는, 리튬-공기 배터리.
  13. 제12항에 있어서, 상기 연속적인 수막은 상기 연속적인 수막 내부의 응집력과, 상기 연속적인 수막과 상기 친수성 CNO 입자의 각자의 표면 사이의 접착력에 의해 평형 상태에 있는, 리튬-공기 배터리.
  14. 제12항에 있어서, 상기 연속적인 수막과 연관된 표면 장력은 상기 연속적인 수막의 상기 물방울이 상기 캐소드에 축적되는 것을 방지하는, 리튬-공기 배터리.
  15. 제1항에 있어서, 상기 공동 중 적어도 일부는 직경이 대략 0.6 나노미터 내지 6.6 나노미터인, 리튬-공기 배터리.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 탄소질 구조의 제3 그룹에 의해 정의된 복수의 다른 상호 연결 경로를 더 포함하고, 상기 복수의 다른 상호 연결 경로는 상기 탄소질 구조의 제2 그룹에 의해 정의된 상기 상호 연결 경로의 적어도 일부 부분으로부터 원하지 않는 부산물을 제거하도록 구성되는, 리튬-공기 배터리.
  17. 제1항에 있어서, 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리기를 더 포함하는, 리튬-공기 배터리.
  18. 제1항에 있어서, 상기 애노드 상에 배치되는 보호층을 더 포함하고, 상기 보호층은,
    상기 애노드의 하나 이상의 노출된 표면 위에 증착된 중합체 네트워크- 상기 중합체 네트워크는 서로 가교된 복수의 불화 중합체 사슬과 그래프팅된(grafted) 상기 탄소질 구조를 포함함 -; 및
    상기 중합체 네트워크와 상기 애노드에 의해 제공되는 리튬으로 형성된 불화 리튬(LiF) 막을 포함하는, 리튬-공기 배터리.
  19. 제18항에 있어서, 상기 불화 리튬 막 상에 증착된 외부 층을 더 포함하고, 상기 외부 층은 중합체 또는 에폭시 캡슐화된 이온 전도체 중 하나 이상을 포함하는, 리튬-공기 배터리.
  20. 제1항에 있어서, 상기 탄소질 구조 각각은 그래핀 나노시트의 3차원(3D) 스택을 포함하는, 리튬-공기 배터리.
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