KR20240042074A - 변형-유도된 국소 전기장에 의한 전기화학 셀의 개선된 성능 - Google Patents

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Abstract

압전 물질을 포함하는 구조물을 사용함으로써 전기화학 셀의 용량, 에너지 및 사이클 수명을 개선할 수 있는 시스템 및 방법이 개시된다. 일 형태에서, 전기화학 셀은 고체-전해질 인터페이즈 층이 상부에 형성된 애노드; 캐소드; 적어도 일부가 애노드와 캐소드 사이에 위치하는, 전해질; 및 압전 물질을 포함하고, 애노드의 고체-전해질 인터페이즈 층의 적어도 일부와 접촉하는, 구조물을 포함한다. 또 다른 형태에서, 전기화학 셀은 고체-전해질 인터페이즈 층이 상부에 형성된 애노드; 캐소드; 적어도 일부가 애노드와 캐소드 사이에 위치하는, 전해질; 및 매트릭스에 분포된 유닛을 포함하는 구조물로서, 유닛은 압전 물질을 포함하고, 구조물은 애노드의 고체-전해질 인터페이즈 층의 적어도 일부와 접촉하는, 구조물을 포함한다.

Description

변형-유도된 국소 전기장에 의한 전기화학 셀의 개선된 성능
관련 출원에 대한 상호 참조
[0001] 본 출원은 2021년 8월 11일에 출원된 미국 출원 번호 제63/231,830호에 기초하고, 그 이익을 주장하고, 우선권을 주장하며, 상기 출원은 모든 목적 상 그 전체가 본원에 인용에 의해 포함된다.
연방 후원 연구에 관한 진술
[0002] 해당 없음
1. 발명의 분야
[0003] 본 발명은 캐소드, 애노드, 및 압전 물질을 포함하는 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)을 포함하는 전기화학 셀과 같은 전기화학 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전기화학 셀의 성능을 개선하기 위한 방법에 관한 것이다.
2. 관련 기술의 설명
[0004] 현재 최신 기술의 리튬 이온 배터리는 리튬 호스트 물질을 포함하는 애노드, 리튬 호스트 물질을 포함하는 캐소드, 애노드와 캐소드가 접촉하는 것을 유지하지만 Li+ 이온을 통과시킬 수 있게 하는 세퍼레이터 물질, 및 전해질(이는 종종 리튬 염을 갖는 유기 액체임)을 포함한다. 통상적인 방전 과정 동안, 애노드로부터의 리튬 이온이 전해질로 추출되고, 전해질 내의 리튬 이온이 캐소드 물질에 삽입된다. 애노드에서 캐소드로의 이온의 이러한 이동은 외부 회로에서 흐르는 전자의 방출을 수반한다. 역 과정은 리튬 이온이 캐소드로부터 이동하고 전해질을 통해 애노드에 삽입되는 충전 과정 동안 발생한다.
[0005] 리튬 금속 배터리는 애노드 물질로서 리튬 금속을 사용한다. 리튬 금속은 불활성 호스트 물질 또는 전도성 스캐폴드에 대한 필요 없이 금속 형태로 경량 리튬을 저장할 수 있는 능력으로 인해 이상적인 애노드 물질로 여겨져 왔다. 리튬은 3860 mAh/g의 용량 및 가장 낮은 이론적 애노드 전위를 제공할 수 있어, 리튬-황 및 리튬-공기를 포함하는 차세대 배터리 시스템을 위한 기술을 가능하게 한다.
[0006] 사이클 수명은 재충전 가능한 배터리의 적용에서 중요하다. 리튬-이온 배터리 및 리튬 금속 배터리에서, 용량 퇴색은 수천 사이클에 걸쳐 발생한다. 리튬-이온 배터리에서 용량 퇴색의 가장 흔한 원인은 고체-전해질 인터페이즈(SEI)로의 리튬의 손실인데, 이는 충전 동안 리튬이 전해질과 상호작용하는 결과로서 전극 상에 형성되는 것으로 알려져 있다. 리튬-이온 배터리의 경우, 통상적인 전해질이 충전 동안 애노드의 작동 전위에서 안정하지 않기 때문에, SEI가 애노드에서 형성된다. 이러한 분해의 생성물은 애노드의 활물질의 표면 상에 고체 층을 형성한다. SEI는 이온 전도체 및 전자 절연체로서 작용하고 애노드 상에 복잡한 다층 표면 코팅을 형성하도록 진화한다. 처음에, SEI 형성은 큰 음의 전압에서 용매 분해에 대해 애노드를 보호하지만, 시간이 지남에 따라 SEI 층이 두꺼워지고 가역적인 리튬 삽입과 경쟁함에 따라 점진적인 용량 퇴색을 초래한다.
[0007] 따라서, 전기화학 셀의 전해질로부터 애노드 및/또는 캐소드 상의 고체-전해질 인터페이즈 성장을 제한하는 개선된 시스템 및/또는 방법이 필요하다. 이러한 방법 및/또는 시스템은 전기화학 셀의 셀 수명 사이클 및 성능을 향상시킬 것이다.
발명의 개요
[0008] 본 개시는 압전 물질을 포함하는 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)을 사용함으로써 전기화학 셀의 용량, 에너지 및 사이클 수명을 개선할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다. 전기화학 셀은 배터리 또는 다른 유형의 에너지 저장 디바이스의 형태로 작용할 수 있다. 셀은 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)을 포함할 수 있다. 압전 물질을 포함하는 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)은 외부에서 가해진 압력 또는 힘의 결과로서, 또는 전착, 삽입 또는 산화환원 반응과 같은 작동 동안 전극의 내부 변형의 결과로서 이의 두께에 걸쳐 국소 전기장을 발생시킬 수 있다. 발생된 국소 전기장은 활물질과 전해질 사이의 SEI 계면 및 그 부근에서 이온 수송, 반응 전위 또는 이중층 구조를 조절한다. 이는 전류 밀도 분포를 개선하고 SEI 형성 및 성장과 같은 전극에서의 부반응을 감소시킨다. 결과적으로, 압전 물질을 포함하는 이러한 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)을 갖는 전기화학 셀은 개선된 용량, 에너지, 및 더 긴 사이클 수명을 나타낸다.
[0009] 본 개시는 전기화학 셀 내에 전기장을 제공할 수 있는 압전 물질을 포함하는 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)을 도입함으로써 전기화학 셀의 성능을 개선시키기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 발생된 전기장은 전기화학 셀의 내부 전위에 영향을 미치며, 이는 활물질과 전해질 사이의 계면에서 및 그 부근에서 이온 확산 및 수송, 반응 전위 또는 이중층 구조에 영향을 미친다. 이는 셀 내에서 전류 밀도 분포를 개선할 수 있고, 또한 SEI 형성 및 성장과 같은 전극에서의 부반응을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 압전 물질을 포함하는 이러한 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)을 갖는 전기화학 셀은 개선된 용량, 에너지, 및 더 긴 사이클 수명을 나타낸다. 발생된 전기장은 압전 물질을 포함하는 구조물이 횡방향 또는 두께 방향을 따라 변형을 겪기 때문에, 이는 외부에서 가해진 압력 또는 힘에 의해, 또는 전착, 삽입 또는 산화환원 반응과 같은 충전 및 방전 과정 동안 전극의 내부 변형의 결과로서 유도될 수 있다.
[0010] 본 개시는 금속(예를 들어, 리튬, 마그네슘, 나트륨, 아연) 전극을 사용하는 배터리용 형태로 적용될 수 있다. 다른 개선점에 이외에, 구조물은 감소된 SEI 형성의 결과로서 사이클링에 따라 애노드 물질 손실(예를 들어, 리튬 손실)을 감소시킬 수 있다. 본 개시는 리튬 금속 배터리와 리튬 이온 배터리 둘 모두, 뿐만 아니라 충전 및 방전 사이클링 동안 압력 또는 부피 변화를 경험하는 전극을 포함하는 임의의 다른 전기화학 셀에 적용될 수 있다. 전기화학 셀에 본 개시의 구조물의 추가는 압전 물질을 포함하는 구조물이 포함되는 전기화학 셀에 대한 셀 성능, 셀 수명 및 효율을 유리하게 개선할 수 있다.
[0011] 일 양태에서, 본 개시는 전기화학 셀을 제공한다. 셀은 애노드, 캐소드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)을 포함할 수 있다. 전해질의 일부는 애노드와 캐소드 사이에 위치한다. 압전 물질을 포함하는 구조물은 전기장을 생성할 수 있고, 구조물의 적어도 일부는 애노드와 캐소드 사이에 위치한다.
[0012] 또 다른 양태에서, 본 개시는 전기장을 발생시킬 수 있는 압전 물질을 포함하는 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)에 대한 다중 설계 전략을 제공한다. 구조물은 코팅된 층, 또는 필름, 또는 코팅된 층과 필름의 조합일 수 있다. 코팅된 층은 세퍼레이터, 또는 압전 물질을 포함하는 구조물 상에 코팅될 수 있다. 특수 제조된 유닛(입자, 입자 클러스터 등일 수 있음)이 또한 전기장 발생 능력을 증가시키기 위해 구조물 내에 추가될 수 있다.
[0013] 추가의 또 다른 양태에서, 본 개시는 본원에 기재된 바와 같은 하나 이상의 상호연결된 전기화학 셀을 포함하는 배터리를 제공하며, 여기서 전기화학 셀은 직렬, 병렬, 또는 이들의 조합으로 연결된다. 본원에 기재된 전기화학 셀은 다양한 배터리 및 다른 전기화학 에너지 저장 디바이스에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 셀은 특히 리튬-황 배터리 및 리튬-공기 배터리와 같은 리튬 금속 애노드 배터리에 사용될 수 있다.
[0014] 추가의 또 다른 양태에서, 본 개시는 고체-전해질 인터페이즈 층이 상부에 형성된 애노드; 캐소드; 적어도 일부가 애노드와 캐소드 사이에 위치하는, 전해질; 및 압전 물질을 포함하는 구조물로서, 애노드의 고체-전해질 인터페이즈 층의 적어도 일부와 접촉하는, 구조물을 포함하는 전기화학 셀을 제공하고, 여기서 구조물의 거시적 쌍극자는 구조물이 애노드 또는 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층으로부터 힘을 받을 때 전압을 생성하고, 구조물의 거시적 쌍극자는 전압이 고체-전해질 인터페이즈 층 성장을 유발하는 과전위를 감소시키도록 힘에 상대적으로 배향된다.
[0015] 전기화학 셀에서, 전기화학 셀의 사이클링 동안 애노드의 팽창은 구조물 상에 힘을 생성한다. 전기화학 셀의 일 구현예에서, 구조물은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 전기화학 셀의 일 구현예에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고, 구조물은 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 층은 세퍼레이터의 표면 상에 코팅된다. 전기화학 셀의 일 구현예에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고, 세퍼레이터는 제2 압전 물질을 포함하고, 구조물은 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 층은 세퍼레이터의 표면 상에 코팅된다.
[0016] 전기화학 셀의 일 구현예에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고, 구조물은 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 층은 세퍼레이터의 제1 표면 상에 코팅되고, 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층을 접촉하고, 전기화학 셀은 제2 압전 물질을 포함하는 제2 층을 포함하는 제2 구조물을 추가로 포함하고, 제2 층은 세퍼레이터의 제2 표면 상에 코팅되고, 제2 층은 캐소드 상에 형성된 제2 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다.
[0017] 전기화학 셀의 일 구현예에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고, 세퍼레이터는 제3 압전 물질을 포함하고, 구조물은 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 층은 세퍼레이터의 제1 표면 상에 코팅되고, 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고, 전기화학 셀은 제2 압전 물질을 포함하는 제2 층을 포함하는 제2 구조물을 추가로 포함하고, 제2 층은 세퍼레이터의 제2 표면 상에 코팅되고, 제2 층은 캐소드 상에 형성된 제2 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다.
[0018] 전기화학 셀의 임의의 구현예에서, 압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 전기화학 셀의 임의의 구현예에서, 압전 물질은 폴링된(poled) 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함할 수 있다.
[0019] 전기화학 셀의 구현예에서, 제2 압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 압전 물질은 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함할 수 있다.
[0020] 전기화학 셀의 구현예에서, 제3 압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 제3 압전 물질은 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함할 수 있다.
[0021] 전기화학 셀의 구현예에서, 애노드는 나트륨, 마그네슘, 아연, 및 리튬으로 구성된 군으로부터 선택된 고체 금속이다.
[0022] 전기화학 셀의 구현예에서, 전기화학 셀은 리튬-이온 셀이고, 애노드는 그래파이트, 활성탄, 카본 블랙, 리튬 티타네이트, 그래핀, 주석-코발트 합금, 및 실리콘으로 구성된 군으로부터 선택된다.
[0023] 전기화학 셀의 구현예에서, 캐소드는 리튬 금속 산화물로부터 선택된 리튬 호스트 물질을 포함할 수 있고, 여기서 금속은 알루미늄, 코발트, 철, 망간, 니켈, 바나듐, 및 일반식 LiMPO4를 갖는 리튬-함유 포스페이트 중 하나 이상이고, M은 코발트, 철, 망간, 및 니켈 중 하나 이상이다.
[0024] 전기화학 셀의 구현예에서, 전해질은 유기 용매 중에 리튬 화합물을 포함하는 액체 전해질이다. 전기화학 셀의 구현예에서, 전해질은 치환되거나 비치환된 리튬 란타넘 지르코늄 옥사이드 (LLZO), Li10GeP2S12 (LGPS), Li0.33La0.56TiO3 (LLTO), Li2PO2N (LiPON), 및 리튬 폴리설파이드 (LiPS)로 구성된 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 고체-상태 전해질이다.
[0025] 전기화학 셀의 구현예에서, 압전 물질은 적어도 4 pC/N의 압전 계수를 가질 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 압전 물질의 층은 0.01 내지 500 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
[0026] 전기화학 셀의 구현예에서, 생성된 전압은 애노드 표면의 약 100 나노미터 이내 또는 약 100 마이크로미터 이내로 제한된다. 전기화학 셀의 구현예에서, 생성된 전압은 적어도 0.1 마이크로볼트의 크기를 갖는다. 전기화학 셀의 구현예에서, 생성된 전압은 적어도 1 밀리볼트의 크기를 갖는다.
[0027] 전기화학 셀의 구현예에서, 전기화학 셀은 구조물을 포함하지 않는 다른 동일한 전기화학 셀과 비교하여 적어도 10%의 용량 증진을 나타낸다. 전기화학 셀의 구현예에서, 전기화학 셀은 구조물을 포함하지 않는 다른 동일한 전기화학 셀과 비교하여 적어도 20%의 에너지 증진을 나타낸다.
[0028] 전기화학 셀에서, 적어도 하나의 추가 층은 압전 물질의 층과 접촉하고, 여기서 적어도 하나의 추가 층은 압전 물질의 층에 비해 적어도 하나의 개선된 물질 성질을 갖고, 물질 성질은 영률, 굴곡 모듈러스, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 로크웰 경도, 및 파단 신율로 구성된 군으로부터 선택된다.
[0029] 전기화학 셀의 구현예에서, 적어도 하나의 추가 층은 탄소, 층상 물질, 금속 탄화물, 비금속 탄화물, 금속 질화물, 비금속 질화물, 금속 규화물, 비금속 규화물, 및 금속 합금으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성된다.
[0030] 전기화학 셀의 구현예에서, 압전 물질의 층의 표면은 적어도 하나의 표면 성질을 변화시키는 방식으로 처리되고, 여기서 표면 성질은 조도, 친수성, 표면 전하, 표면 에너지, 생체적합성, 투과성, 및 반응성으로 구성된 군으로부터 선택된다.
[0031] 전기화학 셀의 구현예에서, 구조물은 0.3 내지 0.7의 고체 부피 분율을 가질 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 구조물은 애노드 상의 전착과 관련된 부피 변화로 인해 두께 방향을 따라 변형을 겪는다.
[0032] 추가의 또 다른 양태에서, 본 개시는 고체-전해질 인터페이즈 층이 상부에 형성된 애노드; 캐소드; 적어도 일부가 애노드와 캐소드 사이에 위치하는, 전해질; 및 매트릭스에 분포된 유닛을 포함하는 구조물로서, 유닛은 압전 물질을 포함하고, 구조물은 애노드의 고체-전해질 인터페이즈 층의 적어도 일부와 접촉하는, 구조물을 포함하는 전기화학 셀을 제공하고, 여기서 구조물의 거시적 쌍극자는 구조물이 애노드 또는 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층으로부터 힘을 받을 때 전압을 생성하고, 구조물의 거시적 쌍극자는 전압이 고체-전해질 인터페이즈 층 성장을 유발하는 과전위를 감소시키도록 힘에 상대적으로 배향된다.
[0033] 전기화학 셀의 구현예에서, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함할 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 매트릭스는 제2 압전 물질을 포함할 수 있고, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용한다.
[0034] 전기화학 셀의 구현예에서, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함할 수 있고, 구조물은 제2 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 제2 압전 물질의 층은 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 제2 압전 물질의 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다.
[0035] 전기화학 셀의 구현예에서, 매트릭스는 제2 압전 물질을 포함할 수 있고, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하고, 구조물은 제3 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 제3 압전 물질의 층은 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 제3 압전 물질의 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다.
[0036] 전기화학 셀의 구현예에서, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함할 수 있고, 구조물은 제2 압전 물질의 제1 층을 포함할 수 있고, 제2 압전 물질의 제1 층은 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 제2 압전 물질의 제1 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고, 구조물은 제3 압전 물질의 제2 층을 포함할 수 있고, 제3 압전 물질의 제2 층은 구조물의 제2 표면 상에 코팅되고, 제3 압전 물질의 제2 층은 캐소드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다.
[0037] 전기화학 셀의 구현예에서, 매트릭스는 제2 압전 물질을 포함할 수 있고, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하고, 구조물은 제3 압전 물질의 제1 층을 포함할 수 있고, 제3 압전 물질의 제1 층은 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 제3 압전 물질의 제1 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고, 구조물은 제4 압전 물질의 제2 층을 포함할 수 있고, 제4 압전 물질의 제2 층은 구조물의 제2 표면 상에 코팅되고, 제4 압전 물질의 제2 층은 캐소드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다. 전기화학 셀의 사이클링 동안 애노드의 팽창은 구조물 상에 힘을 생성할 수 있다.
[0038] 전기화학 셀의 구현예에서, 유닛은 0.1 내지 10 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 입자를 포함한다. 전기화학 셀의 구현예에서, 세퍼레이터 물질은 투과성 폴리머이다. 전기화학 셀의 구현예에서, 세퍼레이터 물질은 폴리올레핀을 포함할 수 있다.
[0039] 전기화학 셀의 구현예에서, 압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 압전 물질은 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함할 수 있다.
[0040] 전기화학 셀의 구현예에서, 제2 압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 압전 물질은 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함할 수 있다.
[0041] 전기화학 셀의 구현예에서, 제3 압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 제3 압전 물질은 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함할 수 있다.
[0042] 전기화학 셀의 구현예에서, 애노드는 나트륨, 마그네슘, 아연, 및 리튬으로 구성된 군으로부터 선택된 고체 금속이다.
[0043] 전기화학 셀의 구현예에서, 전기화학 셀은 리튬-이온 셀이고, 애노드는 그래파이트, 활성탄, 카본 블랙, 리튬 티타네이트, 그래핀, 주석-코발트 합금, 및 실리콘으로 구성된 군으로부터 선택된다.
[0044] 전기화학 셀의 구현예에서, 캐소드는 리튬 금속 산화물로부터 선택된 리튬 호스트 물질을 포함할 수 있고, 여기서 금속은 알루미늄, 코발트, 철, 망간, 니켈, 바나듐, 및 일반식 LiMPO4를 갖는 리튬-함유 포스페이트 중 하나 이상이고, M은 코발트, 철, 망간, 및 니켈 중 하나 이상이다.
[0045] 전기화학 셀의 구현예에서, 전해질은 유기 용매 중에 리튬 화합물을 포함하는 액체 전해질이다. 전기화학 셀의 구현예에서, 전해질은 치환되거나 비치환된 리튬 란타넘 지르코늄 옥사이드 (LLZO), Li10GeP2S12 (LGPS), Li0.33La0.56TiO3 (LLTO), Li2PO2N (LiPON), 및 리튬 폴리설파이드 (LiPS)로 구성된 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 고체-상태 전해질이다.
[0046] 전기화학 셀의 구현예에서, 압전 물질은 적어도 4 pC/N의 압전 계수를 가질 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 제2 압전 물질의 층은 0.01 내지 500 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 제3 압전 물질의 층은 0.01 내지 500 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 제2 압전 물질의 제1 층 및 제3 압전 물질의 제2 층은 각각 0.01 내지 500 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 제3 압전 물질의 제1 층 및 제4 압전 물질의 제2 층은 각각 0.01 내지 500 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
[0047] 전기화학 셀의 구현예에서, 생성된 전압은 애노드 표면의 약 100 나노미터 이내 또는 약 100 마이크로미터 이내로 제한된다. 전기화학 셀의 구현예에서, 생성된 전압은 적어도 0.1 마이크로볼트의 크기를 갖는다. 전기화학 셀의 구현예에서, 생성된 전압은 적어도 1 밀리볼트의 크기를 갖는다.
[0048] 전기화학 셀의 구현예에서, 전기화학 셀은 구조물을 포함하지 않는 다른 동일한 전기화학 셀과 비교하여 적어도 10%의 용량 증진을 나타낼 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 전기화학 셀은 구조물을 포함하지 않는 다른 동일한 전기화학 셀과 비교하여 적어도 20%의 에너지 증진을 나타낼 수 있다.
[0049] 전기화학 셀에서, 적어도 하나의 추가 층은 제2 압전 물질의 층과 접촉될 수 있고, 여기서 적어도 하나의 추가 층은 압전 물질의 층에 비해 적어도 하나의 개선된 물질 성질을 갖고, 물질 성질은 영률, 굴곡 모듈러스, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 로크웰 경도, 및 파단 신율로 구성된 군으로부터 선택된다.
[0050] 전기화학 셀에서, 적어도 하나의 추가 층은 제3 압전 물질의 층과 접촉될 수 있고, 여기서 적어도 하나의 추가 층은 압전 물질의 층에 비해 적어도 하나의 개선된 물질 성질을 갖고, 물질 성질은 영률, 굴곡 모듈러스, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 로크웰 경도, 및 파단 신율로 구성된 군으로부터 선택된다.
[0051] 전기화학 셀에서, 적어도 하나의 추가 층은 제2 압전 물질의 제1 층과 접촉될 수 있고, 여기서 적어도 하나의 추가 층은 압전 물질의 층에 비해 적어도 하나의 개선된 물질 성질을 갖고, 물질 성질은 영률, 굴곡 모듈러스, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 로크웰 경도, 및 파단 신율로 구성된 군으로부터 선택된다.
[0052] 전기화학 셀에서, 적어도 하나의 추가 층은 제3 압전 물질의 제1 층과 접촉될 수 있고, 여기서 적어도 하나의 추가 층은 압전 물질의 층에 비해 적어도 하나의 개선된 물질 성질을 갖고, 물질 성질은 영률, 굴곡 모듈러스, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 로크웰 경도, 및 파단 신율로 구성된 군으로부터 선택된다.
[0053] 전기화학 셀의 구현예에서, 적어도 하나의 추가 층은 탄소, 층상 물질, 금속 탄화물, 비금속 탄화물, 금속 질화물, 비금속 질화물, 금속 규화물, 비금속 규화물, 및 금속 합금으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 전기화학 셀의 구현예에서, 구조물은 애노드 상의 전착과 관련된 부피 변화로 인해 두께 방향을 따라 변형을 겪는다.
[0054] 추가의 또 다른 양태에서, 본 개시는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 위치된 전해질을 갖는 전기화학 셀에서 고체-전해질 인터페이즈 층 성장을 감소시키기 위한 방법을 제공한다. 방법은 (a) 애노드 또는 캐소드 중 하나 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층의 적어도 일부를 압전 물질을 포함하는 구조물과 접촉시키는 단계를 포함하고, 여기서 구조물의 거시적 쌍극자는 구조물이 애노드 또는 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층으로부터 힘을 받을 때 전압을 생성하고, 구조물의 거시적 쌍극자는 전압이 고체-전해질 인터페이즈 층 성장을 유발하는 과전위를 감소시키도록 힘에 상대적으로 배향된다.
[0055] 방법의 구현예에서, 구조물은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 방법의 구현예에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함할 수 있고, 구조물은 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 층은 세퍼레이터의 표면 상에 코팅된다.
[0056] 방법의 구현예에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함할 수 있고, 세퍼레이터는 제2 압전 물질을 포함하고, 구조물은 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 층은 세퍼레이터의 표면 상에 코팅된다.
[0057] 방법의 구현예에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함할 수 있고, 구조물은 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 층은 세퍼레이터의 제1 표면 상에 코팅되고, 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고, 전기화학 셀은 제2 압전 물질을 포함하는 제2 층을 포함하는 제2 구조물을 추가로 포함할 수 있고, 제2 층은 세퍼레이터의 제2 표면 상에 코팅되고, 제2 층은 캐소드 상에 형성된 제2 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다.
[0058] 방법의 구현예에서, 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함할 수 있고, 세퍼레이터는 제3 압전 물질을 포함하고, 구조물은 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 층은 세퍼레이터의 제1 표면 상에 코팅되고, 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고, 전기화학 셀은 제2 압전 물질을 포함하는 제2 층을 포함하는 제2 구조물을 추가로 포함할 수 있고, 제2 층은 세퍼레이터의 제2 표면 상에 코팅되고, 제2 층은 캐소드 상에 형성된 제2 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다.
[0059] 방법의 구현예에서, 구조물은 매트릭스에 분포된 유닛을 포함할 수 있고, 유닛은 압전 물질을 포함하고, 구조물은 애노드의 고체-전해질 인터페이즈 층의 적어도 일부와 접촉한다.
[0060] 방법의 구현예에서, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함할 수 있다. 방법의 구현예에서, 매트릭스는 제2 압전 물질을 포함할 수 있고, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용한다.
[0061] 방법의 구현예에서, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함할 수 있고, 구조물은 제2 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 제2 압전 물질의 층은 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 제2 압전 물질의 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다.
[0062] 방법에서, 매트릭스는 제2 압전 물질을 포함할 수 있고, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하고, 구조물은 제3 압전 물질의 층을 포함할 수 있고, 제3 압전 물질의 층은 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 제3 압전 물질의 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다.
[0063] 방법의 구현예에서, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함할 수 있고, 구조물은 제2 압전 물질의 제1 층을 포함할 수 있고, 제2 압전 물질의 제1 층은 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 제2 압전 물질의 제1 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고, 구조물은 제3 압전 물질의 제2 층을 포함할 수 있고, 제3 압전 물질의 제2 층은 구조물의 제2 표면 상에 코팅되고, 제3 압전 물질의 제2 층은 캐소드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다.
[0064] 전기화학 셀의 구현예에서, 매트릭스는 제2 압전 물질을 포함할 수 있고, 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하고, 구조물은 제3 압전 물질의 제1 층을 포함할 수 있고, 제3 압전 물질의 제1 층은 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 제3 압전 물질의 제1 층은 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고, 구조물은 제4 압전 물질의 제2 층을 포함할 수 있고, 제4 압전 물질의 제2 층은 구조물의 제2 표면 상에 코팅되고, 제4 압전 물질의 제2 층은 캐소드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉한다.
[0065] 또한, 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 시스템 및 방법은 다양한 배터리 화학에 이용될 수 있고 심지어 각각의 특정 전극 및 전해질 조합에 대해 최적화될 수 있다.
[0066] 본 개시의 이러한 및 다른 특징, 양태, 및 이점은 하기 상세한 설명, 도면 및 첨부된 청구범위를 고려하여 더 잘 이해될 것이다.
[0067] 도 1은 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 전기화학 셀의 본 발명에 따른 일 구현예의 개략도이다. 구조물은 특정 공극률을 갖는 벌크 압전 세퍼레이터이다. 구조물은 캐소드와 애노드 사이에 있다.
[0068] 도 2는 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 전기화학 셀의 본 발명에 따른 또 다른 구현예의 개략도이고, 여기서 구조물은 특정 공극률을 갖는 세퍼레이터의 표면 상에 코팅된 압전 층이다. 구조물은 캐소드와 애노드 사이에 있다. 구체적으로, 코팅된 압전 층은 애노드의 표면과 접촉한다.
[0069] 도 3은 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 전기화학 셀의 본 발명에 따른 추가의 또 다른 구현예의 개략도이고, 여기서 구조물은 특정 공극률을 갖는 벌크 압전 세퍼레이터의 표면 상에 코팅된 압전 층이다. 구조물은 캐소드와 애노드 사이에 있다. 구체적으로, 코팅된 압전 층은 애노드의 표면과 접촉한다.
[0070] 도 4는 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 전기화학 셀의 본 발명에 따른 추가의 또 다른 구현예의 개략도이다. 구조물은 특정 공극률을 갖는 세퍼레이터의 2개의 표면 상에 코팅된 2개의 압전 층이다. 구조물은 캐소드와 애노드 사이에 있다. 구체적으로, 코팅된 압전 층은 각각 캐소드의 표면 및 애노드의 표면과 접촉한다.
[0071] 도 5는 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 전기화학 셀의 본 발명에 따른 추가의 또 다른 구현예의 개략도이다. 구조물은 특정 공극률을 갖는 벌크 압전 세퍼레이터의 2개의 표면 상에 코팅된 2개의 압전 층이다. 구조물은 캐소드와 애노드 사이에 있다. 구체적으로, 코팅된 압전 층은 각각 캐소드의 표면 및 애노드의 표면과 접촉한다.
[0072] 도 6은 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 전기화학 셀의 본 발명에 따른 추가의 또 다른 구현예의 개략도이다. 구조물은 특정 공극률을 갖는 세퍼레이터에 커플링된 다중 압전 유닛이다. 구조물은 캐소드와 애노드 사이에 있다.
[0073] 도 7은 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 전기화학 셀의 본 발명에 따른 추가의 또 다른 구현예의 개략도이다. 구조물은 특정 공극률을 갖는 벌크 압전 세퍼레이터에 커플링된 다중 압전 유닛이다. 구조물은 캐소드와 애노드 사이에 있다.
[0074] 도 8은 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 전기화학 셀의 본 발명에 따른 추가의 또 다른 구현예의 개략도이다. 구조물은 특정 공극률을 갖는 세퍼레이터에 결합된 다중 압전 유닛이고, 압전 층은 또한 세퍼레이터의 한 표면 상에 코팅된다. 구조물은 캐소드와 애노드 사이에 있다. 구체적으로, 코팅된 압전 층은 애노드의 표면과 접촉한다.
[0075] 도 9는 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 전기화학 셀의 본 발명에 따른 추가의 또 다른 구현예의 개략도이다. 구조물은 특정 공극률을 갖는 벌크 압전 세퍼레이터에 결합된 다중 압전 유닛이고, 압전 층은 또한 벌크 압전 세퍼레이터의 한 표면 상에 코팅된다. 구조물은 캐소드와 애노드 사이에 있다. 구체적으로, 코팅된 압전 층은 애노드의 표면과 접촉한다.
[0076] 도 10은 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 전기화학 셀의 본 발명에 따른 추가의 또 다른 구현예의 개략도이다. 구조물은 특정 공극률을 갖는 세퍼레이터에 결합된 다중 압전 유닛이고, 2개의 압전 층은 또한 세퍼레이터의 2개의 표면 상에 코팅된다. 구조물은 캐소드와 애노드 사이에 있다. 구체적으로, 코팅된 압전 층은 각각 캐소드의 표면 및 애노드의 표면과 접촉한다.
[0077] 도 11은 캐소드, 애노드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하는 전기화학 셀의 본 발명에 따른 추가의 또 다른 구현예의 개략도이다. 구조물은 특정 공극률을 갖는 벌크 압전 세퍼레이터에 결합된 다중 압전 유닛이고, 2개의 압전 층은 또한 벌크 압전 세퍼레이터의 2개의 표면 상에 코팅된다. 구조물은 캐소드와 애노드 사이에 있다. 구체적으로, 코팅된 압전 층은 각각 캐소드의 표면 및 애노드의 표면과 접촉한다.
[0078] 도 12는 리튬 티타늄 옥사이드(LTO) 캐소드, 리튬 금속 애노드, 및 세퍼레이터의 표면 상에 코팅된 압전 층을 포함하는, 하기 실시예 1에 대한 수치 모델이다.
[0079] 도 13은 하기 실시예 1에 대한 수치 결과(압전 층의 존재 및 부재의 셀의 단자 전압 곡선)이다.
[0080] 도 14는 LTO 캐소드, 리튬 금속 애노드, 및 벌크 압전 층을 포함하는 하기 실시예 2에 대한 실험적 코인 셀 설정이다.
[0081] 도 15는 하기 실시예 2에 대한 실험 결과를 보여준다. 도 15의 패널 (a)는 벌크 압전 세퍼레이터 대 통상적인 세퍼레이터를 사용한 셀 에너지를 보여준다. 각 사이클에 대해 주어진 에너지 값은 해당 사이클 동안의 평균 충전 에너지 및 방전 에너지이다. 도 15의 패널 (b)는 벌크 압전 세퍼레이터 대 통상적인 세퍼레이터를 사용한 셀 용량을 보여준다. 각 사이클에 대해 주어진 용량 값은 해당 사이클 동안의 평균 충전 용량 및 방전 용량이다.
발명의 상세한 설명
[0082] 본 발명을 추가로 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 기재된 특정 구현예로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본원에서 사용되는 용어는 특정 구현예를 설명하기 위한 목적으로만 사용되며, 제한하려는 것이 아님이 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 제한될 것이다. 본원에서 사용되는 단수형 부정관사 "a", "an" 및 정관사 "the"는 문맥에서 명백히 달리 지시하지 않는 한 복수의 구현예를 포함한다.
[0083] 본 발명의 개념을 벗어나지 않으면서 이미 기재된 것 이외의 많은 추가 변형이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 개시를 해석함에 있어서, 모든 용어는 문맥과 일치하는 가능한 가장 넓은 방식으로 해석되어야 한다. 용어 "~을 포함하는" 또는 "~을 갖는"의 변형은 비-배제적인 방식으로 요소, 성분, 또는 단계들을 언급하는 것으로 해석되어야 하고, 따라서 언급된 요소, 성분, 또는 단계는 분명하게 언급되지 않은 다른 요소, 성분, 또는 단계들과 조합될 수 있다. 특정 요소를 "포함하는", 또는 "갖는" 것으로 언급된 구현예는 또한 문맥상 달리 분명하게 지시되지 않는 한 그러한 요소를 "~을 필수적 구성요소로 하여 포함하는" 및 "~로 구성되는" 것으로 고려된다. 시스템에 대하여 기재된 본 개시의 양태는 문맥상 달리 분명하게 지시되지 않는 한 방법에 적용 가능하다(이의 반대도 가능함)는 것이 인지되어야 한다.
[0084] 본원에 개시된 수치 범위는 이들의 끝점을 포함한다. 예를 들어, 1 내지 10의 수치 범위는 1 내지 10의 값을 포함한다. 일련의 수치 범위가 주어진 값에 대하여 개시되는 경우, 본 개시는 그러한 범위의 상한치와 하한치 모두의 조합을 포함하는 범위를 명백하게 고려한다. 예를 들어, 1 내지 10 또는 2 내지 9의 수치 범위는 1 내지 9 및 2 내지 10의 수치 범위를 포함하는 것으로 의도된다.
[0085] 본원에서 사용되는 "셀" 또는 "전기화학 셀"은 전극 및 전해질을 포함하는 기본 전기화학 유닛이다. "배터리"는 흔히 적절한 하우징, 전기적 상호연결부, 및 가능하게는 셀의 고장을 제어하고 보호하는 전자장치를 포함함에 따라 사용할 준비가 된 하나 이상의 셀 또는 셀 어셈블리이다.
[0086] 본원에서 사용되는 "전기화학 셀"은 문맥에서 명백히 달리 지시하지 않는 한, 이차 셀로도 지칭되는 재충전 가능한 셀인 것으로 고려된다. "애노드"는 방전 동안 산화를 거치고, 이에 따라 전자를 잃는 전극으로 정의된다. "캐소드"는 방전 동안 환원을 거치고, 이에 따라 전자를 얻는 전극으로 정의된다. 이러한 전기화학적 작용은 충전 과정 동안 역전되지만, "애노드" 및 "캐소드" 전극 명칭은 동일하게 유지된다.
[0087] 본원에서 사용되는 "압전" 물질은 가해진 기계적 응력에 반응하여 축적되는 전하를 생성할 수 있는 물질로서 정의된다.
[0088] 일 양태에서, 본 개시는 전기화학 셀을 제공한다. 셀은 애노드, 캐소드, 전해질, 및 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함할 수 있다. 전해질의 일부는 애노드와 캐소드 사이에 위치한다. 압전 물질을 포함하는 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)은 전압을 생성할 수 있고, 구조물의 적어도 일부는 애노드와 캐소드 사이에 위치한다.
[0089] 압전 물질을 포함하는 구조물에 의해 생성된 전압은 압전 효과에 의해 생성될 수 있다. 전압은 구조물 상의 하나의 특정 위치와 구조물 상의 다른 특정 위치 사이의 전위차, 또는 구조물의 전체 영역일 수 있다. 전압은 또한 구조물 상의 특정 위치 또는 영역과 애노드와 같은 일부 다른 기준점 사이의 전위차일 수 있다. 전압은 기준점에 대해 포지티브 또는 네거티브일 수 있다. 구조물은 세라믹 압전 필름 또는 폴리머 압전 필름 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구조물은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택된 압전 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 구조물은 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드와 바륨 티타네이트의 조합을 포함할 수 있다. 폴리비닐리덴 플루오라이드는 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드일 수 있다.
[0090] 전기화학 셀은 압전 물질을 포함하는 제1 층 및 제1 층에 커플링된 적어도 하나의 추가 층을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 추가 층은 제1 층에 비해 적어도 하나의 개선된 물질 성질을 가질 수 있다. 물질 성질은 밀도, 영률, 굴곡 모듈러스, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 로크웰 경도, 및 파단 신율로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 적어도 하나의 추가 층은 탄소, 층상 물질, 금속 탄화물, 비금속 탄화물, 금속 질화물, 비금속 질화물, 금속 규화물, 비금속 규화물, 폴리머, 및 금속 합금으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다.
[0091] 압전 물질을 포함하는 구조물의 일부는 전기화학 셀에서 애노드와 캐소드 사이에 위치할 수 있다. 구조물은 전해질 또는 캐소드로부터 애노드를 분리하기 위한 배리어로서 구성될 수 있다. 구조물은 애노드의 표면에 직접 부착되지 않고 전기화학 디바이스의 어셈블리 동안 애노드 표면 상에 배치되는 층일 수 있다. 구조물은 그 자체로 애노드와 캐소드를 분리하는 특수 처리된 세퍼레이터(필름으로 여겨질 수 있음)일 수 있다. 구조물은 세퍼레이터의 하나 또는 두 개의 표면 상에 코팅된 층, 또는 특수 처리된 세퍼레이터의 하나 또는 두 개의 표면 상에 코팅된 특수 처리된 층일 수 있다. 구조물이 층의 형태일 때, 이는 0.01 내지 500 마이크로미터, 1 내지 100 마이크로미터, 15 내지 25 마이크로미터, 또는 19 내지 21 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 구조물이 필름의 형태일 때, 이는 0.1 내지 500 마이크로미터, 1 내지 100 마이크로미터, 15 내지 25 마이크로미터, 또는 19 내지 21 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 특수 처리된 유닛은 구조물의 성능을 증가시키기 위해 필름에 추가될 수 있다. 유닛은 0.1 내지 10 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 입자 또는 입자 클러스터의 형태일 수 있다.
[0092] 전기화학 셀 내에 압전 물질을 포함하는 구조물은 선택적으로 투과성일 수 있다. 코팅된 층, 및/또는 필름, 및/또는 유닛을 포함하는 구조물은 리튬 이온에 대해 선택적으로 투과성일 수 있다. 구조물은 적어도 0.1 pC/N , 적어도 1 pC/N, 적어도 3 pC/N, 적어도 4 pC/N, 적어도 5 pC/N, 적어도 7 pC/N, 적어도 10 pC/N, 적어도 15 pC/N, 적어도 20 pC/N, 적어도 25 pC/N, 적어도 50 pC/N, 적어도 75 pC/N, 적어도 100 pC/N, 적어도 150 pC/N, 적어도 200 pC/N, 적어도 250 pC/N, 적어도 300 pC/N, 적어도 350 pC/N, 적어도 400 pC/N, 적어도 450 pC/N, 적어도 500 pC/N, 또는 이들 사이의 일부 다른 값의 압전 계수(d33 및/또는 d31)를 갖는 물질 및/또는 다중 물질로 형성될 수 있다. 압전 계수의 다양한 값은 미리 설계될 수 있고, 제조 공정 동안 분극에 의해 달성될 수 있다.
[0093] 전기화학 셀 내에 압전 물질을 포함하는 구조물은 힘이 가해질 때 전압을 생성할 수 있다. 전압은 애노드 측, 캐소드 측, 또는 구조 전체(전기장으로 간주될 수 있음), 또는 이들의 조합에서 생성될 수 있다. 금속성 애노드로부터의 돌출부는 불균일한 이온 전착 공정으로 인해 발생될 수 있으며, 이는 구조물의 변형을 야기하는 힘을 생성할 수 있다. 변형은 전기화학 셀의 제조 동안 외력에 의해 생성된 층간 예압을 통해 확대될 수 있다. 돌출부는 리튬 덴드라이트일 수 있다. 돌출부는 또한 나트륨, 마그네슘, 또는 아연과 같은 또 다른 통상적인 애노드 금속으로 형성된 덴드라이트일 수 있다. 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거 또는 산화환원 반응은 전극(이는 금속 전극 또는 활성 입자로 구성된 다공질 전극일 수 있음)의 부피를 야기할 수 있고, 이는 압전 물질을 포함하는 구조물에 힘을 생성시키고 변형을 야기할 수 있다. 변형은 전기화학 셀의 제조 동안 외력에 의해 생성된 층간 예압을 통해 확대될 수 있다. 생성된 전압은 주로 전극 표면의 약 100, 10, 5, 4, 3, 2, 1, 또는 0.1 나노미터 이내로 제한될 수 있다. 생성된 전기장은 또한 전극 표면의 약 100, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 또는 1 마이크로미터 이내로 제한될 수 있다. 생성된 전압은 돌출부의 영역, 및/또는 전극의 표면, 또는/및 전체 구조 영역 내에 국한될 수 있다. 생성된 전압의 크기는 힘의 크기와 상관관계가 있을 수 있다. 이러한 상관관계는 포지티브일 수 있다. 예를 들어, 힘의 크기가 증가함에 따라, 압전 물질을 포함하는 구조물은 후속하여 증가된 전압을 생성할 수 있다. 생성된 전압은 적어도 0.1, 1, 3, 5, 7, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 또는 900 마이크로볼트, 1, 10, 100, 또는 500 밀리볼트, 1, 10, 또는 100 볼트 이상의 크기를 가질 수 있다.
[0094] 압전 물질을 포함하는 구조물의 표면은 적어도 하나의 표면 성질을 변화시키는 방식으로 처리될 수 있고, 여기서 표면 성질은 조도, 친수성, 표면 전하, 표면 에너지, 생체적합성, 투과성, 및 반응성으로 구성된 군으로부터 선택된다. 다른 표면 성질이 또한 조정될 수 있다. 구조물은 플라즈마 처리된 비-압전 폴리머를 포함할 수 있고, 여기서 처리는 표면 전하를 발생시킨다. 구조물은 구체적으로 폴리비닐리덴 플루오라이드와 같은 플라즈마 처리된 압전 폴리머일 수 있으며, 조합된 압전 및 표면 전하 효과는 전기화학 셀의 성능을 증가시키기 위해 함께 작용할 수 있다.
[0095] 전기화학 셀의 애노드는 고체 금속일 수 있다. 애노드는 나트륨, 마그네슘, 아연, 또는 리튬 중 적어도 하나일 수 있다. 애노드는 리튬 금속일 수 있다. 대안적으로, 전기화학 셀은 리튬-이온 셀일 수 있고, 애노드는 그래파이트, 활성탄, 카본 블랙, 리튬 티타네이트, 그래핀, 주석-코발트 합금, 및 실리콘으로 구성된 군으로부터 선택된 리튬 호스트 물질을 포함할 수 있다.
[0096] 전기화학 셀의 캐소드는 리튬 호스트 물질을 포함할 수 있다. 리튬 호스트 물질은 리튬 금속 산화물로부터 선택될 수 있고, 여기서 금속은 알루미늄, 코발트, 철, 망간, 니켈, 바나듐, 및 일반식 LiMPO4를 갖는 리튬-함유 포스페이트 중 하나 이상이고, M은 코발트, 철, 망간, 및 니켈 중 하나 이상이다. 리튬 호스트 물질은 리튬 코발트 옥사이드, 리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드, 및 리튬 망간 옥사이드로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 캐소드는 황을 포함할 수 있다. 캐소드는 공기 전극을 포함할 수 있다.
[0097] 전해질은 액체 전해질일 수 있다. 전기화학 셀의 액체 전해질은 유기 용매에 리튬 화합물을 포함할 수 있다. 리튬 화합물은 LiPF6, LiBF4, LiC1O4, 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드 (LiFSI), LiN(CF3SO2)2, (LiTFSI), 및 LiCF2SO3 (LiTf)로부터 선택될 수 있다. 유기 용매는 카르보네이트 기반 용매, 에테르 기반 용매, 이온성 액체, 및 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 카보네이트 기반 용매는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 및 부틸렌 카보네이트로 구성된 군으로부터 선택될 수 있고; 에테르 기반 용매는 디에틸 에테르, 디부틸 에테르, 모노글라임, 디글라임, 테트라글라임, 2-메틸테트라히드로푸란, 테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 1,2-디메톡시에탄, 및 1,4-디옥산으로 구성된 군으로부터 선택된다. 전기화학 셀은 또한 애노드와 캐소드 사이에 위치한 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 세퍼레이터는 투과성 폴리머일 수 있다. 세퍼레이터는 0.3 내지 0.7, 또는 0.4 내지 0.6의 고체 부피 분율을 가질 수 있다.
[0098] 전해질은 고체-상태 전해질일 수 있다. 고체 전해질 물질은 치환되거나 비치환된 리튬 란타넘 지르코늄 옥사이드 (LLZO), Li10GeP2S12 (LGPS), Li0.33La0.56TiO3 (LLTO), Li2PO2N (LiPON), 및 리튬 폴리설파이드 (LiPS)로 구성된 군으로부터 선택된 물질을 포함할 수 있다.
[0099] 전기화학 셀은 압전 물질을 포함하는 구조물과 전기 통신하는 제어기를 포함하는 배터리 관리 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 제어기는 애노드 및 캐소드의 부피 팽창을 모니터링하기 위해 압전 물질을 포함하는 구조물에 의해 생성된 전압을 모니터링하기 위해 제어기에 저장된 프로그램을 실행하도록 구성된다.
[00100] 전기화학 셀은 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나와 접촉하는 적어도 하나의 집전체를 추가로 포함할 수 있다. 집전체는 알루미늄, 구리, 은, 철, 금, 니켈, 코발트, 티탄, 몰리브덴, 강, 지르코늄, 탄탈럼, 및 스테인리스강과 같은 적합한 금속 물질을 포함할 수 있다. 애노드 및 캐소드는 회로를 통해 전기 컴포넌트에 연결될 수 있다.
[00101] 또 다른 양태에서, 본 개시는 전기화학 셀의 용량, 에너지, 및 사이클 수명과 같은 성능을 증가시키는 방법을 제공한다. 방법은 압전 물질을 포함하는 구조물을 애노드와 캐소드 사이에 배열하는 단계, 전기화학 셀 내의 영역 또는 도메인에서 전압을 발생시키는 단계, 및 활물질과 전해질 사이의 SEI 계면 및 그 부근에서 이온 수송, 반응 전위 또는 이중층 구조를 조절하는 전기화학 셀의 내부 전위에 영향을 미치는 단계를 포함한다. 이는 전류 밀도 분포를 개선하고 SEI 형성 및 성장과 같은 전극에서의 부반응을 또한 감소시킬 수 있다.
[00102] 방법에 기재된 압전 물질을 포함하는 구조물에서 발생된 전압은 압전 효과에 의해 생성될 수 있다. 전압은 전착된 금속이 직교 방향으로 구조물의 영역을 미는 것에 의해 발생될 수 있다. 전압은 돌출부의 전개로 인해 압전 물질을 포함하는 구조물의 신장에 의해 발생될 수 있다. 전압은 사이클링 공정 동안 이온 삽입/제거 또는 산화환원 반응에 의해 발생될 수 있는 전극 부피 변화로 인한 구조물의 압축에 의해 발생될 수 있다.
[00103] 추가의 또 다른 양태에서, 본 개시는 본원에 기재된 바와 같은 하나 이상의 상호연결된 전기화학 셀을 포함하는 배터리를 제공하며, 여기서 전기화학 셀은 직렬, 병렬, 또는 이들의 조합으로 연결된다. 본원에 기재된 전기화학 셀은 다양한 배터리 및 다른 전기화학 에너지 저장 디바이스에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 셀은 특히 리튬-황 배터리 및 리튬-공기 배터리와 같은 리튬 금속 애노드 배터리에 사용될 수 있다.
[00104] 본 개시의 하나 이상의 전기화학 셀을 포함하는 배터리는 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함하지 않는 전기화학 셀과 비교하여 약 0.1 mA/cm2, 0.25 mA/cm2, 0.5 mA/cm2, 2 mA/cm2, 5 mA/cm2, 10 mA/cm2의 전류 밀도, 또는 또 다른 전류 밀도 값에서 적어도 약 10%, 적어도 약 20%, 적어도 약 30%, 적어도 약 50%, 및 최대 약 90% 이상의 용량 및 에너지 증진을 나타낼 수 있다. 이러한 용량 및 에너지 증진은 초기 또는 최대 증진이거나, 100, 200, 300, 400, 500, 1000, 5000, 또는 10000 회 사이클과 같은 특정 횟수의 사이클에 걸쳐 평균된 것일 수 있다. 용량 및 에너지 증진은 상기 열거된 임의의 사이클 횟수 동안 상기 열거된 임의의 전류 밀도에서 상기 열거된 임의의 증진량 중 임의의 양으로 보유될 수 있다.
[00105] 본 개시에 기재된 압전 물질을 포함하는 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)은 전기화학 셀 성능을 증진시키기 위해 다른 물질 또는 방법과 조합될 수 있다. 예를 들어, 압전 물질을 포함하는 구조물은 물리적 배리어에 커플링되거나 특정 전해질 용액 또는 전하 발생 방법과 함께 사용될 수 있다.
[00106] 도 1은 비제한의 예시적인 전기화학 셀(110)에 압전 물질을 포함하는 구조물을 커플링하는 설계 전략을 예시한 것이다. 전기화학 셀(110)은 캐소드(120), 애노드(140), 및 특정 공극률을 갖는 벌크 압전 세퍼레이터(130) 형태의 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함한다. 벌크 압전 세퍼레이터(130)는 집전체(115)와 접촉하는 캐소드(120) 및 집전체(145)와 접촉하는 애노드(140) 사이에 있다. 캐소드(120)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(122)이 형성되고, 애노드(140)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(142)이 형성된다. 전기화학 셀(110)의 집전체(115, 145)는 전기 컴포넌트(150)와 전기 통신할 수 있다. 전기 컴포넌트(150)는 전기화학 셀(110)을, 배터리를 방전시키는 전기 부하 또는 배터리를 충전시키는 충전기와 전기 통신하게 배치할 수 있다. 벌크 압전 세퍼레이터(130)의 표면은 캐소드(120) 상의 고체-전해질 인터페이즈 층(122)의 표면과 접촉하고, 벌크 압전 세퍼레이터(130)의 표면은 애노드(140) 상에서 고체-전해질 인터페이즈 층(142)의 표면과 접촉한다. 소정량의 전해질의 적어도 일부는 캐소드(120)와 애노드(140) 사이에 배열된다.
[00107] 전기화학 셀(110)의 캐소드(120)에 적합한 활물질은 상기 기재된 리튬 호스트 물질 중 하나 이상, 또는 다공질 탄소(리튬 공기 배터리의 경우), 또는 황 함유 물질(리튬 황 배터리의 경우)이다. 리튬 호스트 물질은 리튬 금속 산화물로부터 선택될 수 있고, 여기서 금속은 알루미늄, 코발트, 철, 망간, 니켈, 바나듐, 및 일반식 LiMPO4를 갖는 리튬-함유 포스페이트 중 하나 이상이고, M은 코발트, 철, 망간, 및 니켈 중 하나 이상이다. 일 구현예에서, 리튬 호스트 물질은 리튬 코발트 옥사이드, 리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드, 및 리튬 망간 옥사이드로부터 선택된다.
[00108] 전기화학 셀(110)의 애노드(140)에 적합한 활물질은 리튬 금속이다. 그러나, 본 개시의 시스템 및 방법에 사용하기에 적합한 다른 배터리는 마그네슘, 나트륨, 및 아연으로부터 선택된 금속을 포함하는 금속 전극, 또는 그래파이트, 실리콘 등과 같은 활물질을 갖는 다공질 전극을 포함한다. 그 외에도, 전기화학 셀의 애노드에 적합한 물질은 또한 상기 기재된 리튬 호스트 물질, 또는 충전 및 방전 사이클링 동안 큰 부피 변화를 겪을 수 있는 다공질 탄소, 다공질 규소 등일 수 있다.
[00109] 전기화학 셀(110)의 예시적인 전해질은 유기 용매에 리튬 화합물을 포함한다. 리튬 화합물은 LiPF6, LiBF4, LiCIO4, 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI), (LiFSI), LiN(CF2SO2)2, (LiTFSI), 및 LiCF2SO3 (LiTf)로부터 선택될 수 있다. 유기 용매는 카르보네이트 기반 용매, 에테르 기반 용매, 이온성 액체, 및 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 카보네이트 기반 용매는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 및 부틸렌 카보네이트로 구성된 군으로부터 선택될 수 있고; 에테르 기반 용매는 디에틸 에테르, 디부틸 에테르, 모노글라임, 디글라임, 테트라글라임, 2-메틸테트라히드로푸란, 테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 1,2-디메톡시에탄, 및 1,4-디옥산으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
[00110] 정상 작동 동안, 세퍼레이터(130)의 주요 기능은 전해질을 통한 이온 전도를 허용하면서 애노드(140)와 캐소드(120) 사이의 전자 전도(즉, 단락 또는 직접 접촉)를 방지하는 것이다. 전기화학 셀(110)의 세퍼레이터(130)에 적합한 물질은 폴리올레핀, 예컨대, 다공질 폴리프로필렌, 다공질 폴리에틸렌, 또는 이들의 블렌드 또는 층이다.
[00111] 대안적으로, 세퍼레이터(130) 및 전기화학 셀(110)의 액체 전해질은 고체 전해질 물질로 대체될 수 있다. 비제한의 예시적인 고체 전해질 물질에서, 고체 전해질 물질은 치환되거나 비치환된 리튬 란타넘 지르코늄 옥사이드 (LLZO), Li10GeP2S12 (LGPS), Li0.33La0.56TiO3 (LLTO), Li2PO2N (LiPON), 및 리튬 폴리설파이드 (LiPS)로 구성된 군으로부터 선택된 물질을 포함한다.
[00112] 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거는 전기화학 셀 내의 전극에서 일어나는데, 이는 전극의 부피를 변화시키고 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 세퍼레이터(130)의 변형을 생성한다. 이러한 변형은 압전 세퍼레이터(130)의 두께 방향 D1, D2에 걸쳐 압전 전압을 생성할 것이고, 이는 전기화학 셀(110) 내의 전위 및 이온 수송을 변화시키고 전기화학 셀(110)의 성능을 개선할 수 있다. 전기화학 셀(110)이 금속 애노드(140)를 갖는 경우, 사이클링 동안 상대 다공질 전극에서의 이온 전착 및 이온 삽입/제거의 조합은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 세퍼레이터(130)의 변형을 야기할 수 있고, 이는 압전 세퍼레이터(130)의 두께 방향 D1, D2를 따른 전압을 생성한다. 이러한 발생된 전압은 이온 수송 및 전기화학 셀(110)의 성능에 영향을 미칠 수 있다.
[00113] 도 2는 비제한의 예시적인 전기화학 셀(210)에 압전 물질을 포함하는 구조물을 커플링하는 설계 전략을 예시한 것이다. 전기화학 셀(210)은 캐소드(220), 애노드(240), 및 특정 공극률을 갖는 세퍼레이터(230)의 한 표면 상에 코팅된 압전 층(237) 형태의 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함한다. 캐소드(220)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(222)이 형성되고, 애노드(240)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(242)이 형성된다. 소정량의 전해질의 적어도 일부는 캐소드(220)와 애노드(240) 사이에 배열된다. 구체적으로, 구조물은 캐소드(220)와 애노드(240) 사이에 있고, 코팅된 압전 층(237)은 애노드(240)의 고체-전해질 인터페이즈 층(242)의 표면과 접촉하고, 세퍼레이터(230)의 표면은 캐소드(220)의 고체-전해질 인터페이즈 층(222)의 표면과 접촉한다. 전기화학 셀(210)의 집전체(215, 245)는 전기 컴포넌트(250)와 전기 통신할 수 있다. 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거는 전기화학 셀(210) 내의 전극에서 일어나는데, 이는 전극의 부피를 변화시키고 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 층(237)의 변형을 생성한다. 이러한 변형은 압전 층(237)의 두께 방향 D1, D2에 걸쳐 압전 전압을 생성할 것이고, 이는 전기화학 셀 내의 전위 및 이온 수송을 변화시키고 전기화학 셀의 성능을 개선할 수 있다. 전기화학 셀(210)이 금속 애노드(240)를 갖는 경우, 사이클링 동안 상대 다공질 전극에서의 이온 전착 및 이온 삽입/제거의 조합은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 층(237)의 변형을 야기할 수 있고, 이는 압전 층(237)의 두께 방향 D1, D2를 따른 전압을 생성하고, 금속 전극의 표면으로 인해 거칠 수 있으며, 돌출부의 전개가 또한 횡방향(두께 방향 D1, D2에 수직)을 따라 압전 층(237)으로의 신장을 생성할 수 있고, 전압을 발생시킨다. 이러한 발생된 전압은 조합되고, 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀의 성능에 더 많은 영향을 미칠 수 있다.
[00114] 도 3은 비제한의 예시적인 전기화학 셀(310)에 압전 물질을 포함하는 구조물을 커플링하는 설계 전략을 예시한 것이다. 전기화학 셀(310)은 캐소드(320), 애노드(340), 및 특정 공극률을 갖는 벌크 압전 세퍼레이터(330)의 한 표면 상에 코팅된 압전 층(337)(특정 다공률을 갖는) 형태의 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함한다. 캐소드(320)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(322)이 형성되고, 애노드(340)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(342)이 형성된다. 소정량의 전해질의 적어도 일부는 캐소드(320)와 애노드(340) 사이에 배열된다. 구체적으로, 구조물은 캐소드(320)와 애노드(340) 사이에 있고, 압전 층(337)은 애노드(340)의 고체-전해질 인터페이즈 층(342)의 표면과 접촉한다. 전기화학 셀(310)의 집전체(315, 345)는 전기 컴포넌트(350)와 전기 통신할 수 있다. 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거는 전기화학 셀(310) 내의 전극에서 일어나는데, 이는 전극의 부피를 변화시키고 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 세퍼레이터(330) 및 압전 층(337)의 변형을 생성한다. 이들 변형은 압전 세퍼레이터(330) 및 압전 층(337)의 두께 방향 D1, D2에 걸쳐 압전 전압을 생성할 것이다. 이들 전압은 조합될 수 있고, 전기화학 셀 내의 전위 및 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀(310)의 성능을 더욱 개선할 수 있다. 전기화학 셀(310)이 금속 애노드(340)를 갖는 경우, 사이클링 동안 상대 다공질 전극에서의 이온 전착 및 이온 삽입/제거의 조합은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 세퍼레이터(330) 및 압전 층(337)의 변형을 야기할 수 있고, 이는 압전 세퍼레이터(330) 및 압전 층(337)의 두께 방향 D1, D2를 따른 전압을 생성하고, 금속 전극의 표면으로 인해 거칠 수 있으며, 돌출부의 전개가 또한 횡방향(두께 방향 D1, D2에 수직)을 따라 압전 층(337)으로의 신장을 생성할 수 있고, 전압을 발생시킨다. 이러한 발생된 전압은 함께 조합되고, 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀(310)의 성능에 더 많은 영향을 미칠 수 있다.
[00115] 도 4는 비제한의 예시적인 전기화학 셀(410)에 압전 물질을 포함하는 구조물을 커플링하는 설계 전략을 예시한 것이다. 전기화학 셀(410)은 캐소드(420), 애노드(440), 및 특정 공극률을 갖는 세퍼레이터(430)의 두 표면 상에 코팅된 2개의 압전 층(435, 437)(특정 다공률을 갖는) 형태의 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함한다. 캐소드(420)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(422)이 형성되고, 애노드(440)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(442)이 형성된다. 소정량의 전해질의 적어도 일부는 캐소드(420)와 애노드(440) 사이에 배열된다. 구체적으로, 구조물은 캐소드(420)와 애노드(440) 사이에 있고, 압전 층(435, 437)은 캐소드(420)의 고체-전해질 인터페이즈 층(422)의 표면 및 애노드(440)의 고체-전해질 인터페이즈 층(442)의 표면과 접촉한다. 전기화학 셀(410)의 집전체(415, 445)는 전기 컴포넌트(450)와 전기 통신할 수 있다. 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거는 전기화학 셀(410) 내의 전극에서 일어나는데, 이는 전극의 부피를 변화시키고 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 세퍼레이터 층(435, 437)의 변형을 생성할 것이다. 이들 변형은 압전 층(435, 437)의 두께 방향 D1, D2에 걸쳐 압전 전압을 생성할 것이다. 이들 전압은 조합될 수 있고, 전기화학 셀 내의 전위 및 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀(410)의 성능을 더욱 개선할 수 있다. 전기화학 셀(410)이 금속 애노드(440)를 갖는 경우, 사이클링 동안 다공질 전극에서의 이온 전착 및 이온 삽입/제거의 조합은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 층(435, 437)의 변형을 야기할 수 있고, 이는 압전 층(435, 437)의 두께 방향 D1, D2를 따른 전압을 생성하고, 금속 전극의 표면으로 인해 거칠 수 있으며, 돌출부의 전개가 또한 횡방향(두께 방향 D1, D2에 수직)을 따라 압전 층(435, 437)으로의 신장을 생성할 수 있고, 전압을 발생시킨다. 이러한 발생된 전압은 조합되고, 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀의 성능에 더 많은 영향을 미칠 수 있다.
[00116] 도 5는 비제한의 예시적인 전기화학 셀(510)에 압전 물질을 포함하는 구조물을 커플링하는 설계 전략을 예시한 것이다. 전기화학 셀(510)은 캐소드(520), 애노드(540), 및 특정 공극률을 갖는 벌크 압전 세퍼레이터(530)의 두 표면 상에 코팅된 2개의 압전 층(535, 537)(특정 다공률을 갖는) 형태의 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함한다. 캐소드(520)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(522)이 형성되고, 애노드(540)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(542)이 형성된다. 소정량의 전해질의 적어도 일부는 캐소드(520)와 애노드(540) 사이에 배열된다. 구체적으로, 구조물은 캐소드(520)와 애노드(540) 사이에 있고, 압전 층(535, 537)은 캐소드(520)의 고체-전해질 인터페이즈 층(522)의 표면 및 애노드(540)의 고체-전해질 인터페이즈 층(542)의 표면과 접촉한다. 전기화학 셀(510)의 집전체(515, 545)는 전기 컴포넌트(550)와 전기 통신할 수 있다. 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거는 전기화학 셀(510) 내의 전극에서 일어나는데, 이는 전극의 부피를 변화시키고 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 세퍼레이터(530) 및 압전 층(535, 537)의 변형을 생성할 것이다. 이들 변형은 압전 세퍼레이터(530) 및 압전 층의 두께 방향 D1, D2에 걸쳐 압전 전압을 생성할 것이다. 이들 전압은 조합되고, 전기화학 셀 내의 전위 및 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀의 성능을 더욱 개선할 수 있다. 전기화학 셀(510)이 금속 애노드(540)를 갖는 경우, 사이클링 동안 다공질 전극에서의 이온 전착 및 이온 삽입/제거의 조합은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 세퍼레이터(530) 및 압전 층(535, 537)의 변형을 야기할 수 있고, 이는 압전 세퍼레이터(530) 및 압전 층(535, 537)의 두께 방향 D1, D2를 따른 전압을 생성하고, 금속 전극의 표면으로 인해 거칠 수 있으며, 돌출부의 전개는 횡방향(두께 방향 D1, D2에 수직)을 따라 압전 층(535, 537)으로의 신장을 생성할 수 있고, 전압을 발생시킨다. 이러한 발생된 전압은 조합되고, 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀(510)의 성능에 더 많은 영향을 미칠 수 있다.
[00117] 도 6은 비제한의 예시적인 전기화학 셀(610)에 압전 물질을 포함하는 구조물을 커플링하는 설계 전략을 예시한 것이다. 전기화학 셀(610)은 캐소드(620), 애노드(640), 및 압전 유닛(633)(세퍼레이터(630)의 매트릭스 내에 균일하게 분포된 입자, 입자 클러스터 등일 수 있음)을 포함하는 세퍼레이터(630)(특정 공극률을 갖는) 형태의 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함한다. 캐소드(620)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(622)이 형성되고, 애노드(640)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(642)이 형성된다. 소정량의 전해질의 적어도 일부는 캐소드(620)와 애노드(640) 사이에 배열된다. 구체적으로, 구조물은 캐소드(620)와 애노드(640) 사이에 있다. 전기화학 셀(610)의 집전체(615, 645)는 전기 컴포넌트(650)와 전기 통신할 수 있다. 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거는 전기화학 셀(610) 내의 전극에서 일어나는데, 이는 전극의 부피를 변화시키고 압전 유닛(633)의 변형을 생성할 것이다. 이들 변형은 압전 유닛(633) 내에 압전 전압을 생성할 것이다. 이들 전압은 조합되어 전기화학 셀(610) 내의 전위 및 이온 수송을 변화시키고, 전기화학 셀(610)의 성능을 더욱 개선할 수 있다. 전기화학 셀(610)이 금속 애노드(640)를 갖는 경우, 사이클링 동안 다공질 전극에서의 이온 전착 및 이온 삽입/제거의 조합은 압전 유닛(633)의 변형을 야기할 수 있고, 이는 압전 유닛(633) 내에 전압을 생성한다. 함께 조합되는 이러한 발생된 전압은 이온 수송에 영향을 미치고 전기화학 셀(610)의 성능에 영향을 미칠 수 있다.
[00118] 도 7은 비제한의 예시적인 전기화학 셀(710)에 압전 물질을 포함하는 구조물을 커플링하는 설계 전략을 예시한 것이다. 전기화학 셀(710)은 캐소드(720), 애노드(740), 및 압전 유닛(733)(세퍼레이터(730)의 매트릭스 내에 균일하게 분포된 입자, 입자 클러스터 등일 수 있음)을 포함하는 벌크 압전 세퍼레이터(730)(특정 공극률을 갖는) 형태의 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함한다. 캐소드(720)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(722)이 형성되고, 애노드(740)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(742)이 형성된다. 소정량의 전해질의 적어도 일부는 캐소드(720)와 애노드(740) 사이에 배열된다. 구체적으로, 구조물은 캐소드(720)와 애노드(740) 사이에 있다. 전기화학 셀(710)의 집전체(715, 745)는 전기 컴포넌트(750)와 전기 통신할 수 있다. 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거는 전기화학 셀(710) 내의 전극에서 일어나는데, 이는 전극의 부피를 변화시키고 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(733)의 변형 및 압전 세퍼레이터(730)의 변형을 생성할 것이다. 이러한 변형은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(733) 내에 압전 전압 및 압전 세퍼레이터(730) 내에 전압을 생성할 것이다. 이들 전압은 조합되어 전기화학 셀(710) 내의 전위 및 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀(710)의 성능을 더욱 개선할 수 있다. 전기화학 셀(710)이 금속 애노드(740)를 갖는 경우, 사이클링 동안 다공질 전극에서의 이온 전착 및 이온 삽입/제거의 조합은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 세퍼레이터 유닛(733)의 변형 및 압전 세퍼레이터(730) 내의 변형을 야기할 수 있고, 이는 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(733) 내에 전압 및 압전 세퍼레이터(730) 내에 전압을 생성한다. 함께 조합되는 이러한 발생된 전압은 이온 수송에 보다 유의한 영향을 가질 수 있고, 전기화학 셀(710)의 성능에 더 많은 영향을 미칠 수 있다.
[00119] 도 8은 비제한의 예시적인 전기화학 셀(810)에 압전 물질을 포함하는 구조물을 커플링하는 설계 전략을 예시한 것이다. 전기화학 셀(810)은 캐소드(820), 애노드(840), 및 압전 유닛(833)(세퍼레이터(830)의 매트릭스 내에 균일하게 분포된 입자, 입자 클러스터 등일 수 있음)을 포함하는 세퍼레이터(830)(특정 공극률을 갖는)의 하나의 표면 상에 코팅된 압전 층(837) 형태의 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함한다. 캐소드(820)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(822)이 형성되고, 애노드(840)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(842)이 형성된다. 소정량의 전해질의 적어도 일부는 캐소드(820)와 애노드(840) 사이에 배열된다. 구체적으로, 구조물은 캐소드(820)와 애노드(840) 사이에 있고, 압전 층(837)은 애노드(840)의 고체-전해질 인터페이즈 층(842)의 표면과 접촉한다. 전기화학 셀(810)의 집전체(815, 845)는 전기 컴포넌트(850)와 전기 통신할 수 있다. 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거는 전기화학 셀(810) 내의 전극에서 일어나는데, 이는 전극의 부피를 변화시키고 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(833)의 변형 및 압전 층(837)의 변형을 생성할 것이다. 이러한 변형은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(833) 내에 압전 전압 및 압전 층(837) 내에 전압을 생성할 것이다. 이들 전압은 조합되어 전기화학 셀(810) 내의 전위 및 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀(810)의 성능을 더욱 개선할 수 있다. 전기화학 셀(810)이 금속 애노드(840)를 갖는 경우, 사이클링 동안 다공질 전극에서의 이온 전착 및 이온 삽입/제거의 조합은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(833)의 변형 및 압전 층(837) 내의 변형을 야기할 수 있고, 이는 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(833) 내에 전압 및 압전 층(837) 내에 전압을 생성하고, 금속 전극의 표면으로 인해 거칠 수 있으며, 돌출부의 전개는 횡방향(두께 방향 D1, D2에 수직)을 따라 압전 층(837)으로의 신장을 생성할 수 있고, 전압을 발생시킨다. 함께 조합되는 이러한 발생된 전압은 이온 수송에 보다 유의한 영향을 가질 수 있고, 전기화학 셀(810)의 성능에 더 많은 영향을 미칠 수 있다.
[00120] 도 9는 비제한의 예시적인 전기화학 셀(910)에 압전 물질을 포함하는 구조물을 커플링하는 설계 전략을 예시한 것이다. 전기화학 셀(910)은 캐소드(920), 애노드(940), 및 압전 유닛(933)(세퍼레이터(930)의 매트릭스 내에 균일하게 분포된 입자, 입자 클러스터 등일 수 있음)을 포함하는 압전 세퍼레이터(930)(특정 공극률을 갖는)의 하나의 표면 상에 코팅된 벌크 압전 층(937) 형태의 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함한다. 캐소드(920)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(922)이 형성되고, 애노드(940)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(942)이 형성된다. 소정량의 전해질의 적어도 일부는 캐소드(920)와 애노드(940) 사이에 배열된다. 구체적으로, 구조물은 캐소드(920)와 애노드(940) 사이에 있고, 압전 층(937)은 애노드(940)의 고체-전해질 인터페이즈 층(942)의 표면과 접촉한다. 전기화학 셀(910)의 집전체(915, 945)는 전기 컴포넌트(950)와 전기 통신할 수 있다. 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거는 전기화학 셀 내의 전극에서 일어나는데, 이는 전극의 부피를 변화시키고 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(933)의 변형 및 압전 층(937) 및 압전 세퍼레이터(930)의 변형을 생성할 것이다. 이러한 변형은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(933) 내에 압전 전압 및 압전 층(937) 및 압전 세퍼레이터(930) 내에 전압을 생성할 것이다. 이들 전압은 조합되어 전기화학 셀(910) 내의 전위 및 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀(910)의 성능을 더욱 개선할 수 있다. 전기화학 셀(910)이 금속 애노드(940)를 갖는 경우, 사이클링 동안 다공질 전극에서의 이온 전착 및 이온 삽입/제거의 조합은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(930)의 변형 및 압전 층(937) 및 압전 세퍼레이터(930) 내에 변형을 야기할 수 있고, 이는 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(933) 내에 전압 및 압전 층(937) 및 압전 세퍼레이터(930) 내에 전압을 생성하고, 금속 전극의 표면으로 인해 거칠 수 있으며, 돌출부의 전개는 횡방향(두께 방향 D1, D2에 수직)을 따라 압전 층(937)으로의 신장을 생성할 수 있고, 전압을 발생시킨다. 함께 조합되는 이러한 발생된 전압은 이온 수송에 보다 유의한 영향을 가질 수 있고, 전기화학 셀(910)의 성능에 더 많은 영향을 미칠 수 있다.
[00121] 도 10은 비제한의 예시적인 전기화학 셀(1010)에 압전 물질을 포함하는 구조물을 커플링하는 설계 전략을 예시한 것이다. 전기화학 셀(1010)은 캐소드(1020), 애노드(1040), 및 압전 유닛(1033)(세퍼레이터(1030)의 매트릭스 내에 균일하게 분포되어 있음)을 포함하는 세퍼레이터(1030)(특정 공극률을 갖는)의 2개의 표면 상에 코팅된 2개의 압전 층(1035, 1037) 형태의 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함한다. 캐소드(1020)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(1022)이 형성되고, 애노드(1040)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(1042)이 형성된다. 소정량의 전해질의 적어도 일부는 캐소드(1020)와 애노드(1040) 사이에 배열된다. 구체적으로, 구조물은 캐소드(1020)와 애노드(1040) 사이에 있고, 압전 층(1035, 1037)은 캐소드(1020)의 고체-전해질 인터페이즈 층(1022)의 표면 및 애노드(1040)의 고체-전해질 인터페이즈 층(1042)의 표면과 접촉한다. 전기화학 셀(1010)의 집전체(1015, 1045)는 전기 컴포넌트(1050)와 전기 통신할 수 있다. 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거는 전기화학 셀(1010) 내의 전극에서 일어나는데, 이는 전극의 부피를 변화시키고 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(1033)의 변형 및 압전 층(1035, 1037)의 변형을 생성할 것이다. 이러한 변형은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(1033) 내에 압전 전압 및 압전 층(1035, 1037) 내에 전압을 생성할 것이다. 이들 전압은 조합되어 전기화학 셀(1010) 내의 전위 및 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀(1010)의 성능을 더욱 개선할 수 있다. 전기화학 셀(1010)이 금속 애노드(1040)를 갖는 경우, 사이클링 동안 다공질 전극에서의 이온 전착 및 이온 삽입/제거의 조합은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(1033)의 변형 및 압전 층(1035, 1037) 내의 변형을 야기할 수 있고, 이는 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(1033) 내에 전압 및 압전 층(1035, 1037) 내에 전압을 생성하고, 금속 전극의 표면으로 인해 거칠 수 있으며, 돌출부의 전개는 횡방향(두께 방향 D1, D2에 수직)을 따라 압전 층(1035, 1037)으로의 신장을 생성할 수 있고, 전압을 발생시킨다. 함께 조합되는 이러한 발생된 전압은 이온 수송에 보다 유의한 영향을 가질 수 있고, 전기화학 셀(1010)의 성능에 더 많은 영향을 미칠 수 있다.
[00122] 도 11은 비제한의 예시적인 전기화학 셀(1110)에 압전 물질을 포함하는 구조물을 커플링하는 설계 전략을 예시한 것이다. 전기화학 셀(1110)은 캐소드(1120), 애노드(1140), 및 압전 유닛(1133)(세퍼레이터(1130)의 매트릭스 내에 균일하게 분포된 입자, 입자 클러스터 등일 수 있음)을 포함하는 벌크 압전 세퍼레이터(1130)(특정 공극률을 갖는)의 2개의 표면 상에 코팅된 2개의 압전 층(1135, 1137) 형태의 압전 물질을 포함하는 구조물을 포함한다. 캐소드(1120)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(1122)이 형성되고, 애노드(1140)는 상부에 고체-전해질 인터페이즈 층(1142)이 형성된다. 소정량의 전해질의 적어도 일부는 캐소드(1120)와 애노드(1140) 사이에 배열된다. 구체적으로, 구조물은 캐소드(1120)와 애노드(1140) 사이에 있고, 압전 층(1135, 1137)은 캐소드(1120)의 고체-전해질 인터페이즈 층(1122)의 표면 및 애노드(1140)의 고체-전해질 인터페이즈 층(1142)의 표면과 접촉한다. 전기화학 셀(1110)의 집전체(1115, 1145)는 전기 컴포넌트(1150)와 전기 통신할 수 있다. 사이클링 동안, 이온 삽입 및 제거는 전기화학 셀 내의 전극에서 일어나는데, 이는 전극의 부피를 변화시키고 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(1133)의 변형 및 압전 층(1135, 1137) 및 압전 세퍼레이터(1130)의 변형을 생성할 것이다. 이러한 변형은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(1133) 내에 압전 전압 및 압전 층(1135, 1137) 및 압전 세퍼레이터(1130) 내에 전압을 생성할 것이다. 이들 전압은 조합되어 전기화학 셀(1110) 내의 전위 및 이온 수송에 보다 유의한 영향을 갖고, 전기화학 셀(1110)의 성능을 더욱 개선할 수 있다. 전기화학 셀(1110)이 금속 애노드(1140)를 갖는 경우, 사이클링 동안 다공질 전극에서의 이온 전착 및 이온 삽입/제거의 조합은 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(1133)의 변형 및 압전 층(1135, 1137) 및 압전 세퍼레이터(1130) 내의 변형을 야기할 수 있고, 이는 두께 방향 D1, D2를 따라 압전 유닛(1133) 내에 전압 및 압전 층(1135, 1137) 및 압전 세퍼레이터(1130) 내에 전압을 생성하고, 금속 전극의 표면으로 인해 거칠 수 있으며, 돌출부의 전개는 횡방향(두께 방향 D1, D2에 수직)을 따라 압전 층(1135, 1137)으로의 신장을 생성할 수 있고, 전압을 발생시킨다. 함께 조합되는 이러한 발생된 전압은 이온 수송에 보다 유의한 영향을 가질 수 있고, 전기화학 셀의 성능에 더 많은 영향을 미칠 수 있다.
실시예
[00123] 하기 실시예는 본 발명의 특정 구현예 및 양태를 입증하고 추가로 예시하기 위해 제공된 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 1
[00124] 이 실시예에서, 전기화학 셀에서 압전 물질을 포함하는 구조물의 성능을 평가하기 위해 수치 시뮬레이션이 사용된다. 모델은 다공질 리튬 티탄 옥사이드(LTO) 캐소드(1220), 코팅된 압전 층(1237)(도 12 참조)을 갖는 세퍼레이터(1230), 및 리튬 금속 애노드를 포함하는 반쪽-셀(1210)이다. 전해질은 에틸렌 카르보네이트(EC) 및 디메틸 카르보네이트(DMC) 혼합물(1:1 v%)의 용매 중 1 M LiPF6이다. 충전 및 방전 전류 밀도는 둘 모두 5 mA/cm2로 설정된다. 충전 및 방전 동안, 압전 층은 애노드 표면 상의 전착 공정 및 LTO로의 리튬 삽입/제거와 관련된 부피 변화로 인해 두께 방향을 따라 변형을 거친다. 이러한 변형은 반응 과전위 및 이온 수송에 영향을 미치는 전압을 발생시킨다. 도 13은 압전 코팅 층(1237)의 유무에 따른 충전 동안의 전압 프로파일을 보여준다. 압전 층(1237)으로 더 긴 충전 시간을 관찰할 수 있다. 또한, 압전 층을 갖는 셀의 단자 전압(플라토 영역)은 훨씬 더 높다. 결과적으로, 압전 층(1237)을 갖는 전기화학 셀(1210)은 압전 층이 없는 전기화학 셀보다 더 높은 용량 및 에너지를 제공한다.
실시예 2
[00125] 이 실시예에서, 전기화학 셀에서 압전 물질을 포함하는 구조물의 성능을 평가하기 위해 수치 측정이 사용된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 코인 셀(1410)을 조립하였다. 코인 셀(1410)은 다공질 LTO 캐소드(1420), 벌크 압전 세퍼레이터(1430), 리튬 금속 애노드(1440), 스페이서(1460), 스프링(1470), 상부 케이스(1480), 및 하부 케이스(1490)를 포함하였다. 전해질은 EC 및 DMC 혼합물(1:1 v%)의 용매 중 1 M LiPF6이었다. 벌크 압전 세퍼레이터는 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF)로 제조되었고 이를 압전으로 만들기 위해 폴링 공정을 거쳤다. 세퍼레이터는 0.5의 고체 부피 분율을 가졌다. 충전 전류 밀도를 10 mA/cm2로 설정하고 방전 전류 밀도를 2 mA/cm2로 설정하였다. 충전 및 방전 동안, 압전 층은 애노드 표면 상의 전착 공정 및 LTO로의 리튬 삽입/이로부터의 제거와 관련된 부피 변화로 인해 두께 방향을 따라 변형을 거쳤다. 비교를 위해, 또한 비-압전 PVDF 세퍼레이터로 코인 셀을 조립하였다(물질이 비-압전이 되도록 폴링 공정을 거치지 않음. 이는 통상적인 세퍼레이터로 간주됨). 도 15는 벌크 압전 세퍼레이터 대 통상적인 세퍼레이터를 사용한 셀 에너지 및 셀 용량 보여준다. 각 사이클에 대해 주어진 에너지 값은 해당 사이클 동안의 평균 충전 에너지 및 방전 에너지이다. 각 사이클에 대해 주어진 용량 값은 해당 사이클 동안의 평균 충전 용량 및 방전 용량이다. 벌크 압전 PVDF 세퍼레이터를 갖는 셀의 에너지는 비-압전 세퍼레이터를 갖는 셀의 에너지보다 약 25% 더 크다. 유사하게, 압전 세퍼레이터는 약 17%만큼 용량을 증가시킨다.
[00126] 따라서, 본 발명은 압전 물질을 포함하는 구조물(예를 들어, 층 또는 필름)을 사용함으로써 전기화학 셀의 용량, 에너지 및 사이클 수명을 개선할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다.
[00127] 본원에 기술되고 예시된 원리 및 예시적인 구현예에 비추어, 예시적인 구현예는 이러한 원리로부터 벗어남이 없이 배열 및 세부사항에서 수정될 수 있음이 인식될 것이다. 또한, 전술한 논의는 특정 구현예에 초점을 맞추었지만, 다른 구성이 또한 고려된다. 특히, "일 구현예에서", "또 다른 구현예에서", "구현예들에서" 등과 같은 표현이 본원에서 사용되더라도, 이들 어구는 일반적으로 구현예 가능성을 언급하는 것을 의미하며, 본 발명을 특정 구현예 구성으로 제한하려는 것은 아니다. 본원에서 사용되는 이들 용어는 다른 구현예로 조합될 수 있는 동일하거나 상이한 구현예를 지칭할 수 있다. 원칙으로서, 본원에 언급된 임의의 구현예는 본원에 언급된 임의의 하나 이상의 다른 구현예와 자유롭게 조합될 수 있고, 상이한 구현예의 임의의 수의 특징은 달리 지시되지 않는 한 서로 조합 가능하다.
[00128] 본 발명이 소정 구현예들을 참조하여 상당히 상세하게 설명되었지만, 통상의 기술자는 본 발명이 제한이 아닌 예시의 목적으로 제시된 설명된 실시예들 이외의 다른 구현예에 의해 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 압전 필름은 세퍼레이터 표면 대신에 금속 애노드 표면 상에 코팅될 수 있다. 그러므로, 첨부된 청구항들의 범위는 본원에 포함된 구현예들의 설명으로 제한되지 않아야 한다.

Claims (83)

  1. 전기화학 셀로서,
    고체-전해질 인터페이즈 층이 상부에 형성된 애노드;
    캐소드;
    전해질로서, 적어도 일부가 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는, 전해질; 및
    압전 물질을 포함하는 구조물로서, 상기 애노드의 상기 고체-전해질 인터페이즈 층의 적어도 일부와 접촉하는, 구조물을 포함하고,
    상기 구조물의 거시적 쌍극자는 상기 구조물이 상기 애노드 또는 상기 애노드 상에 형성된 상기 고체-전해질 인터페이즈 층으로부터 힘을 받을 때 전압을 생성하고,
    상기 구조물의 상기 거시적 쌍극자는 상기 전압이 고체-전해질 인터페이즈 층 성장을 야기하는 과전위를 감소시키도록 상기 힘에 상대적으로 배향되는, 전기화학 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    전기화학 셀의 사이클링 동안 애노드의 팽창은 구조물 상에 힘을 생성하는, 전기화학 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    구조물은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하는, 전기화학 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고,
    구조물은 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 층은 상기 세퍼레이터의 표면 상에 코팅되는, 전기화학 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고, 상기 세퍼레이터는 제2 압전 물질을 포함하고,
    구조물은 상기 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 층은 상기 세퍼레이터의 표면 상에 코팅되는, 전기화학 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고,
    구조물은 상기 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 층은 상기 세퍼레이터의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고,
    전기화학 셀은 제2 압전 물질을 포함하는 제2 층을 포함하는 제2 구조물을 추가로 포함하고, 상기 제2 층은 상기 세퍼레이터의 제2 표면 상에 코팅되고, 상기 제2 층은 상기 캐소드 상에 형성된 제2 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 전기화학 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고, 상기 세퍼레이터는 제3 압전 물질을 포함하고,
    구조물은 상기 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 층은 상기 세퍼레이터의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고,
    전기화학 셀은 제2 압전 물질을 포함하는 제2 층을 포함하는 제2 구조물을 추가로 포함하고, 상기 제2 층은 상기 세퍼레이터의 제2 표면 상에 코팅되고, 상기 제2 층은 상기 캐소드 상에 형성된 제2 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 전기화학 셀.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 물질은 폴링된(poled) 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는, 전기화학 셀.
  10. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  11. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 물질은 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는, 전기화학 셀.
  12. 제7항에 있어서,
    제3 압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  13. 제7항에 있어서,
    제3 압전 물질은 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는, 전기화학 셀.
  14. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    애노드는 나트륨, 마그네슘, 아연, 및 리튬으로 구성된 군으로부터 선택된 고체 금속인, 전기화학 셀.
  15. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기화학 셀은 리튬-이온 셀이고, 애노드는 그래파이트, 활성탄, 카본 블랙, 리튬 티타네이트, 그래핀, 주석-코발트 합금, 및 실리콘으로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  16. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    캐소드는 리튬 금속 산화물로부터 선택된 리튬 호스트 물질을 포함하고, 상기 금속은 알루미늄, 코발트, 철, 망간, 니켈, 바나듐, 및 일반식 LiMPO4를 갖는 리튬-함유 포스페이트 중 하나 이상이고, M은 코발트, 철, 망간, 및 니켈 중 하나 이상인, 전기화학 셀.
  17. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    전해질은 유기 용매 중에 리튬 화합물을 포함하는 액체 전해질을 포함하는, 전기화학 셀.
  18. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    전해질은 치환되거나 비치환된 리튬 란타넘 지르코늄 옥사이드 (LLZO), Li10GeP2S12 (LGPS), Li0.33La0.56TiO3 (LLTO), Li2PO2N (LiPON), 및 리튬 폴리설파이드 (LiPS)로 구성된 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 고체-상태 전해질인, 전기화학 셀.
  19. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 물질은 적어도 4 pC/N의 압전 계수를 갖는, 전기화학 셀.
  20. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 물질의 층은 0.01 내지 500 마이크로미터의 두께를 갖는, 전기화학 셀.
  21. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성된 전압은 애노드 표면의 약 100 나노미터 이내 또는 약 100 마이크로미터 이내로 제한되는, 전기화학 셀.
  22. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성된 전압은 적어도 0.1 마이크로볼트의 크기를 갖는, 전기화학 셀.
  23. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성된 전압은 적어도 1 밀리볼트의 크기를 갖는, 전기화학 셀.
  24. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기화학 셀은 구조물을 포함하지 않는 다른 동일한 전기화학 셀과 비교하여 적어도 10%의 용량 증진을 나타내는, 전기화학 셀.
  25. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기화학 셀은 구조물을 포함하지 않는 다른 동일한 전기화학 셀과 비교하여 적어도 20%의 에너지 증진을 나타내는, 전기화학 셀.
  26. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 물질의 층과 접촉하는 적어도 하나의 추가 층을 추가로 포함하고,
    상기 적어도 하나의 추가 층은 상기 압전 물질의 층에 비해 적어도 하나의 개선된 물질 성질을 갖고, 상기 물질 성질은 영률, 굴곡 모듈러스, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 로크웰 경도, 및 파단 신율로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  27. 제26항에 있어서, 적어도 하나의 추가 층은 탄소, 층상 물질, 금속 탄화물, 비금속 탄화물, 금속 질화물, 비금속 질화물, 금속 규화물, 비금속 규화물, 및 금속 합금으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성되는, 전기화학 셀.
  28. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 물질의 층의 표면은 적어도 하나의 표면 성질을 변화시키는 방식으로 처리되고, 상기 표면 성질은 조도, 친수성, 표면 전하, 표면 에너지, 생체적합성, 투과성, 및 반응성으로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  29. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    구조물은 0.3 내지 0.7의 고체 부피 분율을 갖는, 전기화학 셀.
  30. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    구조물은 애노드 상의 전착과 관련된 부피 변화로 인해 두께 방향을 따라 변형을 거치는, 전기화학 셀.
  31. 전기화학 셀로서,
    고체-전해질 인터페이즈 층이 상부에 형성된 애노드;
    캐소드;
    전해질로서, 적어도 일부가 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는, 전해질; 및
    매트릭스에 분포된 유닛을 포함하는 구조물로서, 상기 유닛은 압전 물질을 포함하고, 상기 구조물은 상기 애노드의 상기 고체-전해질 인터페이즈 층의 적어도 일부와 접촉하는, 구조물을 포함하고,
    상기 구조물의 거시적 쌍극자는 상기 구조물이 상기 애노드 또는 상기 애노드 상에 형성된 상기 고체-전해질 인터페이즈 층으로부터 힘을 받을 때 전압을 생성하고,
    상기 구조물의 상기 거시적 쌍극자는 상기 전압이 고체-전해질 인터페이즈 층 성장을 야기하는 과전위를 감소시키도록 상기 힘에 상대적으로 배향되는, 전기화학 셀.
  32. 제31항에 있어서,
    매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함하는, 전기화학 셀.
  33. 제31항에 있어서,
    매트릭스는 제2 압전 물질을 포함하고,
    상기 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는, 전기화학 셀.
  34. 제31항에 있어서,
    매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함하고,
    구조물은 제2 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 제2 압전 물질의 상기 층은 상기 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 제2 압전 물질의 상기 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 전기화학 셀.
  35. 제31항에 있어서,
    매트릭스는 제2 압전 물질을 포함하고,
    상기 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하고,
    구조물은 제3 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 제3 압전 물질의 상기 층은 상기 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 제3 압전 물질의 상기 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 전기화학 셀.
  36. 제31항에 있어서,
    매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함하고,
    구조물은 제2 압전 물질의 제1 층을 포함하고, 상기 제2 압전 물질의 상기 제1 층은 상기 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 제2 압전 물질의 상기 제1 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고,
    구조물은 제3 압전 물질의 제2 층을 포함하고, 상기 제3 압전 물질의 상기 제2 층은 상기 구조물의 제2 표면 상에 코팅되고, 상기 제3 압전 물질의 상기 제2 층은 상기 캐소드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 전기화학 셀.
  37. 제31항에 있어서,
    매트릭스는 제2 압전 물질을 포함하고,
    상기 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하고,
    구조물은 제3 압전 물질의 제1 층을 포함하고, 상기 제3 압전 물질의 상기 제1 층은 상기 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 제3 압전 물질의 상기 제1 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고,
    구조물은 제4 압전 물질의 제2 층을 포함하고, 상기 제4 압전 물질의 상기 제2 층은 상기 구조물의 제2 표면 상에 코팅되고, 상기 제4 압전 물질의 상기 제2 층은 상기 캐소드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 전기화학 셀.
  38. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기화학 셀의 사이클링 동안 애노드의 팽창은 구조물 상에 힘을 생성하는, 전기화학 셀.
  39. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    유닛은 0.1 내지 10 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 입자를 포함하는, 전기화학 셀.
  40. 제32항 또는 제34항 또는 제36항에 있어서,
    세퍼레이터 물질은 투과성 폴리머인, 전기화학 셀.
  41. 제32항 또는 제34항 또는 제36항에 있어서,
    세퍼레이터 물질은 폴리올레핀을 포함하는, 전기화학 셀.
  42. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  43. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 물질은 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는, 전기화학 셀.
  44. 제33항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  45. 제33항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 물질은 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는, 전기화학 셀.
  46. 제35항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    제3 압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  47. 제35항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    제3 압전 물질은 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는, 전기화학 셀.
  48. 제37항에 있어서,
    제3 압전 물질은 석영, 알루미늄 포스페이트, 알루미늄 니트라이드, 수크로스, 포타슘 소듐 타르트레이트, 토파즈, 납 티타네이트, 전기석, 랑가사이트, 갈륨 오르토포스페이트, 리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 바륨 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 포타슘 니오베이트, 납 인듐 니오베이트, 납 마그네슘 니오베이트, 소듐 텅스테이트, 아연 옥사이드, 소듐 포타슘 니오베이트, 비스무트 페라이트, 소듐 니오베이트, 바륨 티타네이트, 소듐 비스무트 티타네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드, 액정 폴리머, 폴리우레아, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리페닐에테르니트릴, 나일론, 폴리(비닐리덴 시아나이드-비닐아세테이트), 폴리(1-바이사이클로부탄카보니트릴), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌), 이들 물질의 코폴리머, 또는 이들 물질의 복합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  49. 제37항에 있어서,
    제3 압전 물질은 폴링된 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는, 전기화학 셀.
  50. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    애노드는 나트륨, 마그네슘, 아연, 및 리튬으로 구성된 군으로부터 선택된 고체 금속인, 전기화학 셀.
  51. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기화학 셀은 리튬-이온 셀이고, 애노드는 그래파이트, 활성탄, 카본 블랙, 리튬 티타네이트, 그래핀, 주석-코발트 합금, 및 실리콘으로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  52. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    캐소드는 리튬 금속 산화물로부터 선택된 리튬 호스트 물질을 포함하고, 상기 금속은 알루미늄, 코발트, 철, 망간, 니켈, 바나듐, 및 일반식 LiMPO4를 갖는 리튬-함유 포스페이트 중 하나 이상이고, M은 코발트, 철, 망간, 및 니켈 중 하나 이상인, 전기화학 셀.
  53. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    전해질은 유기 용매 중에 리튬 화합물을 포함하는 액체 전해질을 포함하는, 전기화학 셀.
  54. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    전해질은 치환되거나 비치환된 리튬 란타넘 지르코늄 옥사이드 (LLZO), Li10GeP2S12 (LGPS), Li0.33La0.56TiO3 (LLTO), Li2PO2N (LiPON), 및 리튬 폴리설파이드 (LiPS)로 구성된 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 고체-상태 전해질인, 전기화학 셀.
  55. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 물질은 적어도 4 pC/N의 압전 계수를 갖는, 전기화학 셀.
  56. 제34항에 있어서,
    제2 압전 물질의 층은 0.01 내지 500 마이크로미터의 두께를 갖는, 전기화학 셀.
  57. 제35항에 있어서,
    제3 압전 물질의 층은 0.01 내지 500 마이크로미터의 두께를 갖는, 전기화학 셀.
  58. 제36항에 있어서,
    제2 압전 물질의 제1 층 및 제3 압전 물질의 제2 층은 각각 0.01 내지 500 마이크로미터의 두께를 갖는, 전기화학 셀.
  59. 제37항에 있어서,
    제3 압전 물질의 제1 층 및 제4 압전 물질의 제2 층은 각각 0.01 내지 500 마이크로미터의 두께를 갖는, 전기화학 셀.
  60. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성된 전압은 애노드 표면의 약 100 나노미터 이내 또는 약 100 마이크로미터 이내로 제한되는, 전기화학 셀.
  61. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성된 전압은 적어도 0.1 마이크로볼트의 크기를 갖는, 전기화학 셀.
  62. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성된 전압은 적어도 1 밀리볼트의 크기를 갖는, 전기화학 셀.
  63. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기화학 셀은 구조물을 포함하지 않는 다른 동일한 전기화학 셀과 비교하여 적어도 10%의 용량 증진을 나타내는, 전기화학 셀.
  64. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기화학 셀은 구조물을 포함하지 않는 다른 동일한 전기화학 셀과 비교하여 적어도 20%의 에너지 증진을 나타내는, 전기화학 셀.
  65. 제34항에 있어서,
    제2 압전 물질의 층과 접촉하는 적어도 하나의 추가 층을 추가로 포함하고,
    상기 적어도 하나의 추가 층은 상기 압전 물질의 상기 층에 비해 적어도 하나의 개선된 물질 성질을 갖고, 상기 물질 성질은 영률, 굴곡 모듈러스, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 로크웰 경도, 및 파단 신율로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  66. 제35항에 있어서,
    제3 압전 물질의 층과 접촉하는 적어도 하나의 추가 층을 추가로 포함하고,
    상기 적어도 하나의 추가 층은 상기 압전 물질의 상기 층에 비해 적어도 하나의 개선된 물질 성질을 갖고, 상기 물질 성질은 영률, 굴곡 모듈러스, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 로크웰 경도, 및 파단 신율로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  67. 제36항에 있어서,
    제2 압전 물질의 제1 층과 접촉하는 적어도 하나의 추가 층을 추가로 포함하고,
    상기 적어도 하나의 추가 층은 상기 압전 물질의 상기 층에 비해 적어도 하나의 개선된 물질 성질을 갖고, 상기 물질 성질은 영률, 굴곡 모듈러스, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 로크웰 경도, 및 파단 신율로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  68. 제37항에 있어서,
    제3 압전 물질의 제1 층과 접촉하는 적어도 하나의 추가 층을 추가로 포함하고,
    상기 적어도 하나의 추가 층은 상기 압전 물질의 상기 층에 비해 적어도 하나의 개선된 물질 성질을 갖고, 상기 물질 성질은 영률, 굴곡 모듈러스, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 로크웰 경도, 및 파단 신율로 구성된 군으로부터 선택되는, 전기화학 셀.
  69. 제65항 내지 제68항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 추가 층은 탄소, 층상 물질, 금속 탄화물, 비금속 탄화물, 금속 질화물, 비금속 질화물, 금속 규화물, 비금속 규화물, 및 금속 합금으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성되는, 전기화학 셀.
  70. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    구조물은 애노드 상의 전착과 관련된 부피 변화로 인해 두께 방향을 따라 변형을 거치는, 전기화학 셀.
  71. 애노드, 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치된 전해질을 갖는 전기화학 셀에서 고체-전해질 인터페이즈 층 성장을 감소시키기 위한 방법으로서, 상기 방법은
    (a) 상기 애노드 또는 상기 캐소드 중 하나 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층의 적어도 일부를 압전 물질을 포함하는 구조물과 접촉시키는 단계를 포함하고,
    상기 구조물의 거시적 쌍극자는 상기 구조물이 상기 애노드 또는 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층으로부터 힘을 받을 때 전압을 생성하고,
    상기 구조물의 상기 거시적 쌍극자는 상기 전압이 고체-전해질 인터페이즈 층 성장을 야기하는 과전위를 감소시키도록 상기 힘에 상대적으로 배향되는, 방법.
  72. 제71항에 있어서,
    구조물은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하는, 방법.
  73. 제71항에 있어서,
    전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고,
    구조물은 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 층은 상기 세퍼레이터의 표면 상에 코팅되는, 방법.
  74. 제71항에 있어서,
    전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고, 상기 세퍼레이터는 제2 압전 물질을 포함하고,
    구조물은 상기 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 층은 상기 세퍼레이터의 표면 상에 코팅되는, 방법.
  75. 제71항에 있어서,
    전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고,
    구조물은 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 층은 상기 세퍼레이터의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고,
    전기화학 셀은 제2 압전 물질을 포함하는 제2 층을 포함하는 제2 구조물을 추가로 포함하고, 상기 제2 층은 상기 세퍼레이터의 제2 표면 상에 코팅되고, 상기 제2 층은 상기 캐소드 상에 형성된 제2 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 방법.
  76. 제71항에 있어서,
    전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터를 포함하고, 상기 세퍼레이터는 제3 압전 물질을 포함하고,
    구조물은 상기 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 층은 상기 세퍼레이터의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고,
    전기화학 셀은 제2 압전 물질을 포함하는 제2 층을 포함하는 제2 구조물을 추가로 포함하고, 상기 제2 층은 상기 세퍼레이터의 제2 표면 상에 코팅되고, 상기 제2 층은 상기 캐소드 상에 형성된 제2 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 방법.
  77. 제71항에 있어서,
    구조물은 매트릭스에 분포된 유닛을 포함하고, 상기 유닛은 압전 물질을 포함하고, 상기 구조물은 애노드의 고체-전해질 인터페이즈 층의 적어도 일부와 접촉하는, 방법.
  78. 제77항에 있어서,
    매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함하는, 방법.
  79. 제77항에 있어서,
    매트릭스는 제2 압전 물질을 포함하고,
    매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는, 방법.
  80. 제77항에 있어서,
    매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함하고,
    구조물은 제2 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 제2 압전 물질의 상기 층은 상기 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 제2 압전 물질의 상기 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 방법.
  81. 제77항에 있어서,
    매트릭스는 제2 압전 물질을 포함하고,
    상기 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하고,
    구조물은 제3 압전 물질의 층을 포함하고, 상기 제3 압전 물질의 상기 층은 상기 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 제3 압전 물질의 상기 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 방법.
  82. 제77항에 있어서,
    매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하는 세퍼레이터 물질을 포함하고,
    구조물은 제2 압전 물질의 제1 층을 포함하고, 상기 제2 압전 물질의 상기 제1 층은 상기 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 제2 압전 물질의 상기 제1 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고,
    구조물은 제3 압전 물질의 제2 층을 포함하고, 상기 제3 압전 물질의 상기 제2 층은 상기 구조물의 제2 표면 상에 코팅되고, 상기 제3 압전 물질의 상기 제2 층은 상기 캐소드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 방법.
  83. 제77항에 있어서,
    매트릭스는 제2 압전 물질을 포함하고,
    상기 매트릭스는 애노드와 캐소드 사이의 전자 전도를 방지하고 전해질을 통한 이온 전도를 허용하고,
    구조물은 제3 압전 물질의 제1 층을 포함하고, 상기 제3 압전 물질의 상기 제1 층은 상기 구조물의 제1 표면 상에 코팅되고, 상기 제3 압전 물질의 상기 제1 층은 상기 애노드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하고,
    구조물은 제4 압전 물질의 제2 층을 포함하고, 상기 제4 압전 물질의 상기 제2 층은 상기 구조물의 제2 표면 상에 코팅되고, 상기 제4 압전 물질의 상기 제2 층은 상기 캐소드 상에 형성된 고체-전해질 인터페이즈 층과 접촉하는, 방법.
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