KR101259455B1 - 기능적 경사형 구성요소들을 포함하는 전기화학 전지들 - Google Patents

기능적 경사형 구성요소들을 포함하는 전기화학 전지들 Download PDF

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Abstract

기능적 경사형들을 특징으로 하고, 원하는 주기적 구성들을 갖는 전기화학 전지들 또는 배터리들 및 이를 제조하는 방법이 제공된다. 전지/배터리 구성요소들을 단독으로 또는 결합하여 제조하기 위한 하나 이상의 방법들은 특정한 열적, 기계적, 동역학적 및 공간적 특성들 및, 그 결과에 따라 배터리 성능에서의 개선을 달성하도록 설계된다. 열적 특성들은 충전 또는 방전 프로세스들 동안 온도 분포와 관련된다. 동역학적 특성들은 이온 확산 프로세스들 및 전자 전도와 같은 전지들 또는 배터리들의 레이드 성능과 관련된다. 기계적 특성들은 구성요소 재료들의 강도 및 계수들과 같은 전지들 및 배터리들의 수명 및 효율과 관련된다. 마지막으로, 공간 특성들은 에너지 및 전력 밀도들, 응력 및 온도 완화 메커니즘들 및 확산 및 전도 향상들과 관련된다. 본 발명의 전기화학 전지들 및 배터리들은 고속 성능, 고 에너지/전력 밀도, 양호한 내구성, 높은 안전성 및 장시간의 수명을 필요로 하는 모든 애플리케이션들에 유용하다.

Description

기능적 경사형 구성요소들을 포함하는 전기화학 전지들{ELECTROCHEMICAL CELL INCLUDING FUNCTIONALLY GRADED COMPONENTS}
관련 출원의 상호참조
본 출원은 2008년 8월 5일에 출원된 미국 가출원 번호 제61/086,161호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 여기에 참조로서 통합된다.
본 발명은 일반적으로 전기화학 전지(electrochemical cell)들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전극(들)을 위한 기능적 경사형(functionally graded) 및 아키텍처형(architectured) 구성요소를 갖는 방법들 및 디바이스들을 제공한다. 단지 예로서, 본 발명은 무엇보다도 자동차, 전기통신, 범용 에너지 저장장치, 휴대용 전자장치들, 전력 툴들, 전원공급장치들을 포함하는 다양한 애플리케이션들에 적용될 수 있다.
기재된 바와 같이, 전기화학 전지들은 다양한 애플리케이션들에 에너지를 저장하는데 이용된다. 이 애플리케이션들은 셀룰러 폰들, 개인용 휴대정보 단말기들(PDAs), 음악 재생기들, 비디오 카메라들 등과 같은 휴대용 전자장치들을 포함한다. 애플리케이션들은 군사용 전력 툴들, 전원공급장치(예를 들어, 통신들, 조명들, 이미징(imaging) 등), 항공우주 애플리케이션들을 위한 전원공급장치들(예를 들어 위성용 전력), 및 차량용 애플리케이션(예를 들어, 하이브리드(hybird) 전기 차량들, 플러그-인 하이브리드(plug-in hybrid) 전기 차량들, 완전 전기 차량들) 등을 위한 전원공급장치들을 포함한다.
종래의 전기화학 전지들은 제지 기술(paper-making technique)들을 이용하여 제조된다. 종래의 전기화학 전지들은 내적 기계적 응력들, 층간 삽입(intercalation), 및 열적 유도 응력들을 처리하지 못한 채로 제조되어 왔다. 그러므로, 이 종래의 전지들에서는 결점들이 있다. 이 결점들은 제한된 수명, 조기 고장, 제한된 저장 용량(capability), 및 다른 결함들을 포함한다. 수명을 손상시키지 않으면서도 전기화학 전지 에너지 및 전력 밀도를 증가시키기 위해, 다른 제조 방법들이 제안되어왔다. 동시에, "M.M. Thackeray, S.-H. Kang, C.S.Johnson, Li2MnO3-stabilized LiMO2(M=Mn, Ni, Co) Electrodes for Lithium-Ion Batteries, Joural of Material Chemistry 17,3112-3125,2007"에 기술되어 있는 Li2MnO3-안정화 LiMO2(M=Mn, Ni, Co)와 같은 박막, 마이크로아키텍처형, 기능적 경사형 재료들을 이용하는 전극 아키텍처들이 개발되어 왔다. 이 유형의 전지들은 전형적으로 유사한 기하학적 구조의 캐소드 층(cathode layer) 및 애노드 층(anode layer) 사이에 개재되는 비-수계(non-aqueous) 전해질을 가진다. 예를 들어, 전형적인 박-막 리튬 이온 전지에서, 캐소드는 흔히 LiCoO2, LiMn2O4이고, 반면에 전해질은 흔히 리튬 포스포러스 옥시나이트라이드(lithium phosphorous oxynitride)(LIPON)이고 애노드는 리튬 포일이다. 박막 LI-이온 전지들은 잠재적으로 제한되지 않는 수의 방전-충전 사이클들로 1,000 Wh/Kg의 에너지 밀도들 및 10,000 W/Kg의 전력 밀도들을 가지는 것이 증명되었다.
비용-효율적인 마이크로아키텍처형 및 기능적 경사형 전극들, 전지들 또는 배터리들을 생성하기 위한 중점 과제는 재료 특성들을 상기 재료가 필요로 하는 특정 역할을 위해 정확하게 튜닝(tuning)하는 것이다. 정확한 재료 특성을 달성하기 위해 전기화학 전지 제조 공정에 걸쳐 스패닝(spanning)하는 것은 제어된 환경 내에 있어야만 한다. 종래의 박막 전기화학 전지들은 항공우주 및 주입 가능 배터리들을 위해 클린 룸(clean room) 내에서 제조되어 왔다. 그러나, 그와 같은 프로세스는 비용이 너무 많이 들어서 첨단 기술의 전기화학 전지들의 대량 제조에 이용할 수 있다.
결과적으로, 비용-효율적인 높은 처리량의 제조 기술들 및 마이크로아키텍처형 및 기능적 경사형 전극들이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전기화학 전지들을 위한 기술들이 제공된다. 특히, 본 발명은 전극(들)을 위한 경산 기능 및 아키텍처형 구성요소를 가는 방법들 및 디바이스들을 제공한다. 단지 예로서, 본 발명은 자동차, 전기통신, 범용 에너지 저장장치, 휴대용 전자장치들, 전력 툴들, 전원공급장치들을 포함하는 다양한 애플리케이션들에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 세기 성질(intensive property)들 중 적어도 하나(또는 하나 이상)를 크기 성질(extensive property)들 중 적어도 하나의(또는 하나 이상)의 기능으로서 변하는 연속 증착 층들을 구비한 박막 전기화학 전지를 포함하고, 그와 같은 유형의 전기화학 전지를 제조하는 방법들에 관한 것이다. 세기 성질들은 밀도, 조성, 농도, 열적/전자/이온 전도성들, 열적/이온 확산성들, 최대 변형률(maximum strain), 극한 강도(ultimate strength), 계수들(moduli), 연성(ductility), 및 유연성(plasticity), 결합들 등이지만, 이에 제한되지 않는다. 또한, 크기 성질들은 체적, 영역(area), 및 두께, 결합들 등이지만 이에 제한되지 않는다.
단지 예로서, 본 발명에는 리튬 기반 전지들의 이용이 제공되었으나, 아연, 은, 구리, 및 니켈과 같은 다른 재료들이 동일한 또는 유사한 방식으로 설계될 수 있음이 인식될 것이다. 층들의 증착 및 층들의 마이크로아키텍처의 형성은 개별적으로 또는 서로 결합하여 이용되는 여러 프로세스들 중 하나에 의해 달성된다. 전극들 및 배터리들의 연속 제소는 다양한 기술들을 통해 달성된다. 본 발명의 제조 프로세스는 증착 챔버(deposition chamber) 내에서 완료되고, 상기 증착 챔버에는 충분한 재료들이 갖추어져 있어서 애노드, 캐소드, 전해질, 분리막(separator), 및 집전기층(current collector layer)들의 증착을 통해 배터리들을 완성한다. 본원에서 이용되는 바와 같이, 용어 "연속 프로세스"는 실질적으로 임의의 파손들이 없거나 각각의 프로세스가 소정의 환경, 예를 들어 진공 내에 있음을 의미할 것이다. 이 방법을 이용하여 구성되는 배터리들은 적어도 하나의 애노드, 하나의 캐소드, 전해질을 가지고 이용되는 전기화학 방법에 따라, 분리막을 가질 수 있다. 물론, 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 층간 삽입 및 열적 팽창 응력들을 경감하여, 전극 재료를 강화하기 위해 적어도 하나의 메커니즘을 갖는 마이크로아키텍처형 모폴로지(morphology)를 포함하는 하나 이상의 재료가 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 재료의 하나 이상의 크기 성질들의 기능에 따라 변하는 하나 이상의 세기 성질을 갖는 경상 기능 구조를 포함하는 하나 이상의 재료가 제공된다. 세기 특성들은 밀도, 조성, 농도, 열적/전자/이온 전도성들, 열적/이온 확산성들, 최대 변형률, 극한 강도, 계수들, 연성, 및 유연성을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 또한, 크기 특성들은 체적, 영역, 및 두께를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 그룹들 IA, IVA, VIA, 및 IIB로부터 적어도 하나의 원소를 함유하는 조성물을 갖는 애노드 재료가 제공되고; 그룹들 IA, VIII, IVA, VIA, IB, IVB 및 VIIB로부터 적어도 하나의 성분을 함유하는 조성물을 갖는 캐소드 재료가 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 다음의 기술들 중 하나 이상을 이용하여 마이크로아키텍처가 생성된다. 애노드 집전기 재료는 물리적 기상 증착 기술들(physical vapor deposition techniques)에 의해 마이크로아키텍처형 기판상에 형성되거나, 또는 기판을 필요로 하지 않는 경우 독립식 마이크로아키텍처형 막이다. 캐소드 집전기 재료는 물리적 기상 증착 기술들에 의해 마이크로아키텍처형 기판상에 형성되거나, 또는 기판을 필요로 하지 않는 경우 독립식 마이크로아키텍처형 막이다. 마이크로아키텍처형 전기화학 전지는 물리적 기상 증착 기술들에 의해 순차적으로, 또는 역순으로 증착되는 애노드, 전해질, 및 캐소드를 포함한다. 본원에서 이용되는 바와 같이 용어 "마이크로아키텍처형"은 일반적인 의미로 해석될 것이고 본원에서의 설명은 제한적이지 않을 것이다. 예로서, 용어 마이크로아키텍처형은 범위가 약 100 나노미터들로부터 약 100 마이크로미터들까지 그리고 500 마이크로미터 미만의 피처 크기(feature size)들을 포함할 것이지만, 다른 범위일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 브레드로핑(breadloafing)을 생성하기 위해 전극의 구성을 조작하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 애노드는 애노드 집전기와 접속되고 제 2 측은 전해질과 인터락(interlock)된다. 본 발명의 전해질은, 제 1 측이 애노드 층과 인터락되고 제 2 측은 캐소드 층과 인터락된다. 청구항 제 1 항의 캐소드는 제 1 측이 전해질과 인터락되고 제 2 측이 캐소드 집전기와 접속된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 재료들을 조작하여 나노복합체 전극(nanocomposite electrode)을 형성하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 내부 응력들을 상쇄하기 위한 캐소드 재료의 나노복합체 아키텍처는 균열 성장(crack growth)을 중단시키고, 재료 강도를 최대화하고, 활성 재료 구조를 안정화한다. 나노복합체 재료는 동일한 재료의 둘 이상의 층들을 상이한 결정 구조들로 증착함으로써 형성된다. 하나의 실시예에서, 나노복합체 재료는 동일한 재료의 둘 이상의 층들을 상이한 결정 구조들로 증착하고, 교호하는 층들 상에 마스크(mask)들을 이용하여 패턴들을 생성함으로써 형성된다. 다른 실시예에서, 나노복합체 재료는 상이한 재료들의 둘 이상의 층들을 증착함으로써 형성된다. 또 다른 실시예에서, 나노복합체 재료는 상이한 재료들의 둘 이상의 층들을 증착하고, 교호하는 층들 상에 마스크들을 이용하여 패턴들을 생성함으로써 형성된다. 또 다른 실시예에서, 나노복합체 재료는 둘 이상의 재료들을 동시에 증착하여 활성 재료의 주 매트릭스 입자(matrix grain)들 내에 하나 이상의 나노분산(nanodisperse) 위상들을 생성함으로써 형성된다. 다른 실시예에서, 나노복합체 재료는 둘 이상의 재료들을 동시에 증착하여 활성 재료의 매트릭스의 입자 경계들 주위에 1차 위상들의 분산을 생성함으로써 형성된다. 또 다른 실시예에서, 나노복합체 재료는 둘 이상의 재료들을 동시에 증착하여 활성 재료의 매트릭스의 입자들 내에 그리고 주위에 모두 2차 위상들의 분산을 생성함으로써 형성된다. 다른 실시예에서, 마이크로복합체 재료는 둘 이상의 재료들을 동시에 증착하여 위상 분리를 유도함으로써 형성된다. 본원에서 이용되는 바와 같이, 용어 나노복합체는 범위가 약 50Å로부터 약 500 나노미터들까지 그리고 미만인 피처 크기들을 포함하고 일반적인 의미에 따라 다른 크기들일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 증발(evaporation), 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착, 스퍼터링(sputtering), 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링(radio frequency magnetron sputtering), 마이크로파 플라즈마 향상 화학적 기상 증착(microwave plasma enhanced chemical vapor deposition: MPECVD), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition: PLD), 레이저 절삭(laser ablation), 분무 증착(spray deposition), 분무 열분해(spray pyrolysis), 분무 코팅 또는 플라즈마 분무의 그룹으로부터 적어도 하나를 포함하는 복수의 기술들을 이용하여 기능적 경사형, 마이크로아키텍처형 고체 전극들을 제조하는 단계, 및 물리적 기장 증착, 레이저 증착, 원심 분리(centrifuge), 스피닝(spinning), 마이크로파, 열적 제어, 분무, 및 화학적 기상 증착의 그룹으로부터 적어도 하나를 포함하는 복수의 그룹을 이용하여 기능적 경사형, 마이크로아키텍처형 비수성 전해질(nonaqueous electrolyte)을 제조하는 단계를 포함하는 방법들이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 내부 응력들을 상쇄하고, 균열 성장을 중단시키고, 재료 강도를 최대화하고, 애노드, 전해질, 캐소드 및 집전기들 내의 활성 재료 구조를 안정화하기 위해 활성 영역의 정확한 모폴로지를 정의하기 위한 증착, 및 마스킹을 포함하는 방법들이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 대리-기반 분석(surrogate-base analysis), 유전자 알고리즘(genetic algorithm), 적응성 토폴로지 최적화, 실험들의 디자인, ANOVA/MANOVA, 베이신 기반 분석(basin based analysis), SIMP(solid isotropic microstructure with intermediate mass penalization), 전력 벌점화 강성(power penalized stiffness) 모델, 연속 구조의 토폴로지 최적화, 법선 경계 교차(normal boundary intersection: NBI) 최적화 방법, 다변수 최적화 방법(multivariable potimization method), 또는 다분야 디자인 최적화(multidisciplinary design optimization)을 포함하는(이로 제한되지 않는다) 최적화 기술들 중 하나를 이용함으로써 주기적이고 불규칙적이지만 임의적이지 않은 전극의 모폴로지가 식별되는 방법들이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서 마이크로아키텍처형 전극들을 준비하는 단계를 포함하는 방법들이 제공된다. 마이크로아키텍처형 전극은, 이에 제한되지 않지만: 자기장, 전기장, 온도 구배(temperature gradient), 및 광 빔 강도(optical beam intensity)를 주기적으로 변경하고, 집전기 또는 기판을 전구체(precursor)로 주기적으로 시딩(seeding)하고, 드릴링(drilling), 마스킹, 몰딩(molding), 압입(indentation), 나노임프린트(nanoimprint), 연마, 레이저 절삭, 복사 및 중성자 산란(scattering)을 이용하여 집전기 또는 기판을 주기적으로 수정하는 단계를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 패터닝 기술을 이용함으로써, 주기적 패턴을 특징으로 한다.
특정한 실시예에서, 다양한 전지 소자들은 하나 이상의 기술들을 이용하여 형성될 수 있다. 이 기술들은 증발, 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착, 저압 화학적 기상 증착(low pressure chemical vapor deposition: LPCVD), 단원자 층 증착(atomic layer deposition: ALD), 직접 레이저 기록(direct laser writing: DLW), 스퍼터링, 무선 주파수 마그네트론 스퍼터렁, 마이크로파 플라즈마 향상 화학적 기상 증착(MPECVD), 펄스 레이저 증착(PLD), 나노임프린트, 이온 주입, 레이저 절삭, 분무 증착, 분무 열분해, 분무 코팅 또는 플라즈마 분무를 포함한다. 물론, 다른 변형들, 수정들, 대안들이 존재할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 마이크로-아키텍처형 전기화학 전지 및/또는 배터리 디바이스를 제공한다. 전지 및/또는 배터리 디바이스는 애노드 및 애노드와 반-대칭(anti symmetrical)으로 배열되는 캐소드를 포함한다. 특정한 실시예에서, 상기 디바이스는 캐소드 및 애노드 사이에 소정의 거리를 갖는다. 애노드를 캐소드와 분리하기 위해 전지 절연부가 제공된다. 특정한 실시예에서, 전지 절연부는 애노드와 캐소드를 분리하기 위해 소정의 거리 내에서 변하는 경사형 재료(graded material) 특성 및 절연 재료의 하나 이상의 층들을 특징으로 한다. 특정한 실시예에서, 상기 디바이스는 애노드에 특징을 제공하는 나노복합체 애노드 재료를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 나노복합체 애노드 재료는 하나 이상의 제 2 크기 특성들(extensive characteristics)의 기능인 하나 이상의 제 1 세기 특성들을 갖는다. 나노복합체 캐소드 재료는 캐소드에 특징을 제공한다. 특정한 실시예에서, 나노복합체 캐소드 재료는 하나 이상의 제 2 크기 특성들의 기능인 하나 이상의 제 1 세기 특성들을 갖는다. 특정한 실시예에서, 전해질 재료는 애노드 및 캐소드 사이에 제공된다. 특정한 실시예에서, 상기 디바이스는 캐소드와 연결되는 캐소드 집전기를 갖고 애노드와 연결되는 애노드 집전기를 갖는다.
더욱이, 본 발명은 전기화학 전지를 제공한다. 상기 전지는 하나 이상의 제 1 공간 피처들을 갖고 실질적으로 제 1 나노복합체 재료로부터 형성되는 애노드 부재를 갖고, 제 1 나노복합체 재료의 평균 피처 크기는 범위가 약 50Å로부터 약 500 나노미터들이다. 특정한 실시예에서, 제 1 나노복합체 재료는 8 마이크로 옴 센티미터들을 초과하는 제 1 저항값을 갖지만 다른 값들일 수 있다. 특정한 실시예에서, 상기 전지는 하나 이상의 제 2 공간 피처들을 갖는 캐소드 부재를 갖는다. 캐소드 부재는 애노드 부재와 동작 가능하게 결합되고 실질적으로 제 2 나노복합체 재료로부터 형성되고, 제 2 나노복합체 재료의 평균 피처 크기는 범위가 약 50Å로부터 약 500 나노미터들이다. 특정한 실시예에서, 제 2 나노복합체는 14.3 옴 센티미터들을 초과하는 제 2 저항값을 갖지만, 다른 값들일 수 있다. 특정한 실시예에서, 상기 디바이스는 애노드 및 캐소드 사이에 소정의 갭을 갖는다. 특정한 실시예에서, 소정의 갭은 500 나노미터들을 초과한다. 상기 디바이스는 또한 애노드 및 캐소드 사이에 제공되는 전해질 및 애노드 및 캐소드 사이에 제공되는 분리막을 갖는다. 상기 디바이스는 적어도 제 1 접촉부를 통해 애노드와 결합되는 제 1 집전기 및 적어도 제 2 접촉부를 통해 캐소드와 결합되는 제 2 집전기를 갖는다.
더욱이, 본 발명은 전기화학 전지를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 소정의 공간 패턴을 갖는, 예를 들어 주기적으로 패터닝되는 기판 부재를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 소정의 공간 패턴에 등각 방식(conformal manner)으로 오버레이(overlay)하는 하나 이상의 종들을 이용하여 제 1 두께의 재료를 증착하는 단계를 포함한다. 특정한 실시예에서, 제 1 두께의 재료는 약 500 나노미터 이하의 평균 피처 크기를 갖는 나노복합체 구조로서 특징된다. 상기 방법은 제 1 두께의 재료의 제 1 공간 영역으로부터 제 1 두께의 재료의 제 2 공간 영역으로의 제 1 두께의 재료의 증착과 연관되는 시간 기간 동안 증착과 관련되는 하나 이상의 파라미터들을 조정하여 제 1 공간 영역으로부터 제 2 공간 영역으로 하나 이상의 특성들의 경사 피처를 갖는 제 1 전극 소자를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제 1 전극 소자에 오버레이하는 전해질을 형성하고 전해질에 오버레이하는 제 2 전극 소자를 형성한다.
대안의 특정한 실시예에서, 본 발명은 전기화학 전지를 위한 전극을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 집전기를 포함하는 기판 부재를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 기판 부재의 표면 영역에 오버레이하는 하나 이상의 종들을 이용하여 임의의 두께의 재료를 증착하는 단계를 포함한다. 특정한 실시예에서, 상기 임의의 두께의 재료는 나노복합체 재료로서 특징된다. 상기 방법은 두께의 재료의 제 1 공간 영역으로부터 두께의 재료의 제 2 공간 영역으로 두께의 재료의 증착과 연관되는 시간 기간 동안 하나 이상의 파라미터들을 조정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 제 1 공간 영역으로부터 제 2 공간 영역으로의 하나 이상의 특성들의 경사 피처를 갖는 전극 소자의 형성을 발생시키는 단계를 포함한다.
더욱이, 본 발명은 전기화학 전지를 위한 주기적인 기하학적 피처를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 적어도 자기장, 전기장, 온도 구배, 및 광 빔 강도를 주기적으로 변경하여 기판의 노출된 영역을 하나 이상의 전구체들로 시딩함으로써 기판의 영역을 전극 부재 또는 집전기로 마스킹하고 노출하는 단계를 포함한다. 다른 실시예들에서, 상기 방법은 드릴링, 마스킹, 몰딩, 압입, 나노임프린트, 연마, 레이저 절삭, 복사 및 중성자 산란으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 프로세스들을 이용하여 기판의 노출된 영역의 하나 이상의 공간 영역들을 주기적으로 수정하는 단계를 포함한다. 물론, 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 존재할 수 있다.
본 발명의 이점들은 본 발명이 합리적인 디자인 및 다수의 재료들의 결합으로 전기화학 전지들을 신규한 배열들로 생산하는 능력을 포함한다. 이는 결과적으로, 디자인된 전지들에, 고가의 실험비용 및 원형 전지들의 구성에서 에러를 제거하는데 우수한 특성들을 제공한다. 실시예들에 따라, 이 이점들 중 하나 이상이 달성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주기적이고 불규칙적이지만 임의적이지 않은 전극을 도시한 도면이다.
도 2a 내지 2b는 본 발명의 실시예에 따른 기능적 경사형 전극의 제조를 도시하는 간소화된 단면도들이다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 실시예에 따른 정현 파형 마이크로아키텍처를 나타내는 전극의 제조를 도시하는 간소화된 단면도들이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 대안 실시예에 따른 전극용 나모복합체 재료를 나타내는 전극의 제조를 도시하는 간소화된 단면도들이다.
도 5a는 본 발명의 대안 실시예에 따른 박막 디자인을 갖는 캐소드를 도시한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 대안 실시예에 따른 열 디자인을 갖는 캐소드를 도시한 도면이다.
도 5c는 본 발명의 대안 실시예에 따른 정현 파형 디자인을 갖는 캐소드를 도시한 도면이다.
도 5d는 열 디자인 전극 상에 von-Mises 응력의 윤곽선들을 도시한 도면이다.
본 발명에 따르면, 기술들은 3차원 맞물림(interdigitated) 전기화학 전지들의 제조와 관련된다. 특히, 본 발명은 3-차원 맞물림 전기화학 전지들의 제조를 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 단지 예로써, 본 발명에서는 리튬 기반 전지들을 이용하는 것이 제공되었으나, 아연, 은, 구리, 및 니켈과 같은 다른 재료들이 동일한 방식으로 디자인될 수 있음이 인식되어야 할 것이다. 추가적으로, 그와 같은 배터리들은 휴대용 전자장치들(셀 폰들, 개인용 휴대정보 단말기들, 음악 재생기들, 비디오 카메라들 등과 같은), 전력 툴들, 군사용 전원공급장치들(통신들, 조명들, 이미징 등), 항공우주 애플리케이션들을 위한 전원공급장치들(위성용 전력), 및 차량용 애플리케이션(하이브리드 전기 차량들, 플러그-인 하이브리드 전기 차량들, 완전 전기 차량들) 등을 위한 전원공급장치들과 같은 다양한 애플리케이션들에 이용 가능할 수 있다. 그와 같은 배터리들의 디자인은 또한 배터리가 시스템 내의 단지 공급장치가 아닌 경우에도 적용 가능하고, 추가 전력은 연료 전지, 다른 배터리, IC 엔지 또는 다른 연소 디바이스, 커패시터, 태양 전지 등에 의해서 제공된다. 물론, 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 존재할 수 있다.
상기 일반전인 설명 및 다음의 상세한 설명 이 둘 모두는 단지 예시적이고 설명적이며 주장되는 바대로, 본 발명을 제한하지 않음이 이해되어야만 한다. 명세서 및 첨부 청구항들에서, 단수 형태들 "a", "an" 및 "the"는 문맥에서 달리 명확하게 진술되지 않으면 복수의 대상들을 포함한다. 그러므로, 예를 들어 "물질(a material)"을 언급하는 것을 물질들의 혼합을 포함할 수 있고 "혼합물(a compound)"을 언급하는 것은 다수의 혼합물들을 포함할 수 있다.
특정한 실시예에서, 본 발명은 형태가 불규칙하지만 주기적 공간 피처를 갖는 구조를 제공한다. 바람직한 실시예에서, 불규칙성은 형태 및 크기가 임의적은 아니다. 불규칙성은 소정의 공간 피처를 갖는다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 상기 구조는 제 1 주기 공간 피처 도메인 및 제 2 주치 공간 피처 도메인을 갖는다. 특정한 실시예에서, 상기 도메인들 중 각각은 공통 피처들을 포함하고, 공통 피터는 피라미드형, 사다리꼴, 돔(dome) 형 또는 결합들을 포함하는 임의의 다른 형상들 들을 포함할 수 있다. 물론, 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 존재할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에서, 전기화학 전지들의 디바이스는 기능적 경사형 및 주기적 공간 피처 전극들을 포함하고, 상기 공간 피처 전극들은 전기화학 전지들의 디바이스의 사용에 이익을 가져다줄 것인데, 이는 이온 층간 삽입에 의한 응력을 경감시키고, 전기화학 반응에 의한 열적 응력을 약화시키고, 충전-재충전 프로세스 동안 호스트 재료(host material) 격자 구조를 안정화하고, 호스트 재료의 동역학적 특성들을 증가시킴으로써 수명 및 효율이 확대되기 때문이다. 본원에서 기술되는 전극은 단일 전기화학 셀의 애노드 및 캐소드를 칭하고 있다. 본원에서 칭하는 애노드 및 캐소드는 전류 방향 및 모드에 기초한다. 그러므로, 애노드는 방전 전기화학 전지(또는 갈바닉 전지(galvanic cell)로 공지되어 있다)에서 음의 단자이지만, 재충전 전기화학 전지(또는 전해 전지로 공지되어 있다)에서 양의 단자일 것이다. 캐소드는 그 반대이다. 본원에 기술되는 기능적 경사형 전극들은 단일 전극들 또는 전체 전기화학 전지들의 공간적 체적에 대해 점진적으로 조성 및 구조가 변하는 특징이 있다. 본원에 기술되는 디바이스의 전극들 또는 전기화학 전지들의 주기적인 공간적 피처는 이온 확산, 전기 전도, 및 전극들 내의 응력의 완화를 용이하게 하기 위해 재료 성능을 국지적으로 강화하는데 이용된다.
기능적 경사형 전극을 이용하는 하나의 장점은 재료의 특정 기능이 호스트 활성 재료와 통합되어 상기 특정 기능의 이익이 전체 전극 성능을 개선하는데 추가될 것이라는 점이다. 본원에서 칭하는 호스트 활성 재료는 전기화학 반응 동안 대향 전극과 전극 에너지 교환을 담당하는 전극 내에 있는 재료이다. 상기 기능은 호스트 재료 격자 증가로 인한 층간 삽입 응력을 완화하고, 전체 디바이스와의 에너지 교환으로 인한 열적 응력을 경감시키고, 특정 영역 내의 전극의 동역학적 특성들을 증가시키는 것 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어 Li2MnO3를 이용하여 LiMO2 격자 구조가 안정화될 것이고, 여기서 M은 미국 특허 제 6,680,143호에 기술되는 바와 같이 Li 이온 배터리 내의 충전-방전 프로세스 동안 Nn, Ni 및 Co를 포함한다. 그러나 상기 특허에서, 호스트 활성 재료의 격자 구조를 안정화하는 기능은 단 하나이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이 전극의 주기적 공간 피처가 식별되는 방법이 제공된다. 도시되는 바와 같이, 도면은 특정 실시예에 따라 제 1 주기 및 제 2 주기를 포함한다. 특정한 실시예에서, 주기들 각각은 다양한 형상들, 예를 들어 피라미드, 사다리, 돔을 포함한다. 전극의 공간 피처는 Li+ 층간 삽임 및 온도 증가 등으로 인한 응력들을 경감시키는 것과 같이, 전지 성능에 영향을 미칠 수 있다. 바람직한 공간 피처는 임의의 최적화 기술들을 이용함으로써 식별될 것이다. 최적화 방법은 대리-기반 분석, 유전자 알고리즘, 적응성 토폴로지 최적화, 실험들의 디자인, ANOVA/MANOVA, 베이신 기반 분석, SIMP, 전력 벌점화 강성 모델, 연속 구조의 토폴로지 최적화, 법선 경계 교차(NBI) 최적화 방법, 다변수 최적화 방법, 또는 다분야 디자인 최적화의 그룹으로부터 하나의 그룹을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 본 발명의 바람직한 실시예는 정현파 형상 전극 프로파일을 갖고 있을 수 있고, 여기서 정현파의 진폭 및 크기는 로버스트(robust) 성능, 장시간 수명, 높은 안정성을 갖기 위해 상기에 열거된 최적화 기술들에 의해 결정될 것이다. 물론, 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 존재할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예들에서, 전극 재료 증착과 연관되는 대기가 변할 수 있다. 하나의 실시예에서, 적절한 대기는 산소 대기를 포함하여 금속 산화 재료들을 생성한다. 다른 실시예들에서 대기는 질소 대기여서 전해질 층들 또는 질화물 재료들을 생성할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서 전극 재료 형성과 연관되는 온도는 연속해서 또는 계단식으로 변하여 특정 재료 마이크로구조들을 달성할 수 있다. 하나의 실시예에서 최대 800℃의 어닐링(annealing)이 도입되어 무정질 금속 산화 재료 층들의 재결정화(re-crystallization)를 유도할 수 있다.
다른 실시예들에서, 주변 온도는 기판을 냉각하고 일정한 비율로 열을 제거함으로써 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 범위가 100 나노미터에서 100 마이크로미터까지, 또는 500 나노미터 미만인 기하학적 피처들을 갖는 배터리의 아키텍처형 구성요소들은 다음의 목록들로부터 적절한 기술을 개별적으로 또는 서로 결합하여 이용하여 제조될 수 있다: 증발, 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착, 저압 화학적 기상 증착(LPCVD), 단원자 층 증착(ALD), 직접 레이저 기록(DLW), 스퍼터링, 무선 주파수 마그네트론 스퍼터렁, 마이크로파 플라즈마 향상 화학적 기상 증착(MPECVD), 펄스 레이저 증착(PLD), 나노임프린트, 이온 주입, 레이저 절삭, 분무 증착, 분무 열분해, 분무 코팅 또는 플라즈마 분무. 물론, 다른 변형들, 수정들 및 대안들이 존재할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 각각의 부재에 대한 바람직한 재료들은, 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 또는 박 포일(thin foil) 및 베어링(bearing) 형태의 다른 임의의 전도성 합금을 포함하는 기판을 포함하지만 이에 제한되지 않고, 애노드 재료는 리튬 금속(Li), 리튬 티타늄 산화물(Li4Ti5O12), 그래파이트(graphite)(C), 또는 마이크로비드(microbead)들 또는 다른 마이크로구조와 같은 메조-탄소(meso-carbon) 구조를 포함하고; 전해질 재료는 제 1 전극 재료에 오버레이하고 리튬 인 산화질화물(lithium phosphorus oxynitride: LIPON), 폴리에틸렌 산화물(poly-ethylene oxide: PEO), 폴리-비닐리덴 플루오라이드(poly-vinylidene fluoride: PVDF) 또는 PEO 및 PVDF의 결합물과 혼합된 LiClO4/LiPF6과 같은 리튬염(lithium salt)들을 포함하고; 캐소드 재료는 전해질 재료에 오버레이하고 LiCoO2와 같은 층형(layered) 금속 산화 재료들, LiNn2O4와 같은 스피넬 재료(spinel material)들, 와 LiFePO4, Li(Ni1 /3Mn1 /3Co1 /3)O2, LiNixCoyAl(1-x-y)O2(NCA), LiNixMnyCo(1-x-y)O2(NCM)과 같은 감람석 재료들을 포함한다. 방법들 및 디바이스들의 부가적인 세부사항들은 본 명세서 전체에 걸쳐 그리고 아래에서 더 특정하게 발견될 수 있다. 다음의 설명들은 단지 예들이고, 이 예들은 본원에서 청구항들의 범위를 지나치게 제한하지 않아야만 한다. 당업자는 다른 변형들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
예 1 기능적 경사형 전극 및 이의 제조 기술
도 2a 및 2b는 점진적으로 집전기로부터 중합체 전해질의 표면 쪽으로 얼마간 바람직한 거리로 층층으로 이루어진(layer by layer) 중합체 전해질을 통하여 레이저 빔의 초점을 맞춤으로써 생성되고, 레이저 빔의 초점 지점이 점차 집전기로부터 멀어질수록 레이저 빔이 턴온(turn-on)하고 턴-오프(turn-off)하는 주파수가 감소한다. 전극(1)은 도 2a에 자세하게 기술되는 바와 같이 구리 집전기의 상부에 코딩된 중합체 전해질(LIPF6과 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide)가 합쳐진, PEO)을 포함한다. 고에너지의 Nd:TAG 레이저 빔(4)으로 인해, 레이저 빔이 목표로 하는 중합체 전해질 내의 중합체는 도 2b에서 (9)와 같이, 흑연화(graphitized)될 것이다. 또한, 레이저 빔의 턴-온 및 턴-오프의 주파수가 감소함으로써(도 2b에서 6 내지 8에 도시된 바와 같이), 하나의 층 내에 흑연화(graphitized) 중합체의 영역이 감소할 것이다. 그러므로, 흑연화 전극의 농도는 점차 감소하여 도시된 도 2b에서 (9)와 같이 집전기로부터 멀어지게 이동할 것이다. 컬러 검정(9)의 강도는 흑연의 농도를 나타낸다. 물론 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 존재할 수 있다.
예 2 마이크로아키텍처형 전극의 제조
도 3a, 3b, 3c에서 주기적이지만 임의적이지 않은 기하학적 구조를 갖는 LiMn2O4 캐소드는 실리콘(Si) 기판(11)을 템플릿(template)으로 이용하여 제조된다. Nd:YAG 레이저(13)는 기판을 머시닝(machining)하고 재료(14)를 제거하는데 이용될 수 있어서, (12)와 같은 Computer Aided Design(CAD) 소프트웨어를 이용하여 획득되는 소정의 기하학적 구조를 따라 채널들 및 리지(ridge)의 세트를 생성한다. 상기 디자인은 컴퓨터 시뮬레이션들에 따라 LiMn2O4 재료에서의 층간 삽입 응력의 최소를 반영한 것이다. 일단 기판 머시닝이 완료되면 등각 재료 층들은 물리적 기상 증착(PVD)을 이용하여 기판상에 증착된다. 각각, 50 Å 이하의 두께를 갖는 제 1 티타늄(Ti)(18) 부착 층, 그 뒤의 500 나노미터 이상의 두께를 갖는 제 2 알루미늄(Al)(19)이 있어서 캐소드 집전기 역할을 한다. 집전기의 증착 이후에, 활성 재료(LiMn2O4)(20)는 기판에 의해 임프린트된 동일한 기하학적 구조를 따라 형성된다. 활성 재료의 두께는 1 내지 10㎛이다. 물론, 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 존재할 수 있다.
예 3 전극을 위한 나노복합체 재료의 제조
도 4a, 4b, 4c, 및 4d에서, LiMn2O4로 부분적으로 안정화된 캐소드는 물리적 기상 증착(PVD)을 이용하여 등각 재료를 증착함으로써 제조된다.기판(22)의 미리 존재하거나 존재하지 않는 경우에도 본원에서 도시되는 동일한 절차가 이용될 수 있다. 이 후자의 경우, 집전기는 또한 기판 재료(22)로서 역할을 하고 있다. LiMn2O4의 제 1 층(23)은 100 내지 500 나노미터들의 두께를 가지도록 증착된다. 제 1 층이 100 나노미터들 이상의 기하학적 피처들을 갖는 마스크(26)를 완료한 후에, Li2MnO3의 층(29)이 마스크(26) 상에 인가되고 증착된다. 최종적으로 마스크가 제거되고 100 내지 500 나노미터들의 두께를 갖는 LiMn2O4의 다른 층(34)이 증착되어 이전에 생성된 Li2MnO3 피처들을 임베딩(embedding)한다.
대안으로 마스크를 이용하기 위해서, Li2MnO3의 스퍼터링은 제 1 층에 불규칙한 제 2 위상 영역들을 생성하는데 이용되고, 그 후에 제 2 위상들을 임베딩하기 위해 100 내지 500 나노미터의 두께를 가지는 LiMn2O4의 층이 생성된다. 제 3 선택사항은 약 50 내지 100 나노미터들의 두께를 갖는 LiMn2O4의 제 1 층 상에 LI2MnO3의 일정한 층을 생성하고나서, 100 내지 500 나노미터의 두께를 갖는 LiMn2O4의 층을 생성하여 Li2MnO3 층을 중간에 개재시키는 것이다. Li2MnO3 영역들의 기능은 방전 동안, Li+ 이온들의 수가 고갈되고 그 구조가 준 안정(metastable)되는 동안, LiMn2O4의 스피넬 결정 구조를 안정화시키는 것이다. 일반적으로 캐소드 재료는 더 안정한 고 전위를 저하시키고 전극의 용량 및 재충전 가능성을 제한하는 더욱 안정한 스피넬-유형 구조로 변환될 것이지만, 제 2 위상은 이의 발생을 방지한다. 물론, 다른 수정들, 변형들, 및 대안들이 존재할 수 있다.
예 4 전해질과 맞물리는 전극들의 정현파 형상 및 전해질과 맞물리는 빗-형상 전극들
본 예는 새로운 전기화학 셀을 전극의 최적화 모폴로지 형상으로 동일화하는 프로세스를 나타낸다. 설계자에 의해 조우하게 되는 문제들의 예로서, 3개의 상이한 3차원 전극들의 모폴로지 디자인들이 제공된다: 도 5a에서의 박막, 도 5b에서의 기둥 형상, 및 도 5c에서의 정현파 형상. 3-차원 전기화학 전지들을 위한 재료들은 애노드 집전기(도 5a에서의 (101), 도 5b에서의 (108), 도 5c에서의 (113))로서 구리, 애노드(도 5a에서의 (102), 도 5b에서의 (109), 도 5c에서의 (114))로서 리튬 금속, 캐소드(도 5a에서의 (103), 도 5b에서의 (110), 도 5c에서의 (115))로서 리튬 망간 산화물, 전해질(도 5a에서의 (104), 도 5b에서의 (111), 도 5c에서의 (116))로서의 리튬염들(LiPF6)을 포함한 중합체(폴리에틸렌 옥사이드, PEO), 및 캐소드 집전기(도 5a에서의 (105), 도 5b에서의 (112), 도 5c에서의 (117))로서의 알루미늄이다. 중합체 전해질이 이용되기 때문에 분리막은 불필요하다. 이 세 전기화학 전지들(100, 106, 및 112)은 물리적 기상 증착(PVD)에 의해 제조된다. 그러므로, 브레드로핑이 방지 가능하지 않다. (100)의 전지 성능은 Li+와 같은 확산성 및 전자 전도성과 같은, LiMn2O4(103)의 저 동역학적 에너지로 인해, 고속 성능에 적합하지 않을 것이다. 그러므로, LiNn2O4 전극의 표면 영역이 증가함으로써 LiMn2O4 전극의 전해질로의 노출이 증가할 것이고; 그러므로, 고속 성능이 증가할 것이다. (106) 내지 (102)의 모폴로지는 두 가지의 가능성들이 있다. 공통으로 양도되고, 공동 계류중이며 본원에 참조로써 통합되어 있는 미국 특허 출원 제 12/484,959호에 기술되어 있는 계산 기술을 이용함으로써, 도 5d에 도시되어 있는 바와 같이 LiMn2O4(110)이 집전기(111)와 접속되어 있는 에지에서 최대 응력이 발생했음을 나타낸다. 물론, 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 존재할 수 있다.
상술한 것들은 특정 실시예들의 충분한 설명일지라도, 다양한 수정들, 대안의 구성들 및 등가물들이 이용될 수 있다. 그러므로, 상술한 설명 및 도면들은 첨부된 청구항들에 의해 규정되는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 취해져서는 안 된다.
100, 106, 112 : 전기화학 전지 111 : 집전기
11 : 기판 22 : 기판

Claims (40)

  1. 배터리 디바이스에 있어서:
    애노드;
    상기 애노드와 반-대칭으로 배열되는 캐소드;
    상기 캐소드 및 상기 애노드 사이의 소정의 거리;
    상기 애노드를 상기 캐소드와 분리하기 위해 제공되는 전기 절연부로서, 상기 전기 절연부는 상기 애노드와 상기 캐소드를 분리하기 위해 상기 소정의 거리 내에서 변하는 경사형 재료(graded material) 특성 및 절연 재료의 하나 이상의 층들을 특징으로 하는, 전기 절연부;
    상기 애노드에 특징을 제공하는 나노복합체 애노드 재료로서, 상기 나노복합체 애노드 재료는 하나 이상의 제 2 크기 특성들(extensive characteristics)의 기능(function)인 하나 이상의 제 1 세기 특성(intensive characteristic)들을 갖는, 나노복합체 애노드 재료;
    상기 캐소드에 특징을 제공하는 나노복합체 캐소드 재료로서, 상기 나노복합체 캐소드 재료는 하나 이상의 제 2 크기 특성들의 기능인 하나 이상의 제 1 세기 특성들을 갖는, 나노복합체 캐소드 재료;
    상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 제공되는 전해질 재료;
    상기 캐소드와 연결되는 캐소드 집전기(current collector);
    상기 애노드와 연결되는 애노드 집전기를 포함하는 배터리 디바이스.
  2. 삭제
  3. 전기화학 전지에 있어서:
    하나 이상의 제 1 공간 피처들을 갖고 제 1 나노복합체 재료로부터 형성되는 애노드 부재로서, 상기 제 1 나노복합체 재료의 평균 피처 크기는 범위가 50Å로부터 500 나노미터들이고, 상기 제 1 나노복합체 재료는 8 마이크로 옴 센티미터들을 초과하는 제 1 저항값을 갖는, 애노드 부재;
    하나 이상의 제 2 공간 피처들을 갖는 캐소드 부재로서, 상기 캐소드 부재는 상기 애노드 부재와 동작 가능하게 결합되고 제 2 나노복합체 재료로부터 형성되고, 상기 제 2 나노복합체 재료의 평균 피처 크기는 범위가 50Å로부터 500 나노미터들이고, 상기 제 2 나노복합체는 14.3 옴 센티미터들을 초과하는 제 2 저항값을 갖는, 캐소드 부재;
    상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 500 나노미터들을 초과하는 소정의 갭;
    상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 제공되는 전해질;
    상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 제공되는 분리막(separator);
    적어도 제 1 접촉부를 통해 상기 애노드와 결합되는 제 1 집전기; 및
    적어도 제 2 접촉부를 통해 상기 캐소드와 결합되는 제 2 집전기를 갖는 전기화학 전지.
  4. 청구항 3에 있어서, 총 저항을 더 포함하고, 상기 총 저항은 하나 이상의 리드(lead)들, 상기 제 1 접촉부, 상기 제 2 접촉부, 상기 제 1 저항값, 상기 제 2 저항값, 및 상기 전기화학 전지의 하나 이상의 상이한 소자들 사이의 하나 이상의 저항값들로부터의 저항값들의 합으로부터 도출되는 전기화학 전지.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 제 1 나노복합체 재료는 1eV 미만의 국부 전하(localized charge)를 갖는, 전기화학 전지.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 제 2 나노복합제 재료는 1eV 미만의 국부 전하를 갖는, 전기화학 전지.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 제 1 나노복합체 재료는 적어도 전이 금속, 금속의 산화물, 그룹들 IA, IVA, VIA 및 IIB로부터 선택되는, 전기화학 전지.
  8. 청구항 3에 있어서, 상기 제 2 나노복합체 재료는 적어도 전이 금속, 금속의 산화물, 그룹들 IA, VIII, IVA, VIA, IB, IVB 및 VIIB로부터 선택되는, 전기화학 전지.
  9. 청구항 3에 있어서, 상기 전해질은 액체, 고체, 겔(gel)로부터 선택되는, 전기화학 전지.
  10. 청구항 3에 있어서, 상기 전해질은 세라믹, 반도체, 중합 재료, 또는 수용액 내의 임의의 재료로부터 선택되는, 전기화학 전지.
  11. 청구항 3에 있어서, 상기 전해질은 동종(homogeneous)이거나, 또는 이종(inhomogeneous)인, 전기화학 전지.
  12. 청구항 3에 있어서, 상기 전해질은 나노복합체, 마이크로복합체, 또는 다른 이종(heterogeneous) 구조인, 전기화학 전지.
  13. 청구항 3에 있어서, 상기 전해질은 하나 이상의 제 2 크기 특성들에 대비하여 참조되는 하나 이상의 제 1 세기 특성들을 포함하는, 전기화학 전지.
  14. 청구항 3에 있어서, 상기 애노드 부재 또는 캐소드 부재는 덴드라이트(dendrite)들이 없도록 상기 애노드 부재 또는 상기 캐소드 부재 중 하나 또는 이 둘 모두의 표면들을 유지하기 위한 도펀트(dopant)를 포함하는, 전기화학 전지.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 도펀트는 그룹들 IA 내지 VIIA, 및 그룹들 IIB 내지 VIIB, 그룹 VIII가 포함된 임의의 하나 이상의 조합들로부터 또는 임의의 치환(permutation)으로 선택되는, 전기화학 전지.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 도펀트는 동종 구성 또는 경사 구성으로 제공되는, 전기화학 전지.
  17. 전기화학 전지를 위한 전극을 제조하기 위한 방법에 있어서:
    소정의 공간 패턴을 갖는 기판 부재를 제공하는 단계;
    상기 소정의 공간 패턴에 등각 방식(conformal manner)으로 오버레이(overlay)하는 하나 이상의 종들을 이용하여 임의의 두께의 재료를 증착하는 단계로서, 상기 재료의 두께는 500 나노미터 이하의 평균 피처 크기를 갖는 나노복합체 구조를 특징으로 하는, 증착 단계;
    상기 두께의 재료의 제 1 공간 영역으로부터 상기 두께의 재료의 제 2 공간 영역으로의 상기 두께의 재료의 증착과 연관되는 시간 기간 동안 증착과 관련되는 하나 이상의 파라미터들을 조정하는 단계; 및
    상기 제 1 공간 영역으로부터 상기 제 2 공간 영역으로 하나 이상의 특성들의 경사 피처를 갖는 전극 소자를 생산하는(outputting) 단계를 포함하는, 전기화학 전지를 위한 전극을 제조하기 위한 방법.
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  28. 삭제
  29. 전기화학 전지를 제조하기 위한 방법에 있어서:
    소정의 공간 패턴을 갖는 기판 부재를 제공하는 단계;
    상기 소정의 공간 패턴에 등각 방식으로 오버레이하는 하나 이상의 종들을 이용하여 제 1 두께의 재료를 증착하는 단계로서, 상기 제 1 두께의 재료는 500 나노미터 이하의 평균 피처 크기를 갖는 나노복합체 구조를 특징으로 하는, 증착 단계;
    상기 제 1 두께의 재료의 제 1 공간 영역으로부터 상기 제 1 두께의 재료의 제 2 공간 영역으로의 상기 제 1 두께의 재료의 증착과 연관되는 시간 기간 동안 상기 증착과 관련되는 하나 이상의 파라미터들을 조정하여, 상기 제 1 공간 영역으로부터 상기 제 2 공간 영역으로 하나 이상의 특성들의 경사 피처를 갖는 제 1 전극 소자를 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 소자에 오버레이하는 전해질을 형성하는 단계; 및
    상기 전해질에 오버레이하는 제 2 전극 소자를 형성하는 단계를 포함하는 전기화학 전지를 제조하기 위한 방법.
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  38. 전기화학 전지를 위한 전극을 제조하기 위한 방법에 있어서:
    집전기를 포함하는 기판 부재를 제공하는 단계;
    상기 기판 부재의 표면 영역에 오버레이하는 하나 이상의 종들을 이용하여 임의의 두께의 재료를 증착하는 단계로서, 상기 두께의 재료는 나노복합체 재료를 특징으로 하는, 증착 단계;
    상기 두께의 재료의 제 1 공간 영역으로부터 상기 두께의 재료의 제 2 공간 영역으로 상기 두께의 재료의 증착과 연관되는 시간 기간 동안 하나 이상의 파라미터들을 조정하는 단계; 및
    상기 제 1 공간 영역으로부터 상기 제 2 공간 영역으로의 하나 이상의 특성들의 경사 피처를 갖는 전극 소자의 형성을 야기시키는 단계를 포함하는, 전기화학 전지를 위한 전극을 제조하기 위한 방법.
  39. 전기화학 전지를 위한 주기적인 기하학적 피처를 제조하기 위한 방법에 있어서:
    기판의 노출된 영역을 하나 이상의 전구체들로 시딩(seeding)하기 위해 적어도 자기장, 전기장, 온도 구배, 및 광 빔 강도로부터 선택된 하나 이상의 파라미터를 주기적으로 변경함으로써, 전극 부재 또는 집전기를 위한 상기 기판의 영역을 마스킹(masking)하고 노출하거나, 상기 전극 부재 자체를 노출하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지를 위한 주기적인 기하학적 피처를 제조하기 위한 방법.
  40. 삭제
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