KR102609469B1 - 재충전용 배터리를 위한 2차원 물질에 의한 리튬 금속의 패시베이션 - Google Patents

재충전용 배터리를 위한 2차원 물질에 의한 리튬 금속의 패시베이션 Download PDF

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Abstract

본 출원은 2차원 물질(예를 들어 MoS2, WS2, MoTe2, MoSe2, WSe2, BN, BN-C 복합체 등)을 리튬 전극 상에 증착시키는 방법에 관한 것이다. 2차원 물질로 코팅된 리튬 금속 전극을 포함하는 배터리 시스템이 또한 기재된다. 이러한 방법은 리튬 전극의 안팎으로 리튬 이온의 유동을 용이하게 하기 위해 2차원 물질을 인터칼레이션시키는(intercalating) 단계를 포함한다. 2차원 물질-코팅된 리튬 전극은 높은 사이클링(cycling) 안정성 및 유의미한 성능 개선을 제공한다. 이러한 시스템 및 방법은 황 코팅과 함께 탄소 구조(예를 들어 탄소 나노튜브(CNT), 그래핀, 다공성 탄소, 독립형(free-standing) 3D CNT 등)를 갖는 전극을 추가로 제공한다.

Description

재충전용 배터리를 위한 2차원 물질에 의한 리튬 금속의 패시베이션
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2017년 2월 10일에 출원된 미국 가특허 출원 62/457,488 및 2017년 6월 29일에 출원된 미국 가특허 출원 62/526,665의 이득을 주장하고, 이들 출원의 내용은 그 전체가 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본 출원은 패시베이션(passivation) 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 출원은 배터리의 전극을 보호하기 위해 패시베이션 층을 갖는 배터리를 제조하는 시스템, 장치 및 방법을 제공한다.
현재의 리튬 이온 배터리 기술이 저장 및 에너지 능력 측면에서 이들 기술의 한계에 도달하고 있다는 인식이 점차 커지고 있다. 그러나, 더 높은 에너지 저장 및 더 오래 지속되는 장치에 대한 요구는 여전히 증가하고 있다. 이는 연구 커뮤니티가 차세대 배터리 시스템을 찾도록 만들었다. 연구중인 현재의 시스템 중 일부는 리튬-공기(Li-O2) 및 리튬-황(Li-S) 배터리를 포함한다.
리튬(Li) 금속은 인터칼레이팅(intercalating) 및/또는 전도(conducting) 스캐폴드(scaffold) 기술을 사용할 필요없이 Li 이온(Li+)을 저장하는 "호스트리스(hostless)" 물질로 공지되어 왔다. 이러한 이유에서, Li 금속 전극은 높은 이론 비용량(theoretical specific capacity)(약 3860 mAh g-1) 및 낮은 산화환원 전위(-3.04 V)를 나타내며; 따라서, 이들은 차세대 재충전용 Li 배터리용 애노드의 제작/제조에 사용되는 최상의 선택으로서 여겨진다. 그러나, Li 금속 애노드는 이들의 사용을 저해하는 다수의 실질적 문제를 유발하는 특성을 나타낸다. 이들 특성은 종종, 반복된 Li 증착/용해 공정 동안 제어 불가능한 덴드라이트(dendrite) 형성과 연관되어 있으며, 이는 배터리 단락(short circuiting) 및 잠재적인 과열과 화재를 초래할 수 있다.
Li 덴트라이트 성장을 억제시키고/거나 Li 금속의 안정성을 증가시키기 위해 몇 가지 기술이 실시되어 왔다. 예를 들어, 첨가제를 이용한 액체 전해질 변형을 통해 Li의 덴드라이트 성장/증착을 제어하는 것; Li+ 전도성 중합체 또는 고체 상태 전해질을 채택하는 것; 및 Li 금속의 표면에 알루미나(Al2O3) 층을 도포하는 것을 통해 이를 수행하는 방법이 모색되었다. Al2O3 박층(thin layer)은 2D 물질의 전자 전도성이 결여된 세라믹계 물질이고, 따라서 배터리 전극의 내부 저항을 증가시킨다. 그러나, 이들 접근법 중 어느 것도 재충전용 배터리의 맥락에서 효과적인 것으로 나타나지 않았다.
황의 저렴한 비용 및 풍부성이 Li-S 배터리의 개념을 매력적이게 만들곤 하지만, Li-S 배터리의 광범위한 개발을 일반적으로 방지하는 몇 가지 문제가 존재한다. 예를 들어, 황은 절연 물질이며, 활성 물질의 불량한 이용 및 충전/방전 과정 동안 전자 이동을 방해한다. 또한, 방전 과정 동안, Li는 황과 반응하여 캐소드에서 고차 가용성 폴리설파이드를 형성할 수 있으며, 이는 사이클링(cycling) 과정 동안 애노드와 캐소드 사이에서 폴리설파이드의 셔틀링(shuttling)을 생성한다. 셔틀 효과(shuttle effect)는 배터리의 내부 저항을 증가시키고 용량 감소(capacity fading)에 기여할 수 있다. 나아가, Li 금속의 불균일한 증착으로 인한 제어되지 않은 덴드라이트의 형성은 더 높은 C-율(C-rate)에서 안전성 문제점, 뿐만 아니라 Li 금속의 부식을 초래할 수 있는 다공성 Li 금속 구조의 지속적인 발생을 유발할 수 있다. 일부 접근법이 개발되긴 하였지만, 저하된 전지 효율 및 증가된 용량 감소의 문제는 Li 애노드와 함께 사용될 때 Li-S 배터리의 성능에 여전히 영향을 미친다.
본 출원은 2D 물질(예를 들어 MoS2, WS2, MoTe2, MoSe2, WSe2, BN, BN-C 복합체 등)의 박층을 이용하여 Li 금속을 패시베이션시키는 시스템, 방법 및 장치에 관한 것이다.
2차원(2D) 물질, 1 원자 두께 필름은, Li 덴드라이트 성장을 위한 패시베이션 층으로서 작용하면서도 Li-이온 확산성 및 전기 전도성을 실질적으로 증가시키기 위해, 최소 에너지를 갖는 Li 이온을 쉽게 인터칼레이션시키는 이들 필름의 독특한 중간층(interlayer) 구조로 인해 낮은 임피던스(impedance)를 나타낸다. 이러한 방법은 패시베이션 층을 생성하기 위해 스퍼터링(sputtering) 또는 증발 증착을 이용할 수 있다. 이들 방법은 Li 금속과 전해질 사이에 새로운 상(phase)을 형성할 수 있으며, 여기에서 다량의 Li 원자가 인터칼레이션되어 벌크(bulk) Li 금속의 안팎으로 Li+의 균질한 유동을 용이하게 할 수 있다. 다른 탄소/중합체/세라믹계 보호층과는 달리, MoS2, WS2, MoTe2, MoSe2, WSe2와 같은 2D 물질의 독특한 구조적 양태 및 상-변화 특징(예를 들어 반도체 및/또는 금속 속성(trait))은 높은 임피던스 및/또는 불량한 계면-접촉 관련 문제를 피하기 위한 적용의 실시형태를 허용하였다. 예를 들어 일 실시형태에서, MoS2가 코팅된 Li 전극은 10 mA cm-2가 넘는 어려운(challenging) 전류 밀도에서 어떠한 Li 덴드라이트 성장도 나타내지 않았고, 1000 사이클이 넘는 동안 높은 용량 유지율(capacity retention)을 나타내었다. 제조된 2D 물질-코팅된 Li 금속은 기판으로의 안정한 접착을 나타내며, 재충전용 배터리에서의 베어(bare) Li 전극 대응물을 능가하는 2D 물질-코팅된 Li 금속에서의 높은 사이클링 안정성을 제공한다. 이에, 본 출원의 실시형태는 재충전용 배터리에서 유의미한 성능 개선을 제공한다.
일 실시형태에서, 리튬 금속을 패시베이션시키는 방법은 리튬 전극을 제공하는 단계, 상기 리튬 전극 상에 2차원 물질의 적어도 하나의 층을 증착시키는 단계, 및 상기 2차원 물질의 적어도 하나의 층에 복수의 리튬 이온을 인터칼레이션시키는 단계를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 재충전용 리튬 배터리는 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함하며, 여기서, 상기 제2 전극은 2차원 물질의 적어도 하나의 층이 증착되어 있는 리튬 금속을 포함한다.
전술한 내용은 후술하는 본 발명의 상세한 설명이 보다 잘 이해될 수 있도록 하기 위해 본 발명의 특징 및 기술적 이점을 다소 광범위하게 설명하였다. 본 발명의 청구 범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가적인 특징 및 이점이 이하에서 설명될 것이다. 당업자는, 개시된 개념 및 구체적인 실시형태가 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조를 변형 또는 설계하기 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 당업자는 이러한 등가의 구성이 첨부된 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않음을 인지해야 한다. 추가의 목적 및 이점과 함께 본 발명의 구조화 및 작동 방법 두가지 모두에 대해 본 발명의 특징인 것으로 여겨지는 신규 특징은 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 하기의 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 예시 및 설명의 목적으로만 제공되며 본 발명의 범위의 정의로서 의도되지 않는다는 것이 명백히 이해되어야 한다.
본 출원은 패시베이션(passivation) 기술에 관한 것으로 배터리의 전극을 보호하기 위해 패시베이션 층을 갖는 배터리를 제조하는 시스템, 장치 및 방법을 제공하며, 본 발명에 따라 제조된 2차원 물질-코팅된 리튬 전극은 높은 사이클링(cycling) 안정성 및 유의미한 성능 개선을 제공한다.
이제 본 발명의 보다 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면과 함께 기재된 하기의 설명을 참조하며, 도면에서:
도 1a는 본 출원의 일 실시형태에 따른 계면층(interface layer)을 갖는 리튬 전극을 예시하는 단면도를 예시하고 있으며;
도 1b는 본 출원의 일 실시형태에 따라 2차원 물질을 이용하여 리튬 전극을 패시베이션시키는 제1 제조 공정의 양태를 예시하고 있으며;
도 2a는 본 출원의 일 실시형태에 따라 리튬 전극 상에 2차원 물질을 인터칼레이션시키는 제1 제조 공정의 양태를 예시하고 있으며;
도 2b는 본 출원의 일 실시형태에 따라 리튬 전극 상에 2차원 물질을 인터칼레이션시키는 제2 제조 공정의 양태를 예시하고 있으며;
도 2c는 본 출원의 일 실시형태에 따라 리튬 전극 상에 2차원 물질을 인터칼레이션시키는 제3 제조 공정의 양태를 예시하고 있으며;
도 3a는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극 상에 2차원 물질이 증착된 리튬 전극을 예시하는 단면도를 예시하고 있으며;
도 3b는 본 출원의 일 실시형태에 따른 계면층 및 그 위에 2차원 물질이 증착된 리튬 전극을 예시하는 단면도를 예시하고 있으며;
도 3c는 본 출원의 일 실시형태에 따른 대안적인 계면층 및 그 위에 2차원 물질이 증착된 리튬 전극을 예시하는 단면도를 예시하고 있으며;
도 4는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극 상에 2차원 물질을 갖는 리튬 전극을 제조하는 방법의 순서도이며;
도 5는 본 출원의 일 실시형태에 따른 2차원 물질-코팅된 리튬 전극을 이용하여 실시되는 배터리 시스템을 예시하고 있으며;
도 6은 본 출원의 일 실시형태에 따른 2차원 물질-코팅된 리튬 전극을 이용하여 실시되는 추가의 배터리 시스템을 예시하고 있으며;
도 7은 본 출원의 일 실시형태에 따른 3차원 탄소 나노튜브 황 캐소드 및 2차원 물질-코팅된 리튬 애노드를 이용하여 실시되는 배터리 시스템을 예시하고 있으며;
도 8은 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극 구조의 단면도 및 상응하는 SEM 이미지를 예시하고 있으며;
도 9는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극의 제조 공정의 양태를 예시하고 있으며;
도 10a는 본 출원의 일 실시형태에 따라 다양한 황 로딩(loading) 양에 따른 전극의 충방전율(cycle rate) 및 용량의 그래프를 예시하고 있으며;
도 10b는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극의 충방전율 및 용량의 부가적인 그래프를 예시하고 있으며;
도 10c는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극의 면적 용량(areal capacity)의 그래프를 예시하고 있으며;
도 11a는 본 출원의 일 실시형태에 따른 3차원 금속 메쉬 상에서 예시적인 탄소 나노튜브 구조를 예시하고 있으며;
도 11b는 본 출원의 일 실시형태에 따른 3차원 금속 메쉬 상에서 예시적인 탄소 나노튜브 구조를 예시하고 있으며;
도 11c는 본 출원의 일 실시형태에 따른 3차원 금속 메쉬 상에서 예시적인 탄소 나노튜브 구조를 예시하고 있으며;
도 11d는 본 출원의 일 실시형태에 따른 3차원 금속 메쉬 상에서 예시적인 탄소 나노튜브 구조를 예시하고 있고;
도 12는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극의 제조 공정의 양태를 예시하고 있다.
다양한 특징 및 유리한 세부 사항은 첨부 도면에 예시되고 하기의 상세한 설명에서 상세히 설명되는 비제한적인 실시형태를 참조하여 더욱 완전하게 설명된다. 본 발명을 불필요하게 불명료하게 하지 않도록, 공지된 출발 물질, 가공 기술, 구성요소 및 장비의 설명은 생략된다. 그러나, 상세한 설명 및 구체적인 실시예는 본 발명의 실시형태를 나타내지만, 예시서 주어질 뿐 제한하려는 것은 아님을 이해해야 한다. 본 발명의 개념의 사상 및/또는 범위 내에서 다양한 치환, 변형, 첨가 및/또는 재배열은 본 개시내용으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1a 내지 1b에 의해 예시된 바와 같이, 2D 물질-코팅된 Li 금속 전극의 제조 방법이 본 출원의 실시형태에 따라 예시된다. 도 1a를 참조로, 2D 물질의 증착 전에, Li 금속 전극(101)은 세정될 수 있다. 전극(101)은 리본 유형 Li 금속, Li 금속-코팅된 애노드 등을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 전극(101)은 아세트산, 아세톤, 이소프로필 알코올, 탈이온수 등으로 세정될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 전극(101)은 상이한 일련의 단계 및/또는 세정 용액을 사용하여 세정될 수 있다. 소정의 실시형태에서, 전극(101)은 계면층(102)을 가질 수 있다. 계면층(102)은 2D 물질과 전극(101)의 접착을 촉진하기 위해 삽입될 수 있다. 예를 들어, 계면층(102)은 플라즈마(예를 들어 Ar, He, H2, N2 가스)로 처리된 깨끗한 표면을 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 계면층(102)은 증착된 금속층을 포함할 수 있다. 금속층은 1.0 nm 내지 10 nm의 두께로 증착될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 계면층(102)은 작용화된 계면층일 수 있다. 예를 들어, 전극(101)은 진공 내에서 작용기(예를 들어 수소, 불소, C-H 결합)로 처리될 수 있다.
다음, 도 1b를 참조로, 2D 물질(103)이 전극(101)(또는 계면층(102)을 갖는 전극(101)) 상에 증착된다. 2D 물질(103)은 이황화 몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2), 몰리브덴 디텔루라이드(MoTe2), 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2), 텅스텐 디셀레나이드(WSe2), 질화붕소(BN), 및/또는 임의의 다른 전이 금속 디칼로게나이드(dichalcogenide) 단층(monolayer)과 같이 2D 물질의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 상이한 물질이 상이한 성능을 제공할 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, MoS2는 Li 금속으로의 강한 접착을 제공하고; 또한, 금속상으로 쉽게 변환되어 임피던스를 감소시킨다. 일 실시형태에서, 도 1b에 예시된 바와 같이, 금속(102)(예를 들어 Mo)은 직류(DC) 스퍼터링, e-빔 증발 또는 전기-화학 증착을 통해 증착될 수 있고; 후속적으로 2D 물질(103)은 스퍼터링을 통해 증착될 수 있다. 표적(111)(예를 들어 임의의 상기 언급된 2D 물질)을 마그네트론 무선 주파수(RF; radio frequency) 스퍼터링을 위한 표적 물질로서 사용하여, 2D 물질의 연속적인 층을 전극(101) 상에 스퍼터링하여, 2D 물질-코팅된 전극을 제조한다. 일 실시형태에서, 스퍼터링은 챔버(110) 내에서, 10-6 Torr 이하에서 유지되는 기저 압력(base pressure), 불활성 기체 유동(112), 및 10 내지 100 W의 RF 전력에서 발생할 수 있다. 불활성 기체 유동(112)은 1 내지 100 mTorr에서 유동할 수 있고, 아르곤, 헬륨, 또는 다른 성분과의 낮은 반응성을 가진 임의의 다른 가스를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 증발을 이용하여 2D 물질(103)을 전극(101) 상에 증착시킬 수 있다. 2D 물질(103)의 두께를 조정하기 위해 증착 시간은 1 내지 30분으로 다양할 수 있다.
도 2a 내지 2c는 본 출원의 실시형태에 따라 2D 물질 층을 인터칼레이션시키는 방법을 예시한다. 일부 실시형태에서, 전극(201)은 그 위에 계면층(202)을 가질 수 있다. 도 2a는, 진공 스퍼터링 챔버 내에서 Li-금속 및 2D 물질의 2개 스퍼터링 건(gun)에 의해 2D 물질 및 Li-금속을 공동-스퍼터링하는 실시형태를 예시한다. 2D 물질 표적(211) 및 Li 표적(212)을 스퍼터링을 위한 표적 물질로서 사용하여, 2D 물질과 Li의 연속적인 층을 전극(201) 상에 스퍼터링하여, 인터칼레이션된 2D 물질(203)을 초래한다. 일 실시형태에서, 공동-스퍼터링은 챔버(210) 내에서, 10-6 Torr 이하에서 유지되는 기저 압력, 불활성 기체 유동(213), 및 10 내지 100 W의 RF 전력에서 발생할 수 있다. 불활성 기체 유동(213)은 1 내지 100 mTorr에서 유동할 수 있고, 아르곤, 헬륨, 또는 다른 성분과의 낮은 반응성을 가진 임의의 다른 가스를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 증발을 이용하여 인터칼레이션된 2D 물질(203)을 전극(201) 상에 증착시킬 수 있다. 인터칼레이션된 2D 물질(203)의 두께를 조정하기 위해 증착 시간은 1 내지 30분으로 다양할 수 있다.
도 2b는 본 출원의 일 실시형태에 따른 2D 물질 층을 인터칼레이션시키는 방법의 또 다른 실시형태를 예시하며, 여기서, 표적은 2D 물질/Li 복합체를 기초로 정해지고 이에 따라 스퍼터링된다. 2D 물질 표적(221)은 2D 물질 및 Li 금속을 포함한다. 이전 실시형태에 대한 대안으로, 공동-스퍼터링 방법을 사용하기 보다는 조합된 표적을 스퍼터링한다. 2D 물질/Li 복합체 표적(221)을 스퍼터링을 위한 표적 물질로서 사용하여, 2D 물질/Li 복합체의 연속적인 층을 전극(201) 상에 스퍼터링하여, 인터칼레이션된 2D 물질(204)을 초래한다. 일 실시형태에서, 스퍼터링은 챔버(220) 내에서, 10-6 Torr 이하에서 유지되는 기저 압력, 불활성 기체 유동(222), 및 10 내지 100 W의 RF 전력에서 발생할 수 있다. 불활성 기체 유동(222)은 1 내지 100 mTorr에서 유동할 수 있고, 아르곤, 헬륨, 또는 다른 성분과의 낮은 반응성을 가진 임의의 다른 가스를 포함할 수 있다. 인터칼레이션된 2D 물질(204)의 두께를 조정하기 위해 증착 시간은 1 내지 30분으로 다양할 수 있다. 다른 실시형태에서, 증발을 이용하여 인터칼레이션된 2D 물질(204)을 전극(201) 상에 증착시킬 수 있다.
도 2c는 2D 물질(205)을 전기-화학적으로 인터칼레이션시키는 또 다른 실시형태를 예시한다. 예를 들어, 전극(201)에 본원에 기재된 일 실시형태에 따라 2D 물질을 증착시킬 수 있다. 그 후에, 상기 전극(201)을 반응 챔버(230) 내에 도입할 수 있으며, 여기서 상기 전극(201)은 전해질 용액(예를 들어 1:1 DOL/DME 용매 중 1 M 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI)) 중 Li-금속(231)과 대면한다. 그 후에, 전극(201)과 Li-금속(231) 사이에 전압을 인가할 수 있다. 인가된 전압은 1 내지 100 V일 수 있다. 전극(201)과 Li-금속(231) 사이의 거리는 1 내지 50 mm일 수 있다. 그 후에, 전압의 인가는 Li-금속(231)의 Li 이온이 전극(201) 상에 코팅된 2D 물질을 인터칼레이션시키도록 하여, 인터칼레이션된 2D 물질(205)을 제조할 수 있다.
도 3a 내지 3c는 본 출원의 소정의 실시형태에 따라 전극 상에 2D 물질이 증착된 Li 전극의 단면도를 예시한다. 도 3a에 도시된 실시형태에서, 2D 물질-코팅된 전극은 전극(301) 및 2D 물질(303)을 포함한다. 2D 물질(303)은 MoS2, WS2, MoTe2, MoSe2, WSe2, BN, BN-C 등을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 우선 전극(301)을 세정하고, 그 후에 2D 물질을 상기 전극(301) 상에 증착(예를 들어 스퍼터링, 증발 등)시킬 수 있다. 2D 물질(303)은 또한, 상기 임의의 인터칼레이션 방법(예를 들어 2D 물질과 Li 이온의 공동-스퍼터링, 2D 물질/Li 복합체의 스퍼터링, 전기-화학적 방법)에 따라 Li 이온으로 인터칼레이션될 수 있다. 특정 물질이 2D-코팅된 전극을 제공하는 데 적합한 것으로 개시되어 있긴 하지만, 이러한 특정 물질은 제한하기 보다는 예시를 위해 개시되어 있고, 본원에서 구체적으로 열거된 것 이외의 물질을 쉽게 이용하여 본 개시내용의 실시형태에 따른 2D 물질-코팅된 전극을 제공할 수 있음을 주목한다. 일 실시형태에서, 2D 물질(303)용으로 선택된 물질(들)은 전극의 제조에 요구될 수 있는 화학물질 및 온도 사이클링을 견뎌야 한다. 소정의 실시형태에서, 2D 물질(303)은 캐비티(cavity), 아일랜드(island) 및 포어(pore)를 포함하는 다공성 형태를 가질 수 있다. 다공성 형태는 다양한 조건(예를 들어 스퍼터링 동안의 높은 에너지 충격에 의한 비-평형 원자 적층(atomic stacking))에 기인할 수 있다. 다공성 형태는 전해질 이온의 정전기적 흡수를 위한 개방형 통로를 제공하고, 지배적인 이중층 전하 저장을 위한 전기화학적으로 활성인 부위를 제공할 수 있다. 이는 저장된 전하의 충전 및/또는 방전을 더 신속하게 할 수 있을 것이다.
이제 도 3b 내지 3c를 참조로, 2D-코팅된 Li 전극은 본 출원의 소정의 실시형태에 따라 전극(301)과 2D 물질(303) 사이에 계면층을 가질 수 있다. 예를 들어, 계면층은, 상기 2D 물질(303)과 상기 전극(301) 사이에서 강한 접착이 촉진되도록 삽입될 수 있다. 도 3b에 의해 예시된 바와 같이, 계면층(302a)은, 2D 물질(303)과 전극(301) 사이에서 계면으로서 역할을 하기 위해, 임의의 수의 방법(예를 들어 스퍼터링, 증발 등)에 의해 증착된 금속 계면층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 계면층(302a)은 몰리브덴, 텅스텐 또는 임의의 다른 전이 금속과 같은 전이 금속을 포함할 수 있다. 계면층(302a)은 소정의 두께(예를 들어 1 내지 10 nm)까지 증착될 수 있다. 도 3c에 의해 예시된 바와 같이, 계면층(302b)은 예를 들어 전극(301)을 작용기(예를 들어 수소, 불소, C-H 결합 등)로 처리하여 작용화된 계면층을 포함할 수 있다.
도 4는 본 출원의 일 실시형태에 따른 방법(400)을 예시한다. 소정의 실시형태에서, 방법(400)은 도 1a 내지 1b 및/또는 2a 내지 2c를 참조로 예시되고 기재된 제조 공정에 상응할 수 있다. 블록(410)에서, 방법(400)은 Li 전극을 제공하는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 상기 Li 전극은 리튬 복합체, 산화리튬, 황화리튬 등을 포함할 수 있다. 소정의 실시형태에서, 계면층이 삽입될 수 있으며, 이러한 계면층은 2D 물질로의 보다 양호한 접착을 제공할 수 있다. 예를 들어, 계면층은 상기 기재된 바와 같이 플라즈마로 처리된 깨끗한 표면, 금속층 및/또는 작용화된 층을 포함할 수 있다. 블록(420)에서, 방법(400)은 2D 물질의 적어도 하나의 층을 상기 Li 전극 상에 증착시키는 단계를 포함한다. 상기 2D 물질은 MoS2, WS2, MoTe2, MoSe2, WSe2, BN, BN-C 등을 포함하고, 상기 기재된 바와 같이 많은 방법(예를 들어 스퍼터링, 증발 등)을 통해 증착될 수 있다.
블록(430)에서, 방법(400)은 2D 물질의 적어도 하나의 층에 복수의 Li 이온을 인터칼레이션시키는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 2D 물질의 인터칼레이션 단계는 전극의 증착과 동시에 발생할 수 있고, 다른 실시형태에서, 2D 물질의 증착은 전극 물질의 증착 후에 발생할 수 있다. 일 실시형태에서, 2D 물질과 Li-금속은 진공 스퍼터링 챔버 내에서 Li-금속과 2D 물질의 2개 스퍼터링 건에 의해 공동-스퍼터링된다. 2D 물질 표적 및 Li 표적을 스퍼터링용 표적 물질로서 사용하여, 2D 물질과 Li의 연속적인 층을 Li 전극 상에 스퍼터링하여, 인터칼레이션된 2D 물질을 초래한다. 또 다른 실시형태에서, 표적은 2D 물질 및 Li 금속 복합체를 포함한다. 그 후에, 공동-스퍼터링 방법을 사용하기 보다는, 복합체 표적을 스퍼터링한다. 스퍼터링을 위한 2D 물질/Li 복합체 표적을 사용하여, 2D 물질/Li 복합체의 연속적인 층을 전극 상에 스퍼터링하여, 인터칼레이션된 2D 물질을 초래한다. 또 다른 실시형태에서, 2D 물질을 전기-화학적으로 인터칼레이션시킬 수 있다. 예를 들어, 본원에 기재된 일 실시형태에 따라 전극에 2D 물질을 증착시킬 수 있고, 그 후에 상기 전극을 반응 챔버 내에 도입하여 전해질 용액 중 Li-금속과 대면하게 할 수 있다. 그 후에, 전압을 인가하여, 2D 물질을 인터칼레이션시킨다. 그 후에, 생성된 2D 물질-코팅된 전극을 재충전용 배터리를 포함하여 여러 가지 적용에 사용할 수 있다.
도 5는 본 출원의 일 실시형태에 따른 Li-이온 배터리 시스템을 예시한다. 일 실시형태에서, Li-이온 배터리(LIB) 시스템(500)은 애노드(501), 캐소드(502), 세퍼레이터(503), 전해질(504), 네거티브 말단(negative terminal)(506), 포지티브 말단(positive terminal)(507) 및 케이싱(casing)(508)을 포함할 수 있다. 애노드(501)는 상기 기재되고 적어도 도 1a 내지 1b, 2a 내지 2c, 및 3a 내지 3c에 의해 예시된 바와 같이 2D 물질의 적어도 하나의 층으로 코팅된 Li 전극을 포함할 수 있다. 캐소드(502)는 Li 옥사이드 물질(예를 들어 LiCoO2, LiFePO4, LiMn2P4, LiNixMnyCozO2 등)을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 캐소드(502)는 상기 기재되고 적어도 도 1a 내지 1b, 2a 내지 2c, 및 3a 내지 3c에 의해 예시된 바와 같이 2D 물질의 적어도 하나의 층으로 코팅된 Li 전극을 포함할 수 있다. 세퍼레이터(503)는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등을 포함할 수 있다. 전해질(504)은, 캐소드(502)와 애노드(501) 사이에서 Li 이온의 수송을 허용할 수 있는 임의의 수의 전해질 용액(예를 들어 수성, 비-수성 등)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질(504)은 다양한 리튬 염(예를 들어 LiPF6, LiClO4, LiH2PO4, LiAlCl4, LiBF4 등) 또는 다른 전해질 물질을 포함할 수 있다. 집전 장치(506)는 애노드(501)에 부착될 수 있고, 집전 장치(507)는 캐소드(502)에 부착될 수 있다. 일 실시형태에서, 집전 장치(506)는 구리 금속을 포함할 수 있고, 집전 장치(507)는 알루미늄 금속을 포함할 수 있다. 케이싱(508)은 여러 가지 전지 형성 요소(cell form factor)를 포함할 수 있다. 예를 들어, LIB 시스템(500)의 실시형태는 원통형 전지(예를 들어 13650, 18650, 18500, 26650, 21700 등), 중합체 전지, 버튼형 전지, 각기둥형(prismatic) 전지, 파우치형(pouch) 전지 등으로 구현될 수 있다. 나아가, 하나 이상의 전지를 여러 가지 적용(예를 들어 자동차, 랩탑 등)에 사용하기 위해 더 큰 배터리 팩(pack) 내로 조합할 수 있다. 소정의 실시형태에서, 마이크로컨트롤러 및/또는 다른 안전성 전기 회로망(safety circuitry)을 전압 조정기와 함께 사용하여 전지 작동을 관리할 수 있고, LIB 시스템(500)의 구체적인 용도에 맞출 수 있다.
일 실시형태에서, 낮은 수준의 습도 및 산소(0.5 ppm 미만) 하에 아르곤-충전된 글러브 박스 내에서 캐소드(502) 및 애노드(501)를 사용하여 LIB 시스템(500)을 제조하였다. 전해질(504)은 에틸렌 카르보네이트(EC), 디메틸렌 카르보네이트(DMC) 및 디에틸렌 카르보네이트(DEC)의 1:1:1(부피비) 혼합물 용매 중 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6) 염의 1 M 용액을 포함하였다. 세퍼레이터(503)는 PP계 막을 포함하였다. 케이싱(508)은 크림핑 툴(crimping tool)을 이용하여 조립된 CR 2032 코인-전지를 포함하였다. 다중-채널 배터리 시험 유닛에서 실온 및 0.01 내지 3.0 V의 전압 범위에서 충전(탈리튬화(delithiation)) 및 방전(리튬화(lithiation)) 사이클링 시험을 수행하였다.
도 6은 본 출원의 일 실시형태에 따른 리튬-황(Li-S) 배터리 시스템을 예시한다. 일 실시형태에서, Li-S 배터리 시스템(600)은 애노드(601), 캐소드(602), 세퍼레이터(603), 전해질(604), 네거티브 말단(606), 포지티브 말단(607) 및 케이싱(608)을 포함할 수 있다. 애노드(601)는 상기 기재되고 적어도 도 1a 내지 1b, 2a 내지 2c, 및 3a 내지 3c에 의해 예시된 바와 같이 2D 물질의 적어도 하나의 층으로 코팅된 Li 전극을 포함할 수 있다. 캐소드(602)는 황 전극으로서 황 분말 및/또는 탄소 구조를 갖는 복합체(예를 들어 탄소 나노튜브(CNT), 그래핀, 다공성 탄소, 독립형(free-standing) 3D CNT 등)을 포함할 수 있다. 세퍼레이터(603)는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등을 포함할 수 있다. 전해질(604)은, 캐소드(602)와 애노드(601) 사이에서 Li 이온의 수송을 허용할 수 있는 임의의 수의 전해질 용액(예를 들어 수성, 비-수성 등)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질(604)은 1% LiNO3 첨가제 또는 다른 전해질 용액과 함께 1:1 DOL/DME 중 1 M LiTFSI를 포함할 수 있다. 집전 장치(606)는 애노드(601)에 부착될 수 있고, 집전 장치(607)는 캐소드(602)에 부착될 수 있다. 일 실시형태에서, 집전 장치(606)는 구리 금속을 포함할 수 있고, 집전 장치(607)는 알루미늄 금속을 포함할 수 있다. 케이싱(608)은 여러 가지 전지 형성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, Li-S 배터리 시스템(600)의 실시형태는 원통형 전지(예를 들어 13650, 18650, 18500, 26650, 21700 등), 중합체 전지, 버튼형 전지, 각기둥형 전지, 파우치형 전지 등으로 구현될 수 있다. 나아가, 하나 이상의 전지를 여러 가지 적용(예를 들어 자동차, 랩탑 등)에 사용하기 위해 더 큰 배터리 팩 내로 조합할 수 있다. 소정의 실시형태에서, 마이크로컨트롤러 및/또는 다른 안전성 전기 회로망을 전압 조정기와 함께 사용하여 전지 작동을 관리할 수 있고, Li-S 배터리 시스템(600)의 구체적인 용도에 맞출 수 있다.
일 실시형태에서, 습도(H2O) 및 산소(O2) 농도를 0.5 ppm 미만에서 일정하게 유지시키는 아르곤-충전된 글러브 박스 내에서 Li-S 배터리 시스템(600)을 제조하였다. 리튬을 카운터(counter)/기준(reference)으로 사용하며, 코인 전지 내에서 다중-채널 배터리 시험 유닛에 의해 캐소드(602)(BF 3D-CNT-S 캐소드 물질)의 전기화학 성능을 평가하였다. 캐소드(602)의 크기는 1 cm x 1 cm(1 cm2)이었으며, 정사각형 기하 구조를 갖고 있었다. 1:1 부피비의 1,2-디메톡시에탄(DME, 99.5%, sigma Aldrich)과 1,3-디옥솔란(DOL, 99%, sigma Aldrich)의 유기 용매에 리튬 비스-트리플루오로메탄설포닐이미드(LITFSI, 99% sigma Aldrich, 1M) 및 질산리튬(LiNO3, 99.99%, sigma Aldrich, 0.25M) 염을 용해시킴으로써 전해질(604)을 제조하였다. 코인 전지에 첨가된 전해질(604)을 60 μL의 부피까지 최적화시켰다. 세퍼레이터(603)는 애노드(601)와 캐소드(602)를 단리시키기 위해 폴리프로필렌(PP)을 포함하고 있다. 정전류 충전-방전 시험(galvanostatic charge-discharge test)을 실온에서 1.5 내지 3.0 V의 전압 범위에서 수행하였다. 황의 이론 비용량((Qs = 2 x 9.65 x 104 / (3.6 x 32.065)) 약 1672 mAh/g)을 기초로 C-율을 계산하였다. 순환 전압 전류법(cyclic voltammetry) 및 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 측정을 퍼텐시오스타트(potentiostat)에 의해 수행하였다.
도 7은 본 출원의 일 실시형태에 따른 Li-S 배터리 시스템(700)을 예시한다. 일 실시형태에서, Li-S 배터리 시스템(700)은 애노드(701) 및 캐소드(702)를 포함할 수 있다. 애노드(701)는 상기 기재되고 적어도 도 1a 내지 1b, 2a 내지 2c, 및 3a 내지 3c에 의해 예시된 바와 같이 2D 물질의 적어도 하나의 층으로 코팅된 Li 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 애노드(701) 금속 상에 MoS2의 하나 이상의 층이 증착된 Li 금속을 포함하는 것으로 도 7에 예시된다. 상기 고찰된 바와 같이, 애노드(701)는 2D 물질(예를 들어 MoS2 등)의 하나 이상의 층을 스퍼터링, 증발 등을 통해 Li 금속 상에 직접 증착시킴으로써 형성될 수 있다. 2D 물질의 하나 이상의 층은 균일하고, 전지가 낮은 분극(polarization)과 함께 높은 전류 밀도에서 작동할 수 있도록 무시할 만한 임피던스를 제공할 수 있다. 일 실시형태에서, 리튬화된 MoS2는 모서리-배향된(edge-oriented) 플레이크와 같은(flake-like) MoS2일 수 있으며, 이는 벌크 Li 금속 안팎으로 Li+의 일정한 유동, 균질하고 안정한 Li 전착, 및 덴드라이트 형성의 억제를 제공할 수 있다.
일 실시형태에서, 캐소드(702)는 3D CNT/S 전극을 포함할 수 있다. 도 7에 제시된 바와 같이, 기판 상에 복수의 CNT를 갖는 기판(예를 들어 그래핀)을 포함할 수 있으며, 이는 하기에서 보다 상세히 고찰될 것이다. 복수의 CNT는 황으로 코팅되어, 넓은 표면적, 초-저 저항 경로, 및 기판과의 강한 결합을 제공할 수 있다. 일 실시형태에서, 3D CNT/S 캐소드(702)의 초기 데이터는 8 mg/cm2 초과의 황 로딩을 실증하였다. 2D 물질-코팅된 Li-금속 애노드(701) 및 3D CNT/S 캐소드(702)를 포함하는 또 다른 실시형태에서, 비용량은 0.5에서 1000 충전/방전 사이클에 걸쳐 1100 mAh/g(예를 들어 500 Wh/kg 초과)이었다.
도 8은 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극(800)의 단면도 및 상응하는 SEM 이미지를 예시한다. 전극(800)은 다공성 3D CNT 구조(예를 들어 복수의 CNT)를 포함할 수 있으며, 이러한 구조는 Li 이온에 대해 높은 전도 경로 및 짧은 확산 길이, 및 사이클링 공정 동안 발생되는 폴리설파이드를 흡수하는 능력을 제공한다. CNT의 높은 로딩은 구조적 온전성(integrity) 및 전도성을 유지하면서도 하나 이상의 3D CNT 층을 다중-적층시킴으로써 달성될 수 있다. 일 실시형태에서, 작용기를 이용한 CNT 표면의 처리는 CNT와 황 사이의 결합 강도를 증강시킬 수 있으며(예를 들어 산소 종결화된(terminated) CNT는 황과 더 높은 결합 강도를 가짐), 따라서 폴리설파이드 셔틀 효과가 최소화되고, 이 역시 하기에서 보다 상세히 고찰될 것이다.
일 실시형태에서, 재충전용 배터리의 3-D 마이크로-채널(micro-channeled) 전극에서, 3D Cu 메쉬는 2D Cu 호일의 표면적의 대략 10배의 표면적 개선을 실증하였고, CNT의 로딩은 증가될 수 있다(예를 들어 500 nm 두께의 시료에서 50배 초과). 일 실시형태에서, 전극(800)은 다양한 고-에너지 적용 및 에너지 저장 기술을 위해 크기 변경이 가능할 수 있다(scalable). 예를 들어, 다른 배터리 구성요소의 중량은 다양한 적용에서 염려(concern)이다. 일 실시형태에서, 배터리의 에너지/전력 밀도 및/또는 비용량은 배터리의 총 질량 및/또는 실장 밀도(packaging density)를 이용하여 정상화(normalized)될 수 있다. 3D 구조에서 탄소 나노튜브는 여러 가지 플랫폼에 더 효율적이고 다목적의 에너지 저장을 제공한다.
도 9는 본 출원의 일 실시형태에 따른 전극의 제조 공정의 양태를 예시한다. 일 실시형태에서, 결합제-무함유 3D CNT/S 캐소드 구조가 제조될 수 있다. 도 9의 (a)는 복수의 독립형 3D CNT 및 이를 실증하는 상응하는 저배율 SEM 이미지를 예시한다. 도 9의 (b)에서 제시된 바와 같이, 일 실시형태는 황의 하나 이상의 층을 3D CNT 상으로 (예를 들어 약 155에서 기계적 압착을 통해) 균일하게 코팅시키는 단계를 포함할 수 있다. 황 입자는 균일하게 분포되고 기계적으로 압착되어, 황 용융물을 모세관 작용 및 낮은 표면 장력에 의해 3D CNT 구조 내로 가두는 것을 용이하게 할 수 있다. 도 9의 (c)는 3D CNT 내로 황 입자의 결과적인 분포를 보여주는 도식을 예시한다. (d)는 고도로 밀집된 3D CNT의 단면 SEM 이미지를 예시한다. 상호연결된 CNT는 큰 표면적(예를 들어 100 m2/g 초과) 및 좁은 포어 크기 분포(예를 들어 2 내지 20 nm)를 제공한다. 도 9의 (e)는 합성된 대로의 결합제-무함유 3D CNT/S의 SEM 이미지를 상응하는 탄소 및 황 EDS 맵핑(mapping)과 함께 예시한다. (f)는 (e)에서 제시된 SEM 이미지의 에너지-분산 X-선(EDX) 스펙트럼을 예시한다. 이들 CNT의 평균 직경은 100 내지 150 nm의 범위일 수 있다. 제조된 예시적인 3D CNT/S 캐소드의 SEM 이미지(e) 및 EDX 스펙트럼(f)은 3D CNT의 전도 네트워크 내에서 황의 균일한 분포를 실증한다.
일 실시형태에서, 결합제-무함유 3D CNT/S 전극을 상기 예시적인 공정에 따라 제조하였다. 결합제-무함유 캐소드 설계는 8.33 mg/cm2의 높은 황 로딩(캐소드 전극에서 약 55 중량% S)과 더불어 0.1 C-율(약 1.4 mA/cm2)에서 8.89 mAh/cm2의 높은 면적 용량 및 1068 mAh/g의 비용량을 초래하였으며, 150 사이클 동안 95% 초과의 쿨롱 효율(coulombic efficiency)을 제공하였다. 상기 실시형태는 캐소드의 질량에 대해 약 1233 Wh/kg의 비에너지(specific energy)와 더불어 약 476 W/kg의 비전력(specific power)을 나타내었다.
도 10a 및 도 10b는 본 출원의 일 실시형태에 따라 다양한 황 로딩 양에 따른 사이클 횟수 대 비용량을 도시하는 그래프를 예시한다. 예를 들어, 도 10a는 상이한 황 로딩 양에 따른 예시적인 전지의 속도 능력(rate capability)을 예시한다. 나아가, 도 10b는 3D CNT 내에 로딩된 55 중량% S(8.33 mg/cm2) 황의 높은 황 로딩 양의 사이클링 성능을 예시한다. 도 10c는 본 출원의 일 실시형태에 따라 3D CNT/S 전극의 면적 용량의 그래프를 예시한다. 도 10c는 결합제-무함유 3D CNT/S 전극의 면적 용량과 종래의 Li-S 배터리 캐소드 물질의 면적 용량의 비교를 예시하며, 예시적인 결합제-무함유 3D CNT/S 캐소드 구조가 더 높은 면적 용량을 달성할 수 있음을 실증한다.
도 10a에 상응하는 정전류 방전-충전 프로파일은 모든 C-율에 대해 안정기(plateau)를 실증한다(예를 들어 3D CNT/S 구조의 매트릭스 내에서 높은 전기 전도성과 함께 효율적인 키네틱 과정(kinetic process)을 나타냄). 개선된 반응 키네틱스는 또한, 더 낮은 안정기(Q낮은-안정기)와 더 높은 안정기(Q높은-안정기) 사이의 방전 용량비(discharge capacity ratio)로부터 실증된다. 예를 들어, 도 10a는 37 중량% S 및 42 중량% S 둘 모두에 대해 2C 율에서의 Q낮은-안정기/Q높은-안정기 비를 각각 1.85 및 1.8로 실증하며, 이는 가용성 폴리설파이드로부터 불용성 설파이드로의 전환이 더 높은 C-율에서 더 효율적임을 가리킨다. 도 10a는 55 중량% S(8.33 mg/cm2)의 높은 황 로딩 양으로부터의 비용량을 예시하고, 전지는 0.1C(약 1.39 mA/cm2)에서 약 1068 mAh/g의 초기 방전 용량을 전달하였는데, 이는 약 8.8 mAh/cm2(예를 들어 종래의 Li-S 배터리보다 높음)의 면적 용량에 상응한다. 일 실시형태에서, 150 사이클 후, 전지는 1 사이클 당 약 0.4%의 평균 용량 붕괴(average capacity decay)와 함께 약 613 mAh/g의 비용량을 여전히 전달할 수 있을 것이다(예를 들어 도 10c에 제시된 이전에 보고된 데이터보다 우수함).
도 11a 내지 11b는 본 출원의 일 실시형태에 따라 금속 메쉬 상에 복수의 CNT를 갖는 가요성 3D 금속 메쉬를 예시한다. 도 11a 내지 11b는, 상기 실시형태가 크기 변경이 가능하고 구부러질 수 있도록 구성된 3D 금속 메쉬 상의 CNT의 일 실시형태를 예시한다. 나아가, 도 11c 내지 11d는 다공성 금속 메쉬 구조 상의 CNT를 실증하는 실시형태의 SEM 이미지를 예시한다. 일 실시형태는 3D Cu-메쉬 상에서 3D CNT의 CVD, 및/또는 본원에서 고찰된 임의의 제조 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 크기 변경이 가능하고 구부러질 수 있는 구조는 본원에 고찰된 Li-S 배터리의 실시형태에서 전극으로서 이용될 수 있으며, 따라서 구부러질 수 있고 크기 변경이 가능한 전극은 광범위하게 다양한 모양, 크기, 적용 등에 쉽게 맞춰질 수 있는 것으로 이해된다.
도 12는 본 출원의 일 실시형태에 따른 3D CNT 애노드 적층물(stack)의 제조 공정의 양태를 예시한다. 도 12의 (a)를 참조로, 일 실시형태에서, 복수의 3D CNT는 CVD 및/또는 본원에 고찰된 다른 증착 방법을 통해 메쉬 구조(예를 들어 Cu, 그래핀 등) 상에서 성장될 수 있다. 예를 들어, Cu 메쉬 구조(예를 들어 200 미만의 메쉬)는 50 내지 20 ㎛의 평균 두께를 포함할 수 있고, 우선 아세톤, 에탄올, 탈이온수 등의 순서로 초음파적으로 세정될 수 있다. 그 후에, 세정된 Cu 메쉬 구조는 오븐 내에서 건조될 수 있다. 일 실시형태에서, 티타늄 완충제 층 및 니켈 촉매가 실온에서 주어진 증착 압력(예를 들어 10-3 Torr Ar)에서 다양한 증착 시간(예를 들어 1 내지 15분) 동안 Cu 메쉬 상에 (예를 들어 RF 마그네트론 스퍼터링을 사용하여) 증착될 수 있다. 다음, 3D CNT는 열적 CVD 시스템에서 합성될 수 있다. 고도로 밀집되고 정렬된 CNT의 성장은 600내지 800의 온도에서 에틸렌 가스(예를 들어 50 내지 150 SCCM) 및 수소 담체 가스(예를 들어 10 내지 100 SCCM)를 10 내지 60분 동안 사용함으로써 최적화될 수 있다.
이제 도 12의 (b)를 참조로, 3D CNT를 갖는 메쉬 구조를 에칭 공정에 도입할 수 있다. 예를 들어, CNT/Cu 메쉬 구조를 FeCl3 에칭 용액에서 에칭시켜, (c)에서 예시된 바와 같은 독립형 3D CNT 구조를 초래할 수 있다. 나아가, 3D CNT의 층을 핫-프레스에 의해 압착시켜 3D CNT의 하나 이상의 층을 제조하여 다중-스택 3D CNT((d)에서 제시됨)를 생성할 수 있으며, 그 후에 이를 전극(예를 들어 캐소드, 애노드 등)으로서 이용할 수 있다.
전해질 내로의 폴리설파이드 용해는 Li-S 배터리에서 용량 열화(capacity degradation)에 기여할 수 있다. 일 실시형태에서, 폴리설파이드 셔틀 효과를 경감시키기 위해, CNT 표면을 작용기(예를 들어 산소-종결화된 CNT 등)로 처리하여, CNT와 황 사이의 결합 강도를 증강시킬 수 있다. 예를 들어, CNT를 이용한 황의 안정화 방법은 작용기(예를 들어 카르복실산, 아민, 케톤, 알코올, 에스테르 등)를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 화학적 작용화는 CNT의 표면과 작용기의 공유 결합, 뿐만 아니라 나노튜브의 말단 캡에 부분적으로 기초한다. 일 실시형태에서, HNO3, H2SO 및/또는 이들 둘의 혼합물과 같은 강산과 강한 산화제(예를 들어 KMnO4 등)의 혼합물을 이용한 CNT의 산화 처리는 산소화된 작용기를 형성할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 활성 분자와의 비-공유 상호작용은 CNT/S의 계면 특성의 조정을 제공할 수 있다. CNT는 방향족 화합물, 계면활성제, 중합체 및/또는 소수성 상호작용에 의해 비-공유적으로 작용화될 수 있다.
본 출원의 실시형태 및 그 이점이 상세히 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변화, 치환 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 더욱이, 본 출원의 범위는 본 명세서에 기재된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시형태로 한정되는 것이 아니다. 당업자는 본 발명의 개시내용으로부터, 본 발명에 따라 이용될 수 있는 본원에 기재된 상응하는 실시형태와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는, 현재 존재하거나 이후에 개발되는 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 쉽게 이해할 것이다. 이에, 첨부된 청구범위는 이러한 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 이들 청구범위의 범위 내에 포함시키고자 한다. 더욱이, 본 출원의 범위는 상세한 설명에 기재된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시형태로 제한되지 않고자 한다.

Claims (20)

  1. 리튬 금속을 패시베이션시키는(passivating) 방법으로서,
    상기 방법은
    리튬 전극을 제공하는 단계; 및
    상기 리튬 전극 상에 패시베이션층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 패시베이션층을 형성하는 단계는
    상기 리튬 전극 상에 2차원 물질의 적어도 하나의 층을 증착시키는 단계; 및
    상기 리튬 전극 상에 리튬이온이 인터칼레이션된 2차원 물질의 적어도 하나의 층을 형성하도록 상기 2차원 물질의 적어도 하나의 층에 복수의 리튬 이온을 인터칼레이션시키는(intercalating) 단계를 포함하고,
    상기 2차원 물질의 적어도 하나의 층에 복수의 리튬 이온을 인터칼레이션시키는(intercalating) 단계는 상기 리튬 이온이 인터칼레이션된 2차원 물질의 적어도 하나의 층 내에 상기 복수의 리튬 이온 중 적어도 일부의 삽입되는 결과가 되고, 그리고
    상기 복수개의 리튬 이온은 상기 리튬 전극과 상이한 물질로부터 유래하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 물질이 MoS2, WS2, MoTe2, MoSe2, WSe2, BN 및 BN-C로 구성된 군으로부터 선택되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 계면층(interface layer)을 삽입시키는 단계를 추가로 포함하고,
    적어도 하나의 상기 계면층이 상기 리튬 전극과 상기 리튬 이온이 인터칼레이션된 2차원 물질의 적어도 하나의 층 사이에 존재하도록 배치되는, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 계면층이 플라즈마로 처리된 깨끗한 표면을 포함하는, 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 계면층이 10 nm 미만의 두께를 갖는 금속 중간층(interlayer)을 포함하는, 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 계면층이 작용화된 중간층인, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 증착 단계가 스퍼터링 및 증발 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인터칼레이션 단계가
    2차원 물질을 포함하는 제1 표적을 제공하는 단계;
    상기 리튬 전극과 상이한 물질을 위한 리튬 금속을 포함하는 제2 표적을 제공하는 단계; 및
    상기 리튬 이온이 인터칼레이션된 2차원 물질의 적어도 하나의 층을 형성하도록 상기 제1 표적 및 상기 제2 표적을 상기 리튬 전극 상에 동시에 스퍼터링시키는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인터칼레이션 단계가
    2차원 물질-리튬 복합체를 포함하는 표적을 제공하는 단계; 및
    상기 리튬 이온이 인터칼레이션된 2차원 물질의 적어도 하나의 층을 형성하도록 상기 표적을 상기 리튬 전극 상에 스퍼터링시키는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    캐소드를 제공하는 단계;
    상기 캐소드 상에서 복수의 탄소 나노튜브 구조를 형성하는 단계;
    복수의 상기 탄소 나노튜브 구조 상에 복수의 황 입자를 증착시키는 단계; 및
    상기 패시베이션층을 갖는 리튬 전극과 상기 캐소드를 전해액에 배치하는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 배터리로서,
    포지티브 말단(positive terminal);
    상기 포지티브 말단에 연결된 애노드로서, 상기 애노드는 리튬 전극보다 상이한 소스로부터 복수개의 리튬 이온이 인터칼레이션된 리튬 이온이 인터칼레이션된 이차원 물질의 적어도 하나의 층으로 코팅된 리튬 전극을 포함하고, 상기 리튬 이온이 인터칼레이션된 2차원 물질의 적어도 하나의 층은 패시베이션층을 형성하는 것인, 애노드;
    세퍼레이터(separator) 층;
    복수의 황 입자가 배치되어 있는 복수의 탄소 나노튜브 구조를 포함하는 캐소드; 및
    상기 캐소드에 연결된 네거티브 말단(negative terminal)
    을 포함하는, 배터리.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 구조가 3D 탄소 나노튜브 구조인, 배터리.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 캐소드는 그래핀 기판에 결합된 복수의 황-코팅된 탄소 나노튜브 구조와 함께 그래핀 기판을 포함하는, 배터리.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 세퍼레이터 층이 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 층 중 적어도 하나를 포함하는, 배터리.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 애노드 및 상기 캐소드가 전해질 용액 내에 배치되어 있는, 배터리.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전해질 용액이 비-수성 용액인, 배터리.
  17. 제11항에 있어서,
    하나 이상의 집전 장치(current collector)를 추가로 포함하는, 배터리.
  18. 제17항에 있어서,
    하나 이상의 상기 집전 장치가 적어도 하나의 알루미늄 금속 집전기 및 적어도 하나의 구리 금속 집전기를 포함하는, 배터리.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 리튬 전극 상의 상기 리튬 이온이 인터칼레이션된 2차원 물질의 적어도 하나의 층은 하나 이상의 이황화 몰리브덴(MOS2) 층을 포함하는, 배터리.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 리튬 전극 상의 상기 리튬 이온이 인터칼레이션된 2차원 물질의 적어도 하나의 층은 이황화 텅스텐(WS2), 몰리브덴 디텔루라이드(MoTe2), 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2), 텅스텐 디셀레나이드(WSe2), 질화보론(BN) 및 전이 금속 디칼로게나이드(dichalcogenide) 단층(monolayer)으로부터 선택되는 적어도 하나의 층을 추가로 포함하는, 배터리.
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