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KR20190026873A - 금속 도금-기반의 전기 에너지 저장 셀 - Google Patents

금속 도금-기반의 전기 에너지 저장 셀 Download PDF

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KR20190026873A
KR20190026873A KR1020197003826A KR20197003826A KR20190026873A KR 20190026873 A KR20190026873 A KR 20190026873A KR 1020197003826 A KR1020197003826 A KR 1020197003826A KR 20197003826 A KR20197003826 A KR 20197003826A KR 20190026873 A KR20190026873 A KR 20190026873A
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KR
South Korea
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storage cell
battery
electrochemical storage
alkali metal
current collector
Prior art date
Application number
KR1020197003826A
Other languages
English (en)
Inventor
존 비. 굿이너프
앤드류 머치슨
마리아 헬레나 소사 소아레스 데 올리베이라 브라가
Original Assignee
보드 오브 리전츠 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

본 개시내용은 배터리를 포함하는 전기화학적 저장 셀(electrochemical storage cell)을 제공한다. 배터리는 애노드 페르미 에너지(anode Fermi energy)를 갖는 알칼리 금속 애노드, 일반식 A3- xHxOX(여기서, 0≤x≤1, A는 알칼리 금속이고, X는 적어도 하나의 할라이드임)을 갖는, 알칼리 금속을 전도할 수 있는 전자 절연성의 비정질의 건조된 고체 전해질; 및 애노드 페르미 에너지보다 낮은 캐소드(cathode) 페르미 에너지를 갖는 캐소드 집전체를 포함하는 캐소드를 포함한다. 전기화학적 저장 셀의 작동 중에, 알칼리 금속은 알칼리 금속 애노드 상으로 고체 전해질부터 덴드라이트(dendrite)-비함유로 도금된다. 또한, 전기화학적 저장 셀의 작동 중에, 알칼리 금속이 캐소드 집전체 상에 추가로 도금된다.

Description

금속 도금-기반의 전기 에너지 저장 셀
본 기재내용은 전기화학적 저장 셀(electrochemical storage cell), 특히 재충전 가능한-배터리와 같은 배터리, 또는 조합된 배터리/수퍼커패시터(battery/supercapacitor)를 포함할 수 있는 금속-도금 기반 전기화학적 에너지 저장 셀에 관한 것이다.
배터리
본원에서 사용되는 배터리는 전해질에 의해 분리된 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)의 두 개의 전극을 갖는 셀을 의미한다. 셀은 전기화학 셀일 수 있다. 전극 내 물질은 전자적으로 및 화학적으로 둘 모두 활성일 수 있다. 애노드는 화학적 환원제일 수 있고, 캐소드는 화학적 산화제일 수 있다. 따라서, 애노드 및 캐소드 둘 모두는 배터리의 '작동 이온(working ion)'으로서 지칭되는, 통상적으로 동일한 이온인, 이온을 얻거나 잃을 수 있다. 전해질은 전자적으로는 패시브(passive)지만, 화학적으로는 활성일 수 있다. 전해질의 화학적 활성은 전형적으로 작동 이온인 이온을 얻거나 잃는 능력에 의해 나타난다. 전해질은 일반적으로 전자 절연체이며, 배터리 내 전자 이동을 촉진하지 않을 수 있다.
배터리는 전자 및 이온 성분을 갖는 두 전극 간의 화학 반응을 통해 작동할 수 있으며, 따라서 '전기화학 반응'이라고 불린다. 전해질은 셀 내부에서 작동 이온을 전도하고, 전자 절연체로서 반응에 관여된 전자가 외부 회로를 통과할 수 있게 한다.
액체 또는 폴리머 전해질이 배터리에 사용되는 경우, 두 개의 전극과 접촉하여 전자 절연체로 남아있는 분리막은 두 개의 전극이 셀 내부에서 서로 전자적으로 접촉하는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 분리막은 액체 또는 폴리머 전해질에 의해 침투되어 두 개의 전극 사이에서 이온 전도를 허용할 수 있다. 일부 배터리 구현에서, 고체 전해질이 분리막으로 사용될 수 있다. 고체 전해질은 단독으로, 또는 한쪽 또는 양쪽 전극과 접촉하는 액체 또는 폴리머 전해질과 함께 사용될 수 있다. 고체 전해질은 또한 별도의 분리막이 필요하지 않도록 분리막으로 기능할 수 있다.
배터리는 종종 작동 이온의 이름을 따서 명명된다. 예를 들어, 리튬 이온(Li+)은 리튬 이온(Li-이온) 배터리의 작동 이온이다. 나트륨 이온(Na+)은 나트륨 이온(Na-이온) 배터리의 작동 이온이다. 리튬 이온 배터리는 일반적으로 전자 디바이스(electronic device), 전동 공구 및 전기 자동차에 사용된다. 리튬 이온 배터리는 방전 상태로 조립되어 고전압 캐소드 및 금속 리튬을 함유하지 않는 애노드를 제조할 수 있지만, 가연성 유기-액체 전해질이 사용될 수 있다. 리튬 이온 배터리의 점진적인 향상이 복잡한 전극 형태의 제조로 얻어졌지만, 탄소 캐소드는 용량이 제한적이고 지나치게 높은 충전 속도 하에서 금속 리튬으로 도금될 수 있다. 또한, 셀이 과충전된 경우, 적층형-옥사이드 캐소드로부터 산소가 손실될 수 있다. 많은 충전 및 방전 사이클에 대해 큰 셀 스택(cell stack)을 다루는 것은 전기 자동차에 사용된 것들과 같이, 대형 멀티-셀 배터리 비용을 증가시킬 수 있다. 또한, 다른 적용에서는, 휴대용 배터리에 적용 가능한 배터리의 체적 용량을 증가시킬 수 있는 능력을 제한시켰다. 끝으로, 대부분의 리튬 이온 배터리에 적합한 유기-액체 전해질은 가연성이어서, 특히 배터리가 덴드라이트(dendrite)를 형성하거나 배터리 내의 캐소드와 애노드 간의 전자 접촉을 허용하는 어떠한 방식으로 손상될 경우 안전 위험이 있다.
수퍼커패시터
수퍼커패시터는 양전하 및 음전하가 단지 원자 차원으로 분리되는 전극-전해질 계면에서 전자 이중층의 캐패시턴스(capacitance)를 이용한다. 또한, 전해질이 전기 쌍극자의 존재로 인해 큰 유전 상수를 가질 경우, 커패시턴스가 더욱 더 증가될 수 있다. 수퍼커패시터는 수퍼커패시터에 전기-에너지 저장의 패러데이 성분(faradaic component)이 포함될 수 있는 경우에도 화학 에너지가 아닌 정전기 전하로서 전력을 저장한다.
개요
본 개시내용은 배터리를 포함하는 전기화학적 저장 셀을 제공한다. 배터리는 애노드 페르미 에너지(anode Fermi energy)를 갖는 알칼리 금속 애노드, 일반식 A3-xHxOX(여기서, 0≤x≤1, A는 알칼리 금속이고, X는 적어도 하나의 할라이드임)을 갖는, 알칼리 금속을 전도할 수 있는 전자 절연성의 비정질의 건조된 고체 전해질, 및 애노드 페르미 에너지보다 낮은 캐소드 페르미 에너지를 갖는 캐소드 집전체를 포함하는 캐소드를 포함한다. 전기화학적 저장 셀의 작동 중에, 알칼리 금속이 고체 전해질로부터 알칼리 금속 애노드로 덴드라이트 없이 도금된다. 또한, 전기화학적 저장 셀의 작동 중에, 알칼리 금속이 캐소드 집전체 상에 추가로 도금된다.
전기화학적 저장 셀은 또한 명백히 상호배타적이지 않는 한, 서로 조합될 수 있는 하기 추가 특징 중 하나 이상을 가질 수 있다: a-i) 알칼리 금속이 리튬(Li)이다; a-ii) 알칼리 금속이 나트륨(Na)이다; b) 고체 전해질이 옥사이드, 하이드록사이드, 및 설파이드 중 적어도 하나를 포함하는 유리-형성 첨가제를 추가로 포함한다; c) 고체 전해질이 옥사이드, 하이드록사이드, 및 설파이드 중 적어도 두 개를 포함하는 유리-형성 첨가제를 추가로 포함한다; d) 고체 전해질이 Ba(OH)2, Sr(OH)2, Ca(OH)2, Mg(OH)2, Al(OH)3, 또는 BaO, SrO, CaO, MgO, Al, B2O3, Al2O3, SiO2, S, 및 Li2S 중 적어도 하나를 포함하는 유리-형성 첨가제를 추가로 포함한다; e) 고체 전해질이 Ba(OH)2, Sr(OH)2, Ca(OH)2, Mg(OH)2, Al(OH)3, 또는 BaO, SrO, CaO, MgO, Al, B2O3, Al2O3, SiO2, S, 및 Li2S 중 적어도 두 개를 포함하는 유리-형성 첨가제를 추가로 포함한다; f) 고체 전해질이 2몰 퍼센트 미만의 유리-형성 첨가제를 추가로 포함한다; g) 고체 전해질로 인해, 배터리가 화학적 및 정전기적 둘 모두로 전력을 저장하도록 작동 가능하다; h) 배터리의 컨텍스트(context)에서 벗어나, 캐소드 집전체가 일반적으로 알칼리 금속에 의해 습윤되지 않는다; i) 캐소드 집전체가 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 또는 금(Au) 금속, 또는 이들의 합금을 포함한다; j) 캐소드가 캐소드 집전체 상에 도급되는 알칼리 금속을 보조하는 탄소를 포함한다; k) 캐소드가 고체 전해질에 인접하는 캐소드 집전체 표면 상에 금막을 포함한다; l) 캐소드가 고체 전해질에 인접하는 캐소드 집전체 표면 상에 옥사이드 막을 포함한다; m) 배터리가 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질(catalytic redox-center-relay material)을 추가로 포함하고, 전기화학적 저장 셀의 작동 중에, 알칼리 금속이 추가로 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질의 도움으로 캐소드 집전체 상에 도금되도록 작동 가능하다; n-i) 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질이 황을 포함한다; n-ii) 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질이 페로센(ferrocene)을 포함한다; n-iii) 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질이 규소를 포함한다; n-iv) 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질이 설파이드를 포함한다; n-v) 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질이 옥사이드를 포함한다; o) 개방 회로-전압에서, 알칼리 금속의 이온이 고체 전해질로부터 애노드 상에 도금되어 배터리를 자가-충전한다; p-i) 배터리가 일차 배터리이다; p-ii) 배터리가 이차 배터리이다; q) 전기화학적 저장 셀이 수퍼커패시터를 추가로 포함한다; r) 배터리가 저항 R L 을 갖는 전자 디바이스에 접속되는 경우, 손실 I dis = R L + R b,dis 가 열에 의해 외부적으로 공급되는 에너지보다 적음으로써 연속적인 I dis 를 생성하도록 내부 배터리 저항 R b,dis 를 갖는다.
본 개시내용은 예를 들어 자가-충전을 위해, 또는 전자 디바이스에 전력을 공급하기 위해, 특히 연속적인 I dis 를 통해 상기 기술된 임의의 전기화학적 저장 셀을 이용하는 방법을 추가로 포함한다.
본 발명의 구체예 및 그 이점의 보다 완전한 이해는 본 개시내용의 구체예에 관한 첨부된 도면과 함께 취해진 다음의 설명을 참조함으로써 얻어질 수 있다.
도 1은 촉매적 레독스-센터-릴레이 배터리의 개략도이다.
도 2는 에너지 갭 Eg = LUMO - HOMO, 또는 최저 비점유 분자 오리탈(LUMO) - 최고 점유 분자 오비탈(HOMO)을 갖는 전해질 에너지 윈도우를 갖는 안정한 배터리의 개략적인 에너지 프로파일이다.
도 3은 황(S) 릴레이를 함유하는 Li/Li-유리/Cu 셀의 형태로 Li/S 셀의 방전 전압 대 커패시티(capacity)의 플롯이다.
도 4는 리튬 애노드의 커패시티에 대한 도 3의 Li/S 셀의 방전 전압 대 커패시티의 플롯이다.
도 5는 다수의 사이클에 대해 10 시간 충전, 2 시간 휴지, 10 시간 방전, 2 시간 휴지를 갖는 도 3의 Li/S 셀에서 전력 저장의 저장 효율 및 쿨롱 효율의 플롯이다.
도 6은 구리 집전체 상에 나트륨을 도금하기 위한 레독스 센터로서 페로센 분자를 갖는 Na/Na-유리/Cu 셀에서 전력 저장의 저장 효율 및 쿨롱 효율의 플롯이다.
도 7은 셀이 자가-충전된 Li/S 셀의 충전/방전 전압 프로파일 대 시간의 플롯이다.
도 8은 알루미늄 애노드 상의 금속 리튬의 도금으로 인해 개방-회로에서 연속적인 자가-충전시 전력 저장의 쿨롱 효율에서 100% 넘게 증가하는 것을 나타내는 삽도를 보여주는, Al/Li-유리/Cu 셀의 충전/방전 전압 플롯이다.
상세한 설명
본 개시내용은 금속 도금-기반 전기 에너지 저장 셀에 관한 것이다. 셀은 배터리, 특히 재충전가능한 배터리, 및 배터리와 수퍼커패시터의 다양한 조합을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 본 개시내용은 충전 동안 애노드 집전체 상에 도금된 금속의 양이온이 전해질에 의해 공급되는, 전고체 재충전 가능한 셀(all-solid-state rechargeable cell)을 기술한다. 본 개시내용에 따른 배터리는 높은 충전 속도를 갖는 고에너지 저장 커패시티, 및 다수의 사이클에 대해 긴 작동 수명을 가질 수 있다. 본 개시내용에 따른 수퍼커패시터는 최적화된 또는 증가된 체적 저장 에너지 밀도를 가질 수 있다.
본 개시내용에 따른 배터리 및 수퍼커패시터는 서로 평행하게 배향되는 전기 쌍극자를 포함하는 고체 전해질을 함유할 수 있고, 전극 또는 집전체가 전기화학적 전위에서 큰 에너지 차이를 갖는다면, 패러데이 및 용량성 전기 에너지 저장의 직렬 연결을 포함하는 배터리 셀은 향상된 에너지 밀도를 나타낼 수 있다. 탄소 전극 및 층상 옥사이드 캐소드를 갖고, 충전 및 방전 속도 및 범위가 제한된 종래의 Li-이온 배터리와는 달리, 본 개시내용은 체적 에너지 밀도가 크고, 충전 및 방전 속도가 빠르고, 사이클 수명이 길 수 있는, 안전한 전고체 배터리(all-solid-state battery) 또는 수퍼커패시터 셀을 제공한다.
본 개시내용은 충전 중에 애노드 집전체 상에 도금된 금속의 양이온이 전해질에 의해 공급되는, 전고체 재충전 가능한 셀을 기술한다.
이차(재충전 가능한) 셀에서, 캐소드 집전체 상의 알칼리 금속은 애노드 덴드라이트의 형성 없이 애노드 상에 다시 도금된다. 애노드 덴드라이트는, 고체 전해질이 애노드의 페르미 에너지인 μ A 초과의 에너지에서 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO)을 갖도록, 알칼리 금속이 고체-전해질 표면을 습윤시키고, 애노드가 부동화 고체-전해질 계면(SEI) 층이 없을 경우에 억제될 수 있다. 본원에서 기술되는 바와 같이, 이러한 고체 전해질은 셀을 안전하게 할 수 있고, 셀에서 전기 에너지 저장 효율이 긴 사이클 수명으로 100%에 근접할 수 있다.
본원에서 기술된 배터리 셀에서의 화학 에너지로서의 전기 에너지의 저장은 수퍼커패시터에서와 같이 정전기 에너지로서의 전기 에너지의 저장에 의해 보충될 수 있다. 정전기 에너지는 전극-전해질 계면에서 전기 이중층의 형성에 의해 제공될 수 있다. 또한, 전해질이 전기 쌍극자를 포함하는 경우, 특히 전기 쌍극자가 서로 평행하게 배향되는 경우, 저장된 정전기 에너지의 양이 더 증가될 수 있다. 본원에서 기술된 셀에 저장된 정전기 에너지의 충전 및 방전 속도는 고효율로 비교적 높을 수 있다.
배터리 셀과 같은, 본 개시내용의 전기화학 셀에서, 금속은 고체 전해질로부터 도금될 수 있다. 도금된 금속은 작동 이온의 금속 형태일 수 있다. 예를 들어, 금속은 리튬(Li), 나트륨(Na) 또는 칼륨(K) 또는 마그네슘(Mg) 또는 알루미늄(Al)과 같은 알칼리 금속일 수 있다. 금속은 유리하게는 캐소드 집전체, 예컨대 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn) 또는 금(Au) 금속 또는 이들의 합금 캐소드 집전체 상에 도금된다. 도금은 에너지 저장 셀 성능에 해로운 덴드라이트 또는 다른 금속 구조의 형성없이 발생할 수 있다.
도 1은 캐소드(20), 애노드(30), 및 전해질(40)을 포함하는 촉매적 레독스-센터-릴레이 배터리(10)의 개략도이다. 배터리(10)는 방전시에 저장된 에너지를 사용하는 부하(load)를 포함할 수 있는 외부 회로(50), 또는 배터리(10)가 재충전 가능한 경우 충전시에 저장될 에너지를 제공하는 전력 공급장치에 연결될 수 있다.
애노드(30)는 작동 이온을 포함할 수 있는 집전체를 포함할 수 있다. 집전체는 단순히 작동 이온의 금속일 수 있다. 일부 예에서, 집전체는 작동 이온의 금속과 다른 금속의 합금일 수 있다. 애노드(30)는 집전체와 실질적으로 동일할 수 있다. 일부 구체예에서, 애노드(30)는 집전체 외의 물질 또는 상이한 물질을 포함할 수 있다.
전해질(40)은 고체 전해질일 수 있으며, 단독으로 또는 액체 또는 폴리머 전해질과 함께 사용될 수 있다. 따라서, 전해질(40)은 애노드(30)에 비해 캐소드(20)에서 동일하거나 상이한 조성을 가질 수 있다. 고체 전해질은 유기-액체 전해질의 이온 전도도와 견줄만한 이온 전도도 및 서로 평행하게 배향될 수 있는 고체 전해질의 전기 쌍극자와 관련된 큰 유전 상수를 가질 수 있다.
특히, 고체 전해질은 수-용매화될 수 있고, 1가 양이온, 예컨대 Li+, Na+, 또는 H+ 또는 이들의 혼합물을 전도할 수 있는 유리 또는 비정질 고체일 수 있다. 고체 전해질은 전자 절연체일 수 있다. 고체 전해질이 Li+, Na+ 또는 이들의 혼합물을 전도할 때, 고체 전해질은 건조될 수 있다. 고체 전해질이 H+를 전도할 때, 고체 전해질은 건조되지 않을 수 있다. 이러한 전해질은 PCT/US2016/036661에 상세히 기재되어 있으며, 이는 본원에 그 전체가 참고로 포함된다.
Li+, Na+ 또는 이들의 혼합물을 전도하는 건조된 수-용매화된 유리/비정질 고체는 결정질 나트륨 이온(Na+) 또는 결정질 리튬 이온(Li+) 전자 절연체(또는 그 구성 전구체가 산소(O), 하이드록사이드(OH) 또는 적어도 하나의 할라이드에 결합된 적어도 하나의 Na+ 또는 Li+를 수-용매화된 유리/비정질 Na+ 또는 Li+ 이온-전도성 고체에 포함함)를 유리/비정질 고체의 수 용매화 한계 또는 그 미만의 양으로 물을 첨가하여 변형시킴으로써 형성될 수 있다. 유리-형성 산화물, 설파이드 또는 하이드록사이드를 또한 첨가할 수 있고, 형성된 물질을 가열하여 휘발성 성분을 방출시킬 수 있다. 결정질 전자 절연체 또는 이의 구성 전구체는 일반식 A3- xHxOX(여기서, 0≤x≤1, A는 적어도 하나의 알칼리 금속이고, X는 적어도 하나의 할라이드임)를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 또한, 옥사이드, 하이드록사이드, 및 설파이드 중 적어도 하나, 또는 적어도 두 개를 포함하는 유리-형성 첨가제를 포함할 수 있다. 유리-형성 첨가제는 Ba(OH)2, Sr(OH)2, Ca(OH)2, Mg(OH)2, Al(OH)3, 또는 BaO, SrO, CaO, MgO, Al, B2O3, Al2O3, SiO2, S 및 Li2S 중 적어도 하나, 또는 적어도 두 개를 포함할 수 있다. 건조된 수-용매화된 유리/비정질 고체는 2몰 퍼센트 미만의 유리-형성 첨가제를 포함할 수 있다. 유리-형성 첨가제는 수-용매화된 유리/비정질 고체의 유리 전이 온도 Tg를 조절할 수 있다. 할라이드는 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I), 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 할라이드의 적어도 일부는 수-용매화된 유리/비정질 고체를 하이드로겐 할라이드 가스로서 배출할 수 있다. 하이드록사이드는 반응하여 수-용매화된 유리/비정질 고체를 가스상 H2O로서 배출하는 H2O를 형성할 수 있다.
H+-전도성 수-용매화된 전해질은 적어도 하나의 산성 다가음이온에 결합된 적어도 하나의 알칼리 또는 알칼리 토금속 양이온을 포함하는 결정질 물질을, 물이 양이온과 배위 결합하여 다가음이온을 형성하는 하이드록사이드(OH-) 음이온으로 해리되고, 물이 또한 산성 옥사이드 및 다가음이온의 골격에서 이동할 수 있는 양성자(H+)로 해리될 수 있도록 결정질 물질의 용매화 한계 또는 그 미만의 양으로 물을 첨가하여 유리/비정질 고체로 변환시킴으로써 형성될 수 있다. 산성 다가음이온은 (SO4)2- 또는 (PO4)3- 또는 이둘 모두를 포함할 수 있다.
H+-전도성 수-용매화된 유리/비정질 고체는 또한 물을 결정질 전자 절연체의 수용매화 한계 또는 그 미만의 양으로 첨가함으로써 적어도 하나의 산성 다가음이온 및 적어도 하나의 양이온을 포함하는 결정질 전자 절연체를 수-용매화된 유리/비정질 양성자(H+)-전도성 고체로 변환시킴으로써 형성될 수 있다. 양이온(들)은 안정한 하이드록사이드 다가음이온(들)의 형태로 안정화될 수 있다. 산성 다가음이온은 포스페이트(PO4)3 - 다가음이온 또는 설페이트(SO4)2 - 다가음이온 또는 (SiO4)4- 다가음이온 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 양이온은 바륨(Ba2 +) 이온, 칼륨(K+) 이온, 루비듐(Rb+) 이온, 또는 세슘(Cs+) 이온 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 안정한 하이드록사이드 다가음이온은 (Ba(OH)x)2-x, (K(OH)x)1-x, (Rb(OH)x)1-x 또는 (Cs(OH)x)1-x 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
캐소드(20)는 캐소드 집전체(70)를 포함한다. 캐소드 캐소드(20)는 또한 캐소드 집전체(70)와 전자 접촉하는 촉매적 레독스-센터-릴레이(60)를 포함할 수 있다. 촉매적 레독스-센터-릴레이(60)는 캐소드 집전체(70)를 덮는 코팅 또는 층일 수 있다. 촉매적 레독스-센터-릴레이(60)는 작동 이온이 캐소드 집전체(70)를 도금하게 할 수 있다. 촉매적 레독스-센터-릴레이(60)는 원소, 예컨대 황(S), 분자, 예컨대 페로센(Fe(C5H5)2), 또는 가변성 화합물, 예컨대 리튬 이온 포스페이트(LixFePO4, 여기서 0 ≤ x ≤ 1)을 포함할 수 있다.
캐소드(20)는 집전체 상에 표면 전도성 막(미도시됨), 예컨대 탄소를 추가로 포함할 수 있다.
캐소드(20), 애노드(30), 및 전해질(40)에 사용하기에 적합한 물질은 배터리 및 물질의 전기 및 화학 에너지 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 전반적으로, 작동 이온이 캐소드 집전체(70), 또는 존재하는 경우 캐소드 집전체(70)의 표면을 덮는 전도성 막으로 도금될 수 있도록 물질의 특성이 조합된다. 특정 분자(들), 막, 또는 첨가 입자일 수 있는 촉매적-센터-릴레이(60)는 존재하는 경우, 금속 도금을 더 용이하게 할 수 있다.
방전시, 배터리는 전압 V dis 에서 전류 I dis 를 전달하여 두 전극 사이의 화학 반응을 완료하는 데 걸리는 시간 Δt dis 동안 전력 P dis (P dis = I dis V dis )를 제공한다. 정전류 I dis = dq/dt(q = 충전 상태)에서 전력 P dis 로서 전달되는 화학 에너지의 셀 밀도는 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
상기 식에서, Q(I dis )는 셀 커패시티이다. 개방-회로 전압 Voc는 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00004
개방-회로 전압은 애노드 및 캐소드에서의 전기화학적 전위 μA와 μC 간의 차이를 전자 전하 e의 크기 e로 나눈 값이다. 셀 내부의 옴 손실(ohmic loss) η dis (I)는 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00005
상기 식에서, R b,dis 는 방전시 셀 내부의 셀 화학 반응의 이온성 성분의 이동에 대한 전체 내부 저항이다. 전해질에 의해 이동되는 양이온이 셀의 작동 이온이고, R b = R ct + R i 는 전극/전해질 계면을 가로지르는 작동 양이온(또는 그 전구체)의 전하 이동에 대한 저항, R ct 및 전해질에서 작동 양이온의 이동성에 대한 저항, R i 을 포함한다.
일차 배터리 셀의 화학 반응은 충전 전력 P ch = I ch V ch 의 적용시 가역적이지 않고, 이차 배터리 셀의 화학 반응이 가역적이며, 여기서
Figure pct00006
및
Figure pct00007
이다.
이차(재충전 가능한) 배터리 셀의 전기-에너지 저장 효율은 P dis /P ch 이다. 이차 배터리의 한 전극 또는 양 전극에서 비가역적 화학 반응은 연속적인 충전/방전 사이클 횟수(n+1) 및 n으로 셀 커패시티 Q(I)의 손실을 도입한다. 쿨롱 효율 Q(I) n+1 /Q(I) n 은 ΔE dis 가 그 초기 값의 80%로 감소되기 전에 이차 배터리 셀의 사이클 수명을 결정한다.
배터리 내부의 이온 전도도는 외부 회로에서의 전기 전도도보다 작은 자릿수이기 때문에, 배터리 셀은 일반적으로 큰 표면적의 전극-전해질 접촉으로 애노드/얇은 전해질/캐소드 셀로서 제작되며, 여기서 각각의 전극은 또한 전자를 전극으로부터 외부 회로로, 또는 외부 회로로부터 전극으로 전달하기 위해 금속 집전체와 접촉한다. 셀의 두 전극이 충전 및 방전시 체적을 변화시키며, 한쪽은 전극과 집전체 사이에 강한 계면을 유지하고, 다른 한쪽은 전극과 전해질이 화학 반응을 유지시키는 것과 관련이 있다. 체적 제한은 전극이 작동 이온이 삽입되거나 가역적으로 합금되거나, 변환 반응이 일어나는 작은 입자로 구성되는 전기 도로 차량에 전원을 공급하는 배터리의 성능 지수인 전극 체적 커패시티 Q(I)를 제한할 수 있다.
배터리 셀의 전해질은 액체, 폴리머, 유리, 세라믹 또는 이들의 복합 조합물일 수 있다. 수천회의 충전/방전 사이클 동안 전극 또는 다른 전해질과 양호한 계면을 유지하는 기계적으로 견고하고 유연한 전해질을 구성하는 것이 요구된다. 유리 또는 세라믹 고체 전해질이 폴리머 또는 액체 전해질보다 고체 전극과 접촉하는 경우 구성에 보다 많은 어려움이 있을 수 있다. 유리 또는 세라믹 전해질의 복합체는 가요성 폴리머로 제조되어, 견고하고, 유연한 복합체를 만들 수 있다. 전극이 도금되고 스트립핑된 금속이거나, 전극이 금속 집전체인 경우, 도금이 강한 계면 결합을 포함하고, 계면에 대해 수직인 치수만 변화시킬 수 있기 때문에 고체-고체 접촉은 다수의 충전/방전 사이클에 대해 안정할 수 있다. 전극이 작동 이온과 합금되거나, 작동 이온에 의해 변환되거나, 작동 이온에 의해 삽입되는 고체 입자인 경우, 체적 변화는 3차원일 수 있고, 고체 입자는 우선적으로 액체 또는 폴리머 전해질일 수 있다. 릴레이 또는 전극이 가용성 레독스 분자인 경우, 레독스 분자는 사용된 용매 중에서 캐소드 집전체와 접촉할 수 있다.
통상적인 배터리는 H+ 이온을 전도하는 수성 전해질을 사용할 수 있으며, 물의 수소-발생 반응과 산소 발생 반응 사이의 에너지 갭은 1.23eV이며, 이는 수성 전해질의 안정된 저장 수명을 방전 전압 V(q) ≤ 1.5V으로 제한할 수 있다.
Li+, Na+, 또는 K+ 이온을 전도하는 유기-액체 전해질은 긴 사이클 수명으로 안정된 방전 전압 V(q) ≤ 3.0V를 가질 수 있다. 보다 높은 V(q)를 갖는 유가-액체-전해질 배터리는 전극-전해질 반응을 부동화시키기 위해 이차 배터리 셀의 한 전극 또는 양 전극의 표면 상에 부동화 고체-전해질 계면(SEI) 층의 형성을 필요로 하며, 이 경우 μA > LUMO 및/또는 μC < HOMO이다. 전해질의 LUMO 및 HOMO는 각각 전해질의 최저 비점유 및 최고 점유 분자 오비탈이다. 에너지 갭 E g = LUMO ― HOMO는 전해질의 에너지 윈도우로서 지칭된다.
도 2는 에너지 갭 Eg = LUMO - HOMO를 갖는 전해질 에너지 윈도우를 지닌 안정된 배터리의 개략적인 에너지 프로파일을 나타낸다. 애노드의 페르미 에너지는 μA < LUMO이고, 캐소드의 페르미 에너지는 μC > HOMO이다. 부동화 SEI 층이 전극 표면에 제공되지 않는 한, 페르미 에너지 μA > LUMO는 전해질을 환원시킬 것이고, 페르미 에너지 μC < HOMO는 캐소드를 산화시킬 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, μ A > LUMO를 갖는 애노드는 전해질을 환원시킬 수 있고, μ C < HOMO를 갖는 캐소드는 전해질을 산화시킬 수 있다. 그러나, 고체 전해질(폴리머, 유리, 세라믹, 또는 이들의 조합물)은 전극-전해질 계면에서 임의의 부동화 SEI 없이 고전압의 안전한 배터리 셀을 제공하기 위해 알칼리-금속 애노드의 μ A 보다 더 높은 에너지에서 LUMO 및 고전압 캐소드의 μ C 보다 낮은 에너지에서 HOMO로 큰 E g 를 가질 수 있다.
그러나, 알칼리 금속 애노드를 갖는 종래의 전고체 배터리는 전극-전해질 계면이 세라믹 전해질로 달성하기가 어렵기 때문에 커패시티, 충전/방전 속도 및 사이클 수명이 제한적이다. 캐소드 상의 계면은, 캐소드가 불량한 전기 전도도를 완화시키기 위한 작은 입자 및 사이클링 동안 큰 체적 변화로 구성되는 경우 달성하기가 특히 어려울 수 있다. 세라믹 고체 전해질에서 작동 이온의 전도도는 극히 얇은 전해질이 사용되었을 정도로 매우 낮을 수 있다. 폴리머 고체 전해질은 실온에서 작동-이온 전도도가 너무 낮아서 대규모 배터리 적용을 위한 유기-액체 전해질을 갖는 셀과 경쟁적인 전고체 배터리 셀을 제공하지 못할 수 있다.
본 개시내용은 알칼리 금속에 의해 도금될 수 있는 알칼리-금속 애노드 또는 금속성 애노드 집전체와 접촉하는 고체 전해질을 포함하는 안전한 배터리 셀을 제공한다. 고체 전해질은 알칼리 금속에 의해 습윤되고, LUMO > μA를 갖는다. 알칼리 금속은 페르미 에너지 μ cc < μ A 로 캐소드 집전체 상에 또는 μ cc < μ f < μ A 로 전기화학 전위 μ f 를 갖는 집전체 상의 탄소와 같은 표면 전도성 막 상에 도금될 수 있다. 임의로, μ cc < μ ox < μ f 일때, 레독스 μ ox 를 갖는 촉매적 릴레이가 사용될 수 있다. 촉매적 릴레이(분자, 막, 입자)는 집전체와 전자 접촉하게 할 수 있고, 방전 전압에서 캐소드로서 도금하기 위해 집전체(표면 막 있음/없음)에 작동 이온을 릴레이하기 전에 셀에서 작동 이온을 환원시킬 수 있다. 촉매적 릴레이는 표면 막이 집전체에 존재하거나 않거나 간에 사용될 수 있다.
Figure pct00008
e는 전자 전하의 크기이다.
알칼리-금속 애노드는 액체, 폴리머, 세라믹, 또는 알칼리 금속에 의해 습윤되는 표면을 갖는 유리/비정질 전해질에 의한 덴드라이트 형성 없이 가역적으로 도금되거나 스트립핑될 수 있다. 유리/비정질 Li+ 또는 Na+ 고체 전해질(Li-유리 또는 Na-유리)은 유기-액체-전해질의 전도도에 견줄만한 작동-양이온 전도도를 가질 수 있다. 유리/비정질 고체 전해질은 알칼리-금속 애노드에 의해 습윤될 수 있고, 큰 유전 상수를 제공하기 위해 서로 평행하게 배향될 수 있는 고농도의 전기 쌍극자를 함유할 수 있다. Li-유리 및 Na-유리 전해질은 도 3-8과 관련하여 기술된 본 기재내용의 4개의 구체예를 실시하기 위해 환원되었다.
알칼리 금속에 의해 습윤되지 않은 알칼리 금속의 금속성 집전체로의 도금은 작동 양이온이 집전체에 도달하기 전에 환원되는 경우에 덴드라이트-비함유일 수 있다. 캐소드 도금을 위한 촉매적 레독스-센터 릴레이가 레독스 에너지 μ ox > μ cc (여기서, μ cc 는 금속 집전체의 전기화학 전위(페르미 에너지)임)를 갖는 경우, 배터리 방전 중에 애노드로부터 또는 수퍼커패시터 방전 중 집전체로부터 전자가 레독스 릴레이 센터를 통해 작동 양이온으로 갈 수 있다. 도금-배터리/수퍼커패시터 셀에 의해 실현될 수 있는 개방-회로 전압은 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00009
레독스-릴레이가 집전체 상의 알칼리 금속을 도금하는데 요구되는 경우, 개방-회로 전압은 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00010
레독스-센터 릴레이가 요구되지 않는 경우; e는 전자 전하의 크기이다. 그러므로, 셀 개방-회로 전압 V oc 를 최적화하기 위해, 금속성 집전체는 저-에너지 μ cc , 예컨대 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 은(Ag), 금(Au), 또는, 대안적으로, 금속성 화합물, 예컨대 전이-금속 옥사이드 또는 설파이드로 선택될 수 있다.
본원에서 기술된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀은 화학 에너지로서 높은 커패시티의 전기-에너지 저장 및 사이클 수명이 길고 저장 효율이 100%에 가까운 초고속 정전기 에너지 저장의 충분한 커패시티를 갖는 안전한 고전압 배터리 셀을 제공할 수 있다. 기재된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀은 Li-유리 또는 Na-유리 전해질을 갖는 전고체 도금-배터리/수퍼커패시터 셀이다. 본원에서 기재된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀은 집전체와 전자 접촉하게 하는 촉매적 레독스-센터-릴레이의 도움으로 금속성 집전체 상에 덴드라이트를 형성하지 않는 배터리 셀을 제공할 수 있다. 본원에서 기재된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀은 임의로 일차 배터리 셀을 제공하기 위해 셀의 작동 양이온을 환원시키고, 도금을 위한 캐소드 집전체에 작동 양이온을 릴레이하는 촉매적 레독스 센터를 사용하여, 애노드의 전기화학 전위(페르미 에너지)보다 낮은 전기화학 전위의 캐소드 집전체 상에 애노드 금속을 도금함으로써 방전되는 알칼리-금속 애노드에서의 화학 에너지로서 전력을 저장하는 신규한 도금-배터리 셀을 제공할 수 있고, 알칼리 금속은 이차 배터리 셀을 제공하기 위해 충전시 애노드로 되돌아갈 수 있다. 본원에서 기재된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀은 금속 도금 배터리에서와 같은 화학 에너지로서 전기를 저장하는 것과 수퍼커패시터에서와 같이 정전기 에너지로서 전력을 저장하는 것을 결합시키는 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀을 제공할 수 있다. 본원에서 기재된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀은 저장된 전력이 주로 정전기 에너지지만, 또한 애노드 집전체 상의 금속으로서 전해질의 작동 양이온을 도금시킴으로써 저장되는 상이한 페르미 에너지의 애노드 및 캐소드 집전체를 포함하는 셀을 제공할 수 있다. 방전시 부하 저항 R L 및 내부 배터리 저항 R b,dis 를 사용하여, 적용된 외부 열에 의해 에너지 I dis (R L + R b,dis )가 공급되는 경우, 도금된 애노드의 양은 고정된 채로 유지되어 부하를 통해 연속적인 방전 전류 I dis 를 셀에 제공할 수 있다. 셀이 병렬인 배터리는 적당한 온도에서 지속적인 작동 출력 I dis R L 을 제공하기에 충분히 작은 I dis 를 가질 수 있다.
본원에서 기재된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀은 임의로 하나 또는 두 전극에 접촉하는 액체 또는 폴리머와 함께, 유기-액체 전해질의 전도도에 견줄만한 이온 전도도 및 서로 평행하게 배향될 수 있는 전기 쌍극자와 관련된 큰 유전 상수를 갖는 고체 전해질을 사용하는 도금-배터리/수퍼커패시터 셀일 수 있다. 본원에서 기재된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀은 이차 도금-배터리/수퍼커패시터 셀, 고-커패시티의, 일차 도금-배터리/수퍼커패시터 셀, 또는 애노드 집전체 상에 도금된 금속의 양이온이 전해질에 의해 제공되는 금속 도금 배터리에서 전기 에너지의 저장을 가능하게 할 수 있다.
본원에서 기재된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀에서, 셀의 방전 및 충전 전류는 열에 의해 증가될 수 있고, 이는 전해질의 이온 저항 R i 및 전극-전해질 및 존재하는 경우, 임의의 전해질-전해질 계면을 가로지는 전하-이동 저항을 감소시킨다.
본원에서 기재된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀에서, 집전체 상의 알칼리 금속의 도금이 제공되며, 이때 집전체는 도금 배터리 셀의 캐소드에서 구리이다(도 3-6).
도 3은 방전 전압 대 황(S) 릴레이를 함유하는 Li/Li-유리/Cu 셀의 형태로 Li/S 셀의 커패시티의 플롯을 나타낸다. 도 3에서, 커패시티는 모든 S를 Li2S로 환원시키는 커패시티에 대해 도시되어 일차 셀로서 작용하는 셀의 커패시티가 S 릴레이를 Li2S로 환원시키기 보다는 애노드 리튬을 캐소드 상으로 도금하는 커패시티임을 보여준다.
도 4는 황 릴레이의 도움으로 캐소드 집전체 상에 애노드의 리튬의 90% 까지가 도금되는 것을 보여주는, 방전 전압 대 리튬 애노드의 커패시티에 대한 도 3의 Li/S 셀의 커패시티의 플롯을 나타낸다.
도 5는 대다수의 사이클에 대해 10 시간 충전, 2 시간 휴지, 10 시간 방전, 2 시간 휴지의 방전/충전 사이클을 갖는 도 3의 Li/S 셀에서 전력 저장의 저장 효율 및 쿨롱 효율의 플롯을 나타낸다. 도 5의 데이터 수집은 1000 시간 후에 진행된 것임이 주지된다.
도 6은 구리 집전체 상에 나트륨을 도금하기 위한 레독스 센터로서 페로센 분자를 갖는 Na/Na-유리/Cu 셀에서 전력 저장의 저장 효율 및 쿨롱 효율의 플롯을 나타낸다.
도 7은 전해질로부터 일부 Li+가 애노드 상에 도금되는 동안, 셀이 자가-충전되는, Li/S 셀의 충전/방전 전압 프로파일 대 시간의 플롯을 나타낸다. Li/S 셀에서, 애노드 상의 Li+의 도금은 저장된 정전기 에너지의 커패시티를 감소시키고, 이에 따라 각각의 연속 사이클 마다 전압을 감소시킨다. 자가-충전에서 방전까지의 전압 플롯 상의 데이터 포인트는 빠른 초기 전압 변화(데이터 포인트를 얻을 수 없는 경우)에 이어 측정 가능한 전압 변화율을 나타낸다.
도 8은 알루미늄 애노드 상의 금속 리튬의 도금으로 인해 개방-회로에서 연속적인 자가-충전시 전력 저장의 쿨롱 효율에서 100% 넘게 증가하는 것을 나타내는 삽도를 보여주는, Al/Li-유리/Cu 셀의 충전/방전 전압 플롯이다.
본원에서 기재된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀에서, 리튬 애노드, 유리/비정질 전해질, 구리 집전체 및 집전체를 탄소와 접촉시키는 원소-황 레독스 센터 릴레이를 갖는 일차 도금-배터리 셀이 제공된다(도 3, 5, 7, 및 8).
본원에서 기재된 금속 도금-배터리/수퍼커패시터 셀에서, 나트륨 애노드, 페로센 레독스-센터 릴레이 및 구리 집전체(도 6)를 갖는 이차 도금-배터리/수퍼커패시터가 제공되고, 제조시 알루미늄 집전체로의 리튬 첨가가 없는, 알루미늄 애노드 집전체 및 구리 캐소드 집전체를 갖는 Li-유리 셀이 기술된다(도 8).
본 개시내용은 알칼리-금속 양이온이 레독스 물질 상에 도금되거나 집전체로 릴레이되기 전에 알칼리-금속 양이온을 환원시킬 수 있는 집전체와 접촉하는 레독스 물질의 도움으로 일반적으로 알칼리-금속에 의해 습윤되지 않는 금속 집전체 상에 덴드라이트 없이 알칼리 금속을 도금하는 방법을 제공한다.
본 개시내용은 또한 전해질로부터 알칼리-금속 상에 덴드라이트 없이 도금될 수 있고, 레독스 중개 물질의 도움으로 애노드의 에너지보다 낮은 에너지에서 페르미 에너지를 갖는 캐소드 집전체 상에 도금될 수 있는 알칼리-금속 애노드를 사용하는, 일차 또는 이차의 금속 도금-배터리 셀을 포함한다. 금속 도금-배터리 셀의 임의의 기술된 구체예에서, 캐소드 집전체 상의 도금은 레독스 물질 중개물의 도움 없이 수행될 수 있다. 금속 도금-배터리 셀은 레독스 중개물(redox intermediary)로서 황을 사용할 수 있다. 금속 도금-배터리 셀은 레독스 중개물로서 페로센을 사용할 수 있다. 금속 도금-배터리 셀은 레독스 중개물로서 규소를 사용할 수 있다. 금속 도금-배터리 셀은 레독스 중개물로서 설파이드를 사용할 수 있다. 금속 도금-배터리 셀은 레독스 중개물로서 옥사이드를 사용할 수 있다. 금속 도금-배터리 셀은 고체-유리 전해질을 사용할 수 있고, 전력의 화학적 및 정전기적 저장을 결합한다. 금속 도금-배터리 셀은 캐소드 집전체로서 금속성 화합물을 사용할 수 있다. 금속 도금-배터리 셀은 집전체 상의 전극의 도금을 보조하기 위해 집전체 상에 탄소를 사용할 수 있다. 금속 도금-배터리 셀은 캐소드-집전체 표면 상에 금 막을 사용할 수 있다. 금속 도금-배터리 셀은 캐소드 집전체 상에 옥사이드 막을 사용할 수 있다. 금속 도금-배터리 셀은 도금-배터리/수퍼커패시터 이차 배터리 셀에서 사용될 수 있다. 금속 도금-배터리 셀은 도금-배터리 또는 도금-배터리/수퍼커패시터 셀에서 사용될 수 있다.
본 개시내용은 또한 캐소드 집전체의 페르미 에너지보다 더 높은 페르미 에너지의 애노드 집전체, 및 충전시 애노드 상에 전해질 작동 이온의 일부를 도금함으로써 정전기 에너지로서, 그리고 화학 에너지로서 전력을 저장하는, 높은 유전 상수를 갖는 고체 Li+ 또는 Na+ 유리/비정질 전해질을 함유하는 전기화학 셀을 포함한다. 개방-회로 전압에서, 애노드 상의 작동 이온의 도금은 자가-충전에 의해 진행되어 셀 방전의 커패시티를 증가시킬 수 있다. 전기화학 셀은 알루미늄 애노드 및 구리 캐소드를 가질 수 있다. 전기화학 셀에서, 작동 이온의 금속은 애노드 집전체에 첨가될 수 있다. 전기화학 셀에서, 캐소드 집전체는 구리(Cu), 아연(Zn), 은(Ag), 금(Au), 규소, 설파이드, 또는 옥사이드일 수 있다. 전기화학 셀에서, 큰 표면적의 전자 전도성 물질이 정전기 전하의 저장을 위해 전극-전해질 접촉 면적을 증가시키기 위한 집전체일 수 있다. 전기화학 셀은 LED 또는 전자 디바이스와 같은 작은 저항 R L 의 외부 회로에서 부하, 및 또한 I dis (R L + R b,di s) 손실이 열에 의해 외부에서 공급되는 에너지보다 적음으로써, 연속적인 I dis 가 생성되도록 작은 내부 배터리 저항 R b,dis 을 가질 수 있다.
상기 기재된 요지는 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한적이지 않으며, 첨부되는 청구 범위는 본 개시내용의 진정한 사상 및 범위 내에 있는 모든 변경, 개선 및 그 밖의 구체예를 포함하도록 의도된다. 따라서, 법률에 의해 허용되는 최대 범위까지, 본 개시내용의 범위는 하기의 청구 범위 및 그 등가물에 대해 가장 넓은 허용 가능한 해석에 의해 결정되며, 상기 상세한 설명에 의해 구속되거나 제한되지 않아야 한다.

Claims (25)

  1. 애노드 페르미 에너지(anode Fermi energy)를 갖는 알칼리 금속 애노드;
    일반식 A3-xHxOX(여기서, 0≤x≤1, A는 알칼리 금속이고, X는 적어도 하나의 할라이드임)을 갖는, 알칼리 금속을 전도할 수 있는 전자 절연성의 비정질의 건조된 고체 전해질; 및
    애노드 페르미 에너지보다 낮은 캐소드(cathode) 페르미 에너지를 갖는 캐소드 집전체를 포함하는 캐소드를 포함하는 배터리를 포함하는, 전기화학적 저장 셀(electrochemical storage cell)로서,
    전기화학적 저장 셀의 작동 중에, 알칼리 금속이 고체 전해질로부터 덴드라이트(dendrite)-비함유로 알칼리 금속 애노드 상으로 도금되도록 작동 가능하고,
    전기화학적 저장 셀의 작동 중에, 알칼리 금속이 캐소드 집전체 상에 도금되도록 추가로 작동 가능한, 전기화학적 저장 셀.
  2. 제1항에 있어서, 알칼리 금속이 리튬(Li)인, 전기화학적 저장 셀.
  3. 제1항에 있어서, 알칼리 금속이 나트륨(Na)인, 전기화학적 저장 셀.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 전해질이 옥사이드, 하이드록사이드, 및 설파이드 중 적어도 하나를 포함하는 유리-형성 첨가제를 추가로 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 전해질이 옥사이드, 하이드록사이드, 및 설파이드 중 적어도 두 개를 포함하는 유리-형성 첨가제를 추가로 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 전해질이 Ba(OH)2, Sr(OH)2, Ca(OH)2, Mg(OH)2, Al(OH)3, 또는 BaO, SrO, CaO, MgO, Al, B2O3, Al2O3, SiO2, S, 및 Li2S 중 적어도 하나를 포함하는 유리-형성 첨가제를 추가로 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 전해질이 Ba(OH)2, Sr(OH)2, Ca(OH)2, Mg(OH)2, Al(OH)3, 또는 BaO, SrO, CaO, MgO, Al, B2O3, Al2O3, SiO2, S, 및 Li2S 중 적어도 두 개를 포함하는 유리-형성 첨가제를 추가로 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 전해질이 2몰 퍼센트 미만의 유리-형성 첨가제를 추가로 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 전해질로 인해, 배터리가 화학적 및 정전기적 둘 모두로 전력을 저장하도록 작동 가능한, 전기화학적 저장 셀.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리의 컨텍스트(context)를 벗어나, 캐소드 집전체가 일반적으로 알칼리 금속에 의해 습윤되지 않는, 전기화학적 저장 셀.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 캐소드 집전체가 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 또는 금(Au) 금속, 또는 이들의 합금을 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 캐소드가 캐소드 집전체 상의 알칼리 금속 도금을 보조하는 탄소를 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 캐소드가 고체 전해질에 인접한 캐소드 집전체 표면 상에 금 막을 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 캐소드가 고체 전해질에 인접한 캐소드 집전체 표면 상에 옥사이드 막을 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리가 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질(catalytic redox-center-relay material)을 추가로 포함하고, 전기화학적 저장 셀의 작동 중에, 알칼리 금속이 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질의 도움으로 캐소드 집전체 상에 도금되도록 추가로 작동 가능한, 전기화학적 저장 셀.
  16. 제15항에 있어서, 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질이 황을 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  17. 제15항에 있어서, 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질이 페로센(ferrocene)을 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  18. 제15항에 있어서, 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질이 규소를 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  19. 제15항에 있어서, 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질이 설파이드를 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  20. 제15항에 있어서, 촉매적 레독스-센터-릴레이 물질이 옥사이드를 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 개방 회로-전압(open circuit-voltage)에서, 알칼리 금속의 이온이 고체 전해질로부터 애노드 상으로 도금되어 배터리를 자가-충전시키는, 전기화학적 저장 셀.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리가 일차 배터리인, 전기화학적 저장 셀.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리가 이차 배터리인, 전기화학적 저장 셀.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 수퍼커패시터(supercapacitor)를 추가로 포함하는, 전기화학적 저장 셀.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리가 저항 R L 을 갖는 전자 디바이스(electronic device)에 접속되는 경우, 손실 I dis = R L + R b,dis 가 열에 의해 외부적으로 공급되는 에너지보다 적음으로써 연속적인 I dis 를 생성하도록 내부 배터리 저항 R b,dis 를 갖는, 전기화학적 저장 셀.
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