보호된 활성 금속 전극 및 비수성 중간층 구조물을 가진배터리 전지 구조 document_id A220623031035

리튬 같은 알칼리 금속의 낮은 당량(equivalent weight)은 그들이 배터리 전극 구성요소로서 특히 매력적이게 한다. 리튬은 전통적인 배터리 표준인 니켈 및 카드뮴보다 큰 체적당 에너지를 제공한다. 불행히도, 어떠한 재충전가능한 리튬 금속 배터리도 아직 상용화에 성공하지 못하고 있다. 재충전가능한 리튬 금속 배터리의 실패는 주로 전지 사이클링 문제에서 기인한다. 반복적인 충방전 사이클시, 리튬 금속 전극으로부터, 전해질을 통해, 리튬 "덴드라이트(dendrite)"가 점차적으로 성장하여, 결국에는 양극에 접촉한다. 이는 배터리 내의 내부 단락을 유발하여, 비교적 소수의 사이클 이후에 배터리를 사용 불가능하게 만든다. 사이클링 동안, 리튬 전극은 또한 "이끼형상(mossy)" 덴드라이트를 성장시킬 수 있으며, 이 이끼형상 덴드라이트는 음극으로부터 분리되어 배터리 용량을 감소시킬 수 있다. 액체 전해질 시스템 내에서의 리튬의 열악한 사이클링 거동을 해결하기 위해, 일부 연구자는 리튬 음극의 전해질 대면측을 "보호층"으로 코팅하는 것을 제안하여 왔다. 이러한 보호층은 리튬 이온을 전도하여야 함과 동시에, 리튬 전극 표면과 벌크 전해질 간의 접촉을 방지하여야 한다. 보호층을 적용하기 위한 다수의 기술은 성공을 거두지 못하고 있다. 일부의 고안된 리튬 금속 보호층은 리튬과 접촉하는 전지의 전해질 내의 화합물과 리튬 금속 간의 반응에 의해 인 시튜(in situ)로 형성된다. 대부분의 이들 인 시튜 막은 배터리가 조립된 이후, 제어된 화학 반응에 의해 성장된다. 일반적으로, 이러한 막은 일부 전해질이 노출된 리튬 금속면에 침투할 수 있게 하는 다공성 형상을 갖는다. 따라서, 이들은 리튬 전극을 적절히 보호하지 못한다. 다수의 예비성형된 리튬 보호층이 고안되어 왔다. 예를 들어, 미국 특허 제5,314,765호[1994년 5월 24일자로 베이츠(Bates)에게 허여됨]는 스퍼터링된 리튬 인 산질화물("LiPON") 또는 관련 재료의 박층을 포함하는 리튬 전극을 제조하기 위한 엑스 시튜(ex situ) 기술을 설명한다. LiPON은 유리질 단일 이온 전도체(리튬 이온을 전도)이며, 이는 실리콘 상에 제조되어 집적 회로에 급전하도록 사용되는 고상 리튬 마이크로배터리를 위한 잠재적 전해질로서 연구되어 왔다(모두 베이츠에게 허여된 미국 특허 제 5,597,660호, 제 5,567,210호, 제 5,338,625호 및 제5,512,147호 참조). 본 출원인의 실험실 내에서의 연구는 활성 금속 배터리 전극 내에서의 LiPON과 같은 유리질 또는 비정질 보호층의 사용을 위한 기술을 개발하여 왔다(예를 들어, 모두 폴리플러스 배터리사(PolyPlus Battery Company)가 출원인인, 2000년 2월 15일자로 허여된 미국 특허 제 6,025,094호, 2002년 6월 11일자로 허여된 미국 특허 제 6,402,795호, 2001년 4월 10일자로 허여된 미국 특허 제 6,214,061호 및 2002년 7월 2일자로 허여된 미국 특허 제 6,413,284호 참조). 수성(aqueous) 환경에서 리튬 음극(anode)을 사용하는 종래 시도들은 리튬 전극의 부식을 늦추는 수성의 진한 KOH의 사용과 같은 매우 염기성의 조건들을 사용하거나 리튬 전극 표면에 물의 확산을 막는 리튬 전극 상의 중합체 코팅의 사용에 의존한다. 그러나, 모든 경우에서 알칼리 금속 전극과 물의 실질적인 반응이 있었다. 이에 관해, 종래 기술은 물의 절연 파괴 전압이 약 1.2V 이며, Li/물 전지는 약 3.0V의 전압을 가질 수 있기 때문에 수성 양극(cathode) 또는 전해질과 리튬 금속과의 사용은 불가능함을 알려준다. 리튬 금속과 수성 용액 사이의 직접적인 접촉은 과격한 부가적 화학 반응을 일으켜 리튬 전극의 부식을 가져와 유용한 목적으로 사용될 수 없게 된다. 이와 같이, 리튬 금속 배터리 분야 연구의 핵심은 효과적인 비수성(대부분 유기성) 전해질 시스템에 대한 개발에 초점이 맞춰지고 있다.