리튬 이온 배터리용 합금 조성물 document_id A220623107131

재충전식 리튬 이온 배터리는 다양한 전자 장치 내에 포함된다. 가장 구매하기 쉬운 리튬 이온 배터리는 충전 동안 삽입(intercalation) 기작을 통하여 리튬 혼입이 가능한 흑연과 같은 재료를 포함하는 애노드를 갖는다. 그러한 삽입형 애노드는 일반적으로 우수한 사이클 수명(cycle life) 및 쿨롱 효율(coulombic efficiency)을 나타낸다. 그러나, 삽입형 재료의 단위 질량 당 혼입될 수 있는 리튬의 양은 상대적으로 적다. 충전 동안 합금 기작을 통하여 리튬이 혼입되는 제2 애노드 재료 부류가 공지되어 있다. 이들 합금형 재료는 흔히 삽입형 재료보다 단위 질량 당 보다 많은 양의 리튬이 혼입될 수 있지만, 합금에의 리튬의 첨가는 일반적으로 큰 부피 변화가 수반된다. 몇몇 합금형 애노드는 상대적으로 열등한 사이클 수명 및 쿨롱 효율을 나타낸다. 이들 합금형 애노드의 열등한 성능은 리튬화(lithiation) 및 탈리튬화(delithiation) 동안 2상(two-phase) 영역의 형성에 의해 생길 수도 있다. 2상 영역은 하나의 상이 다른 하나의 상보다 큰 부피 변화를 겪을 경우 합금 내에 내부 응력을 생성시킬 수 있다. 이러한 내부 응력은 시간이 지남에 따라 애노드 재료가 분해되게 할 수 있다. 또한, 리튬 혼입에 수반되는 큰 부피 변화는 전형적으로 애노드를 형성하는 합금, 전도성 희석 (예를 들어, 탄소) 입자, 및 결합제 사이의 전기적 접촉을 열화시킬 수 있다. 전기적 접촉의 열화는 다시 애노드의 사이클 수명에 걸친 용량 감소로 이어질 수 있다. 발명의 개요 합금 조성물, 리튬 이온 배터리, 및 리튬 이온 배터리의 제조 방법이 개시된다. 보다 구체적으로는, 리튬 이온 배터리는 비결정성인 합금형 물질을 포함하는 애노드를 갖는다. 전형적으로, 리튬 이온 배터리는 심지어 리튬화(lithiation) 및 탈리튬화(delithiation)의 반복된 사이클 후에도 유지될 수 있는 높은 초기 용량을 갖는다. 제1 태양에서, 캐소드, 애노드, 및 애노드와 캐소드 둘 모두와 전기적으로 연결되는 전해질을 포함하는 리튬 이온 배터리가 개시된다. 애노드는 (a) 주석, (b) 규소, 알루미늄 또는 그 조합을 포함하는 제2 원소, (c) 이트륨, 란탄족 원소, 악티늄족 원소 또는 그 조합, 및 선택적 알칼리 토류 원소를 포함하는 제3 원소, 및 (d) 선택적 전이 금속을 함유하는 비결정성 합금 조성물을 포함한다. 합금은 합금 조성물 중 리튬을 제외한 모든 원소의 총 몰수를 기준으로 주석을 1 내지 50 몰%의 양으로, 제2 원소를 20 내지 95 몰%의 양으로, 제3 원소를 3 내지 50 몰%의 양으로, 선택적 전이 금속을 0 내지 1 몰%의 양으로 포함한다. 제2 태양에서, 비결정성 애노드 조성물을 포함하는 애노드를 제공하는 단계, 캐소드를 제공하는 단계, 및 애노드와 캐소드 둘 모두와 전기적으로 연결되는 전해질을 제공하는 단계를 포함하는 리튬 이온 배터리의 제조 방법이 개시된다. 합금 조성물은 (a) 주석, (b) 규소, 알루미늄 또는 그 조합을 포함하는 제2 원소, (c) 이트륨, 란탄족 원소, 악티늄족 원소 또는 그 조합, 및 선택적 알칼리 토류 원소를 포함하는 제3 원소, 및 (d) 선택적 전이 금속을 함유한다. 합금은 합금 조성물 중 리튬을 제외한 모든 원소의 총 몰수를 기준으로 주석을 1 내지 50 몰%의 양으로, 제2 원소를 20 내지 95 몰%의 양으로, 제3 원소를 3 내지 50 몰%의 양으로, 선택적 전이 금속을 0 내지 1 몰%의 양으로 포함한다. 제3 태양에서, 합금 조성물이 개시된다. 이 합금 조성물은 비결정성이며, (a) 주석, (b) 규소, 알루미늄 또는 그 조합을 포함하는 제2 원소, (c) 이트륨, 란탄족 원소, 악티늄족 원소 또는 그 조합, 및 선택적 알칼리 토류 원소를 포함하는 제3 원소, 및 (d) 선택적 전이 금속을 함유한다. 합금은 합금 조성물 중 리튬을 제외한 모든 원소의 총 몰수를 기준으로 주석을 1 내지 50 몰%의 양으로, 제2 원소를 20 내지 95 몰%의 양으로, 제3 원소를 3 내지 50 몰%의 양으로, 선택적 전이 금속을 0 내지 1 몰%의 양으로 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "단수형" 용어는 기재되는 요소들 중 하나 이상을 의미하기 위한 "적어도 하나의"와 서로 바꾸어서 사용될 수 있다. "비결정성"이라는 용어는, x-선 회절을 사용하여 결정되는 바와 같이, 결정성 물질의 장거리 원자 정렬(long-range atomic order) 특성이 결여된 물질을 말한다. "전기화학적 활성"이라는 용어는 리튬 이온 배터리의 충전 및 방전 동안 전형적으로 직면하는 조건 하에서 리튬과 반응하는 물질을 말한다. 전기화학적 활성 물질은 일반적으로 금속 또는 합금의 형태이다. "전기화학적 불활성"이라는 용어는 리튬 이온 배터리의 충전 및 방전 동안 전형적으로 직면하는 조건 하에서 리튬과 반응하지 않는 물질을 말한다. 전기화학적 불활성 물질은 일반적으로 금속 또는 합금의 형태이다. "금속"이라는 용어는 금속 및 준금속(예를 들어, 규소 및 게르마늄) 둘 모두를 말한다. 금속은 흔히 원소 상태이다. "금속간" 화합물은 적어도 2개의 금속을 포함하는 화합물이다. "리튬화"라는 용어는 리튬을 합금 조성물에 첨가하는 과정을 말한다(즉, 리튬 이온이 환원됨). "탈리튬화"라는 용어는 리튬을 합금 조성물로부터 제거하는 과정을 말한다(즉, 리튬 원자가 산화됨). "충전"이라는 용어는 전기 에너지를 배터리에 제공하는 과정을 말한다. "방전"이라는 용어는 전기 에너지를 배터리로부터 제거하는 과정을 말한다(즉, 방전은 유용한 일을 하도록 배터리를 사용하는 과정임). "용량"이라는 용어는 활성 애노드 재료 (예를 들어, 합금 조성물)의 단위 질량 당 혼입될 수 있는 리튬의 양을 말한다. "비용량"(specific capacity)이라는 용어는 애노드 재료의 단위 질량 당 용량을 말하며, 밀리암페어-시간/그램(mAh/g)의 단위를 갖는다. "캐소드"라는 용어는 방전 과정 동안 전기화학적 환원이 일어나는 전극을 말한다. 방전 동안, 캐소드는 리튬화를 겪는다. 충전 동안, 리튬 원자가 이 전극으로부터 제거된다. "애노드"라는 용어는 방전 과정 동안 전기화학적 산화가 일어나는 전극을 말한다. 방전 동안, 애노드는 탈리튬화를 겪는다. 충전 동안, 리튬 원자가 이 전극에 부가된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "범위 내의 수"는 그 범위의 끝점들과, 끝점들 사이의 모든 수를 포함한다. 예를 들어, 1 내지 10의 범위의 수는 1, 10, 및 1과 10 사이의 모든 수를 포함한다. 상기의 개요는 본 발명의 각각의 개시된 실시 형태 또는 모든 구현예를 설명하려는 것은 아니다. 하기의 상세한 설명 부분은 이들 실시 형태를 더욱 구체적으로 예시한다.