실리콘 기반 음극을 사용하는 전고체 배터리(ASSB)는 기존 리튬이온 배터리(LIB)와 비교할 때 실행 가능한 에너지 저장 시스템으로 부상하고 있는데, 이는 1) 불연성 고체 전해질의 사용으로 용매에 의해 유발되는 부반응과 실리콘(Si)의 부피 팽창을 억제할 뿐 아니라 전반적인 안전성과 에너지 밀도를 향상시키기 때문이다. 2) 용매 무첨가 계면(interphase)으로 이루어진 전고체 충·방전 경로는 농도 분극을 감소시키고 계면 안정성을 향상시킨다. 그러나 상당한 연구상의 한계로 인해 이들 시스템의 광범위한 적용이 특히 급속 충전에 사용되는 기기에서 어렵다. 특히 ASSB의 에너지 밀도와 출력 밀도의 균형을 맞추는 데 있어 제약이 크다. 나노구조화된 Si, 복합 설계, 계면 공학과 같은 전략은 에너지 밀도와 사이클 수명을 개선해 왔지만, 높은 출력 밀도를 달성하는 일은 여전히 과제로 남아 Si 기반 전고체 배터리의 급속 충전 능력을 제한한다. 본 관점(perspective) 논문에서는 Si 기반 ASSB에서 높은 출력 밀도를 달성하기 위한 물질 수준과 전극 수준 모두에서의 제한 요인과 관련된 구체적 과제를 다루고자 한다. 이 관점 논문은 저 스택(stack) 압력 조건에서 구동되는 차세대 Si 기반 ASSB의 고율 유지율(high-rate retention)과 출력 밀도를 달성하기 위해 영향을 미치는 다양한 인자, 고장 메커니즘, 그리고 고급 최적화 전략에 대한 유용한 통찰을 제공할 것으로 기대되며, 이를 통해 기초 연구와 실제 적용 간의 격차를 해소하는 데 기여하고자 한다.

양극(cathode)은 뛰어난 성능을 보여 500회 사이클 후 85.2%의 용량 유지율을 달성하였으며, 1800회까지의 장기 사이클링 안정성도 입증하였다. 또한 우수한 레이트 성능을 나타냈는데, 2C에서 85.2%, 5C에서 76.3%, 10C에서 65.2%였다. 이러한 결과는 고에너지 밀도와 장주기 특성을 갖는 ASSLMB에서 그라디언트 구조의 중간층(interlayer)이 효과적으로 작동함을 보여준다.

카바이드 매개 촉매 수소분해에 의해 Fe 촉매상에서 결함 그래핀 쉘의 등온 성장에 대한 반응 경로를 규명하였다. 이러한 결함 그래핀 쉘은 가역적인 Li 도금/박리 거동을 촉진한다.

실리콘 기반 음극을 사용하는 전고체 배터리(ASSB)는 기존 리튬이온 배터리(LIB)와 비교할 때 실행 가능한 에너지 저장 시스템으로 부상하고 있는데, 이는 1) 불연성 고체 전해질의 사용으로 용매에 의해 유발되는 부반응과 실리콘(Si)의 부피 팽창을 억제할 뿐 아니라 전반적인 안전성과 에너지 밀도를 향상시키기 때문이다. 2) 용매 무첨가 계면(interphase)으로 이루어진 전고체 충·방전 경로는 농도 분극을 감소시키고 계면 안정성을 향상시킨다. 그러나 상당한 연구상의 한계로 인해 이들 시스템의 광범위한 적용이 특히 급속 충전에 사용되는 기기에서 어렵다. 특히 ASSB의 에너지 밀도와 출력 밀도의 균형을 맞추는 데 있어 제약이 크다. 나노구조화된 Si, 복합 설계, 계면 공학과 같은 전략은 에너지 밀도와 사이클 수명을 개선해 왔지만, 높은 출력 밀도를 달성하는 일은 여전히 과제로 남아 Si 기반 전고체 배터리의 급속 충전 능력을 제한한다. 본 관점(perspective) 논문에서는 Si 기반 ASSB에서 높은 출력 밀도를 달성하기 위한 물질 수준과 전극 수준 모두에서의 제한 요인과 관련된 구체적 과제를 다루고자 한다. 이 관점 논문은 저 스택(stack) 압력 조건에서 구동되는 차세대 Si 기반 ASSB의 고율 유지율(high-rate retention)과 출력 밀도를 달성하기 위해 영향을 미치는 다양한 인자, 고장 메커니즘, 그리고 고급 최적화 전략에 대한 유용한 통찰을 제공할 것으로 기대되며, 이를 통해 기초 연구와 실제 적용 간의 격차를 해소하는 데 기여하고자 한다.

양극(cathode)은 뛰어난 성능을 보여 500회 사이클 후 85.2%의 용량 유지율을 달성하였으며, 1800회까지의 장기 사이클링 안정성도 입증하였다. 또한 우수한 레이트 성능을 나타냈는데, 2C에서 85.2%, 5C에서 76.3%, 10C에서 65.2%였다. 이러한 결과는 고에너지 밀도와 장주기 특성을 갖는 ASSLMB에서 그라디언트 구조의 중간층(interlayer)이 효과적으로 작동함을 보여준다.

카바이드 매개 촉매 수소분해에 의해 Fe 촉매상에서 결함 그래핀 쉘의 등온 성장에 대한 반응 경로를 규명하였다. 이러한 결함 그래핀 쉘은 가역적인 Li 도금/박리 거동을 촉진한다.

, 초기 쿨롱 효율 92.0%, 200회 사이클 후 용량 유지율 88.9%(수십 회 사이클 후 쿨롱 효율 99.9%), 그리고 우수한 레이트 성능(5 C에서 76%).

슈퍼커패시터는 하이브리드 전기자동차와 휴대용 전자기기에서 에너지 저장용으로 널리 사용되는데, 이는 빠른 충·방전 속도, 긴 수명, 낮은 유지보수 때문이다. 본 연구는 인공신경망(ANN) 모델을 사용하여 탄소 기반 물질의 다양한 물리화학적 특성이 전기이중층 커패시터의 축전 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 데이터는 발표된 실험 데이터셋(300편이 넘는 문헌)에서 검색하여 ANN 모델을 구축하고 평가하는 데 활용하였다. 입력 변수들이 비정전용량(F/g)에 미치는 영향을 추정하기 위해 총 66개의 아키텍처를 개발하였다. 그중에서도 0.5/0.8 모멘텀 항/학습률 및 15,000번 반복을 갖는 13–9–9-1 아키텍처가 높은 정확도를 보이며 최소 오차를 나타냈다. 개발된 ANN 모델은 민감도 분석과 정성적 평가를 통해 입력 변수들이 비정전용량에 미치는 영향을 예측한다. 또한 본 연구의 결과는 모듈형 오픈소스 애플리케이션으로 구현되어, 입력으로 탄소 기반 전극의 특성만을 제공함으로써 축전용량을 추정할 수 있게 하였다. 아울러 본 연구는 발표된 연구 논문에서 추출한 슈퍼커패시터용 탄소 전극에 대한 새로운 포괄적 데이터셋을 제시하고, 전기화학 기술이 ANN으로부터 어떻게 이점을 얻을 수 있는지를 강조한다. • ANN 모델을 개발하여 탄소 기반 슈퍼커패시터의 비정전용량을 예측하였다. • 최적 아키텍처는 0.5 MT, 0.8 LR, 15,000번 반복을 갖는 13–9–9-1이었다. • ANN 모델의 시냅스 가중치를 기반으로 GUI를 생성하였다. • 입력 변수의 비정전용량에 대한 영향을 정량적으로 추정하였다.

최근 나트륨-이온 배터리(SIBs)는 천연 자원의 풍부함과 저비용성 덕분에 기존의 리튬-이온 배터리의 잠재적 대안으로서 상당한 주목을 받고 있다. 이러한 장점은 전기자동차 및 그리드 수준의 에너지 저장 시스템과 같은 대규모 에너지 저장 응용에 SIB를 특히 매력적으로 만들며, 해당 응용은 높은 에너지 밀도를 갖는 배터리를 요구한다. 그러나 이러한 응용은 양극, 음극, 전해질과 같은 핵심 물질들의 용량과 안정성이 동시에 확보되어야 한다는 점에 달려 있다. 본 연구에서는 고용량 합금 또는 전환형 물질과 탄소계 또는 세라믹 물질로 구성된 이종구조 음극을 제안하여 고용량 및 탄소계 음극에서의 문제를 해결하고자 한다. 이종구조 음극은 물질/전극의 견고성을 안정화하고 전극-전해질 계면을 조절하며 반응 동역학을 향상시키도록 설계되어, 고용량/고성능 음극 구현을 가능하게 한다. 다양한 음극의 전기화학적 반응/열화 메커니즘을 포괄적인 물리화학적/전기화학적 특성 분석과 사후(실패 후) 분석을 통해 심층적으로 조사하였다. 개발된 음극과 기존의 양극을 조합하여 조립한 전지(풀 셀)는 안정적인 성능을 나타내어 실제 응용 가능성을 보여주었다. 또한 이종구조 엔지니어링 전략은 실용적인 고에너지 밀도 SIB의 음극 설계에 대한 지침을 제공한다.

-40에서 60 °C까지의 넓은 온도 범위에서 동작하며, 탄산염 전해액에 비해 현저히 우수하다. 1.4 Ah 파우치 셀은 1150 사이클 이후 초기 용량의 80.0%를 유지하며, 300 °C까지 열적 안정성을 보인다. 본 연구는 고에너지 LIB를 위한 실용적인 전해액 설계 목표로서 Si에서 자기제한적인 계면 형성을 확립한다.