고체 상태 전해질(Solid-state electrolytes, SSEs)은 액체 전해질을 대체함으로써 안전성을 향상시켜 리튬 금속 배터리(LMBs)의 발전에 중요한 잠재력을 지닌다. 그러나 낮은 이온 전도도, 제한된 전기화학적 안정성, 그리고 전해질/전극 계면의 호환성 부족과 같은 문제들이 고에너지 밀도 LMB의 개발을 저해한다. 본 연구에서는 이온-회전 쌍극자 상호작용, 이온-고정 쌍극자 상호작용, 수소 결합을 포함하는 다중-브리지(다리) 공학 복합 엘라스토머 전해질(multiple-bridge engineered composite elastomer electrolytes, CEEs)을 활용한 SSE 설계 전략을 제안한다. 또한 CEE 기반 복합 엘라스토머 양극(Corporate elastomer cathode, CEC)을 함께 구성한다. 이 설계는 부피 적응형 엘라스토머 매트릭스, 높은 Li+ 전도성을 갖는 딥 유텍틱 전해질, 그리고 견고한 나노와이어를 결합한다. 그 결과, CEE는 높은 이온 전도도(1.7 × 10 −3 S cm −1), 리튬 수송수 0.72, 그리고 298 K에서 최대 4.9 V까지의 넓은 전기화학적 안정성 창을 나타낸다. 또한 설계된 균일한 Li+ 플럭스는 0.1 mA cm −2에서 900 h를 초과하는 동안 안정적인 Li 도금/박리를 촉진한다. 더 나아가 LFP 기반 CEC|CEE|Li 전지의 경우, 코인 셀에서 300 사이클 후 가역 용량 133 mAh g −1 및 95% 유지율을 보이며, 포일(파우치) 셀에서는 1 C에서 250 사이클 후 129 mAh g −1 및 96% 유지율을 보인다. 본 전략은 고에너지 밀도 LMB의 수명을 연장하기 위한 고체 상태 고분자 전해질을 설계하는 데 유망한 접근법을 제시한다.

고체 고분자 전해질(SPE)은 고에너지 리튬 금속 배터리(LMB)를 위한 휘발성이고 인화성인 유기 액체 전해질의 매력적인 대안으로 주목받고 있다. 그럼에도 불구하고 이온 전도도 부족과 계면 성능의 불충분이라는 두 가지 핵심 과제가 실용적 개발을 계속 저해하고 있다. 여기에서는 중합 가능한 딥 유텍틱 모노머(PDEM)로부터 유래한 단일이온 전도 젤 고분자 전해질(SIGPE)의 유망한 잠재력을 입증한다. 이 구조는 유연한 고분자 매트릭스 내에서 Li+를 매개로 한 분자 자기결합을 통해 유전 상수(High-dielectric-constant) 유전 개질제(dielectricizer)와 결합하여 동적 나노 상(phase)을 형성한다. 이러한 설계는 이온 경로를 조절하여 빠른 Li+ 전도를 가능하게 하고, 계면 분극을 효과적으로 억제하며, 동시에 이온 해리를 촉진한다. 또한 계면 안정성을 강화하는 점탄성(viscoelastic) 특성을 함께 나타낸다. 그 결과, 형성된 SIGPE는 5.0 V의 높은 산화 전압과 0.86에 가까운 전달수(transference number)를 보인다. LFP|SIGPE|Li 완전 셀에서 Li2O/LiF를 포함하는 이종 종(hetero species)에 의해 구동되는 무기물 풍부 SEI 층의 형성은 1 C에서 131.9 mAh g−1의 높은 방전 용량과 안정적인 사이클링 성능을 가능하게 하며, 1 C 및 30 °C에서 400 사이클 후에도 71.9%의 용량 유지율과 99.5%의 쿨롬 효율을 보인다. 이러한 결과는 PDEM 기반 SIGPE가 LMB의 성능, 안전성 및 지속가능성을 향상시킬 잠재력이 있음을 강조하며, 고에너지 저장 시스템에서의 실용화를 위한 길을 열어준다.

리튬 금속 배터리(LMB)를 위한 고체 고분자 전해질(SPE)의 상용화 진전은 농도 분극, 비균일한 Li+ 플럭스, 그리고 불안정한 고체전해질 계면(SEI)과 같은 문제들로 인해 지연되어 왔으며, 이러한 요인들은 수지상(dendrite) 형성에 기여한다. 이들 문제를 해결하기 위해 플루오르화된 분절, 고-쌍극자 zwitterion, 그리고 회전-모션 구동 이온-호핑 매질로 구성된 독특한 솔베이션 채널을 특징으로 하는 실리카 프레임워크(SF) 기반 단일이온 도전자가 제안된다. 이러한 설계는 정극/전극 계면에서의 낮은 저항을 촉진하고, 음극/전해질 계면에서 수지상 성장을 억제하며, 균일한 Li+ 플럭스를 유지한다. 그 결과, 견고한 프레임워크 내부의 연속적인 이온 채널은 Li-이온의 해리 및 수송을 향상시켜 높은 이온 전도도(σDC = 8.8 × 10−4 S cm−1), 0.9 GPa의 탄성률(modulus), 높은 리튬 전달수(≈0.83), 그리고 25 °C에서 최대 5.2 V까지의 확장된 전기화학적 안정성 창을 달성한다. 이러한 설계는 Li2CO3, LiF, 그리고 Li2O로 구성된 유기/무기 혼성 SEI 층의 형성을 유도하여, 0.1 mA cm−2에서 4000 h 이상 동안 초안정적인 Li 도금/박리를 가능하게 한다. 또한, 전지(풀셀)는 우수한 속도 성능과 장기 사이클링 안정성 및 용량 유지율(1 C에서 400 사이클 후 Li||LFP의 경우 81%, Li||NCM811의 경우 86%)과 높은 쿨롬 효율을 보이며, 안정적인 LMB를 위한 유망한 전략을 제공한다.

준고체 상태 폴리머 전해질(QPE) 기반 슈퍼커패시터의 에너지 밀도를 향상시키기 위해 높은 유전율(ɛ s )을 갖는 쌍극이온(zwitterion) 포함 QPE(ZQPE) 설계를 제안한다. 이러한 향상은 유전율과 정전용량 사이의 직접적인 비례 관계에 근거하여 ZQPE 기반 슈퍼커패시터의 정전용량을 증가시킬 것이다. 최적화된 ZQPE는 실온에서 높은 이온 전도도(2.2 × 10 −3 S cm −1 )와 우수한 기계적 견고성(4.1 × 10 4 Pa)을 나타낸다. ZQPE는 밀도 범함수 이론 계산 및 분자 동역학 시뮬레이션에 의해 뒷받침되듯이, 쌍극이온이 없는 QPE(ɛ s = 48)보다 훨씬 높은 정적 유전율(ɛ s = 69)을 보인다. ZQPE와 활성탄 전극을 사용하여 제작한 유연한 전고체 슈퍼커패시터는 우수한 전기화학적 성능을 나타낸다. QPE에 쌍극이온을 도입하면 비정전용량이 178에서 225 F g −1 로 증가하며, 넓은 작동 전위 창(0–4 V)을 제공한다. 또한 ZQPE 기반 슈퍼커패시터는 전력 밀도 464 W kg −1 에서 142 Wh kg −1 의 큰 에너지 밀도를 나타내며, 장기적인 전기화학적 및 기계적 사이클링 안정성이 뛰어나 10,000 사이클 동안 80%의 정전용량 유지율을 보이고, 1,500 사이클 동안에는 압연(rolling) 변형 하에서도 유지율을 보인다. 이러한 전략은 고 에너지 밀도 전고체 슈퍼커패시터를 위한 QPE 설계를 개발하는 데 새로운 통찰을 제공한다.

고체 상태 전해질(Solid-state electrolytes, SSEs)은 액체 전해질을 대체함으로써 안전성을 향상시켜 리튬 금속 배터리(LMBs)의 발전에 중요한 잠재력을 지닌다. 그러나 낮은 이온 전도도, 제한된 전기화학적 안정성, 그리고 전해질/전극 계면의 호환성 부족과 같은 문제들이 고에너지 밀도 LMB의 개발을 저해한다. 본 연구에서는 이온-회전 쌍극자 상호작용, 이온-고정 쌍극자 상호작용, 수소 결합을 포함하는 다중-브리지(다리) 공학 복합 엘라스토머 전해질(multiple-bridge engineered composite elastomer electrolytes, CEEs)을 활용한 SSE 설계 전략을 제안한다. 또한 CEE 기반 복합 엘라스토머 양극(Corporate elastomer cathode, CEC)을 함께 구성한다. 이 설계는 부피 적응형 엘라스토머 매트릭스, 높은 Li+ 전도성을 갖는 딥 유텍틱 전해질, 그리고 견고한 나노와이어를 결합한다. 그 결과, CEE는 높은 이온 전도도(1.7 × 10 −3 S cm −1), 리튬 수송수 0.72, 그리고 298 K에서 최대 4.9 V까지의 넓은 전기화학적 안정성 창을 나타낸다. 또한 설계된 균일한 Li+ 플럭스는 0.1 mA cm −2에서 900 h를 초과하는 동안 안정적인 Li 도금/박리를 촉진한다. 더 나아가 LFP 기반 CEC|CEE|Li 전지의 경우, 코인 셀에서 300 사이클 후 가역 용량 133 mAh g −1 및 95% 유지율을 보이며, 포일(파우치) 셀에서는 1 C에서 250 사이클 후 129 mAh g −1 및 96% 유지율을 보인다. 본 전략은 고에너지 밀도 LMB의 수명을 연장하기 위한 고체 상태 고분자 전해질을 설계하는 데 유망한 접근법을 제시한다.

고체 고분자 전해질(SPE)은 고에너지 리튬 금속 배터리(LMB)를 위한 휘발성이고 인화성인 유기 액체 전해질의 매력적인 대안으로 주목받고 있다. 그럼에도 불구하고 이온 전도도 부족과 계면 성능의 불충분이라는 두 가지 핵심 과제가 실용적 개발을 계속 저해하고 있다. 여기에서는 중합 가능한 딥 유텍틱 모노머(PDEM)로부터 유래한 단일이온 전도 젤 고분자 전해질(SIGPE)의 유망한 잠재력을 입증한다. 이 구조는 유연한 고분자 매트릭스 내에서 Li+를 매개로 한 분자 자기결합을 통해 유전 상수(High-dielectric-constant) 유전 개질제(dielectricizer)와 결합하여 동적 나노 상(phase)을 형성한다. 이러한 설계는 이온 경로를 조절하여 빠른 Li+ 전도를 가능하게 하고, 계면 분극을 효과적으로 억제하며, 동시에 이온 해리를 촉진한다. 또한 계면 안정성을 강화하는 점탄성(viscoelastic) 특성을 함께 나타낸다. 그 결과, 형성된 SIGPE는 5.0 V의 높은 산화 전압과 0.86에 가까운 전달수(transference number)를 보인다. LFP|SIGPE|Li 완전 셀에서 Li2O/LiF를 포함하는 이종 종(hetero species)에 의해 구동되는 무기물 풍부 SEI 층의 형성은 1 C에서 131.9 mAh g−1의 높은 방전 용량과 안정적인 사이클링 성능을 가능하게 하며, 1 C 및 30 °C에서 400 사이클 후에도 71.9%의 용량 유지율과 99.5%의 쿨롬 효율을 보인다. 이러한 결과는 PDEM 기반 SIGPE가 LMB의 성능, 안전성 및 지속가능성을 향상시킬 잠재력이 있음을 강조하며, 고에너지 저장 시스템에서의 실용화를 위한 길을 열어준다.

리튬 금속 배터리(LMB)를 위한 고체 고분자 전해질(SPE)의 상용화 진전은 농도 분극, 비균일한 Li+ 플럭스, 그리고 불안정한 고체전해질 계면(SEI)과 같은 문제들로 인해 지연되어 왔으며, 이러한 요인들은 수지상(dendrite) 형성에 기여한다. 이들 문제를 해결하기 위해 플루오르화된 분절, 고-쌍극자 zwitterion, 그리고 회전-모션 구동 이온-호핑 매질로 구성된 독특한 솔베이션 채널을 특징으로 하는 실리카 프레임워크(SF) 기반 단일이온 도전자가 제안된다. 이러한 설계는 정극/전극 계면에서의 낮은 저항을 촉진하고, 음극/전해질 계면에서 수지상 성장을 억제하며, 균일한 Li+ 플럭스를 유지한다. 그 결과, 견고한 프레임워크 내부의 연속적인 이온 채널은 Li-이온의 해리 및 수송을 향상시켜 높은 이온 전도도(σDC = 8.8 × 10−4 S cm−1), 0.9 GPa의 탄성률(modulus), 높은 리튬 전달수(≈0.83), 그리고 25 °C에서 최대 5.2 V까지의 확장된 전기화학적 안정성 창을 달성한다. 이러한 설계는 Li2CO3, LiF, 그리고 Li2O로 구성된 유기/무기 혼성 SEI 층의 형성을 유도하여, 0.1 mA cm−2에서 4000 h 이상 동안 초안정적인 Li 도금/박리를 가능하게 한다. 또한, 전지(풀셀)는 우수한 속도 성능과 장기 사이클링 안정성 및 용량 유지율(1 C에서 400 사이클 후 Li||LFP의 경우 81%, Li||NCM811의 경우 86%)과 높은 쿨롬 효율을 보이며, 안정적인 LMB를 위한 유망한 전략을 제공한다.

준고체 상태 폴리머 전해질(QPE) 기반 슈퍼커패시터의 에너지 밀도를 향상시키기 위해 높은 유전율(ɛ s )을 갖는 쌍극이온(zwitterion) 포함 QPE(ZQPE) 설계를 제안한다. 이러한 향상은 유전율과 정전용량 사이의 직접적인 비례 관계에 근거하여 ZQPE 기반 슈퍼커패시터의 정전용량을 증가시킬 것이다. 최적화된 ZQPE는 실온에서 높은 이온 전도도(2.2 × 10 −3 S cm −1 )와 우수한 기계적 견고성(4.1 × 10 4 Pa)을 나타낸다. ZQPE는 밀도 범함수 이론 계산 및 분자 동역학 시뮬레이션에 의해 뒷받침되듯이, 쌍극이온이 없는 QPE(ɛ s = 48)보다 훨씬 높은 정적 유전율(ɛ s = 69)을 보인다. ZQPE와 활성탄 전극을 사용하여 제작한 유연한 전고체 슈퍼커패시터는 우수한 전기화학적 성능을 나타낸다. QPE에 쌍극이온을 도입하면 비정전용량이 178에서 225 F g −1 로 증가하며, 넓은 작동 전위 창(0–4 V)을 제공한다. 또한 ZQPE 기반 슈퍼커패시터는 전력 밀도 464 W kg −1 에서 142 Wh kg −1 의 큰 에너지 밀도를 나타내며, 장기적인 전기화학적 및 기계적 사이클링 안정성이 뛰어나 10,000 사이클 동안 80%의 정전용량 유지율을 보이고, 1,500 사이클 동안에는 압연(rolling) 변형 하에서도 유지율을 보인다. 이러한 전략은 고 에너지 밀도 전고체 슈퍼커패시터를 위한 QPE 설계를 개발하는 데 새로운 통찰을 제공한다.

유연한 쌍극성 이온(zwitterion)/CNT 기반 슈퍼커패시터 논문 번호 2406727에서 Seung Jae Yang, U Hyeok Choi 및 동료 연구자들은 고 유전율의 쌍극성 이온(zwitterionic) 폴리머 전해질과 고 표면적 탄소 기반 전극을 활용하여 유연한 전고체 슈퍼커패시터를 개발하였다. 이러한 조합은 슈퍼커패시터의 비정전용량, 에너지 밀도 및 장기 전기화학적·기계적 사이클 안정성을 향상시킨다.

초미량 수준의 TBAI는 Zn 계면에서 양이온–음이온의 동시 조절을 가능하게 하여 수지상(dendrite) 성장을 억제하고 수계 Zn 배터리에서 전기화학적 안정성을 향상시킨다.

최대 3.5 V에 이르는 확장된 전압 창 내에서, 우수한 사이클 안정성도 함께 보이며 12,000 사이클 후 초기 정전용량의 약 98%를 유지하였다. 이러한 결과는 GPE가 향후 차세대 전고체 에너지 저장 장치의 유망한 후보가 될 수 있음을 시사한다.

카다놀 유래 폴리우레탄 압력감응 접착제는 점착제 없이도 강한 접착력을 보이며, 불포화 알킬 사슬에 의해 온화한 조건에서 신속한 분해성을 나타낸다.

고체 폴리머 전해질(SPEs) 기반 리튬 금속 배터리(LMBs)는 놀라운 에너지 밀도와 안전성을 제공하며 차세대 에너지 저장 분야의 선두에 있습니다. 높은 잠재력에도 불구하고 LMBs의 실용화 및 상용화에는 두 가지 중대한 과제가 가로막고 있습니다. 즉, 계면 안정성의 불충분과 낮은 임계 전류 밀도(CCD)입니다. 이러한 문제를 해결하기 위한 유망한 접근은 균일하면서도 높은 리튬이온 수송을 동시에 보장하는 고도화된 SPE를 설계하는 것입니다. 균일한 이온 수송을 달성하는 것은 덴드라이트 형성으로 이어지는 농도 구배를 최소화하는 데 핵심이며, 선택적 리튬이온 전도는 음이온 축적을 방지하여 계면 안정성을 향상시킵니다. 본 총설은 균일한 리튬이온 수송을 보이는 폴리머 전해질(ULPEs)과 높은 리튬이온 전도성을 갖는 폴리머 전해질(HLPEs)의 개발에 관한 최근 성과를 포괄적으로 고찰합니다. ULPEs의 구조적 균일성과 HLPEs의 향상된 전도성을 결합함으로써, 균일-고 리튬이온 수송 폴리머 전해질(UHLPEs)이 실용적인 LMBs에서 높은 계면 안정성과 높은 CCD를 동시에 보장할 수 있는 유망한 소재 계열로 부상하였습니다. 높은 CCD, 향상된 안전성, 그리고 사이클 수명 연장을 달성하는 방법에 대한 포괄적 이해를 제공하기 위해, 주요 분자 설계 전략과 이온 전도도, 전기화학적 성능, 계면 거동에 관한 통찰을 체계적으로 검토합니다.