양극 CL(양극 촉매층)에 MOF-NH2를 도입하면 H2와 O2의 혼합을 방지함으로써 안전성이 향상되었으며, 다른 기능화된 MOF에 비해 우수한 사이클 성능을 보였다. • MOF의 기능기는 MOF의 표면적과 기공 크기를 효과적으로 조절하였다. • 기능화된 MOF를 PEMWE의 양극 촉매층에 통합하였다. • MOF는 양극 촉매층 내에서 크로스오버 수소를 포집하였다. • O2 중 H2 농도는 하한 폭발한계(LEL, lower explosion limit) 이하로 감소하였다. 수소가 양성자 교환막 수전해(PEMWEs)의 막을 투과하는 현상은 막을 통한 수소의 혼합이 산소와 양극에서 위험한 농도 수준을 유발하고 잠재적 폭발 위험으로 이어질 수 있으므로 중대한 안전 위험을 초래한다. 본 연구는 H2 흡착 능력을 갖는 금속-유기 골격체(MOF)를 도입하여 PEMWE의 운전 안전성을 향상시키기 위해, 막 전극 조립체(MEA) 내에서 양극 촉매층(CL)을 변형하는 방안을 조사한다. 우리는 다양한 기능기를 갖는 MOF가 O2 스트림 내 H2 농도와 양극 CL의 전기화학적 성능에 미치는 영향을 평가한다. 아민 기능화 MOF는 O2 스트림 내 H2 농도를 가장 크게 감소시킨다. 또한, 온도 변화에 따른 MOF의 H2 흡착 특성의 가역성이 확인된다. 아민 기능화 MOF는 양극에서 O2 중 H2 체적분율을 1.2 mol% 미만으로 나타내며, 이는 O2 중 하한 폭발한계 4 mol%보다 훨씬 낮아 PEMWE의 안전성을 보장한다. 반면, 카복실기 및 설폰산 기능화 MOF는 각각 50 mA cm−2에서 O2 중 H2 체적분율이 1.9 mol% 및 2.2 mol%로 나타난다. 이러한 결과는 PEMWE를 위한 더 안전한 양극 CL을 개발하는 데 있어 핵심적인 통찰을 제공한다.

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건식 공정이 가능한 전극 기술은 잠재적으로 탄소 배출을 감소시키고 비용을 낮추며 에너지 밀도를 증가시켜 리튬이온전지(LIBs)의 발전을 촉진할 유망한 방향을 제시한다. 그러나 건식 공정이 가능한 전극의 상용화는 제조 공정의 최적화나 기존 전극 구성요소의 변경만으로는 달성될 수 없다. 따라서 건식 전극의 핵심 구성요소인 바인더, 도전성 첨가제, 집전체 각각에 대해 물질 혁신이 시급히 요구된다. 본 총설은 이들 구성요소에서 최근에 이루어진 발전을 탐색하면서, 물리화학적 역할과 기여를 심층적으로 다룬다. 또한 전극 구성요소의 기능성과 건식 전극의 전반적 성능을 향상시키기 위한 설계 전략을 제안하고, 이에 필요한 핵심 성능 요인을 도출한다. 본 총설은 건식 전극 공정을 통한 LIB 기술의 지속가능한 발전을 견인하기 위해 현재의 한계를 극복하는 데 필요한 물질 혁신에 대한 통찰을 제공한다.

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양극 CL(양극 촉매층)에 MOF-NH2를 도입하면 H2와 O2의 혼합을 방지함으로써 안전성이 향상되었으며, 다른 기능화된 MOF에 비해 우수한 사이클 성능을 보였다. • MOF의 기능기는 MOF의 표면적과 기공 크기를 효과적으로 조절하였다. • 기능화된 MOF를 PEMWE의 양극 촉매층에 통합하였다. • MOF는 양극 촉매층 내에서 크로스오버 수소를 포집하였다. • O2 중 H2 농도는 하한 폭발한계(LEL, lower explosion limit) 이하로 감소하였다. 수소가 양성자 교환막 수전해(PEMWEs)의 막을 투과하는 현상은 막을 통한 수소의 혼합이 산소와 양극에서 위험한 농도 수준을 유발하고 잠재적 폭발 위험으로 이어질 수 있으므로 중대한 안전 위험을 초래한다. 본 연구는 H2 흡착 능력을 갖는 금속-유기 골격체(MOF)를 도입하여 PEMWE의 운전 안전성을 향상시키기 위해, 막 전극 조립체(MEA) 내에서 양극 촉매층(CL)을 변형하는 방안을 조사한다. 우리는 다양한 기능기를 갖는 MOF가 O2 스트림 내 H2 농도와 양극 CL의 전기화학적 성능에 미치는 영향을 평가한다. 아민 기능화 MOF는 O2 스트림 내 H2 농도를 가장 크게 감소시킨다. 또한, 온도 변화에 따른 MOF의 H2 흡착 특성의 가역성이 확인된다. 아민 기능화 MOF는 양극에서 O2 중 H2 체적분율을 1.2 mol% 미만으로 나타내며, 이는 O2 중 하한 폭발한계 4 mol%보다 훨씬 낮아 PEMWE의 안전성을 보장한다. 반면, 카복실기 및 설폰산 기능화 MOF는 각각 50 mA cm−2에서 O2 중 H2 체적분율이 1.9 mol% 및 2.2 mol%로 나타난다. 이러한 결과는 PEMWE를 위한 더 안전한 양극 CL을 개발하는 데 있어 핵심적인 통찰을 제공한다.

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건식 공정이 가능한 전극 기술은 잠재적으로 탄소 배출을 감소시키고 비용을 낮추며 에너지 밀도를 증가시켜 리튬이온전지(LIBs)의 발전을 촉진할 유망한 방향을 제시한다. 그러나 건식 공정이 가능한 전극의 상용화는 제조 공정의 최적화나 기존 전극 구성요소의 변경만으로는 달성될 수 없다. 따라서 건식 전극의 핵심 구성요소인 바인더, 도전성 첨가제, 집전체 각각에 대해 물질 혁신이 시급히 요구된다. 본 총설은 이들 구성요소에서 최근에 이루어진 발전을 탐색하면서, 물리화학적 역할과 기여를 심층적으로 다룬다. 또한 전극 구성요소의 기능성과 건식 전극의 전반적 성능을 향상시키기 위한 설계 전략을 제안하고, 이에 필요한 핵심 성능 요인을 도출한다. 본 총설은 건식 전극 공정을 통한 LIB 기술의 지속가능한 발전을 견인하기 위해 현재의 한계를 극복하는 데 필요한 물질 혁신에 대한 통찰을 제공한다.

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Si–Gr(실리콘–흑연) 복합 양극에서 실리콘 함량을 증가시켜 리튬이온 배터리 셀의 에너지 밀도를 극대화하는 연구는 현재 지속적으로 주목받고 있으며, 많은 관심을 받고 있다. 그러나 Si와 Gr의 역설적인 표면 특성은 전극 구성요소를 균일하게 분포시키고, Si의 막대한 체적 변화에 수반되는 사이클링 동안 결합력을 유지하는 데 어려움을 야기한다. 본 연구에서는 피렌(pyr en) 결합 폴리(아크릴산) (Py‐PAA)과 과분지(hyperbranched) γ-사이클로덱스트린 폴리머(γ CDp)로 이루어진 친수성-소수성(양친매성)이며, 치밀하게 서로 맞물린(host–guest) 복합체 형태의 접착제 바인더를 보고한다. Py‐PAA의 피렌 단위는 Gr 표면에 대한 친화성을 향상시키는 데 더해, γ CDp 호스트와 상호 맞물림을 형성할 수 있는 게스트 분자 역할도 수행한다. 이러한 매우 효과적인 호스트–게스트 상호작용은 전극의 무결성을 유지하여, 상용 수준의 면적당 용량을 갖는 Si–Gr 전극에서 우수한 사이클링 성능과 출력(레이트) 성능을 가능하게 한다. 본 연구는 서로 다른 표면 특성을 지닌 구성요소로 이루어진, 고용량 전극을 대상으로 할 때, 두 종류의 계층적이고 다기능적인 초분자 바인더가 단일 종류의 기존 바인더에 비해 향상된 배터리 성능을 제공할 수 있음을 보여준다.

상업용 액체 전해질에 버금가는 농도를 나타내며, 이는 COF의 저차원 채널에 내재된 확산 비등방성을 대규모 다중 채널 결정 구조가 효과적으로 완화함을 보여준다.

최근 대규모 에너지 저장 시스템으로 적용된 리튬이온전지(LIBs)는 안전성, 경제성 및 환경적 우려를 드러내고 있어, 재충전이 가능한 전지의 개발 필요성이 증가하고 있다. 이러한 맥락에서 수용액 전해질을 유기 전해질 대신 사용하여 안정성과 높은 효율을 향상시키는 수계 아연이온전지(AZIBs)는 LIBs의 단점을 극복하기 위한 대안이 될 수 있다. 또한 경제적 실현 가능성, Zn 금속의 우수한 특성, 높은 안전성 및 용이한 제조 공정이라는 장점들이 AZIBs 개발에 대한 관심을 더욱 높이고 있다. 따라서 본 종설에서는 Zn2+ 이온의 삽입/추출, H+ 및 Zn2+ 이온과의 공삽입/공추출, 화학적 전환과 같은 AZIBs의 에너지 저장 메커니즘을 정리하고, AZIBs에 사용되는 다양한 종류의 양극 소재를 설명한다. 더 나아가, AZIBs 양극 소재의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있는 몇 가지 전략과 AZIBs의 향후 연구 과제들을 제시한다.

수계 아연 배터리 수계 아연 배터리는 안전성과 성능 측면에서의 장점에도 불구하고, 수계 기반 부반응인 수소 발생과 부식을 겪는다. 문헌 번호 2411632에서 Jonggeol Na, Kwan Woo Nam 및 동료 연구진은 이러한 부반응을 억제하고 용매화(솔베이션) 구조 최적화를 통해 성능을 극대화함으로써 안정성을 향상시키는 새로운 전해질을 제안한다. 특히 물리 기반 베이지안 능동 학습(physics-guided Bayesian active learning)에 따라 단 26회의 실험만 수행되었다는 점이 주목할 만하다.

이원(양상) 적층형 양극(biphasic layered cathodes)은 서로 다른 상(phase)의 특성을 상호 시너지적으로 통합함으로써 단일 상(phase) 물질이 갖는 고유한 한계를 극복하는 데 있어 전략적 진전을 의미한다. 그중에서도 P2/O3 이원 양극은 P2 상의 빠른 확산 동역학과 O3 상의 높은 용량을 결합하여 우수한 배터리 성능을 나타내는 점에서 두드러진다. 이원 양극에서 상(phase) 비율이 성능을 좌우하는 데 있어 핵심적인 역할을 한다는 점을 고려하여, 본 연구는 합성 방법, 소결 온도, 그리고 나트륨 및 도펀트 조성이 상 조절(phase modulation)에 미치는 영향을 체계적으로 규명한다. P2/O3 양극의 동역학적 및 열역학적 특성에 대한 종합적 분석을 수행하고, 열역학적 안정성과 효율적인 확산 동역학이 향상된 기능성을 어떻게 뒷받침하는지 설명하기 위해 그 결과를 전기화학 데이터와 연계하였다. 마지막으로, 다른 이원 양극들에 대한 간략한 개요를 제공하고, P2/O3 시스템에 비해 각 시스템의 고유한 특성을 비교한다.