논문 번호 2304366에서 장욱 최(Jang Wook Choi), 현승 김(Hyun-seung Kim), 기재 김(Ki Jae Kim) 및 동료 연구자들은 연소 과정에서 가스 상과 응축 상 모두에서 DBDPE와 CaO 복합 소재를 적용하여 이중 소화 효과를 달성하였다. 또한 이들은 분리막 성능을 향상시켜 수지상(dendrite) 성장의 억제를 효과적으로 구현하는 리튬 금속 배터리를 개발하였으며, 고성능 응용 분야에서 향상된 안전성과 안정성을 제공한다.

무양극(anode-less) 배터리는 음극(anode)에 기존의 활성 물질을 요구하지 않음으로써 에너지 밀도와 제조 효율을 극대화한다는 점에서 차세대 전기화학적 에너지 저장 분야의 최전선에 있다. 지속적으로 문제가 되는 리튬(Li) 덴드라이트 형성을 완화하기 위한 시도는 음극 전류 집전체(anode current collector)에 리티오필릭(lithiophilic) 시드층(seed layer)을 사용하는 연구로 이어져 왔다. 본 논문에서는 액체 및 고체 전해질 환경 모두에서 전기화학적 거동과 구조적 거동을 분석함으로써 보호 중간층(protective interlayers)으로서 다양한 리티오필릭 금속 박막의 체계적인 평가를 제시한다. 액체 전해질 시스템은 선택한 금속에 관계없이 보편적으로 빠른 용량 감소를 겪는 반면, 고체상 시스템은 재료 의존적인 사이클 안정성을 보이며, 사이클 수명은 주로 내부 단락(short circuit)에 대한 취약성에 의해 제한된다. 이러한 한계는 Li 계면 에너지 제어를 결합한 이중 고체 전해질 이중 구조(dual-solid electrolyte architecture)를 개발함으로써 극복되었으며, 이를 통해 임계 전류 밀도를 유의하게 향상시킨다. 이 접근법은 무양극 전(全)고체 배터리의 실온에서의 안정적인 구동을 가능하게 하며, 150 사이클 동안 82.8%의 용량 유지율을 달성한다. 본 포괄적 연구는 금속 중간층의 결정적 이중 역할과 전해질의 물리적 상태가 무양극 배터리 성능을 좌우하는 핵심 요인임을 규명하며, 고급 무양극 시스템을 위한 근본적인 설계 원칙을 정립한다.

PTFE(polytetrafluoroethylene) 바인더를 이용한 건식 공정(dry-processing) 방법은 고에너지 밀도 리튬이온전지(LIBs)를 위한 고적재(high-loading) 전극을 제조하는 유망한 접근법으로 여겨진다. 그러나 PTFE의 불소화된 표면은 기존 전해액에 의한 젖음(wetting)에 저항하여 이온 수송을 방해하고, 전극 전체에 걸쳐 비균일한 전기화학 반응을 유도한다. 본 연구에서는 두꺼운 전극 내부에 깊게 포함된 경우까지 포함하여, 섬유화(fibrillated)된 PTFE의 소수성 표면을 친수성 ─COOH 및 ─C═O 기를 갖는 전해액 호환 계면으로 전환하기 위한 혁신적 전략을 제시한다. 이는 건식 전극을 제조한 후 전자빔(EB) 조사(electron beam irradiation)를 직접 적용함으로써 달성된다. 제작된 건식 전극에 적용되는 이러한 EB 조사 전략은 신속하고 용매가 없으며, 고도의 침투성을 가진다. 따라서 이는 건식 전극 제조 공정과 매우 잘 호환되어 지속가능성 및 비용 문제를 직접적으로 해결한다. 향상된 젖음성에 힘입어, EB 조사된 건식 전극은 두꺼운 전극 전반에서 리튬이온의 이동이 현저하게 향상되고 균일해졌으며, 그 결과 초고적재 전극(100 mg cm −2 , 22.6 mAh cm −2 )에서도 우수한 전기화학적 성능을 제공하였다. 또한 89.51%의 용량 유지율을 보이는 안정적인 사이클링 성능을 나타내며, 셀 수준 에너지 밀도는 449.4 Wh kg −1 에 도달하였다. 본 전략은 건식 공정의 친환경적이고 지속가능한 특성을 훼손하지 않으면서도 건식 전극이 지니는 고유한 과제를 극복함으로써 고에너지 밀도 배터리를 향한 중요한 경로를 제공한다.

전고체 배터리 분야의 ‘Article number 2201208’에서 우석 초(Woosuk Cho), 기재 김(Ki Jae Kim) 및 동료 연구자들은 황화물계 전고체 배터리(ASSBs)에서 공간전하층(SCL)에 대한 유전체 재료의 작용 메커니즘을 규명한다. 제안된 상유전체(para­electric) 재료는 SCL 형성을 성공적으로 완화하고 리튬 이온 수송을 가속함으로써, 우수한 성능의 ASSB를 가능하게 하며 전기자동차의 성능을 향상시키기 위한 지침을 제공한다.

논문 번호 2304366에서 장욱 최(Jang Wook Choi), 현승 김(Hyun-seung Kim), 기재 김(Ki Jae Kim) 및 동료 연구자들은 연소 과정에서 가스 상과 응축 상 모두에서 DBDPE와 CaO 복합 소재를 적용하여 이중 소화 효과를 달성하였다. 또한 이들은 분리막 성능을 향상시켜 수지상(dendrite) 성장의 억제를 효과적으로 구현하는 리튬 금속 배터리를 개발하였으며, 고성능 응용 분야에서 향상된 안전성과 안정성을 제공한다.

무양극(anode-less) 배터리는 음극(anode)에 기존의 활성 물질을 요구하지 않음으로써 에너지 밀도와 제조 효율을 극대화한다는 점에서 차세대 전기화학적 에너지 저장 분야의 최전선에 있다. 지속적으로 문제가 되는 리튬(Li) 덴드라이트 형성을 완화하기 위한 시도는 음극 전류 집전체(anode current collector)에 리티오필릭(lithiophilic) 시드층(seed layer)을 사용하는 연구로 이어져 왔다. 본 논문에서는 액체 및 고체 전해질 환경 모두에서 전기화학적 거동과 구조적 거동을 분석함으로써 보호 중간층(protective interlayers)으로서 다양한 리티오필릭 금속 박막의 체계적인 평가를 제시한다. 액체 전해질 시스템은 선택한 금속에 관계없이 보편적으로 빠른 용량 감소를 겪는 반면, 고체상 시스템은 재료 의존적인 사이클 안정성을 보이며, 사이클 수명은 주로 내부 단락(short circuit)에 대한 취약성에 의해 제한된다. 이러한 한계는 Li 계면 에너지 제어를 결합한 이중 고체 전해질 이중 구조(dual-solid electrolyte architecture)를 개발함으로써 극복되었으며, 이를 통해 임계 전류 밀도를 유의하게 향상시킨다. 이 접근법은 무양극 전(全)고체 배터리의 실온에서의 안정적인 구동을 가능하게 하며, 150 사이클 동안 82.8%의 용량 유지율을 달성한다. 본 포괄적 연구는 금속 중간층의 결정적 이중 역할과 전해질의 물리적 상태가 무양극 배터리 성능을 좌우하는 핵심 요인임을 규명하며, 고급 무양극 시스템을 위한 근본적인 설계 원칙을 정립한다.

PTFE(polytetrafluoroethylene) 바인더를 이용한 건식 공정(dry-processing) 방법은 고에너지 밀도 리튬이온전지(LIBs)를 위한 고적재(high-loading) 전극을 제조하는 유망한 접근법으로 여겨진다. 그러나 PTFE의 불소화된 표면은 기존 전해액에 의한 젖음(wetting)에 저항하여 이온 수송을 방해하고, 전극 전체에 걸쳐 비균일한 전기화학 반응을 유도한다. 본 연구에서는 두꺼운 전극 내부에 깊게 포함된 경우까지 포함하여, 섬유화(fibrillated)된 PTFE의 소수성 표면을 친수성 ─COOH 및 ─C═O 기를 갖는 전해액 호환 계면으로 전환하기 위한 혁신적 전략을 제시한다. 이는 건식 전극을 제조한 후 전자빔(EB) 조사(electron beam irradiation)를 직접 적용함으로써 달성된다. 제작된 건식 전극에 적용되는 이러한 EB 조사 전략은 신속하고 용매가 없으며, 고도의 침투성을 가진다. 따라서 이는 건식 전극 제조 공정과 매우 잘 호환되어 지속가능성 및 비용 문제를 직접적으로 해결한다. 향상된 젖음성에 힘입어, EB 조사된 건식 전극은 두꺼운 전극 전반에서 리튬이온의 이동이 현저하게 향상되고 균일해졌으며, 그 결과 초고적재 전극(100 mg cm −2 , 22.6 mAh cm −2 )에서도 우수한 전기화학적 성능을 제공하였다. 또한 89.51%의 용량 유지율을 보이는 안정적인 사이클링 성능을 나타내며, 셀 수준 에너지 밀도는 449.4 Wh kg −1 에 도달하였다. 본 전략은 건식 공정의 친환경적이고 지속가능한 특성을 훼손하지 않으면서도 건식 전극이 지니는 고유한 과제를 극복함으로써 고에너지 밀도 배터리를 향한 중요한 경로를 제공한다.

전고체 배터리 분야의 ‘Article number 2201208’에서 우석 초(Woosuk Cho), 기재 김(Ki Jae Kim) 및 동료 연구자들은 황화물계 전고체 배터리(ASSBs)에서 공간전하층(SCL)에 대한 유전체 재료의 작용 메커니즘을 규명한다. 제안된 상유전체(para­electric) 재료는 SCL 형성을 성공적으로 완화하고 리튬 이온 수송을 가속함으로써, 우수한 성능의 ASSB를 가능하게 하며 전기자동차의 성능을 향상시키기 위한 지침을 제공한다.

유전체 물질의 도입은 황화물계 전고체전지(ASSB)의 전기화학적 성능을 저하시키는 공간전하층(space‐charge‐layer, SCL) 형성을 완화하는 유망한 접근법이다. 대부분의 선행 연구는 유전체 물질을 도입하여 SCL 형성을 완화하는 데 초점을 맞추었으나, 쌍극자 모멘트 방향과 유전율의 크기와 같은 중요한 유전체 성질이 SCL 형성에 영향을 미칠 수 있다는 점은 간과해 왔다. 유전체 물질이 SCL 형성을 완화하는 메커니즘을 명확히 하기 위해, 강유전성(ferroelectricity), 상유전성(paraelectricity) 및 유전율의 크기를 조사하여 그것들이 SCL 형성에 미치는 영향을 규명하였다. 영구 쌍극자 모멘트를 갖지 않는 상유전체 물질은, 영구 쌍극자 모멘트가 강한 강유전체 물질보다 SCL 형성을 더 효과적으로 완화하는데, 이는 전고체전지 내부에 가해지는 전기장 방향을 따라 쌍극자 모멘트가 정렬될 수 있는 상유전체 물질의 고유한 특성 때문이다. 또한 유전율이 더 큰 상유전체 물질은 유전율이 더 작은 상유전체 물질보다 SCL 완화 효과가 더 크다. 따라서 이러한 특성들은 양극-고체전해질 계면 설계에서 고려되어야 한다. 본 연구는 이전에 고려되지 않았던 관련 유전체 물질의 특성들을 고려함으로써, SCL 형성에 기인하는 황화물계 전고체전지의 계면 저항을 최적화하기 위한 새로운 패러다임을 제시한다.

이들은 양극 표면에 양(+)의 전극-전해질 직접 접촉을 제한하고 이후의 열화를 억제하는 표면 막을 형성한다. 이러한 결과는 초고니켈 함량의 NCM(ultrahigh-Ni NCM) 소재에서 잔존하는 Li 화합물이 주요 열화 경로를 결정함을 보여준다. 이 변수를 제어하는 것은 고에너지 밀도 리튬이온전지의 성능을 향상시키기 위한 기반을 제공한다.

S의 활성화 및 수분 유도 분해에 대한 영향. 또한, 다공성 실리카는 복합 양극의 기계적 건전성을 향상시킨다. LPSCl의 고유한 연성은 전극 압축 중에 응력이 양극 활성 물질로 국소화되고 비균일한 치밀화가 발생하게 하는 반면, 다공성 실리카의 상대적으로 더 높은 강성은 압력 재분배를 용이하게 하여 균일한 치밀화를 촉진하고 입자 간 접촉을 개선한다. 구조적 및 전기화학적 분석을 통해, 다공성 실리카를 포함한 LPSCl은 상대습도 50%에서도 이온 전도도와 수분 안정성을 유지함이 확인되었다. 더 나아가, 실리카가 매립된 LPSCl 복합 전해질을 사용하는 전고체전지(ASSB)는 우수한 사이클링 성능을 보인다. 이러한 이중 기능 전략은 황화물 전해질의 수분 안정성과 구조적 안정성을 동시에 향상시키는 실용적이고 확장 가능한 경로를 제공함으로써, 주변 조건에서의 공정 처리가 가능한 고성능 전고체전지 개발을 진전시킨다.

리튬이온배터리(Lithium-ion batteries, LIBs)는 높은 에너지 밀도(~275 Wh kg⁻¹), 긴 수명, 높은 작동 전압(~ 4.3V vs Li⁺/Li)으로 인해 휴대용 전자기기부터 전기자동차(EV)에 이르기까지 현대 에너지 저장 응용에서 필수적인 기술이 되었다. 그러나 주로 선형 및 환형 탄산염으로 구성되는 가연성 유기 전해액의 사용이 증가하면서 이상 조건에서의 심각한 안전 문제가 제기되고 있다. 전해액 분해, 분리막 손상, 전극 열화와 같은 발열 반응으로 인해 발생하는 열폭주(thermal runaway)는 화재 또는 폭발로 이어질 수 있는 핵심 안전 이슈로 남아 있다. 질소계 및 인산계 물질을 포함한 기존 소화제는 LIB 화재를 억제하는 데 제한적인 효과만을 보였다. 예컨대 트리페닐 포스페이트(triphenyl phosphate, TPP)와 같은 인(phosphorus)계 난연제는 기상(radical) 라디칼을 제거(scavenge)하는 능력 때문에 널리 연구되었다. 그러나 자체소화시간(self-extinguishing time, SET) 시험 결과 대부분의 기존 난연제가 LIB 전해액 화재를 억제하지 못했으며, 실제 작동 조건에서는 그 효과가 제한적임이 확인되었다. 또한 많은 인 및 붕소(boron)계 난연제는 LIB 작동 온도에서 높은 휘발성 또는 분해 특성을 나타내어 장기적인 안전성 향상에 적합하지 않다. 이에 비해 전해액 내부에서 연소를 직접 억제하는 응축상(condensed phase) 난연제는 보다 견고하고 효과적인 안전 대책이다. 가장 유망한 접근 중 하나는 라디칼 제거 효율이 우수한 할로겐(halogen)계 난연제를 사용하는 것이다. 우리의 선행 연구에서는 CaBr₂(브로민화칼슘, calcium bromide)를 LIB를 위한 유망한 난연제로 도입하였고, 응축상 라디칼 제거 메커니즘을 통해 우수한 화재 억제 성능을 입증하였다. CaBr₂는 전해액 내에서의 연소를 효과적으로 억제하지만, 높은 흡습성 및 전해액과의 반응성으로 인해 바람직하지 않은 부반응과 배터리 열화를 유발한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, CaBr₂를 폴리(메틸 메타크릴레이트-코-디비닐벤젠) [poly(methyl methacrylate-co-divinylbenzene), poly(MMA-co-DVB)] 껍질에 캡슐화한 열응답성 미세캡슐화(thermo-responsive microencapsulation) 방법을 개발하였다. 이렇게 제작된 마이크로캡슐(CBMC)은 통상 조건에서는 전해액과의 조기 반응을 차단하고, 열에 반응하여 난연제를 방출한다. 본 연구에서는 CBMC가 LIB에서 효과적인 화재 억제뿐 아니라 전기화학적 안정성도 유지함을 입증하였다. CaBr₂ 마이크로캡슐(CBMCs)을 전해액에 도입했을 때, 자체소화시간이 82초에서 단 9초로 감소하며(약 90% 감소) 화재 억제 효율이 크게 향상되었다. 개선된 화재 억제 효과는 파우치 셀 폭발 실험에서도 확인되었는데, CBMC를 포함한 셀은 최대 80 s의 점화 지연 시간을 보였으며, 이는 46 s인 대조군 셀보다 거의 2배에 해당한다. 또한 CBMC 코팅된 폴리에틸렌 분리막(CCPE)은 100회 이상 사이클 동안 안정적인 성능을 보여 LIB 시스템과의 높은 호환성을 입증하였다. 이러한 결과는 미세캡슐화된 할로겐계 난연제가 차세대 고에너지 밀도 LIB의 안전성을 향상시키기 위한 실용적인 전략임을 보여준다. 그림 1