풍부하고 경제적인 나트륨(Na) 금속 배터리는 리튬이온 배터리보다 우수한 에너지 밀도를 제공할 것으로 기대되지만, 사이클링 동안 수지상(dendrite) 형성을 유발하는 문제성 계면 반응으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 본 논문은 전해질에 비닐피롤리돈(VP) 기반 다기능 계면 안정화제를 도입함으로써 가능해진 Na 금속 배터리의 초장시간 및 고속 구동을 보고한다. VP 전해질 첨가제는 표면 평탄화, 내구성 있는 고체전해질계면층(solid electrolyte interphase, SEI) 형성, 신선한 Na의 보존, 그리고 (110) 면을 따라 수평 결정 성장의 가속과 같은 이점을 제공한다. 안정화제를 포함한 대칭 Na–Na 전지는, 높은 전류 밀도 5 mA cm −2 조건에서 이전 연구를 능가하며 5 000회 이상의 사이클 동안 현저히 안정적인 운전을 보인다. 또한 Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 O 2 F 양극을 사용하는 전지(full-cell) 구성에서도 성능 향상이 입증된다. 본 접근법은 Na 금속 배터리 기술에서 리튬이온 배터리와 유사한 수준의 성능을 달성하기 위한 유망한 해결책을 제공한다.

우리는 공중에 떠 있는 “aeroelectrolyte”를 특징으로 하며 전극 표면과 직접 접촉하는 개방형 구조의 전기화학 셀 시스템을 새로운 형태(폼 팩터)로 제안한다.

본 논문(2304504)에서 Won-Hee Ryu 및 동료 연구진은 편광성 분자 쌍극자 전해질 첨가제로 비닐피롤리돈(Vinylpyrrolidone, VP)을 도입함으로써 Na 금속 배터리에서 초장기 및 고속 동작을 구현할 가능성을 제시한다. VP 분자는 Na 석출의 성장 방향을 제어하여 표면 평탄화 효과를 제공하는 한편, 내구성 성분으로 고체 전해질 계면층을 강화함으로써 고전류 밀도 작동 조건에서도 탁월한 사이클 성능을 달성한다.

서로 다른 에너지 전위를 지니는 리튬-공기(air-breathing) 배터리는 유망한 에너지 저장 시스템으로 주목받고 있으나, 느린 산소 환원 및 진화 반응(ORR 및 OER)이 충·방전 동안 가역적 셀 작동을 방해한다. 따라서 공기-호흡 배터리의 낮은 효율을 완화하기 위해 촉매 소재를 맞춤 설계해야 한다. 포르피린 유래 촉매는 서로 다른 금속 중심의 유기금속 프탈로시아닌(MPc) 복합체를 도입하고, 효율적인 Li–O2 셀을 제조하기 위한 환원-산화 매개체(RMs)로서의 잠재적 적용 가능성을 평가함으로써 최적화되었다. 각 MPc의 궤도 수준을 계산하여 잠재적 RM으로서의 타당성을 규명하였다. 다양한 MPc-RM을 사용하는 Li–O2 셀의 전기화학적 특성을 비교하였다. MPc를 포함한 Li–O2 셀은 개선된 셀 성능, 감소된 분극, 그리고 MPc-함유 전해질에 초산화물(superoxide) 종을 직접 주입하여 확인한 자가 산소화(auto-oxygenated) 특성과 함께 안정적인 사이클성을 보였다. 또한, OER 및 ORR 영역 모두에서 대기 중 환경에서 두 가지 중 가장 효과적인 MPc를 혼합한 혼합물로 이루어진 블렌딩 MPc의 상승(시너지) 효과도 규명하였다. MPc-함유 셀의 반응 메커니즘은 제1원리 계산과 실험 결과를 바탕으로 제안되었다. 천연 기능성 촉매의 도입은 지속 가능한 공기-호흡 배터리에 적용하기 위한 효과적인 친환경 촉매를 개발하는 데 기초를 제공한다.

풍부하고 경제적인 나트륨(Na) 금속 배터리는 리튬이온 배터리보다 우수한 에너지 밀도를 제공할 것으로 기대되지만, 사이클링 동안 수지상(dendrite) 형성을 유발하는 문제성 계면 반응으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 본 논문은 전해질에 비닐피롤리돈(VP) 기반 다기능 계면 안정화제를 도입함으로써 가능해진 Na 금속 배터리의 초장시간 및 고속 구동을 보고한다. VP 전해질 첨가제는 표면 평탄화, 내구성 있는 고체전해질계면층(solid electrolyte interphase, SEI) 형성, 신선한 Na의 보존, 그리고 (110) 면을 따라 수평 결정 성장의 가속과 같은 이점을 제공한다. 안정화제를 포함한 대칭 Na–Na 전지는, 높은 전류 밀도 5 mA cm −2 조건에서 이전 연구를 능가하며 5 000회 이상의 사이클 동안 현저히 안정적인 운전을 보인다. 또한 Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 O 2 F 양극을 사용하는 전지(full-cell) 구성에서도 성능 향상이 입증된다. 본 접근법은 Na 금속 배터리 기술에서 리튬이온 배터리와 유사한 수준의 성능을 달성하기 위한 유망한 해결책을 제공한다.

우리는 공중에 떠 있는 “aeroelectrolyte”를 특징으로 하며 전극 표면과 직접 접촉하는 개방형 구조의 전기화학 셀 시스템을 새로운 형태(폼 팩터)로 제안한다.

본 논문(2304504)에서 Won-Hee Ryu 및 동료 연구진은 편광성 분자 쌍극자 전해질 첨가제로 비닐피롤리돈(Vinylpyrrolidone, VP)을 도입함으로써 Na 금속 배터리에서 초장기 및 고속 동작을 구현할 가능성을 제시한다. VP 분자는 Na 석출의 성장 방향을 제어하여 표면 평탄화 효과를 제공하는 한편, 내구성 성분으로 고체 전해질 계면층을 강화함으로써 고전류 밀도 작동 조건에서도 탁월한 사이클 성능을 달성한다.

서로 다른 에너지 전위를 지니는 리튬-공기(air-breathing) 배터리는 유망한 에너지 저장 시스템으로 주목받고 있으나, 느린 산소 환원 및 진화 반응(ORR 및 OER)이 충·방전 동안 가역적 셀 작동을 방해한다. 따라서 공기-호흡 배터리의 낮은 효율을 완화하기 위해 촉매 소재를 맞춤 설계해야 한다. 포르피린 유래 촉매는 서로 다른 금속 중심의 유기금속 프탈로시아닌(MPc) 복합체를 도입하고, 효율적인 Li–O2 셀을 제조하기 위한 환원-산화 매개체(RMs)로서의 잠재적 적용 가능성을 평가함으로써 최적화되었다. 각 MPc의 궤도 수준을 계산하여 잠재적 RM으로서의 타당성을 규명하였다. 다양한 MPc-RM을 사용하는 Li–O2 셀의 전기화학적 특성을 비교하였다. MPc를 포함한 Li–O2 셀은 개선된 셀 성능, 감소된 분극, 그리고 MPc-함유 전해질에 초산화물(superoxide) 종을 직접 주입하여 확인한 자가 산소화(auto-oxygenated) 특성과 함께 안정적인 사이클성을 보였다. 또한, OER 및 ORR 영역 모두에서 대기 중 환경에서 두 가지 중 가장 효과적인 MPc를 혼합한 혼합물로 이루어진 블렌딩 MPc의 상승(시너지) 효과도 규명하였다. MPc-함유 셀의 반응 메커니즘은 제1원리 계산과 실험 결과를 바탕으로 제안되었다. 천연 기능성 촉매의 도입은 지속 가능한 공기-호흡 배터리에 적용하기 위한 효과적인 친환경 촉매를 개발하는 데 기초를 제공한다.

레독스 매개체 촉매에서 금속 중심 유기금속 프탈로시아닌(MPc) 복합체를 맞춤 설계하는 것은 레독스 매개체 촉매를 발전시키고, 기존의 Li 공기(air) 호흡 배터리 기술을 능가하는 데에 핵심적으로 중요하다. 논문 번호 2103527에서 종순 김(Jongsoon Kim), 원희 류(Won-Hee Ryu) 및 동료 연구자들은 중심 금속 원자에 따라 MPc의 촉매 활성도가 달라짐을 보여주는 실험 결과와 이론적 예측을 보고한다. MPc를 사용해 제작한 Li 공기 호흡 전지는 저산소(O2) 환경 공기에서도 탁월한 성능을 나타낸다.

다양한 에너지 저장 응용 분야에서 리튬이온 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라, 상당한 양의 양극 폐기물을 해결하기 위한 환경 친화적이면서도 효율적인 직접 재활용 전략의 긴급한 필요성이 강조된다. 사이클링 후 얻어진 양극 물질 내에서 Li 분포를 균질화하기 위해 퀴논 분자와 같은 Li 보충을 위한 다양한 환원제가 고려되어 왔으나, 세부적인 반응 메커니즘은 여전히 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 고Ni 층상 양극의 화학적 재리튬화(chemical relithiation)에 대한 레독스 매개체 3,5-di-tert-butyl-o-benzoquinone (DTBQ)의 이상적인 전기화학 퍼텐셜 인자 및 반응 메커니즘을 규명하였다. 여기서 DTBQ 보조 화학적 재리튬화는 Li 결핍 양극 전극의 직접 침지 시간(direct immersion time)을 조절함으로써 100% 효율을 달성하였다. 재생된 양극의 물리적·화학적 구조와 DTBQ 분자의 가역적 반응 특성은 고급 특성 분석과 밀도범함수이론(density functional theory) 계산을 통해 조사되었다. 이러한 결과는 레독스 매개체 보조 화학적 재리튬화가 직접 재활용 공정을 구현할 수 있는 잠재력을 지님을 강조하며, 배터리 재활용을 위한 쉽고 지속가능한 해결책을 제공한다.

다양한 에너지 저장 응용 분야에서 리튬이온 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라, 상당한 양의 양극 폐기물이라는 문제를 해결하기 위한 친환경적이고 효율적인 직접 재활용 전략의 시급한 필요성이 강조되고 있다. 리튬 보충을 위한 다양한 환원제(예: 퀴논 분자)는 사이클링 후 얻어진 양극 소재 내에서 Li 분포를 균질화하기 위해 고려되어 왔으나, 상세한 반응 메커니즘은 아직 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 고-Ni 층상 양극의 화학적 리리튬화(chemical relithiation)를 위한 산화환원 매개체 3,5-di-tert-butyl-o-benzoquinone (DTBQ)의 이상적인 전기화학적 퍼텐셜 인자와 반응 메커니즘을 규명하였다. 여기서 리튬 결핍 양극 전극의 직접 침지 시간(direct immersion time)을 조절함으로써 DTBQ 보조 화학적 리리튬화의 100% 효율을 달성하였다. 재생된 양극 및 DTBQ 분자 모두의 물리적·화학적 구조에 나타나는 가역 반응 특성을 고급 분석과 밀도범함수이론(density functional theory) 계산을 통해 조사하였다. 본 연구 결과는 산화환원 매개체 보조 화학적 리리튬화가 직접 재활용 공정을 구현할 잠재력이 있음을 강조하며, 배터리 재활용을 위한 간편하고 지속가능한 해결책을 제공한다.

고도로 극성화되고 비극성인 안트라센 전해질 첨가제는 쌍극자 효과를 유도하고, Li의 결정 배향을 제어하며, 사이클링 안정성을 향상시켜 Li 금속 음극을 안정화한다.