LiMn x Fe 1-x PO 4 (LMFP)는 LiFePO 4에 비해 더 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 리튬이온 배터리의 유망한 양극 소재이다. 그러나 Mn 3+에 의해 유발되는 얀-텔러 왜곡과 Fe 2+의 산화는 전해질 분해를 초래하여, 전지의 사이클링 성능과 구조 안정성을 저하시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 LMFP의 전기화학적 성능을 향상시키기 위한 최적화된 Zn 도핑 함량을 제안한다. 그 결과, Zn 1.0% 도핑(LMFP-Zn 1.0%)이 최적의 사이클링 성능을 달성함을 확인하였다. 특히 LMFP-Zn 1.0%는 2C 조건에서 100 사이클 후 92.6%의 용량 유지율을 보였다. HR-TEM 및 XPS 분석 결과, 이러한 수준의 도핑은 고 C-레이트에서 사이클링 후 금속 용출과 구조 파괴를 효과적으로 억제하여 LMFP 양극 소재의 전기화학적 성능 및 안정성을 향상시키는 것으로 나타났다. • LiZn x Mn 0.5 Fe 0.5-x PO 4 양극 소재는 용매열( solvothermal ) 방법으로 합성된다. • Zn 도핑 함량을 변화시켰을 때 전기화학적 특성에 미치는 영향을 조사한다. • Zn 1.0% 도핑은 2C 조건에서 100 사이클 후 92.6%의 용량 유지율을 보인다. • 부검(post-mortem) 분석을 통해 Zn 도핑이 금속 용출을 성공적으로 억제했음이 입증된다.

상(phase) 불안정성(in)과 격자 미스매치(lattice misfit) 간의 상관관계를 조사하여, 고출력 밀도 양극(cathode)을 구현함에 있어 “방향성 격자 미스매치(directional lattice misfit)” 개념을 통해 상전이(phase transition)를 보다 심층적으로 이해하고자 한다.

현재 웨어러블 전자기기 구동에 대한 수요가 증가함에 따라, 신축성 에너지 저장 소자에 대한 관심이 상당히 높아지고 있다. 신축성 에너지 저장 소자에서 핵심적인 구성요소는 전극이며, 이는 장기간 사용 동안 크고 반복적인 수의 기계적 변형을 견딜 수 있어야 한다. 고도로 변형 가능한 전극을 쉽고 경제적인 방식으로 제조하는 기술을 개발하는 것이 중요하다. 여기에서는 3D 프린팅 기술을 이용한 신축성 전극 기판의 제작을 보고한다. 이를 제조하기 위한 잉크는 희생성(soft) 당 입자와 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 수지의 혼합물을 포함하며, 이는 열 경화(thermal curing) 시 고화된다. 인쇄된 신축성 기판은 물에서 당 입자를 용출(leaching)한 후 다공성 구조를 갖게 된다. 이렇게 얻어진 인쇄 다공성 신축성 기판은 전극 물질로 적재한 뒤 Li-ion 배터리(LIBs)의 전극으로 사용된다. 신축성 전극을 갖는 배터리는 기존 전극과 비교할 만한 적절한 전기화학적 성능을 나타낸다. 또한 신축성 전극은 다양한 기계적 변형 하에서도, 그리고 수백 회에 이르는 신축/이완(stretch/release) 사이클 이후에도 안정적인 전기화학적 성능을 보인다. 본 연구는 높은 신축성과 향상된 전기화학적 성능을 갖는 LIB를 구축하기 위한 실현 가능한 경로를 제시함으로써, 차세대 웨어러블 전자기기를 위한 신축성 배터리를 구현하는 플랫폼을 제공한다.

(Ge-LLZO) 세라믹 코팅. 구조 및 표면 분석(FE-SEM/EDS, XPS, FE-TEM)은 표면에 침착된 코팅 관련 종의 존재와 코팅에 의해 유도된 표면 화학의 변화를 확인하는 한편, 벌크 XRD는 겔-세라믹 처리 후에도 적층된 LMLO 호스트 구조가 주로 유지됨을 검증하는 데 사용된다. 전기화학 시험 결과, 겔에서 유래한 Ge-LLZO 코팅은 미분용량(differential capacity) 거동, 임피던스 응답, 그리고 출력(전류) 비율 능력(rate capability) 경향으로 반영되듯이 계면 반응 동역학 및 저항 변화의 양상에 영향을 줄 수 있음을 시사한다. 또한 미세구조 관찰에서는 순환 후 나은(베어) LMLO에 비해 손상이 감소한 것으로 나타난다. 종합하면, 본 연구는 겔화 보조 증착과 겔-세라믹 전환이 LMLO 양극 상에 Ge-LLZO 표면 코팅을 구현하여 계면 반응 동역학과 저항 변화의 양상을 조절할 수 있음을 보여준다. 가혹한 4.8–2.0 V/1C 조건에서, 베어 LMLO는 약 60사이클 이후 급격한 용량 감소를 보이는 반면, 코팅된 LMLO는 100사이클까지 더 완만한 저하를 나타낸다. 강건한 장기 안정성을 위해서는 추가 최적화가 필요하다.

동일한 비율로 각각.

LiMn x Fe 1-x PO 4 (LMFP)는 LiFePO 4에 비해 더 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 리튬이온 배터리의 유망한 양극 소재이다. 그러나 Mn 3+에 의해 유발되는 얀-텔러 왜곡과 Fe 2+의 산화는 전해질 분해를 초래하여, 전지의 사이클링 성능과 구조 안정성을 저하시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 LMFP의 전기화학적 성능을 향상시키기 위한 최적화된 Zn 도핑 함량을 제안한다. 그 결과, Zn 1.0% 도핑(LMFP-Zn 1.0%)이 최적의 사이클링 성능을 달성함을 확인하였다. 특히 LMFP-Zn 1.0%는 2C 조건에서 100 사이클 후 92.6%의 용량 유지율을 보였다. HR-TEM 및 XPS 분석 결과, 이러한 수준의 도핑은 고 C-레이트에서 사이클링 후 금속 용출과 구조 파괴를 효과적으로 억제하여 LMFP 양극 소재의 전기화학적 성능 및 안정성을 향상시키는 것으로 나타났다. • LiZn x Mn 0.5 Fe 0.5-x PO 4 양극 소재는 용매열( solvothermal ) 방법으로 합성된다. • Zn 도핑 함량을 변화시켰을 때 전기화학적 특성에 미치는 영향을 조사한다. • Zn 1.0% 도핑은 2C 조건에서 100 사이클 후 92.6%의 용량 유지율을 보인다. • 부검(post-mortem) 분석을 통해 Zn 도핑이 금속 용출을 성공적으로 억제했음이 입증된다.

상(phase) 불안정성(in)과 격자 미스매치(lattice misfit) 간의 상관관계를 조사하여, 고출력 밀도 양극(cathode)을 구현함에 있어 “방향성 격자 미스매치(directional lattice misfit)” 개념을 통해 상전이(phase transition)를 보다 심층적으로 이해하고자 한다.