유연성이 높은 리튬 금속 배터리(Li metal batteries, LMBs)는 높은 에너지 밀도 때문에 웨어러블 기기를 위한 매력적인 에너지 저장 시스템이다. 그러나 적재 밀도의 제한, 치수 안정성의 저하, 그에 따른 굽힘, 비틀림, 접힘을 포함하는 반복적인 기계적 변형 하에서의 기계적 불안정성과 같은 중대한 과제가 존재한다. 본 연구에서는 LMBs를 위한 극도로 유연한 나노/마이크로 섬유 복합 전극을 개발하였다. 높은 유연성과 기계적 내구성을 갖는 전극은 대량 생산이 가능한 O2 플라즈마 처리와 스프레이 코팅으로 제조한 산화된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(O‐PET) 마이크로파이버(MF) 기판 위에 단일벽 탄소나노튜브(CNT) 나노파이버(NF)를 코팅하여 구성된다. CNT 나노파이버는 전기적으로 서로 얽힌(intertangled) 네트워크를 제공하여 활성 물질(즉, NCM 또는 피막화된 리튬 분말(passivated Li powder, PLP))을 집적하고, 유연한 O‐PET MF 기판에 고정되게 함으로써 활성 물질의 높은 질량 적재를 가능하게 하며, 기계적 내구성을 유지하면서 전기화학적 성능을 향상시킨다. 그 결과, 나노/마이크로 섬유 전극에 기반한 유연한 LMBs는 우수한 에너지 밀도(전극 기준 300.1 Wh kg−1; 정격 전압 3.7 V)를 보이며, 기계적 파손 없이 500회의 접힘 사이클 동안 안정적인 용량 유지(97.1%)를 나타낸다.

), 이전에 보고된 모든 유연형 LIB를 능가한다. 본 연구는 다양한 에너지 저장 장치를 위한 고에너지 밀도 유연형 LIB를 제조하기 위한 실행 가능한 해결책을 제시한다.

유연성이 높은 리튬 금속 배터리(Li metal batteries, LMBs)는 높은 에너지 밀도 때문에 웨어러블 기기를 위한 매력적인 에너지 저장 시스템이다. 그러나 적재 밀도의 제한, 치수 안정성의 저하, 그에 따른 굽힘, 비틀림, 접힘을 포함하는 반복적인 기계적 변형 하에서의 기계적 불안정성과 같은 중대한 과제가 존재한다. 본 연구에서는 LMBs를 위한 극도로 유연한 나노/마이크로 섬유 복합 전극을 개발하였다. 높은 유연성과 기계적 내구성을 갖는 전극은 대량 생산이 가능한 O2 플라즈마 처리와 스프레이 코팅으로 제조한 산화된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(O‐PET) 마이크로파이버(MF) 기판 위에 단일벽 탄소나노튜브(CNT) 나노파이버(NF)를 코팅하여 구성된다. CNT 나노파이버는 전기적으로 서로 얽힌(intertangled) 네트워크를 제공하여 활성 물질(즉, NCM 또는 피막화된 리튬 분말(passivated Li powder, PLP))을 집적하고, 유연한 O‐PET MF 기판에 고정되게 함으로써 활성 물질의 높은 질량 적재를 가능하게 하며, 기계적 내구성을 유지하면서 전기화학적 성능을 향상시킨다. 그 결과, 나노/마이크로 섬유 전극에 기반한 유연한 LMBs는 우수한 에너지 밀도(전극 기준 300.1 Wh kg−1; 정격 전압 3.7 V)를 보이며, 기계적 파손 없이 500회의 접힘 사이클 동안 안정적인 용량 유지(97.1%)를 나타낸다.

), 이전에 보고된 모든 유연형 LIB를 능가한다. 본 연구는 다양한 에너지 저장 장치를 위한 고에너지 밀도 유연형 LIB를 제조하기 위한 실행 가능한 해결책을 제시한다.

리튬 금속 석출을 조절하는 일은 안정적이고 에너지 밀도가 높은 Li–금속 배터리의 실현에 필수적이다. 이온성 액체(IL)는 양이온 작용기가 리튬 돌기(tip) 상에서 리튬혐오성 보호층을 형성하기 때문에, 균일한 Li 석출을 위한 유망한 전해질 첨가제로 여겨져 왔다. 리튬 금속 배터리를 위한 IL에 대한 최근의 진전에도 불구하고, IL 첨가제에 대한 합리적 설계는 아직 초기 단계이며 추가적인 향상이 필요하다. 본 연구에서는 고성능 Li–금속 배터리를 가능하게 하는 새로운 IL 분자의 설계를 기반으로 한, 자기조립 보호층의 새로운 계열을 보고한다. 처음으로 IL 양이온에 리튬혐오성 곁가지의 대칭적 설계가 도입되었다. 이러한 대칭 설계는 Li 돌기 상에 자기조립 리튬혐오성 보호층을 형성하여, Li의 매끄러운 석출을 초래한다. 따라서 대칭형 IL은 Li–LiFePO 4 및 Li–LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 (NCM622) 배터리의 안정적인 사이클링을 가능하게 하며, 600회 동안 평균 쿨롱 효율이 ≈ 99.8%에 이른다. 또한 대칭형 IL은 코인형 배터리에서 양극 질량을 기준으로 에너지 밀도 ≈ 658 Wh kg ‐1을 갖는 실용적인 박막 Li (40 µ m)–NCM622 셀도 가능하게 한다. 본 연구는 IL 기반 첨가제를 위한 설계 프로토콜을 제안하며, 고효율이고 장기간 지속되는 Li–금속 배터리를 위한 전망적인 방법을 제공한다.

본 연구에서는 와이어 본딩 반도체 패키징 공정에서 금(Au) 와이어의 표면 처리에 적용되는 세정(rinse)의 종류에 근거하여 전자 플레임-오프(Electronic Flame-Off, EFO) 오류의 기원을 규명하였다. 하이드로카본 및 실리콘(silicone) 계면활성제는 Au 와이어 표면 처리에 흔히 사용되며, 조성이 서로 다른 5종의 1.0 wt% 세정 용액을 Au 와이어 표면에 적용한다. EFO 오류의 기원을 파악하기 위해, 와이어 본딩 공정에서 불가피하게 생성되는 실리콘(Si) 함유 분진과 세정 코팅된 Au 와이어의 반응성을 조사하는 실험을 수행하였다. 광학 현미경 및 전계방출 주사 전자현미경(field-emission scanning electron microscopy) 결과, Si 함유 세정으로 코팅된 Au 와이어 표면에는 다량의 분진이 흡착되어 있음을 확인하였다. 이는 세정액 내 Si 성분이 EFO 공정 중 형성되는 전기 아크와 상호작용하기 때문으로 설명된다. Si-CH3 결합은 높은 열에너지에서 분해되며, 그 결과 Si 함유 분진과의 저활성화 에너지(nonpolar) $\sigma$ 결합 형성이 가능해진다. 이러한 결함은 생산성과 신뢰성에 부정적인 영향을 미치므로, 오염에 의해 유발되는 결함 발생률을 낮추기 위해 와이어 본딩 공정에서 Au 와이어 표면 처리를 Si-free 유기 세정으로 사용하는 것을 제안한다.

실리콘(Si)은 흑연(372 mAh g-1)보다 높은 이론 용량(4200 mAh g-1)을 가지므로 고에너지 밀도 리튬이온 배터리의 양극(애노드) 후보로 주목받고 있다. 그러나 Si는 반복적인 리튬화/탈리튬화 과정에서 큰 체적 변화와 과도한 고체전해질 계면층(SEI)이 형성됨으로 인해 급격한 용량 감소를 겪는다. 이러한 체적 변화를 장기적인 사이클 수명 동안 억제하는 데 있어 바인더의 설계는 중요한 역할을 한다. 본 연구는 폴리(아크릴산)(PAA)과 붕산(BA)의 가교결합 중합체를 사용하고, 잔여 하이드록실기를 갖는 전자결핍 붕소를 포함하는 PBH를 Si 기반 애노드 바인더로 사용한다. 가교결합 PBH 바인더는 최적화된 비율에서 향상된 접착 강도를 갖는 견고한 전극을 제공하며, Si 입자를 효과적으로 고정하고 LiF가 풍부한 SEI를 형성하여 Si의 체적 팽창을 억제하면서도 강직성(rigidity)과 이온 전도성을 촉진할 수 있다. PBH 바인더를 적용한 Si 애노드는 150사이클 후 2275 mAh g-1의 높은 용량을 달성하였고, 평균 쿨롬 효율은 98.8%이며, 고용량 유지율은 88.85%로 높다. 또한 NCM622||Si 셀은 100사이클을 견디며 향상된 유지율을 보였다. 전자결핍 성분으로부터 유도된 가교결합 폴리머는 고에너지 및 고안정성 리튬이온 배터리를 위한 유망한 Si 바인더이다.

리튬이온전지(LIB)는 발전을 거듭하며 널리 사용되고 있으나, 에너지 밀도를 높이는 일은 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 실리콘(Si)은 높은 이론 용량으로 인해 차세대 LIB 음극 소재로서 주목받고 있다. 그러나 반복적인 Li 합금화 및 탈합금화 과정에서 나타나는 Si의 체적 팽창은 낮은 쿨롬 효율(CE)과 짧은 사이클 수명으로 이어져, 차세대 LIB에의 통합에 어려움을 초래한다. 본 연구에서는 OH − , Cl − 및 등 다양한 리튬염을 체계적으로 비교하여, 음이온 종이 폴리(아크릴산)(PAA) 바인더 성능을 조절하는 역할을 규명하고자 하였다. 그 결과, LiOH 처리만이 진정한 카복실레이트 프리리튬화(carboxylate prelithiation)를 달성하며, 이는 최적의 정전기적 반발과 사슬 얽힘(chain entanglement) 균형을 형성하여 균일한 슬러리 분산 및 향상된 전극 안정성을 가능하게 함을 밝혀냈다. 프리리튬화된 PAA 바인더를 사용한 최적화된 Si 음극은 높은 초기 CE와 안정적인 용량 유지율을 보였다. 반면 LiCl은 중간 정도의 사슬 연장(chain-extending) 능력을 보이며 느슨하게 응집된 마이크로플록(microflocs)을 형성하여 Si 전극의 균일성을 저해하는 것으로 나타났고, Li 2 SO 4는 광범위한 폴리머 응집을 유도하여 분산이 나빠지고 성능이 급격히 저하되었다. 이러한 결과는 음이온 종에 따른 폴리머 구조(architecture)에의 특이적 효과를 바탕으로 리튬염을 전략적으로 선택하는 접근이, 차세대 LIB를 위한 고성능 Si 기반 음극을 개발하는 유망한 방법임을 보여준다.