층상 δ‐MnO 2 (dMO)는 층간 거리(~0.7 nm)가 크고, 높은 용량을 가지며, 비용이 낮아 재충전 가능한 수계 아연‐이온 배터리의 우수한 양극 소재이지만, 이러한 양극은 장기 사이클링 과정에서 구조적 열화가 발생하여 용량이 감소하는 문제를 겪는다. 본 연구에서는 간단하고 비용 효율적인 하이드로열(수열) 합성 방법을 사용하여 환원 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)과 결합된 Co‐도핑 dMO 복합체인 GC‐dMO를 개발하였다. 이종 원자 도핑과 그래핀 산화물 복합화로 인해 무질서도(disorderness)의 정도가 증가한다. 층상 dMO와 GC‐dMO가 첫 방전 시 K‐바이르네사이트(K‐birnessite)에서 Zn‐부셀라이트(Zn‐buserite) 상으로 구조 전이를 겪으며, 이는 층상 구조 내 Zn 2+ 이온과 H 2 O 분자의 삽입(인터칼레이션)을 향상시킨다는 점을 입증하였다. GC‐dMO 양극은 dMO 양극(159 mAh g −1 )과 비교하여 100 mA g −1의 전류 밀도에서 100사이클 후 302 mAh g −1의 우수한 용량을 나타낸다. Co 도핑과 그래핀 산화물 시트로 인한 GC‐dMO 양극의 뛰어난 전기화학적 성능은 층간 간격과 무질서도를 증가시키고 구조적 안정성을 유지하여, Zn 2+ 이온과 H 2 O 분자의 용이한 역삽입(역인터칼레이션)과 탈삽입(de‐intercalation)을 촉진한다. 따라서 GC‐dMO는 대규모 수계 ZIB를 위한 유망한 양극 소재이다.

층상 δ‐MnO 2 (dMO)는 층간 거리(~0.7 nm)가 크고, 높은 용량을 가지며, 비용이 낮아 재충전 가능한 수계 아연‐이온 배터리의 우수한 양극 소재이지만, 이러한 양극은 장기 사이클링 과정에서 구조적 열화가 발생하여 용량이 감소하는 문제를 겪는다. 본 연구에서는 간단하고 비용 효율적인 하이드로열(수열) 합성 방법을 사용하여 환원 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)과 결합된 Co‐도핑 dMO 복합체인 GC‐dMO를 개발하였다. 이종 원자 도핑과 그래핀 산화물 복합화로 인해 무질서도(disorderness)의 정도가 증가한다. 층상 dMO와 GC‐dMO가 첫 방전 시 K‐바이르네사이트(K‐birnessite)에서 Zn‐부셀라이트(Zn‐buserite) 상으로 구조 전이를 겪으며, 이는 층상 구조 내 Zn 2+ 이온과 H 2 O 분자의 삽입(인터칼레이션)을 향상시킨다는 점을 입증하였다. GC‐dMO 양극은 dMO 양극(159 mAh g −1 )과 비교하여 100 mA g −1의 전류 밀도에서 100사이클 후 302 mAh g −1의 우수한 용량을 나타낸다. Co 도핑과 그래핀 산화물 시트로 인한 GC‐dMO 양극의 뛰어난 전기화학적 성능은 층간 간격과 무질서도를 증가시키고 구조적 안정성을 유지하여, Zn 2+ 이온과 H 2 O 분자의 용이한 역삽입(역인터칼레이션)과 탈삽입(de‐intercalation)을 촉진한다. 따라서 GC‐dMO는 대규모 수계 ZIB를 위한 유망한 양극 소재이다.

본 연구는 구조적으로 설계된 Na-Sn 합금의 아키텍처를, 안정적이고 실용적인 나트륨 금속 음극을 향한 확장 가능한 경로로 제시한다.

리튬이온전지의 장기 안정성은 다기능 및 구조용 에너지 저장 시스템에서의 광범위한 적용을 제한하는 핵심 요인이다. 그러나 기존의 금속 전류 집전체는 특히 구조적 통합이 요구되는 경우, 섬유 기반 재료인 석영 직물(quartz woven fabrics, QWFs)보다 무게가 더 나가고 기계적으로 적응력이 떨어지는 경향이 있다. 주로 실리카로 구성된 석영 직물은 높은 열 안정성, 우수한 기계적 강도, 낮은 단위면적 중량을 제공하므로 다기능 전극 플랫폼 후보로서 매력적이다. 본 연구에서는 화학기상증착(chemical vapor deposition) 방식으로 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNTs)를 QWFs에 직접 성장시켰으며, 촉매로 Ni 나노입자를 사용하고 탄소원으로 C2H4를 사용하였다. 성장 과정은 온도를 2시간 동안 변화시키며 조절하여 균일하고 전기적으로 전도성인 CNT 네트워크를 형성하도록 최적화하였다. 그 결과 CNT 코팅된 QWFs는 전류 집전체와 활성 전극 지지체의 역할을 이중으로 수행하였으며, 0.1 C 속도에서 초기 방전 용량 201.54 mAh g-1을 제공하였다. 전극은 0.5 C 속도에서 50사이클 후 초기 용량의 89.8%를 유지하여, 우수한 출력 특성과 사이클 안정성을 보여주었고 성능은 기존 Al 호일 기반 전극과 거의 동등하였다. 석영 직물은 본질적으로 절연성이지만, CNT 코팅을 통해 통합된 전도성 네트워크가 형성되어, 하중 지지 응용에 요구되는 구조적 건전성을 유지하면서도 효율적인 전하 수송이 가능해졌다. 본 연구는 구조용 리튬이온전지를 위한 새로운 섬유 기반 전극 설계를 제시하며, 첨단 전자기기, 전기자동차 및 항공우주 기술에 적합한 경량의 기계적으로 통합된 에너지 저장 시스템을 향한 유망한 경로를 제공한다.

니켈이 풍부한 층상 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM622) 양극은 고에너지 리튬이온 배터리의 가장 유망한 후보이지만, 큰 1차 입자 크기와 표면 열화로 인한 구조적 불안정성 및 용량 저하가 흔히 성능을 제한한다. 1차 입자 크기의 정밀한 제어는 NCM622 양극의 성능에 유의미한 영향을 미치며 피로 메커니즘을 완화할 수 있지만, 근본적인 과정은 아직 불명확하다. 본 연구에서는 전구체 형성 과정에서 암모니아 공급 속도와 용액 pH를 체계적으로 제어함으로써, 조절된 공침(co-precipitation) 전략을 적용하여 다양한 1차 입자 크기를 갖는 NCM622 양극을 합성하였다. 흥미롭게도, 더 높은 암모니아 공급 속도는 더 작고 질서정연한 1차 입자의 형성을 촉진한 반면, 더 낮은 공급 속도와 감소된 pH는 구형의 2차 구조 내에서 더 큰 1차 입자를 생성하였다. 전기화학적 평가는, 더 작은 1차 입자로 구성된 양극이 더 낮은 암모니아 공급 또는 감소된 pH 조건에서 합성된 양극에 비해 향상된 Li+ 확산 동역학과 우수한 전기화학적 성능을 보임을 나타냈다. 또한 최적화된 NCM622 전극은 우수한 레이트 능력을 보여주었고 사이클링 동안 층상 미세구조를 안정적으로 유지하면서 초기 용량의 약 86%를 유지하였다. 이러한 결과는 공침 과정에서 암모니아 공급 조건을 미세 조정하는 것이 1차 입자 성장을 제어하기 위한 단순하면서도 효과적인 접근이며, 그에 따라 NCM622 양극 소재의 구조적 건전성과 전기화학적 내구성을 향상시킬 수 있음을 보여준다.

고성능 나트륨 이온 전지(SIB)의 발전을 위해서는 구조적 견고성과 장기 전기화학적 안정성을 모두 갖춘 양극(캐소드) 소재가 필요하다. NASICON형 골격을 갖는 Na3V2(PO4)3(NVP)는 유망한 후보이지만, 본질적으로 낮은 전자 전도성이 완전한 용량 활용을 제한한다. 본 연구에서는 아가로오스를 탄소원으로 사용하여 고상 반응을 통해 탄소 코팅 및 Cu 치환 Na3V2(PO4)3(NVCP) 복합체를 합성하였다. 구조 및 형태 분석 결과, 결정 구조를 교란하지 않으면서 Cu2+ 이온이 능면체(로도헤드랄) 격자에 성공적으로 도입되었고, 균일한 전도성 탄소 층이 형성되었음이 확인되었다. Cu2+ 치환은 탄소의 무질서도를 증가시키고 V3+의 부분적 산화를 V4+로 유도하여 전자 전도성을 향상시키는 데 기여하였다. 그 결과, NVCP는 0.5 C에서 500 사이클 후 초기 용량의 99% 이상을 유지하는 우수한 장기 사이클링 성능을 나타내었다. 또한 전극은 20 C에서 사이클링 후 97.98%의 용량 회복을 보였고, 더 낮은 전류 밀도로 복귀하였을 때도 뛰어난 고율 성능을 보였다. 이러한 결과는 Cu 치환과 탄소 코팅이 상호 시너지로 구조적 건전성과 Na+ 수송을 동시에 향상시켜, 차세대 SIB를 위한 고성능 양극을 설계하는 효과적인 접근법을 제시함을 보여준다.