리튬이온 배터리 발전: 바인더 프리 전극 기술로 더 높은 에너지 밀도 구현

초록

리튬이온 배터리(LIB)는 에너지 공급 및 저장 시스템으로 전자기기, 전기차, 전력망에 널리 사용됩니다. 그러나 LIB 에너지 밀도 향상에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 따라서 높은 에너지 밀도를 가진 새로운 전극 소재 개발이 중요해졌습니다. 많은 새로운 소재가 발견되었으나, (1) 바인더와 활물질(금속 산화물, Si, Li, S 등) 간 약한 상호작용 및 계면 문제, (2) 큰 부피 변화, (3) 낮은 이온/전자 전도도, (4) 충방전 과정 중 활물질 자기 응집 등의 문제가 남아 있습니다. 현재 바인더 프리 전극이 이러한 문제 해결을 위한 유망한 후보로 부상하고 있습니다. 첫째, 활물질을 도전성 기판에 직접 고정하여 바인더와 활물질 간 계면 문제를 해결할 수 있습니다. 둘째, 바인더 프리 전극의 다공성이 활물질의 큰 부피 팽창을 수용할 수 있습니다. 셋째, 도전성 기판과 활물질 간 밀착 접촉으로 이온 및 전자 전도도를 향상시킬 수 있습니다. 따라서 바인더 프리 전극은 일반적으로 우수한 전기화학적 성능을 보입니다. 기존 제조 공정은 전기화학적으로 비활성인 바인더와 도전재를 포함하여 활물질의 비용량과 에너지 밀도를 감소시킵니다. 바인더와 도전재를 제거하면 배터리 에너지 밀도를 크게 개선할 수 있습니다. 본 리뷰는 바인더 프리 전극의 제조, 응용, 전망을 다룹니다. 먼저 활물질 캐리어 역할을 하는 다양한 도전성 기판을 소개합니다. 이어서 화학, 물리, 전기 관점에서 바인더 프리 전극 제조법을 다룹니다. 이후 유연 배터리 분야에서 바인더 프리 전극 응용을 제시합니다. 마지막으로 이러한 가공 방법과 응용에 대한 전망을 제공합니다.

서론

에너지 위기와 환경 문제가 재생에너지와 새로운 친환경 에너지 저장 시스템 개발을 견인했습니다. 풍력, 수력, 태양광 등 재생에너지원의 간헐성 문제로 배터리가 중요한 에너지 저장 시스템으로 간주됩니다[1-3]. 신뢰성 있고 효율적인 에너지 저장 장치에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 리튬이온 배터리(LIB)는 높은 에너지 및 전력 밀도, 높은 셀 전압, 넓은 작동 온도 범위, 긴 사이클 수명으로 많은 주목을 받았습니다[4]. 현재 기존 배터리 제조 공정은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 바인더로 사용하여 코팅법으로 도전제와 활물질을 집전체에 고정합니다[5, 6]. 더 높은 용량과 더 작은 크기의 LIB 수요로 인해 높은 비용량 활물질 개발과 셀 내 비활성 소재 감소 모두 중요합니다. 비활성 소재 감소 방법은 다음과 같습니다. 첫째, 기존 바인더를 도전성 바인더(예: 피렌 기반 폴리머, 폴리플루오렌 공액 폴리머)로 대체할 수 있습니다. 이 폴리머들은 본질적으로 도전성이며 측쇄나 골격 변형으로 접착력을 증가시킵니다[7-10]. 도전성 바인더가 도전제 역할을 하여 셀 내 비활성 탄소 사용을 줄일 수 있습니다. 그러나 이 바인더들(PVDF와 새로 개발된 바인더 모두)과 활물질(금속 산화물, Si, Sn, Li, S 등) 간 약한 계면 상호작용으로 입자가 자가 응집되거나 집전체로부터 분리됩니다. 따라서 고용량 신소재가 배터리 성능 저하를 보입니다[11-15]. 둘째, 탄소 천, 그래핀, Ni 폼 등 고급 도전성 기판을 조사하여 활물질을 기판의 특수 부착 부위에 고정할 수 있습니다. 활물질과 기판 간 부착은 강한 화학적 및/또는 물리적 결합으로 이루어져 전극 무결성을 크게 개선합니다. 게다가 이 공정은 바인더와 도전성 탄소 첨가제를 잠재적으로 모두 제거할 수 있어 에너지 밀도를 크게 개선할 수 있습니다[16, 17](그림 1).

많은 연구가 바인더 프리 전극의 수많은 이점을 입증했습니다[18-21]. 해당 전자 도전성 기판에 활물질을 고정함으로써 유기 바인더가 활물질 표면을 덮지 않아 바인더와 활물질 간 계면 문제를 해결할 수 있습니다[22, 23]. 활물질이 도전성 기판에 단단히 부착되어 전자 전도도가 크게 향상됩니다. 지지 소재 특성(예: 다공성 구조)은 전해질 침투와 이온 확산을 촉진합니다[24]. 또한 큰 표면적은 활물질 완전 활용과 Li-이온 수송에 이롭습니다. 게다가 활물질이 일반적으로 도전성 기판에 균일하게 고정되어 나노입자 응집을 효과적으로 방지하고 반복 사이클링 중 부피 팽창을 감소시킵니다. 바인더 프리 전극은 일반적으로 높은 Li⁺ 및 전자 전도도, 양호한 전해질 젖음성, 큰 부피 팽창 공간, 강한 결합 강도를 보입니다. 따라서 바인더 프리 전극은 PVDF/활물질/카본 블랙 시스템보다 더 나은 용량, 사이클링, 속도 성능을 보입니다. 구체적으로, 신소재 나노소재의 사이클 수명이 수십 회에서 수백 회로 증가했으며, ~10 A g⁻¹의 높은 전류 밀도에서 가능했습니다.

활물질 캐리어 역할을 하는 도전성 기판은 바인더 프리 전극의 기초입니다. 도전성 매트릭스는 활물질 성장에 적합한 부위를 가져야 하며, 기계적 특성이 응용에 결정적 역할을 합니다. 웨어러블 및 유연 전자 장치에서 전극 응용을 위해 도전성 기판은 여러 번 구부리거나 접힐 수 있어야 합니다. 이는 슬러리 공정으로 제작된 기존 전극에서는 달성하기 어렵습니다. 주된 이유는 구부림 공정 중 활물질이 집전체에서 분리되어 배터리 비활성화를 초래하기 때문입니다. 유연한 네트워크에 활물질을 직접 성장시키면 강한 상호작용으로 높은 에너지 밀도를 유지하는 견고한 전극이 됩니다. 이러한 유연 기판에는 주로 금속 폼, 탄소 천, 탄소 소재 프리스탠딩 필름이 포함됩니다[25].

본 리뷰는 LIB용 바인더 프리 전극의 제조, 응용, 전망 개요를 제공하는 것을 목표로 합니다. 우리 목표는 바인더 프리 전극의 최근 개발과 개선을 강조하는 것입니다[26]. 닥터 블레이드 캐스팅과 침투법은 LIB 분야에서 의심할 여지없이 중요하지만 포함하지 않습니다. 먼저 활물질 캐리어 역할을 하는 다양한 도전성 기판을 소개합니다. 이어서 화학, 물리, 전기 관점에서 바인더 프리 전극 제조법을 다룹니다. 이후 유연 배터리 분야에서 바인더 프리 전극 응용을 제시합니다. 마지막으로 이러한 제조 방법과 응용에 관한 핵심 이슈를 전망합니다.

도전성 기판

도전성 기판은 우수한 전자 전도도를 가진 집전체입니다. 따라서 소재는 일반적으로 금속이나 탄소 소재로 구성됩니다. 제조 한계로 금속 집전체는 일반적으로 필름, 메시[27], 폼[28]으로 제작됩니다. 금속 제품은 일반적으로 경직되어 변형 후 회복이 어렵기 때문에 슬러리 기반 배터리와 동일한 구성의 고에너지 밀도 배터리에만 적합합니다. 구리와 알루미늄은 서로 다른 산화 저항성으로 인해 음극과 양극 집전체로 각각 사용됩니다[29]. 금속 폼은 경량, 큰 면적, 3차원 구조 등의 장점으로 바인더 프리 전극에 자주 사용됩니다[30].

탄소 소재는 자연계의 다양한 생물학적 소재뿐만 아니라 화학적으로 제조된 탄소 나노튜브, 그래핀, 유기 소재로부터 다공성 탄소 구조 등 다양한 기원에서 유래하며 제조가 매우 유연합니다[31]. 금속에 비해 일부 탄소 소재는 더 가볍고 뛰어난 유연성(유연, 접이식 등)을 가집니다. 탄소 천은 우수한 전기 전도도와 유연성으로 에너지 저장에 점점 더 많이 적용되고 있습니다[33].

화학적 방법

열처리

열처리는 바인더 프리 전극 제조의 일반적인 방법 중 하나입니다. 이 방법은 가열 및 냉각 공정을 통해 소재의 물리화학적 특성을 변경합니다. 열처리 후 무기 염이 해당 금속 산화물로 전환되고 폴리머가 탈수되어 탄소 도전성 구조를 형성합니다(그림 2). 바인더 프리 전극 제조에서 열처리는 일반적으로 활물질 고정 또는 자기 지지 골격 구축에 사용됩니다.

상업적으로 이용 가능한 구조를 지지 골격으로 활용하여 활물질을 고정합니다. 이러한 소재는 금속 메시, 탄소 섬유, 상업용 스펀지, 생물학적 유도체, 상업용 스펀지 등으로 구성됩니다[39](그림 2a). 금속 집전체 표면에 단순 열산화 공정으로 금속 산화물 나노입자를 합성할 수 있습니다[34](그림 2a1). 추가 처리 없이 이 집전체를 바인더 프리 LIB 지지 소재로 직접 사용할 수 있습니다. Fe 메쉬 지지 Fe₂O₃는 200 사이클 후 1050 mAh g⁻¹의 매우 높은 방전 용량을 보입니다. 활물질 전구체 용액으로 도전성 막을 열처리하는 것은 바인더 프리 전극 제작을 위한 널리 개발된 방법입니다(그림 2a2). 대표적 예로 (NH₄)₂MoS₄ 용액에 침지 후 어닐링하여 활성탄 섬유(ACF) 천 표면에 초박막 MoS₂ 나노시트를 코팅할 수 있습니다. 전기화학적 성능은 100 mA g⁻¹ 전류 밀도에서 971 mAh g⁻¹ 방전 용량 달성을 입증했습니다[35]. 바이오매스 소재 열처리는 바인더 프리 전극 제조의 간단한 방법입니다. Ozkan 등은 포토벨로 버섯을 탄화하여 바인더 프리 LIB 음극으로 사용했습니다(그림 2a3)[32]. 고온에서 바이오매스 소재 구조가 유지되며, 자연적으로 존재하는 헤테로원자와 금속 이온이 탄소 소재에 도핑되어 전자 전도도와 용량 등 전기화학적 성능을 향상시킵니다.

폴리머는 바인더 프리 전극의 자기 지지 골격 구축을 위한 주요 소재이며, 골격 구조는 폴리머와 그 제조법에 의해 결정됩니다(그림 2b)[40]. 첫째, 일반 폴리머의 경우 폴리머-활물질 복합 필름을 550°C에서 열분해하여 바인더 프리 전극을 제조할 수 있습니다(그림 2b1)[36]. Si/SiOₓ/PAN 복합 전극은 이 방법으로 제조됩니다[41, 42]. 어닐링 후 폴리아크릴로니트릴(PAN)이 N-도핑 도전성 구조로 전환되며, 탄소 네트워크는 SEI 안정화와 부피 변화 수용뿐만 아니라 전극에 좋은 유연성과 기계적 강도를 제공합니다. 유사하게, Si/rGO 전극은 Ni 폼에 Si, 환원 그래핀 산화물(rGO), 폴리비닐피롤리돈(PVP) 현탁액을 캐스팅 후 어닐링 공정으로 얻을 수 있습니다[43]. 둘째, 층별(LBL) 공정은 복잡한 구조와 나노소재 제작에 매력적인 방법입니다. Ti 포일을 폴리(다이알릴디메틸암모늄 클로라이드)(PDDA) 용액, 그래핀 산화물(GO) 현탁액, PDDA 용액, 수용성 H₃PMo₁₂O₄₀에 특정 사이클로 침지한 후 500°C에서 열처리하여 다층 전극을 제작할 수 있습니다[44]. 이러한 LBL 방법은 대규모 바인더 프리 전극 제조에 적용 가능합니다. 이런 방법은 메조다공성 아나타제 TiO₂/니켈 폼[45], MoS₂ 나노시트/ACF, 다층 GeO₂/rGO(그림 2b2) 제작에 적합합니다[37, 46]. 마지막으로, 활물질을 폴리머에 캡슐화한 후 새로운 나노구조로 제작하여 바인더 프리 전극을 제조할 수 있습니다(그림 2b3). 유연한 계층적 나노파이버 매트는 전기방사와 후속 열처리로 합성할 수 있습니다.

상업적 구조와 제작 구조에는 많은 장점이 있습니다. 활물질이 상업적 구조 표면에 코팅되는 반면 제작 구조는 활물질을 캡슐화하는 컨테이너 역할을 합니다. 활물질 캡슐화와 달리 표면 코팅은 활물질과 전해질 간 접촉을 더 많이 만듭니다. 따라서 더 나은 속도 성능이지만 초기 쿨롱 효율 저하와 열악한 사이클링 성능을 초래합니다.

수열 처리

수열법은 과거 수십 년간 다양한 학문 분야에서 널리 사용되었습니다. 현재 이 기술은 메커니즘 해석과 소재 제작 측면에서 큰 노력을 기울이고 있습니다. 수열 공정에서 금속 이온이 용액에 용해된 후 고온 고압에서 과포화 용액을 형성합니다. 이 과정에서 기판의 핵생성 지점에서 결정 성장이 일어납니다. 열처리로 제조된 응집 입자와 비교하여 수열법은 온화한 조건에서 고순도, 균일, 단분산, 제어 가능한 나노스케일 소재를 생산할 수 있습니다. 미세 나노구조 수열 공정은 에너지 저장 소재 분야에서 광범위한 주목을 받았습니다.

수열법을 이용한 바인더 프리 전극 제조 전반적 합성 공정은 그림 3a 절차와 유사합니다. 먼저 지지 소재를 얻습니다. 지지 소재가 매끄럽고 제한된 핵생성 지점을 가지면 활물질 표면 증착이 금지됩니다. 일반적으로 탄소 천은 산성 또는 열처리로 더 친수성이 되도록 합니다. 또한 용액 pH를 적절한 침전제 첨가로 조절하여 전구체 기판 표면 성장을 촉진합니다. 획득한 소재를 열처리하여 나노구조를 유지하면서 원하는 복합체를 얻습니다. Hu, Zhang 등은 ZnₓCo₃₋ₓO₄ 나노큐브/CNFs(탄소 나노파이버, CNFs) 제조를 위한 확장 가능한 방법을 보고했습니다. 큐브 크기는 수열 공정에서 적용된 pH로 조절 가능합니다[47].

수열법은 단일 및 다성분 소재 제작이 가능합니다[49]. 많은 바인더 프리 전극 형태가 개발되었습니다. 예: 탄소 나노튜브(CNT) 스캐폴드 위 TiO₂ 나노로드[50], Ni 폼 위 Fe₃O₄ 나노입자, NiO 나노콘, Ni(OH)₂ 나노시트, Fe₃O₄/Ni/C 나노플레이트[51-54], 그래핀 폼 위 MnO₂ 나노플레이크[55], 탄소 섬유 위 FeF₃·0.33H₂O 꽃모양 배열[56]. Li 등은 독특한 3D 구조를 가진 NiCo₂S₄ 나노튜브 어레이를 성장시켰으며, NiCo₂S₄ 나노튜브는 길이 5 nm, 너비 100 nm를 보입니다[57]. 3D 그래핀 네트워크 위 다공성 NiCo₂O₄ 나노니들을 NiCl₂·6H₂O와 CoCl₂·6H₂O를 전구체로 사용하여 얻을 수 있습니다[58]. 이러한 나노구조는 도전성 기판에 균일하게 분포합니다. 따라서 이러한 복합체는 전자 전달 촉진, 충방전 과정 중 활물질 부피 변화 수용뿐만 아니라 높은 용량, 높은 속도 능력, 사이클링 안정성으로 LIB 전기화학적 특성을 개선합니다. 구체적으로, Fe₃O₄ 나노입자@Ni 폼은 10 C 전류 밀도에서 2000 사이클 이상 후 543 mAh g⁻¹ 가역 용량을 보였습니다[51]. NiO 어레이@Ni 폼은 0.5 C 전류 밀도에서 969 mAh g⁻¹ 용량을 전달하고 10 C에서 약 605.9 mAh g⁻¹을 유지합니다[52].

수열법은 양극 소재용 금속 산화물 리튬화를 달성하는 좋은 전략임을 주목할 만합니다. 기존 리튬화는 전구체와 Li 염의 균일 혼합이 필요하여 원하는 바인더 프리 전극을 얻기 매우 어렵습니다. 수열 리튬화는 전구체 처리가 필요 없는 용액법으로 바인더 프리 양극 전극 제작에 매력적인 방법 중 하나입니다. 2018년 Xia 등은 Au 코팅 스테인리스강을 기판으로 Co₃O₄ 전구체 수열 리튬화로 다공성 LiCoO₂ 바인더 프리 양극을 제조했습니다(그림 3b)[48]. 이 전극은 10 C 속도에서 104.6 mAh g⁻¹ 용량, 1000 사이클 후 81.8% 용량 유지율로 우수한 속도 및 사이클링 성능을 보입니다.

화학 욕실 증착

화학 욕실 증착(CBD)은 화학 반응을 통해 기판 위에 활물질을 제자리에서 성장시키는 공정입니다. 수열법과 비교하여 이 합성법은 스케일업이 쉽고 특별한 장비 없이 저온 상압에서 나노소재 성장이 가능합니다. 또한 CBD와 수열법은 유사한 메커니즘으로 기판 표면에 소재를 성장시키므로 기판 요구사항이 매우 유사합니다. 그림 4a 절차와 동일하게, 반응 pH와 온도 조절로 활물질 전구체가 핵생성 및 성장합니다. 예: 3D 그래핀 에어로겔을 산성 KMnO₄ 용액에 존재시켜 3D 그래핀/MnO₂ 하이브리드를 제조합니다[59].

활물질 형태는 지지 소재, 반응 시간, 전구체 농도에 영향을 받습니다(그림 4b). 기판이 초기 핵생성 부위를 결정합니다. 예: 그래핀과 CNTs 기판에서 MnO₂ 형태가 각각 나노시트와 나노입자입니다[62, 63]. 또한 지지 소재 위 활물질 형태는 전구체 농도 영향을 받습니다. 예: 낮은 Ni(NO₃)₂ 농도에서 얇은 Ni(OH)₂ 나노시트가 나노파이버 표면에 수직으로 형성 및 성장합니다(그림 4b)[60]. 그러나 Ni 염 농도 증가로 두꺼운 Ni(OH)₂ 나노시트 층이 점차 형성되며, 이는 Ni(OH)₂ 급속 균일 핵생성에 기인할 수 있습니다. 따라서 지지 소재 위 활물질 형태는 입자[64], 시스, 나노시트[65], 나노와이어[66, 67] 등 다양할 수 있습니다. 수열법 제조 전극과 유사하게 다공성 도전성 구조와 나노스케일 소재는 리튬 이온 빠른 확산과 전자 효율적 수송을 위한 연속 채널을 제공하여 빠른 리튬화/탈리튬화를 가능하게 합니다.

유망한 양극 소재인 황은 온화한 조건에서 CBD로 합성될 수 있습니다. 황 소재는 수용액에서 상온에서 Na₂S₂O₃와 산 간 간단한 반응 기반입니다. 공정은 간단하고 환경 친화적입니다. 적절한 템플릿이나 계면활성제 적용 시 특수 나노 황 구조를 얻을 수 있습니다[68]. 도전성 소재가 S₂O₃²⁻를 흡수할 때 계면에서 대량 황이 생성됩니다. 페닐 술포네이트 작용기로 수정된 그래핀이 제자리 산화환원 반응으로 황 균일 증착을 가능하게 합니다[69]. 바인더 프리 PVP 캡슐화 황 전극은 황 나노입자를 도전성 네트워크에 제자리 고정하여 제조합니다(그림 4c). PVP는 소수성 알킬 사슬과 친수성 아마이드기를 가진 양쪽성 폴리머로 분산제로 사용될 수 있습니다. 용액에 산 첨가 후 황 형성 시작 시 PVP 소수성으로 S 표면에 우선 코팅되어 조밀한 층 형성, 폴리설파이드 용해 보호[61].

화학 기상 증착

화학 기상 증착(CVD)은 기체 물질이 뜨거운 기판 표면에 증착되는 화학 반응입니다. 이 방법은 촉매 도움으로 3차원 구조에 균일 막과 나노와이어 생산이 가능합니다. CVD 공정은 세 단계로 구성됩니다: (1) 반응 기체 표면 확산 및 흡착, (2) 활성 부위에서 기체 반응으로 코팅 소재 형성, (3) 생성 기체 배기. 온도, 압력, 기체 비율과 유형 제어로 원하는 코팅 소재를 얻을 수 있습니다.

CVD법으로 활물질을 직접 성장시킬 수 있습니다. Tay 등이 보고한 CVD 공정 해당 인상적 예가 있습니다[70]. 3D 니켈 폼/CNT 복합체를 니켈 폼을 기판으로, 에탄올을 전구체이자 탄소원으로 합성했습니다. 획득한 CNTs는 NiO 나노시트 성장을 위한 기판 역할을 합니다. 비정질 FeVO₄ 나노시트 어레이가 VCl₃ 전구체로 유연 스테인리스강 기판에 직접 성장할 수 있습니다. 8 C와 15 C 높은 전류 밀도에서 각각 601 mAh g⁻¹, 453 mAh g⁻¹ 가역 용량을 전달합니다[71].

CVD로 제조된 표면 층은 전극과 전해질 간 보호 계면 역할도 합니다. Yang 등은 에틸렌을 탄소 전구체로 CVD 공정으로 활물질 코팅하여 구조 안정성 향상뿐만 아니라 우수한 전자 도전 네트워크 형성을 보였습니다. 탄소 코팅층이 있는 Si 나노와이어는 좋은 속도 성능을 보입니다[72, 73]. 2016년 Cui 등은 CVD법으로 제조된 얇은 리튬친화성 소재 층을 가진 다공성 소재가 Li-이온 균일 증착을 촉진하는 스캐폴드 역할을 할 수 있음을 보였습니다[74]. 이 소재는 충방전 과정 중 3 mA/cm² 높은 전류 밀도에서도 작은 과전압으로 안정적 사이클링 성능을 보입니다.

CVD법은 첨단 Si 소재 제조 주요 전략 중 하나입니다. 실리콘은 4200 mAh g⁻¹ 최고 비용량과 낮은 작동 전압으로 차세대 LIB 가장 유망한 음극 소재입니다[75]. 그러나 실리콘은 엄청난 부피 변화로 지속적인 고체 전해질 계면(SEI) 형성, 분쇄, 사이클링 중 용량 감소를 겪습니다[76]. 일반적으로 첨단 실리콘 소재는 실리콘 입자 후처리나 이산화규소 환원으로 제조됩니다. CVD는 고순도 실레인이나 실레인 대체물 환원 또는 열분해로 박막 또는 나노와이어 실리콘 제조에 바람직한 방법입니다. 2008년 Cui 등은 Au 나노입자 촉매로 스테인리스강에 실리콘 나노와이어(Si NWs)를 CVD법으로 합성하여 LIB 음극으로 성공적으로 적용했습니다[77]. 직경 약 89 nm 실리콘 나노와이어는 균열 없이 400% 부피 변화 수용 가능합니다. 또한 나노와이어가 집전체에 직접 성장하여 모든 나노와이어가 용량에 활발히 기여합니다. 나노구조로 전체 다공성 전극이 매우 큰 비표면적을 가져 우수한 이온 전도를 가집니다. 나노와이어 실리콘 소재는 C/20 속도에서 이론적 용량 4200 mAh g⁻¹에 거의 도달할 수 있습니다. 사이클링 후 나노와이어 직경이 89에서 141 nm로 증가했으나 전체 구조는 온전하게 유지되었습니다. Si 성장은 촉매에 의해 제어됩니다. 스테인리스강도 Si 필름 형성을 위한 촉매 역할을 할 수 있습니다. 그러나 집전체에 Si 층 형성 시 Si 층과 집전체 간 심각한 응력 발생할 수 있습니다. 활성 씨앗 제어로 Si 성장을 특정 단계에서 방해할 수 있습니다. 예: 화학적으로 안정한 그래핀이나 Au 또는 Sn 나노입자가 있는 금속 Ge 표면이 Si NWs 성장을 위한 씨앗 역할 가능[78, 79].

원자층 증착

원자층 증착(ALD)법은 기상, 자기제한, 층별 증착으로 CVD와 유사합니다. 이 방법은 원자층 단위 증착으로 나노스케일 제어 가능 박막 생산이 가능합니다. 따라서 최소 두 가지 다른 전구체 기체가 서로 반응할 수 있어야 합니다[80]. ALD 공정에서 첫 번째 기체를 관로로에 도입하여 기판과 반응하여 활성 기를 가진 코팅층 형성합니다. 첫 번째 기체 완전 방출 후 두 번째 기체 도입하여 첫 번째 층과 반응합니다(그림 5a)[81]. 이 과정 반복으로 다양한 코팅층 달성 가능합니다. ALD 코팅막은 주로 기판, 기체 전구체, 온도 등에 영향받습니다. 기존 박막 증착법과 비교하여 ALD는 화학 반응으로 기판 전체 코팅 두께를 정밀 제어 가능하며, 코팅층이 핀홀 없고 치밀, 균일할 뿐만 아니라 복잡한 3D 구조에도 콘포말하게 증착됩니다. 이러한 ALD 특징은 나노기술과 소재에 훌륭한 선택이 됩니다.

ALD 제조 전극은 일반적으로 좋은 전기화학적 특성을 가집니다. TiO₂가 가장 많이 연구된 전극 소재입니다(그림 5b, c)[84]. 최근 SnO₂[85], MoS₂[86] 등이 제조되어 LIB 활물질로 성공적으로 사용되었습니다(그림 5c)[87, 88]. ALD가 기상 합성법이므로 소재 표면이나 기공 내부에 제어 가능한 두께 균일층 코팅 가능합니다. Kang 등은 전극 활물질로 나노리본이 전해질이 소재 내부에 침투하도록 하여 리튬 이온 확산 속도를 크게 증가시킴을 입증했습니다[83]. 템플릿 도움으로 나노리본 중공 공간을 ALD로 합성 가능하며, 터널 크기 폭 약 100-200 nm, 높이 20-50 nm입니다. 전해질이 중공 공간을 쉽게 젖게 합니다. TiO₂ 나노스케일 네트워크 속도 성능이 100 nm-TiO₂ 나노파우더 대비 5 C에서 최소 5배 증가했습니다. Biener 등은 다공성 전극에 TiO₂ 층 코팅했습니다. 더 얇은 코팅층 소재가 더 나은 속도 성능을 보임을 발견했습니다. TiO₂ 층 두께가 2에서 7, 20 nm로 증가할 때 용량이 227에서 214, 157 mAh g⁻¹로 감소했습니다[89].

전기화학 저장 분야에서 ALD 가장 일반적인 응용은 전극 표면 안정성 보호로 전기화학적 성능 향상입니다[90]. LIB용 TiO₂ 나노튜브 위 균일 Al₂O₃ 코팅이 표면 보호 대표적 예입니다(그림 5a)[82]. ALD 반복 사이클로 TiO₂ 나노튜브 위 Al₂O₃ 층 코팅 두께를 0.2, 1, 10 nm로 제어 가능합니다. 1 nm 코팅 Al₂O₃ 층은 SEI 형성과 바람직하지 않은 부반응 억제하여 용량 크게 개선합니다. 또한 Al₂O₃가 인공 층으로 Li-Al-O 기 참여하여 SEI 형성에 관여하며, 이는 훌륭한 이온 전도체입니다. 따라서 Li-이온 전도도 개선되고 우수한 속도 성능 달성 가능합니다. Noked 등은 14 nm Al₂O₃ 층이 전해질, 양극 셔틀 등과의 반응 회피로 리튬 금속 계면 안정성 효과적으로 개선함 입증[91]. 순수 리튬 금속 음극 대비 ALD 보호 음극이 사이클링 성능 유의하게 개선 가능합니다.

전기적 방법

전기도금

전기도금은 소재 표면 특성 개선이나 나노스케일 구조 제조에 기능하는 다목적 기술입니다. 증착 메커니즘은 가해진 전기장에서 이온이 양극으로 이동하여 기판 표면에서 환원되어 막 형성합니다. 막 두께는 전류 밀도와 시간으로 제어합니다. 후처리로 금속 막을 해당 금속 산화물로 산화시킬 수 있습니다.

템플릿 합성은 LIB에서 전기도금으로 다양한 소재 나노구조 제조에 가장 인기 있는 방법입니다. Chen, Xia 등은 폴리스티렌을 템플릿으로 다공성 CoO 반구 어레이를 얻었습니다[92]. Yan, Tong 등은 전기도금법으로 ZnO 나노로드 어레이 표면에 CoO 코팅 가능함을 입증했습니다. ZnO 템플릿은 획득 전극을 KOH 용액 처리하여 제거 가능합니다[93].

전기도금 표면 층도 전극과 전해질 간 보호 계면 역할합니다. Cu/TiO₂ NT/Ti 전극은 TiO₂ NT/Ti 필름에 전기도금 Cu로 제조 가능합니다. 제조 소재는 순수 TiO₂ NT/Ti 전극 대비 훨씬 높은 방전 용량, 사이클 안정성, Li⁺ 확산 계수 표시[94]. Mulder 등은 안정적 리튬 금속 음극용 3D Ni 허니컴 집전체 설계했습니다[95]. 폴리에틸렌 글리콜을 첨가제로 Ni 소재 기공도 제어로 Li 도금/박리 성능을 0.5 mAh cm⁻²와 1.0 mAh cm⁻²에서 각각 300, 200 사이클까지 연장 가능, 1.0 mA cm⁻²에서.

양극 산화

양극 산화는 금속 표면 층 수정을 위한 잘 확립된 기술입니다. 일반적으로 금속 표면 열처리로 해당 산화물 보호층 형성 가능. 그러나 이 가열 공정은 종종 고온에서 수행되어 소재 구조와 특성 변경합니다. 따라서 저온 방법 개발 필요합니다. 양극 산화는 실온에서 양극 전류 가하여 전해질 용액에서 금속 소재 산화 침전시키는 기술입니다. 양극 산화는 제어 가능한 구조, 경제적, 대면적 제조 가능으로 인기 있습니다.

Li 등은 다공성 Fe₃O₄ 박막을 음극 소재로 최초 보고하여 0.1 C에서 약 100 사이클 작동[96]. 이후 TiO₂[97], NiO[98], WO₃[99], CuCl 나노입자[100] 등이 제조되어 양호한 사이클 안정성, 좋은 이온 및 전자 전도도, 향상된 용량 보였습니다. NiO@Ni 폼은 1 A g⁻¹와 2 A g⁻¹ 전류 밀도에서 각각 705.5 mAh g⁻¹, 548.1 mAh g⁻¹ 가역 용량 전달 가능.

전기영동 증착

전기영동 증착(EPD)은 표면 코팅과 필름 제조법으로 널리 사용되었습니다. 증착 메커니즘은 공정 중 적절한 현탁액에 분산된 작은 크기(용액에 분산 필요) 하전 입자가 가해진 전기장 하에서 전극으로 이동합니다(그림 6a, b). 달성된 필름 형태는 전해질 용액에 크게 영향받습니다[104]. EPD는 저비용, 단순, 친환경, 제어 가능 작동 장점 가집니다[105].

EPD로 제조된 전극은 슬러리 코팅 전극보다 더 나은 전기화학적 성능 보입니다. Robinson 등은 EPD로 형성된 Co₃O₄ 나노입자 필름이 기존 방법 제조 전극보다 더 나은 부착과 사이클 성능 보임 입증(그림 6a)[101]. EPD는 활물질과 도전 첨가제 간 더 효과적 혼합 상태 제공 가능합니다[101]. 주목할 점은 탄소 나노튜브, 그래핀, 기타 탄소 소재가 활물질과 함께 집전체에 증착되어 전자 전도도 크게 개선 가능합니다[106, 107]. 또한 EPD 공정 중 형성된 다공성 구조는 리튬 이온 삽입/추출 중 부피 변화 수용에 필수적입니다. Zhao 등은 EPD로 제조된 Si 나노입자 전극이 더 나은 전기화학적 성능 보임 입증(그림 6b)[102, 108].

EPD는 활성 또는 비활성 소재로 구성된 표면 층 증착 가능. 이 층들은 전극과 전해질 간 보호 계면 역할합니다. 예: 환원 그래핀 산화물 박막을 전극 표면에 증착하여 전기 전도도 개선과 충방전 과정 중 부피 변화 완충(그림 6c)[103].

물리적 방법

전기방사

전기방사는 수십 나노미터에서 마이크로미터 범위 섬유 직경 1D 나노구조 합성 간단하고 인기 있는 기술입니다[109]. 위에서 언급한 접근법으로 달성하기 어려운 제조입니다. 이 기술은 정전기력 기반 폴리머 용액으로부터 폴리머, 유무기 복합체를 치밀, 중공, 다공 구조로 생산 가능[110][111]. 전기방사 장치는 일반적으로 주사기, 바늘, 접지 수집기, 고전압 공급장치로 구성되며 그림 7a, b에 나와 있습니다[117]. 전기방사 공정 중 폴리머 용액이 주사기에 로딩되어 바늘로 이동하여 방울 형성. 바늘과 수집기 간 고전압 인가 시 방울 표면 정전기력이 연신시켜 섬유 형성. 최종적으로 고체 폴리머 섬유가 수집기에 증착됩니다.

폴리머 용액과 바늘은 섬유 제조 성공 핵심 포인트입니다. 폴리머 용액은 균질 섬유 구조 형성을 위한 최소 점도 도달해야 합니다. 폴리머 용매는 바늘 떠난 후 폴리머 고체화 허용하는 낮은 증발율 가져야 합니다. 바늘은 중공 또는 코어-쉘 섬유 구조 달성을 위해 동축 구조로 설계되어야 합니다(그림 7b). 동축 전기방사에서 코어와 쉘 용액은 비혼화성 또는 비침전성으로 조절되어야 합니다. 또한 전기방사 공정 중 용액 유속, 전압, 온도, 바늘-수집기 거리, 바늘 직경이 섬유 구조에 큰 영향 미칩니다.

획득한 전기방사 막은 바인더 프리 전극이 되기 위해 추가 처리 필요. 탄소, 세라믹, 금속 나노파이버는 폴리머, 금속 염, 금속 원자 포함 전기방사 섬유 탄화로 각각 합성 가능. 이들의 복합체(금속/C, 세라믹/C)도 해당 혼합 전구체로부터 일단계 또는 다단계 열처리로 획득 가능. LIB용 다양한 전기방사 소재 연구되었습니다: 금속 산화물(TiO₂, Fe₂O₃, ZnO, NiO, CuO, LiCoO₃, Li₄Ti₅O₁₂, LiMn₂O₄)[118, 119], 하이브리드[120](SnOₓ/C, SiOₓ/C, Co₃O₄/C, SnOₓ/C, TiO₂/C)[113, 121-130], 폴리머(PVA, PAN, PVP, PVDF-HFP, PEO)[131].

기존 전기방사는 일반적으로 금속 염과 나노입자를 섬유 내부에 분산시킵니다. 그러나 나노입자가 섬유 외부에 부착될 수도 있습니다(그림 7c). Lan, Yang 등은 고농도 비스무트(Bi) 나노입자 클러스터 3D 프리스탠딩 거미줄 막을 질소 가스 탄화 후 제조[132]. 3D Bi/C 막은 좋은 기계적 특성 제공, Bi 나노입자 200 사이클까지 안정화.

섬유 구조는 사이클링 공정 중 전극 소재 큰 부피 변화와 불안정성 수용 위해 최적화 가능. 섬유 구조 조정은 섬유 내부 또는 외부에서 시작 가능. 내부 섬유는 폴리머 용액과 후처리로 조절 가능, 외부 섬유 구조는 후처리로 제어. 폴리머 용액에 식각 가능 소재 포함 시 탄화와 템플릿 식각 후 다공성 섬유 구조 제조 가능(그림 7d). 이 다공성 소재는 더 높은 황 수용 가능, 폴리설파이드 셔틀 효과 억제[114]. 폴리머가 유연성 프리스탠딩 특성 희생으로 개별적으로 활물질 형성 가능. 이 단점은 첨가제로 해결 가능. Liu 등은 적량 CNTs 포함 PAN 섬유가 황화 후에도 여전히 프리스탠딩 가능함 보임[115]. 황은 폴리설파이드 아닌 Li₂S₂, Li₂S₃ 형태로만 존재하여 초안정 사이클링 성능 1000 사이클까지 보임(그림 7e).

대안적으로, 전기방사 섬유 표면 후처리는 고성능 바인더 프리 전극 제조 또 다른 방법(그림 7f). 탄화 후 3차원 도전 네트워크 형성으로 좋은 전자 전도도 제공. 섬유 표면도 전해질 쉽게 접근 가능한 활물질 성장 다수 부위 제공[38]. 또 다른 후처리는 나노파이버 보호 표면층 코팅. 일반적으로 폴리머 용액과 함께 방사된 나노입자가 필연적으로 섬유 표면에 노출. 이 부분 소재가 사이클링 중 섬유에서 탈락 가능, 표면 코팅은 섬유 보호와 동일[133].

폴리머 용액 외에 바늘도 섬유 설계 중요. 코어-쉘 복합 나노파이버는 이중 노즐 동축 전기방사 장치로 제조 가능(그림 7g)[116]. 이 바늘은 훌륭한 코어-쉘 섬유 구조 달성 가능. 게다가 내부와 외부 용액 설계로 중공 섬유 제조 가능. 중공 섬유에 활물질 충전 시 부피 팽창 허용 충분한 공간 확보[112].

진공 여과

진공 여과법은 다양한 나노스케일 소재를 거시적 필름으로 조립하는 신속 제조 공정입니다. 이 공정은 저비용, 신속, 효율적으로 다양한 기능성 필름에 유망한 전략 입증[134, 135]. 2D 소재는 쉽게 유연 프리스탠딩 종이형 소재로 조립 가능하며, 에너지 저장 장치에서 유연 바인더 프리 전극으로 직접 사용 가능[136, 137]. 일반적으로 활물질이 지지 소재 사이에 무작위 분산. 따라서 종이 높은 기계적 강도와 유연성 보존(그림 8)[136, 137].

진공 여과 특징 다음과 같은 강점. 첫째, 활물질이 도전성 기판에 부착되어 전자 전도도 개선. 예: MoS₂ 전자 전도도 크게 개선되어 더 나은 속도 성능 획득[138, 139]. 둘째, 큰 표면적은 활물질과 리튬 이온 접촉 촉진, Li-이온 수송 용이. 활물질이 2D 소재에 첨가되면 층간 간격 커져 전해질 침투 가능. 리튬 이온이 소재 더 쉽게 접근 가능; 계면 임피던스 감소[140]. 셋째, 2D 소재 응집 방해로 효과적 소재 활용 촉진[141-143]. 넷째, 리튬 삽입/추출 중 활물질 큰 부피 변화로 소재 응집과 전극 불안정성 결과[144, 145]. 지지 시트가 부피 팽창 유도 응력 흡수, 탄성 완충제 역할 유사[146, 147].

다양한 나노구조 유형이 2D 소재로 조립 가능. 예: 나노입자, 나노튜브, 나노시트, 나노로드 등을 그래핀 시트로 제작[148]. CNTs 첨가제로 나노시트 조립 시 나노시트 재적층 방지, 이온 및 전자 전도도 크게 증가[149]. 다른 도전성 소재에 활물질 코팅 또는 혼합 후 3D 기능성 소재 조립으로 전극 화학적 특성 향상 가능[150-152]. 주로 시너지 효과에 기인: 3D 구조가 변형/응력 해소와 부피 팽창 위한 유연 스캐폴드 역할뿐만 아니라 전자 전달과 Li-이온 확산 위한 개방 채널 가진 3차원 도전성 구조 제공. 게다가 활물질 사전 보호로 소재 안정성 개선 가능. 그래핀 표면 수정 음극 소재가 높은 용량, 긴 사이클 수명, 우수 속도 성능 보임[153]. Mn₂P₂O₇-그래핀 탄소 전극이 1000 mA g⁻¹ 전류 밀도에서 585 mAh g⁻¹ 용량 전달. 전류 밀도 5000 mA g⁻¹ 증가 시 2000 사이클 후에도 400 mAh g⁻¹ 높은 용량 유지[153].

물리 기상 증착

특정 온도와 기류 속도에서 원소 증기 다공성 지지 소재에 쉽게 증착 가능[154-156]. 고체 황과 적색 P 나노입자가 다공성 탄소 소재에 증착될 수 있는 대표적 소재. 양극 소재 황 상용화는 낮은 전자/이온 전도도, 큰 부피 팽창, 중간 폴리설파이드(Li₂Sₓ, 4 ≤ x ≤ 8) 셔틀 효과 등 내재적 문제로 차단. 특히 폴리설파이드 셔틀 효과는 양극에서 음극으로 황 수송과 Li 금속 반응 유도, 심각한 용량 손실과 안전 문제 초래. 지금까지 다공성 구조 설계가 폴리설파이드 셔틀 효과 억제 기본 전략, 황 증기 증착은 S/C 복합체 제작 효과적 방법. 화학적 특성 변화 없는 물리적 증착 공정으로 환경 친화적, 무용매 방법[157]. 구조에 적절한 흡착제 있으면 폴리설파이드 셔틀 효과 고정 가능. 최근 Yang, Zhang 등은 Ti₃C₂Tₓ 종이가 황 증착 좋은 호스트임을 보고(그림 9a). 이 Ti₃C₂Tₓ 종이 25회 볼록/오목 굽힘 후에도 균열 없음(그림 9b, c)[158]. Yu 등은 다공성 탄소 섬유 캡슐화 적색 P가 0.1 C 속도 100 사이클 후 2030 mAh g⁻¹ 높은 용량 보임 입증[159]. 물리 기상 증착(PVD)은 탄소 소재에 S 또는 P 고정 절차 중 하나일 뿐임 주목. 따라서 가장 중요한 연구 방향은 다공성 도전성 매트릭스 설계 방법.

유연 배터리 응용

착용형 디스플레이, 센서, 스포츠웨어, 모바일 통신 기기, 롤업 디스플레이 등 유연 장치는 지능형 스마트 세계 중요한 방향 중 하나[160]. 이러한 신규 장치 개발 위해 유연 배터리 시스템 전력 필요[161-163]. 그러나 현재 고급 파우치와 18650 셀은 경직된 소재 특성으로 유연 장치 사용 불가. 유연 배터리 각 구성요소(전극, 분리막, 고체 전해질) 모두 유연해야 함(그림 10a)[164]. 기존 전극 일반적으로 코팅법으로 금속박에 부착하여 활물질과 도전제 물리적 결합. 반복 굽힘과 접힘 중 활물질이 집전체에서 분리되어 비활성화 결과. 예: Li₄Ti₅O₁₂(LTO) 기반 전극 약 100 사이클 접힘 시 Al 박에서 LTO 분리 발생. 전극 임피던스 첫 접힘부터 증가, 활물질 로딩 높을수록 임피던스 더 빠르게 증가(그림 10b). 동시에 파우치 셀 30° 굽힘 시 심각한 용량 페이드 발생(그림 10c).

유연 전극 제조 많은 전략 존재. Song 등은 LTO 입자와 Ag 나노와이어를 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 웹에 코팅하여 전극 유연성과 안정성 크게 개선 가능 보고. Ag@LTO@PET 전극 전기 저항 1000 접힘 사이클 동안 변화 없음(그림 10b). 파우치형 Ag@LTO@PET 기반 반전지는 전극이 어떤 각도 구부려도 적은 용량 감쇠로 훌륭한 사이클링 성능 보임(그림 11c)[165]. 가장 성숙한 방법은 활물질 유연 기판 고정. "서론" 섹션 설명대로 활물질 도전성 기판 직접 성장으로 배터리 에너지 밀도와 속도 성능 개선 가능. 여기 탄소 천과 탄소 소재 예로 바인더 프리 전극 유연 장치 응용 보임.

대부분 탄소 소재 유연 전자공학 사용 불가. 예: 흑연 종이 기반 바인더 프리 전극만 구부린 상태에서 25 사이클 유지 가능[167]. 다른 탄소 소재 비교 시 우수한 유연성과 전기 전도도 가진 탄소 천이 유연 배터리 응용 가장 유망 소재 중 하나. 무기 소재 표면 수정 후에도 탄소 천 여전히 우수한 유연성 보임. 그림 11a에서 굽힘, 말기, 비틀기, 접기, 구기기 테스트 후 전극 외관 변화 없음. 기계적 테스트 후 탄소 천 위 활물질 구조 무결성 유지. 또한 200 굽힘 사이클 후 전류 값 17.3에서 16.8 mA로 약간 감소하여 훌륭한 안정성 입증(그림 11b)[166].

유연 탄소 소재 합성 특히 어려움. 예: PAN 필름 탄화 후 훨씬 부서지기 쉽고 파손되어 유연 배터리 사용 어려움. 이상적 탄소 소재, 우리 입는 옷처럼 굽힘과 접힘 여러 번 해도 온전 유지. 소재 유연성 합리적 설계로 크게 개선 가능(기능 첨가제 추가 등). Wang 등은 SiO₂ 충전제 포함 탄화 PAN 필름이 반복 말기 또는 접기 공정 후 원래 상태 완전 회복 가능 보고[114]. 파우치 셀 조립 시 180°까지 다양한 굽힘 각도 견딜 수 있음. Yu 등은 Zn(CH₃COO)₂가 PAN 균일 탄화 도움, 응력 집중 완화 입증[130]. 이 방법 획득 필름 4회 접기 후 초기 상태 복귀 가능(그림 12a). 파우치 셀 조립 시 어떤 접기 각도에서도 LED 점등 가능. 파우치 셀 분해 시 바인더 프리 전극 온전 유지, 슬러리 기반 전극 완전 파괴(그림 12b-e).

결론

결론적으로, LIB용 바인더 프리 전극 제조 최근 연구 진전 요약. 제조법은 열처리, 수열 처리, CBD, ALD, CVD 등 화학적 처리; 진공 여과, 전기방사 등 물리적 처리; 전기도금, 양극 산화, 전기영동 증착 등 전기적 처리에 초점. 열처리는 폴리머 탄화로 프리스탠딩 구조 또는 금속 산화물 전구체 분해 위해 가장 흔히 사용되는 화학적 방법. 수열과 CBD 방법은 나노소재 크기와 형태 정확 제어로 매우 매력적. CBD와 수열법은 화학 반응으로 기판 위 활물질 제자리 성장 나타냄. CVD는 기체 캐리어 가열 표면 화학 반응 증착 정의, ALD는 원자층 단위 고품질 나노스케일 박막 생산 가능한 기상 화학 증착 공정. 진공 여과와 전기방사 대표적 물리적 방법. 전자는 나노플레이트렛, 나노입자 등 다양한 소재 거시적 필름 조립 물리적 제조 공정. 후자는 수십 나노미터에서 마이크로미터 범위 섬유 직경 1D 나노스케일 소재 생산. 전기적 방법은 코팅과 박막 제작 널리 사용 기술이나 바인더 프리 전극 제조에 자주 사용 안됨. 이 중 CVD와 CBD가 각각 실리콘 기반, 황 기반 소재 제조 훌륭한 방법.

바인더 프리 전극이 기존 슬러리 시스템보다 더 나은 전기화학적 성능 보임. 바인더 프리 전극은 이온 및 전자 수송, 사이클링 성능, 전극 에너지 밀도 개선 가능. 또한 나노스케일 소재가 지지 소재에 균일하게 고정되어 나노입자 응집 효과적 방지, 반복 사이클링 중 부피 팽창 완화 가능.

도전성 매트릭스는 바인더 프리 전극 전기화학적 특성과 성능에 결정적 역할. 초유연 필름 웨어러블 및 유연 장치 분야 큰 돌파구 잠재력. 그러나 기존 기판 여전히 요구사항 충족 못함. 유연 장치 요구 바인더 프리 전극이 손상 없이, 기판 분리 없이 여러 번 구부리고 접을 수 있어야 함. 현재 연구 공정 따르면 초유연 초안정 탄소 소재 차세대 유연 바인더 프리 전극 가장 유망 후보.

어려움에도 미래 기대됨. 도전성 기판 위 활물질 균일 대규모 성장은 실용 응용 필요 조건 중 하나. 다행히 이제 달성 가능. 실용 응용 배터리 내 전극 기본 특성 고려 필요(초기 쿨롱 효율, 전압 프로파일 등). 따라서 양극과 음극 활물질 신중 선택 필요. 예: Si, Sn, 탄소 소재 음극 유망 후보, 양극 소재 Li 금속 매칭 S 또는 기존 Li 금속 산화물 선택 가능. 또한 유연 배터리 모든 유연 구성요소(전극, 분리막, 전해질)로 달성 가능. 이 측면들 장기간 연구되었으나 돌파구 필요 연구 진전 촉진.