상세정보

나트륨 이온 전지(SIB)는 풍부한 나트륨 자원과 리튬 이온 전지(LIB)와 유사한 에너지 저장 특성을 가지고 있어 새로운 에너지 저장 시스템으로 많은 주목을 받고 있다. 그러나, 코발트와 니켈을 구성 원소로 가지는 나트륨 이온 전지용 양극 소재가 주로 연구되고 있으며 이에 따라 코발트와 니켈 원소의 원자재 가격이 급격하게 상승하고 있다. 이러한 연구 경향으로 인하여 터널 구조의 나트륨 망간 산화물은 유망한 나트륨 이온 전지용 양극 소재로 나트륨 망간 산화물은 상대적으로 높은 용량(~120mAh g-1)과 우수한 사이클 특성을 가지고 있다. 그러나, 나트륨 망간 산화물은 낮은 확산 계수로 인한 낮은 고율 성능과 부피 팽창으로 인한 장기 사이클 성능 저하와 같은 몇가지 문제를 해결해야한다. 우리는 이번 연구에서 크로뮴 도핑을 통해 터널 구조 Na0.48MnO2 (NMO) 소재의 문제점을 해결하고자 하였다. 크로뮴 원소와 망간 원소의 몰 비를 1/99 로 도핑된 Na0.48Cr0.01Mn0.99O2 (Cr001) 는 높은 전류밀도 조건에서 뛰어난 용량 유지 능력을 가진다 (450mA g-1 의 전류 밀도 조건하에 700번째 충ᆞ방전 이후 초기 용량 대비78% 유지). 또한 b-value를 통한 정량적 분석 결과를 통해 높은 전류밀도 조건에서 우수한 성능을 보이며 빠른 정전 용량 제어 반응을 가지는 것을 확인하였다. 게다가 In situ X-선 기반 분석법을 활용하여 크로뮴 도핑이 우리의 나트륨 망간 산화물 구조에 끼치는 영향을 조사하여 높은 전류밀도 조건에서 우수한 전기화학적 성능의 근거를 밝혀냈다.

Sodium-ion batteries (SIBs) have attracted attention as new energy storage systems due to the abundant sodium resources and similar energy storage characteristics to lithium-ion batteries (LIBs). However, numerous studies on cathode materials for SIBs have been conducted with Co and Ni as constituent elements, however, the raw materials price of the Co and Ni elements is rapidly increasing. With the trend of research on economical competitiveness, tunnel-structured sodium manganese oxides are promising cathode candidates for SIBs, they have a relatively high capacity (~120 mAh g-1) and good cycle performance. However, several problems should be addressed such as long-term cycling degradation due to volume expansion and poor rate capability caused by low diffusion coefficient. In this work, Cr doping was introduced to solve the shortcomings of tunnel-structured Na0.48MnO2 (NMO). The Cr-doped NMO sample with the molar ratio of Cr/Mn=1/99 (Cr001) shows superior capacity retention (78 % after 700 cycles at a current density of 450 mA g-1) under high current density. The quantitative analysis regarding the b-value confirmed that the outstanding performance of the Cr001 sample under high current density was implemented by the dominant fast capacitive-controlled reaction. Furthermore, In situ X-ray based analysis techniques were performed to investigate the effect of Cr doping on the NMO structure, the results reveal the basis for the excellent performance of the Cr001 sample at high current density.

ABSTRACT ……………………………………………………………………………………… i
국문 초록 ………………………………………………………………………………………  iii
TABLE OF CONTENTS ………………………………………………………………………   v
LIST OF TABLES ………………………………………………………………………………  vi
LIST OF FIGURES ……………………………………………………………………………  vii
Chapter 1. Introduction …………………………………………………………………… 1
Chapter 2. Experimental Method ……………………………………………………… 3
2.1 Materials Preparation ………………………………………………………………… 3
2.2 Materials Characterization …………………………………………………………… 3
2.3 Electrochemical Measurements …………………………………………………… 4
2.4 In Situ X-ray Based Analytical Techniques ………………………………………… 5
Chapter 3. Results and Discussion ……………………………………………………… 6
3.1 Materials Characterization …………………………………………………………… 6
3.2 Evaluation of Electrochemical Performance …………………………………… 12
3.3 Electrochemical Analysis …………………………………………………………… 16
3.4 In Situ X-ray Based Analysis ………………………………………………………… 24
3.5 Comparison with previous studies ………………………………………………… 28
Chapter 4. Conclusion …………………………………………………………………… 30
References …………………………………………………………………………………… 31