부산대학교 도서관

Anion redox-based layered oxide materials are attracting great attention as a promising cathode for Na-ion batteries with their high practical capacity, but their electrochemical behavior is poor due to undesirable structural degradation. Herein, we demonstrated that the combination of vacancy (□) and Ti4+ cations at the transition metal site enables excellent anion-redox based electrochemical performance in Na-ion battery systems through first principle calculations and various experiments. The presence of vacancy in the structure of P2-type Na0.56[Ti0.1Mn0.76□0.14]O2 suppresses large structural changes such as P2-OP4 phase transition. Furthermore, Ti4+ cations in the structure could induce the structural stabilization during Na+ deintercalation with selectively oxidized oxygen ions in the high voltage region. The P2-type Na0.56[Ti0.1Mn0.76□0.14]O2 delivered high energy density (~589 Wh kg-1) and ~80.4% of outstanding cycle retention after 200 cycles at 52 mA g-1. These findings suggest the important strategies for stabilizing anionic redox reactions for low cost and high-energy properties of Na-ion batteries.
음이온 산화/환원 반응 기반의 층상 산화물 재료는 산소에서 추가적으로 전자를 사용할 수 있어 높은 용량 및 에너지 밀도 특성을 구현할 수 있다. 하지만 원치 않은 구조적 열화 및 변형으로 인해 배터리 수명 특성에 좋지 않은 영향을 미친다. 이 연구는 P2형 구조를 갖는 소듐 이온 기반 양극 소재 시스템에서 전이금속 자리에 공공(□)과 Ti4+ 양이온 동시 치환이 우수한 음이온-산화환원 발생 및 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다는 것을 제1원리 계산 및 다양한 실험을 통해 확인하였다. 또한, 구조내 공공의 존재는 고전압 영역에서 P2-OP4상 전이와 같은 구조적 큰 변화를 억제하고 Ti4+ 양이온 치환은 선택적이며 연속적인 산소 이온의 환원을 통해 안정적인 음이온반응을 유도한다. P2형 Na0.56[Ti0.1Mn0.76□0.14]O2는 공공 생성과 Ti4+ 양이온 조합의 시너지 효과로 높은 에너지 밀도(~589Wh kg-1), 고율 특성과 우수한 수명 성능을 확인하였다. 이러한 발견은 고 에너지 밀도 및 우수한 수명 특성을 갖는 음이온 산화환원 반응 기반의 소듐 이온 배터리에 대한 중요한 전략을 제공할 수 있다.