A study on the improvement in electrochemical performandce of vanadium based phosphate cathode materials for sodium-ion batteries

Abstract

화석 연료의 고갈 및 환경 오염 문제가 대두됨에 따라 기존의 화석 에너지를 대체하기 위해 태양에너지, 풍력에너지, 파력에너지 등의 대체에너지가 연구되고 있다. 그러나 이러한 에너지는 시간, 장소, 날씨와 같은 외부요인에 큰 영향을 받기 때문에, 에너지를 효율적으로 저장 및 사용하기 위한 대용량 에너지 저장 매체의 개발은 필수적이다. 이러한 대용량 에너지 저장 매체로 양수발전, 압축공기발전, 플라이휠, 나트륨-황 전지, 레독스 흐름 전지, 리튬 이온 전지 등이 연구되고 있다. 특히 리튬 이온 전지는 에너지 밀도와 효율이 높다는 장점을 보이고 있지만, 지각 내에 존재하는 리튬원이 부족하고 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 이에 따라 최근, 리튬 이온 전지의 리튬 대신 나트륨을 이용하는 나트륨 이온 전지가 각광을 받고 있다. 나트륨은 가격이 싸고, 매장량이 풍부하며, 지역별 편중도도 없을 뿐 아니라, 리튬 이온 전지의 리튬과 매우 유사한 화학적 특성을 가지고 있다는 장점이 있다. 이러한 나트륨 이온 전지의 양극재로 나트륨 금속 산화물과 나트륨 금속 인산화물 등이 연구 되고 있다. 특히 나시콘 구조를 가지고 있는 Na3V2(PO4)3는 강한 (PO4)3- 네트워크를 가지고 있어 열적 안정성이 뛰어난 물질로 각광받고 있다. Na3V2(PO4)3는 두개의 나트륨 이온이 삽입/탈리하여 117.6 mAh g-1의 이론용량을 가지면서, 약 3.4 V vs. Na/Na+의 전압을 보이는 물질이다. 그러나 아직까지 해결해야할 문제가 많이 있는 양극 소재이다. Na3V2(PO4)3는 동적 특성이 충분하지 않고, 충방전시 나타나는 격자의 부피변화가 크며, 바나듐을 사용하기 때문에 가격이 비싸다. 뿐만 아니라 반응 전압과 반응 용량이 상용 리튬 배터리의 양극 소재를 대체할 만큼 크지 않다는 문제도 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 여러가지 연구를 수행하였다...