Advanced presodiation separator development for sodium ion batteries with high energy density and performance

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Sodium ion batteries (SiBs) suffer from initial capacity loss (ICL) in the first cycles, caused by solid electrolyte interphase (SEI) layer formation and Na+ ion trapping on the hard carbon (HC) anode, leading to a reduction in active Na+ ions and consequently a decline in energy density. To resolve this issue, extensive research has focused on the development of presodiation materials capable of compensating for active Na+ ions, effectively addressing the challenges of ICL. In this study, we proposed the MnO@NaF coated separator (MNCS) as a promising advanced functional presodiation separator for SIBs. The MNCS provides stable operation characteristics without gas release during the cycling process, compensates for additional active Na+ ions through NaF decomposition reactions and facilitates high Na+ ion transport by separating the cathode and MNCS. Based on these characteristics, by using the Na[Li0.05(Ni0.25Fe0.25Mn0.25)0.95]O2 (NLNFM) as the cathode, the NLNFM/MNCS/HC full cell demonstrated an improvement in specific discharge capacity from 104 mAh gcathode-1 to 178 mAh gcathode-1, which proved to be highly effective in compensating for ICL and remarkably enhanced rate and cycle performance compared to other materials. This research provides insight into the development of advanced functional presodiation separators for high performance SIBs.

국문 초록 (Abstract)

소듐 이온 배터리의 하드 카본 음극은 초기 사이클에서 많은 SEI layer 형성 및 Na ion trapping으로 인해 비가역 용량이 높다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 이 문제를 해결하기 위해, 소듐 이온을 보상하는 선소듐화 연구가 진행되고 있다. 하지만, 복잡한 공정성, 양극에 악영향 및 셀 팽창 등의 문제가 동반되고 있다. 우리는 새로운 MnO@NaF (MNC) 희생 물질을 분리막에 도입하여(MNCS) 선소듐화를 진행했다. MNC는 초기 사이클에서 가스 발생 없이 NaF를 분해하여 추가 가용 소듐 이온을 제공한다. 이러한 추가 가용 소듐 이온은 음극에서 발생하는 비가역용량을 보상하여 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있게 한다. 또한 MNC를 양극면 분리막에 도입하면서 양극과 MNC를 분리하여 양극에 미치는 악영향을 억제하였다. 뿐만 아니라, MNCS의 코팅 층은 소듐 이온 이동도를 향상시킬 뿐만 아니라 양극의 추가 전자 이동 통로 역할을 하여 셀 성능을 향상시킨다. 이 연구는 고성능 소듐 이온 배터리를 위한 새로운 기능적 희생 분리막의 개발하였다.

목차 (Table of Contents)

• Table of contents 1
• List of Figures 2
• Abstract 4
• Chapter 1. INTRODUCTION 6
• 1.1 Sodium ion batteries 6
• 1.2 Presodiation 7
• 1.3 objective 10
• Chapter 2. EXPERIMENTAL 13
• 2.1 Preparation of MnO@NaF composites 13
• 2.2 Preparation of electrode and separator 13
• 2.3 Characterization 14
• 2.4 Electrochemical Measurement 15
• Chapter 3. RESULTS AND DISCUSSION 17
• 3.1 Properties of the MnO@NaF Composite as a Presodiation Material 17
• 3.2 Manufacturing of the MnO@NaF Coated Separator 22
• 3.3 Comparison of presodiation cathode additive and separator for SIBs 29
• 3.3 Electrochemical performance of the presodiation separator in SiBs 33
• Chapter 4. CONCLUSION 38
• REFERENCES 40
• KOREAN ABSTRACT 43