Advancing Sodium-ion Battery Performance with Iron Substituted Na3V2(PO4)2F3 = Fe 치환 Na3V2(PO4)2F3 양극소재개발과 나트륨이온전지 출력특성 및 수명 개선

국문 초록 (Abstract)

Na₃V₂(PO₄)₂F₃(NVPF)는 높은 작동 전압과 우수한 구조적 안정성을 바탕으로 소듐 이온 배터리의 유망한 양극 소재로 주목받고 있다. 그러나 낮은 고유 전자전도도로 인해 고율 특성 및 장수명 특성 확보에는 한계가 존재한다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위하여 간단하고 대량 합성이 가능한 폴리올 환류 공정을 이용해 Fe가 부분 치환된 NVPF, Na₃V₁.₈Fe₀.₂(PO₄)₂F₃(NVFPF)를 합성하였다.
V 자리에 Fe²⁺를 부분적으로 치환함으로써 소재의 전자전도도 및 구조적 안정성이 향상되었으며, 이에 따라 전기화학적 성능이 유의미하게 개선되었다. 합성된 NVFPF는 30C의 고율 조건에서 약 96 mAh g⁻¹의 방전 용량을 나타냈고, 5C 조건에서 1000회 충·방전 사이클 이후에도 초기 용량의 81%를 유지하였다. 전자전도도 향상은 DFT(Density Functional Theory) 계산을 통해 이론적으로 계산되었으며, 4-point probe 측정을 통해 실험적으로 검증되었다. 이러한 결과는 Fe 치환이 고전압 NVPF 기반 소듐 이온 배터리 양극 소재의 전기화학적 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 유망한 전략임을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Na₃V₂(PO₄)₂F₃ (NVPF) is a promising cathode material for sodium-ion batteries (SIBs) due to its high operating voltage and structural stability; however, its low intrinsic electronic conductivity limits practical performance. In this study, Fe-substituted NVPF, Na₃V₁.₈Fe₀.₂(PO₄)₂F₃ (NVFPF), was synthesized using a simple and scalable polyol reflux method to address this limitation.
Partial substitution of V with Fe²⁺ improved the electronic conductivity and structural stability of the material, leading to enhanced electrochemical performance. NVFPF delivered a specific capacity of approximately 96 mAh g⁻¹ at 30C and retained 81% of its initial capacity after 1000 cycles at 5C. The conductivity enhancement was predicted by density functional theory (DFT) calculations and experimentally confirmed by four-point probe measurements. These results indicate that Fe substitution is an effective approach to improving the performance of high-voltage NVPF-based cathodes for sodium-ion batteries.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Experimental 5
• 2.1 Material preparation 5
• 2.2 Materials characterization 6
• 2.3 Electrochemical measurements 7
• 2.4 Theoretical calculation studies 7
• 3. Results and discussion 9
• 4. Conclusion 23
• References 24
• Abstract in Korean 26