Enhancing cycle life and oxygen redox reversibility of O3-type sodium layered oxide cathodes via Fe substitution = 철을 이용한 O3 층상 산화물 소듐 양극재의 수명 및 산소 산화환원 가역성 개선

국문 초록 (Abstract)

O3 구조 층상 산화물은 높은 소듐 함량과 초기 용량으로 인해 차세대 소듐 이온 전지(SIBs)의 유망한 양극 후보 물질로 주목받고 있다. 특히 가격 경쟁력이 우수한 전이금속인 철(Fe)은 양극재의 구조적 안정성을 높이고 산소 산화환원(oxygen redox) 반응의 가역성을 향상시키는 것으로 널리 알려져 있다. 그러나 산소 산화환원 활성과 직접적으로 연관된 Fe의 구체적인 역할 및 메커니즘에 대한 심층적인 이해는 여전히 부족한 실정이다.
본 연구에서는 NaNi0.5Mn0.5O2와 NaNi0.4Fe0.2Mn0.4O2를 합성하여 두 물질의 전기화학적 성능과 고전압 영역에서의 거동을 비교 분석하였다. 성능 향상의 원인이 되는 메커니즘을 규명한 결과, Fe 치환이 가역적인 산소 산화환원 반응과 구조적 안정성을 유지하는 데 결정적인 역할을 수행함을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 향후 고성능 소듐 이온 전지용 층상 산화물 양극재의 구조적 설계를 위한 중요한 통찰을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

O3-type layered oxides have garnered significant attention as promising cathode materials for sodium-ion batteries (SIBs) due to their sufficient sodium reservoir and high initial capacity. Fe, a cost-effective transition metal, is widely acknowledged for enhancing structural stability and the reversibility of oxygen redox in these cathodes. However, a comprehensive understanding of the specific role of Fe in relation to oxygen redox activity remains limited. Herein, we synthesized and investigated two O3-type cathodes, NaNi0.5Mn0.5O2 and NaNi0.4Fe0.2Mn0.4O2, to compare their electrochemical performance and behavior in the high-voltage region. By elucidating the mechanism behind the performance enhancement, we confirmed that Fe substitution plays a pivotal role in maintaining reversible oxygen redox reactions and structural stability. These findings provide valuable insights for the structural design of advanced layered oxide cathodes for SIBs.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1. Study background 1
• 1.2. Purpose of research 3
• 2. Experimental section 4
• 2.1. Synthesis 4
• 2.2. Material characterization 5
• 2.3. Electrochemical characterization 6
• 3. Results and discussion 8
• 3.1. Effect of Fe substitution on cell performances 8
• 3.2. Redox processes in the high-voltage region 18
• 3.3. Impact of oxygen redox reversibility on cell degradation 23
• 4. Conclusion 30
• 5. Supporting information 31
• References 33
• Abstract in Korean 38