전압 및 용량 동시 향상 소듐 이온 배터리 양극

Na₃V₂(PO₄)₃ (NVP)는 열역학적 안정성과 개방형 구조 덕분에 소듐 이온 배터리(SIB) 양극재로서 상업화 잠재력이 높지만, 낮은 에너지 밀도는 발전을 저해하는 주요 문제입니다. 본 연구에서는 구성 엔트로피를 조절하기 위해 Al³⁺, Mg²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺를 도입하여 중간 엔트로피 NASICON Na₃.₃V₁.₄Al₀.₃(MgCoNiCuZn)₀.₀₆(PO₄)₃ (NVAMP-0.3)를 설계했습니다. NVAMP-0.3은 V³⁺/V⁴⁺/V⁵⁺ 다중 전자 반응을 통해 평균 작동 전압 3.33V 및 138.1 mAh g⁻¹의 높은 용량(2.3 Na⁺ 기준)을 달성했습니다. 용량과 전압을 동시에 향상시켜 460 Wh kg⁻¹의 인상적인 에너지 밀도를 보였습니다. 또한, -40°C에서 300 사이클 후 94.6%의 용량 유지율을 기록하며 우수한 저온 내성을 입증했습니다. In situ XRD 분석 결과, V⁴⁺/V⁵⁺ 산화환원 반응이 V³⁺/V⁴⁺보다 더 빠른 전기화학 반응 속도를 보이는 독특한 현상의 원인이 고용체 반응임을 밝혀냈습니다. DFT 계산은 NVAMP-0.3이 우수한 전자 전도성과 낮은 Na⁺ 이동 에너지 장벽을 가짐을 시사합니다. NVAMP-0.3 양극과 하드 카본 음극으로 구성된 파우치 셀은 1C에서 200 사이클 후 89.3%의 매우 안정적인 사이클링 성능을 나타냈습니다. 이 연구는 SIB용 고에너지 밀도 NASICON형 양극 개발에 귀중한 통찰력을 제공합니다.