Cu 치환을 통한 Fe-Mn 기반 P2형 나트륨이온전지 양극재의구조 안정화 및 전기화학적 성능 개선

Abstract

최근 나트륨이온전지는 리튬 자원 대비 풍부하고 저렴한 나트륨을 활용할 수 있어 리튬이온전지를대체할 유력한 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 다양한 양극 후보 소재 중에서도 P2 계층형 전이금속 산화물은 높은 에너지 밀도와 빠른 Na+ 확산 경로를 제공한다는 점에서 큰 관심을 받아왔다. 본 연구에서는 Cu 도핑이 전기화학 성능에 미치는 영향을 규명하기 위해 고상반응법을 이용해 P2 구조의 Na0.7Fe0.5Mn0.5O2(기준 조성), Na0.7Fe0.4Mn0.5Cu0.1O2(Fe 치환), Na0.7Fe0.5Mn0.4Cu0.1O2(Mn 치환)를 합성하였다. XRD 기반 구조 분석결과, 모든 시료가 불순물 없이 P2 층상구조를 유지하는 것으로 확인되었으며, Cu 도입 시 격자 상수의 미세한변화가 나타나 국소 전자구조 환경의 변화를 나타냈다. 전기화학 평가 결과, Cu 도핑은 사이클링 과정에서 구조안정성을 향상시키고 Na+ 확산 속도를 증가시키는 효과가 있었다. 특히 Fe 자리를 Cu로 치환한 시료는 기초조성 대비 더 높은 방전 용량과 우수한 용량 유지율을 보였으며, 이는 상전이 억제와 가역적 산화-환원 반응의향상에 기인한 것으로 분석된다. 임피던스 분석과 율속 특성 평가에서도 Cu 도핑 시 전하 전달 저항이 감소하고 이온 이동 속도가 향상되는 경향이 나타났다. 이러한 결과는 부분적인 Cu 치환이 Fe/ Mn 레독스 커플의안정성을 높이고 Na+ 점유 구조를 조절함으로써 전기화학적 안정성을 향상시킨다는 것을 보여준다. 본 연구는고성능·고내구성 나트륨이온전지용 Fe-Mn 기반 P2 계층형 산화물 설계를 위한 중요한 설계 방향을 제시한다