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Sn 첨가를 통한 소듐이차전지용 층상계 양극소재 수명 특성 향상에 관한 연구

Title
Sn 첨가를 통한 소듐이차전지용 층상계 양극소재 수명 특성 향상에 관한 연구
Other Titles
Enhanced Cycling Stability of O3-type Na[Ni0.5Mn0.5]O2 via Sn Incorporation for Sodium-Ion Batteries
Author
한금재
Alternative Author(s)
Geumjae Han
Advisor(s)
선양국
Issue Date
2021. 8
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
소듐이차전지용 층상계 양극 활물질인 Na[Ni0.5Mn0.5]O2 는 충방전 과정 중 여러 번의 상 변화로 인해 구조적 불안정이 심해진다. 특히 3.6 V (vs. Na+/Na) 이상의 전압 범위에서 급격히 감소하는 격자 부피로 인해 구형의 양극 소재 이차입자 내에 미세 균열이 발생한다. 이러한 미세 균열은 활물질 내부로 전 해액이 들어올 수 있는 통로를 만들고 충전 중 발생하는 불안정한 Ni 4+와 반응하여 비가역적 물질인 NiO 암염구조를 형성한다. 이는 양극 활물질의 구조 열화 및 용량 감퇴를 초래한다. 본 연구에서는 충방전 중 발생하는 상 변화로 인한 구조적 불안정과 미세 균열 형성에 따른 양극 활물질 열화를 해결하고자 [Ni0.5Mn0.5](OH)2 전구체에 미량의 Sn 을 공침법을 통해 코팅한다. 소성 과정 중 활물질 내부로 침투한 Sn 의 일부는 전이 금속층에 도핑되어 갑작스러운 상 변화를 억제하고 충방전 중 발생하는 층상 구조의 뒤틀림을 막아 구조적 안정성을 향상시킨다. 층상 구조 내로 침투하지 않은 Sn은 양극 활물질의 일 차입자 외부에서 Sn nanoparticle 을 형성하고 미세 균열로 침투하는 전해액 의 공격으로부터 양극 활물질을 보호한다. 따라서 Sn 이 첨가된 양극 소재는 2.0-4.0 V 하프 셀 평가에서 100 사이클 후 Sn 이 첨가되지 않은 양극 소재보 다 약 15% 향상된 85.0%의 용량 유지율을 기록했다. 또한 100 사이클 후 Scanning electron microscopy 를 통해 전극을 분석하여 미세 균열 형성이 억 제된 것을 확인하였고 Transmission electron microscopy 를 통해 미세 균열 에 근접한 활물질 일차입자에서 열화 진행이 억제된 것을 관찰하였다. 본 연 구의 양극 소재 개량 방법은 미량의 Sn 첨가만으로 층상 구조의 안정성과 양 극 활물질 표면 개질을 가능하게 하며, 급격한 상 변화와 활물질 열화를 억제 함으로써 수명을 향상시키는데 활용할 수 있다.|Na[Ni0.5Mn0.5]O2, O3-type layered cathodes for sodium-ion batteries (SIBs), suffers from structural instability caused by detrimental phase transitions. A series of O3-type layered Na[Ni0.5Mn0.5]O2 (NM55) cathodes with different amounts of Sn were synthesized in this study by using uniformly Sn-coated precursors prepared by a wet method to address this problem. The introduction of Sn proportionally modified the morphologies of the Sn-NM55 cathodes to have higher tap densities. The cycling stability of the NM55 cathode with 1 mol% Sn was improved, maintaining 84.9% of its initial capacity after 100 cycles and ~15% higher than that of the bare NM55 cathode. The improvement in cycling stability is attributed to the introduced Sn, which mitigates structural distortions caused by monoclinic phase transitions and suppresses abrupt contraction during the detrimental P3’-to-O3’ phase transition in the highly charged state. In addition, the precipitated Sn nanoparticles on the cathode surface protect the internal primary particles from parasitic attacks by the infiltrated electrolyte. The proposed strategy provides an effective method to improve the cycling stability of O3-type layered cathodes for SIBs by modifying their morphology and inhibiting deleterious electrolyte attacks.
URI
http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000498160https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/164087
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > ENERGY ENGINEERING(에너지공학과) > Theses (Master)
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