Sn-Co 양극 및 Na 사전 도핑된 Sn-Co 양극의 나트륨 이온 삽입/탈착 특성
프레젠테이션
기술이 빠른 속도로 발전하면서 리튬 이온 배터리(LIB)가 전기 제품 및 전기 자동차의 전력 저장에 사용되며 그 수요가 증가할 것이라는 것은 누구나 알고 있는 사실입니다. 하지만 리튬은 풍부한 금속이 아니기 때문에 가격이 비쌉니다. 반면 나트륨은 풍부하고 저렴하기 때문에 나트륨 이온 배터리(SIB)에 대한 관심이 높아지고 있습니다.
SIB 음극으로 사용하기 위해 연구된 물질로는 경질 탄소와 주석이 있습니다. 경질 탄소는 100회 이상 사이클이 가능하지만 용량은 약 250mAh/g에 불과합니다. 경질 탄소 전극이 있는 나트륨 배터리는 동급 리튬 배터리보다 크기가 작습니다. 반면 주석은 용량이 약 500mAh/g이지만 주석 전극의 큰 팽창과 부피 수축(경질 탄소보다 약 5.3배 더 큼)과 함께 Na 이온의 삽입(합금화) 및 추출(탈합금화)로 인해 사이클 성능(몇 사이클에 불과)이 떨어집니다. 이러한 Sn과 Na의 합금화/탈합금화 공정은 Sn과 Li의 합금화/탈합금화 공정과 유사합니다. 따라서 핵심 요소는 Sn 기반 전극에 의한 사이클링 중 부피 변화의 억제입니다. 원본 기사의 그림 6에서 볼 수 있듯이, 폴리아크릴산(PAA) 바인더를 사용하면 SIB용 Sn 전극의 사이클링 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이 연구에서 Sn 전극의 용량은 20 사이클 후에도 약 500mAh/g을 유지했습니다. 따라서 바인더는 전극에서 가장 중요한 구성 물질 중 하나입니다.
Sn-Co 음극을 사용하는 LIB는 소니가 최초로 상용화했으며, 코발트가 리튬과 합금되지 않고 코발트가 사이클링 중 전극 부피의 변화를 완충하기 때문에 우수한 사이클링 성능을 나타냅니다. 이 백서에서는 SIB에 전기화학적으로 사용되는 Sn-Co 전극의 특성을 평가하여 사이클링 성능과 접착제의 상관관계를 밝힙니다.
폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVdF) 또는 PAA를 바인더로 사용하여 Sn-Co 전극을 제조했습니다. 정전류 방전-충전 실험을 수행하여 PAA 바인더를 사용한 Sn-Co 전극의 전기화학적 특성을 조사하고 그 결과를 PVdF를 바인더로 사용한 경우와 비교했습니다. 또한 Na 이온 삽입(합금화)/추출(탈합금화) 과정에서 PAA 또는 PVdF를 사용한 Sn-Co 전극의 부피 변화를 현장 광학 현미경으로 처음으로 평가했습니다. 사이클링 중 Sn-Co의 결정 구조 변화는 X-선 회절(XRD)로 특성화되었고 사이클링 중 형태학적 변화는 주사 전자 현미경(SEM)과 광학 현미경으로 분석되었습니다.
애플리케이션
이 논문에서는 Sn-Co의 전기화학적 성능에 초점을 맞춰 사이클링 성능과 전극 조립 재료의 바인더 간의 상관관계를 보여줍니다. 폴리(아크릴산)(PAA)의 Sn-Co 전극은 폴리(비닐리덴 디플루오라이드)(PVdF)에 비해 더 나은 사이클링 성능(30주기 동안 ~300 mAh/g)을 보였습니다. PAA의 이러한 우수한 사이클링 특성은 현장 광학 현미경으로 밝혀진 사이클링 중 전극 부피의 미세한 변화 때문입니다. 또한 Sn-Co 전극의 Na 프리도핑은 2-10 사이클에서 평균 쿨롱 효율을 95.41 TP3T에서 99.91 TP3T로 증가시켰습니다.
그림 1은 현장 광학 현미경(LasertecCorp., ECCSB310)을 사용하여 관찰한 사이클링 중 전극 부피의 변화를 보여줍니다. 전극의 팽창과 수축은 온라인 분석 모드에서 추정되었습니다. 현장 광학 현미경에 사용된 원형 셀은 나트륨 시트(두께 0.2mm, 직경 15mm) 카운터 전극, 전해질 용액(1 mol/l NaPF6 EC:DEC 1:1 부피), Sn-Co(두께 0.02mm, 직경 14mm) 작동 전극으로 구성된 스택 침지 폴리프로필렌 다이어프램(직경 19mm)이었습니다. . 원형 셀을 반원형으로 절단하여 Na/분리막(부피 1몰/l NaPF6 EC:DEC1:1)/Sn-Co의 단면을 노출시켰습니다. 그런 다음 그림 1과 같이 광학 현미경 고정 장치에 세포를 배치했습니다. 동전형 전지와 동일한 조건에서 방전-충전 테스트를 수행한 후 광학 현미경을 사용하여 관찰창을 통해 단면을 관찰했습니다.
출처
저자: Y. 유이, Y. 오노, 하야시, Y. 네모토, K. 하야시, K. 아사쿠라, H. 기타바야시
기관: NTT 에너지 및 환경시스템 연구소, 일본전신전화주식회사, 가나가와243-0198, 일본
출판: 2014년 10월 21일 원고 제출, 2014년 12월 16일 수정 원고 접수, 2015년 1월 8일 출판. (이 논문은 2014년 6월 10일부터 10일까지 이탈리아 코모에서 열린 2014년 6월 10~14일, 이탈리아 코모에서 열린 IMLB 회의에서 발표되었습니다. 이 논문은 IMLB 2014에서 엄선된 발표의 FocusIssue의 일부입니다.)
전기화학회지, 162 (2) A3098-A3102 (2015)