나트륨 이온 전지(NIB, SIB 또는 Na 이온 전지)는 여러 유형의 충전식 전지입니다. 나트륨 이온(Na+)을 전하 운반체로 사용합니다. 일부 사례, 작동 원리와 셀 구성은 다음과 유사합니다. 리튬 이온 배터리 (LIB) 유형입니다. 하지만 이 배터리는 리튬을 나트륨 이온으로 대체하여 삽입 이온으로 사용합니다. 나트륨은 주기율표에서 리튬과 같은 족에 속하므로 화학적 특성이 유사합니다. Mn 기반 나트륨 층상 산화물과 같은 나트륨 층상 전이 금속 산화물(NaxTMO2, TM = 전이 금속/s)은 비용 절감 잠재력을 가진 중요한 양극 소재입니다. 이러한 재료는 에너지 밀도와 사이클 안정성을 높이고, 대규모 에너지 저장을 위한 나트륨 층상 전이 금속 산화물(NIB)의 안전성을 향상시킬 수 있습니다.
층상 산화물 나트륨 양극재의 계면 개질 전략은 주로 다음과 같은 방법을 포함합니다. 이러한 전략은 계면 불안정성 문제를 해결하고 배터리 성능을 향상시키는 것을 목표로 합니다.
1. 표면 코팅 개질
양극과 전해질 사이의 직접 접촉을 효과적으로 차단할 수 있습니다. 또한, 부반응을 줄이고 층상 산화물 나트륨 양극재의 계면 안정성을 향상시키는 장점이 있습니다. 금속 산화물, 탄소 재료 또는 리튬 함유 화합물과 같은 양극재 표면에 얇은 보호층을 증착하면 이러한 효과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, Al₂O₃, Li₂O 등을 코팅층으로 사용하면 활물질의 용출과 산소 손실을 방지할 수 있습니다.
2. 원소 도핑 변형
특정 원소를 층상 산화물에 도핑함으로써 재료의 전자 구조와 전기화학적 특성을 변화시켜 구조적 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 도핑은 상전이를 억제하고, Na+의 확산 능력을 향상시키며, 산소 손실을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, Ni, Mn, Co와 같은 전이 금속을 도핑하면 전극 재료의 전기화학적 성능을 최적화할 수 있습니다. 전해질 개질: 전해질 조성을 조정하고 불소 및 붕산염과 같은 첨가제를 사용하면 더욱 안정적인 고체 전해질 계면(SEI) 피막을 형성하여 전해질과 양극 재료 간의 반응을 줄이고 계면 임피던스를 낮추며 사이클 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
3. 구조적 규제
재료의 미세구조를 조정함으로써, 즉 입자 크기, 형태, 기공률을 제어함으로써 전해질의 젖음성을 개선하여 Na+의 빠른 전달을 촉진하는 동시에, 사이클 중 응력 집중을 줄이고 구조적 붕괴를 방지할 수 있습니다.
4. 화학 원소 치환
재료의 전위 창은 정밀한 화학 원소 치환을 통해 조절될 수 있습니다. 예를 들어, 알루미늄, 마그네슘 및 기타 원소를 층상 산화물에 도입하는 것이 있습니다. 이를 통해 전이 금속의 용해를 줄이고 재료의 공기 안정성 및 사이클 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
5. 복합재료 설계
층상 산화물을 다른 재료(전도성 탄소 재료 등)와 결합하면 재료의 전자 전도도를 개선하고, 내부 저항을 낮추고, 복합 재료의 상승효과를 활용하여 계면 특성을 개선할 수 있습니다.
6. 인터페이스 화학 최적화
온도, 분위기, 반응 시간 등의 합성 조건을 정밀하게 제어함으로써 양극 재료의 표면 화학을 원자 수준에서 최적화하여 표면 잔류 염기의 형성을 줄이고 재료의 공기 안정성과 사이클 수명을 향상시킬 수 있습니다.
이러한 전략을 종합적으로 적용하면 나트륨 이온 전지에서 층상 산화물 양극재의 계면 문제를 체계적으로 해결할 수 있습니다. 이를 통해 전지의 전반적인 성능을 향상시키고 나트륨 이온 전지 기술의 실용화를 촉진할 수 있습니다.
