Rechargeable Na-ion batteries (NIBs) are widely recognized as one of the promising alternative energy storage systems (ESS) for Li-ion technology due to its abundance and low cost. Polyanion type materials with a 3-D framework structure have received much attention due to their high operating voltage and structural stability. Among the various polyanion type materials, mixed-anion phosphates ($Na_4M_3($PO_4$)_2($P_2O_7$)$, (M= Co, Fe, Mn etc.)) is known to exhibit low volume change and high energy density even among polyanion compounds. However, these phosphates synthesized by the solid-state process have limitations such as poor kinetics due to sluggish redox process and poor electronic conductivity. Manganese based materials are attractive cheap and abundant materials with high redox potential but Mn compounds suffer from poor electrochemical activity and low electric conductivity.
In this study, cobalt substituted Mn-based mixed-anion phosphates ($Na_4Mn_{3-x}Co_x($PO_4$)_2($P_2O_7$)$) is prepared by solution combustion synthesis (SCS) method and the electrochemical properties have been reported. The structural and the phase purity were confirmed by powder X-ray diffraction method. The electrochemical performance was evaluated using cyclic voltammetry and galvanostatic charge-discharge cycling methods. The cells made with cobalt substituted mixed-anion phosphates exhibit better electrochemical kinetics and improved electrochemical properties. The effect of substitution will be discussed in detail with the physicochemical and electrochemical characterization.
나트륨 이온 배터리는 풍부하고 저렴하여 리튬 이온 기술의 유망한 대체 에너지 저장 시스템의 하나로 인정 받고 있다. 3-D 골격 구조를 갖는 다가음이온계 재료는 높은 작동 전압 및 구조 안정성으로 인해 많은 관심을 받고 있다. 다양한 다가음이온계 물질 중에서 혼합 음이온 인산화물 ($Na_4M_3($PO_4$)_2($P_2O_7$)$, M = Co, Fe, Mn 등)은 그중에서도 반응 중 부피 변화가 적고 에너지 밀도가 높은 것으로 알려져 있다. 그러나 고상합성법에 의해 합성 된 물질은 입자가 커서 전기화학적 역학에 한계를 갖는다. 또한, 망간계 재료는 산화, 환원 전위가 높으면서도 풍부하며 저렴한 재료이지만, 전기 화학적 활성이 낮고 전기 전도도가 낮다.
본 연구에서는 코발트가 치환된 망간계 혼합 음이온 인산화물 ($Na_4Mn_{3-x}Co_x($PO_4$)_2($P_2O_7$)$)을 용액 연소 합성 (SCS) 법으로 제조하고, 그 전기 화학적 특성을 보고자 한다. 분말 X 선 회절 법에 의해 구조 및 상 순도를 확인 하였고, 전기 화학적 성능은 순환 전압 전류 법 및 정전류 충 방전 사이클링 방법을 사용하여 평가되었다. 코발트가 치환된 망간계 혼합 음이온 인산화물은 치환되지 않은 경우보다 우수한 전기화학 역학 및 개선된 특성을 나타내었다. 치환의 효과는 물리 화학적 및 전기 화학적 특성과 함께 논의 될 것이다.
