Recently, Na-ion batteries have been considered as alternatives for Li-ion batteries due to the crustal abundance and low cost of Na. Therefore, it is necessary to develop electrode materials with high electrochemical performances to commercialize the Na-ion batteries. Especially, development of high-performance cathode materials is necessary which occupy the most part of the manufacturing cost. Cathode materials which have been extensively studied for Na-ion batteries are classified into layered oxides and polyanionic compounds according to their crystal structure. Among the various layered oxides, sodium manganese oxide $(Na_{0.7}MnO_2)$ has been considered potential cathode material due to its high capacity and cost-effective synthetic process. Among the polyanionic compounds, sodium vanadium phosphate (Na₃ V₂(PO₄)₃) have received attention owing to the excellent thermal and structural stability. However, the promising candidates of cathode materials for Na-ion batteries also have problems as follows: (1) sluggish kinetic properties of $Na_{0.7}MnO_2$, (2) poor electronic conductivity and (3) low energy density of Na₃ V₂(PO₄)₃. Herein, three individual studies are performed to solve these problems. In the first part, $Na_{0.7}MnO_2/C$ composite cathode material is fabricated by simple heat treatment for high-power Na-ion batteries. Compared to only 28.07% retention of pristine $Na_{0.7}MnO_2$, 64.55% of the discharge capacity of $Na_{0.7}MnO_2/C$ at a current density of 20 mA $g^-1$ is retained at $400 mA g^{-1}$. The second part covers fabrication of high-power Na₃ V₂(PO₄)₃/C composite cathode materials by synergetic effects of sucrose coating and cellulose template. The improved rate performance of Na₃ V₂(PO₄)₃/C, $77.58 mAh g^{-1}$ at 20-C rate, is acquired from the cost-effective synthetic process with the relatively low amount of carbon, 5 wt.%. In the third chapter, Mg-substituted Na₃ V₂(PO₄)₃/C is synthesized to improve the energy density of Na₃ V₂(PO₄)₃ by utilization of $V^{4+/5+}$ redox reaction. The high-voltage $V^{4+/5+}$ redox reaction in Mg-substituted Na₃ V₂(PO₄)₃/C electrode leads to 3.5% increase of energy density compared with Na₃ V₂(PO₄)₃/C electrode.
최근 나트륨 이온 전지는 나트륨 자원의 풍부한 매장량과 저렴한 가격으로 기존의 리튬 이온 전지를 대체할 차세대 전지 시스템으로 주목 받고 있다. 나트륨 이온 전지의 상용화를 위하여 고성능의 전극소재 개발이 필요하며 특히 공정 원가에서 높은 비중을 차지하는 양극소재의 성능 향상이 필요하다. 나트륨 이온 전지용으로 활발하게 연구되고 있는 양극소재는 그 결정 구조에 따라 층상계 산화물과 폴리음이온 화합물로 분류된다. 층상계 산화물은 용량이 높고 합성 단가가 저렴하지만, 수명특성과 속도론적 특성이 단점이다. 폴리음이온 화합물은 높은 구조 및 열 안정성을 보이지만, 낮은 에너지 밀도와 전기전도도가 개선되어야 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 층상계 산화물인 나트륨 망간 산화물과 $(Na_{0.7}MnO_2)$ 폴리음이온 화합물인 나트륨 바나듐 인산화물에 (Na₃ V₂(PO₄)₃) 대한 세 건의 독립적인 연구를 수행하였다. 각각의 연구는 (1) 간단하고 비용효율이 높은 2단계 열처리 공정을 통하여 출력 특성이 향상된 나트륨 망간 산화물/탄소 복합체 제조, (2) 수크로오스 표면 코팅 및 셀룰로오스 복합체의 동반 효과에 의한 나트륨 바나듐 인산화물의 전기전도도 향상과 (3) 마그네슘 금속 이온 치환을 통한 나트륨 바나듐 인산화물의 작동 전압 향상을 다룬다.
