Recent surge of lithium ion battery demand and its unstable raw materials prices have suggested necessity of an alternative for lithium ion battery. To develop an alternative for lithium ion battery, several energy storage chemistries have been explored. One of the promising alternatives is sodium ion battery based on the similar chemical nature of sodium to lithium. However, commercialization of sodium ion battery has been suffered from a lack of suitable electrode materials in the aspects of performance and cost. Therefore, new electrode materials with high cyclic stability, high capacity, and low cost should be developed. In the case of anode materials, to achieve the high capacity, conversion or alloying reactions type are should be investigated. For cathode materials, materials with high voltage and high capacity should be investigated to compete with lithium ion battery. In this thesis, suitable anode and cathode materials for sodium storage are investigated. For anode material, exceptionally stable sodium storage mechanism of copper sulfide is investigated utilizing in-/ex-situ transmission electron microscopy in conjunction with electrochemical characterization. Sodiation pathway of copper sulfide is revealed in atomic scale for the first time. Furthermore, origin of the inherent pulverization-tolerance and capacity recovery during sodiation is also unveiled. These findings will contribute to designing of stable conversion reaction anode materials. For cathode part, iron-doping of sodium vanadium fluorophosphates/sodium vanadium phosphate composite is suggested to strengthen its sodium storage performance and economic competitiveness. Iron doping into the cathode enhances the performance with fully evolved V3+/V4+ redox pair and enhanced sodium diffusivity and lowered bandgap. Finally, a full cell configuration of copper sulfide and iron-doped sodium vanadium fluorophosphates is realized. The materialized full cell is economically reasonable and shows a competitive energy density and cyclic retention.
최근 리튬 이온 전지 수요의 급증과 원자재 가격의 불안정성은 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 이차 전지의 개발의 필요성을 부각시켰다. 지금까지, 리튬 이온 전지를 대체하기 위해 몇 가지 이차 전지들이 제시되었는데, 그 중 가장 유망한 대안 중 하나는 리튬과 화학적 성질이 비슷한 원소인 소듐을 이용하는 소듐 이온 전지이다. 하지만, 소듐 이온 전지의 상용화는 가격 및 성능면에서 적합한 전극 물질의 부재로 인해 어려운 상황이다. 따라서, 소듐 이온 전지의 상용화를 위해서는 높은 용량, 높은 사이클 안정성, 그리고 낮은 가격의 전극물질을 개발하는 것이 필수적이다. 음극 물질의 경우, 높은 용량을 달성하기 위해 전환반응과 합금반응을 거치는 물질들이 연구될 필요가 있고, 양극 물질의 경우 현 리튬 이온 전지와 경쟁하기 위해 높은 용량과 리튬 코발트 산화물이나 리튬 니켈 코발트 망간 산화물과 비슷한 높은 전압을 가지는 물질이 연구될 필요가 있다. 이 논문에서는 소듐 이온 전지 풀셀을 개발하기 위해 적합한 음극과 양극 개발에 관한 내용을 다룬다. 음극의 경우, 실시간/사후 투과전자현미경과 전기화학 분석을 이용하여 전환반응을 거치는 물질 중 하나인 황화구리의 소듐 저장 메커니즘을 분석하였다. 특히, 황화구리의 소듐화 과정을 원자단위에서 규명하였으며, 황화구리의 소듐 저장에 따른 입자분쇄 대한 내성과 용량 회복의 메커니즘 또한 규명하였다. 양극 물질의 경우, 기존 많이 연구된 소듐 바나듐 플루오로 포스페이트/소듐 바나듐 포스페이트 복합체의 성능과 경제성을 향상시키기 위해 바나듐을 철로 대체하였다. 철 도핑결과 V3+/V4+ 산화환원 쌍이 잘 형성되며, 소듐 이온 확산도 증가, 그리고 줄어든 밴드갭을 바탕으로 소듐 저장 성능의 향상을 확인했다. 마지막으로, 황화구리와 철 소듐 바나듐 플루오로 포스페이트/소듐 바나듐 포스페이트 양극 소재를 활용하여 소듐 이온 전지 풀셀을 개발하였다. 개발된 소듐 이온 전지는 경쟁력 있는 에너지 밀도와 장수명 사이클 안정성을 보였다.
