극단론자

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16307(2022) 이 기사 인용

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나트륨 이온 배터리는 저렴한 비용과 무독성으로 인해 고정식 및 대규모 전력 저장에 선호됩니다. 비용적인 이유로 리튬을 나트륨으로 대체하기 때문에 셀 가격을 최대한 낮게 유지하려면 값싼 가공 방법이 필요하다. 우리는 볏짚재에 포함된 탄화규소 함량의 높은 마이크로파 흡광도를 활용한 초고속 합성 방법을 보고합니다. 인산철나트륨-탄소 복합재(NaFePO4-C)의 무정형/마리사이트 혼합물은 1단계 마이크로파 가열을 사용하여 합성, 결정화 및 탄소 코팅됩니다. 나트륨 이온 전기활성 복합재는 30~100초 범위의 다양한 마이크로파 가열 지속 시간을 사용하여 제조됩니다. 합성, 처리, 심지어 셀 조립 중에도 고순도 불활성 가스가 필요하지 않습니다. 재료는 원소 분석 기술, X선 회절(XRD), 주사/투과 전자 현미경(SEM/TEM) 및 라만 분광학을 특징으로 합니다. 합성된 나노복합체의 전기화학적 성능은 나트륨 이온 배터리 음극 및 대칭형 슈퍼커패시터로서 조사됩니다. 나트륨 이온 배터리 및 슈퍼커패시터로 적용하기 위한 최적의 합성 시간은 60초입니다. 배터리 음극으로 사용하는 경우 최대 비용량은 0.2C에서 108.4mA hg−1입니다. 커패시턴스는 슈퍼커패시터로서 0.5 A g−1 에서 86 F g−1 입니다. 나트륨 이온 배터리 전극으로서 0.2C에서 40사이클 후 용량 유지율은 92.85%입니다. 슈퍼커패시터의 경우 1000사이클 후 용량 유지율은 81.7%입니다.

전기 자동차(EV), 노트북, 휴대폰과 같은 모바일 애플리케이션은 리튬 전지의 높은 비중 용량으로 인해 리튬 이온 기술의 적용을 받아 왔습니다1. 리튬 고갈에 대한 우려는 특히 고정식 및 대규모 일반 응용 분야에서 나트륨 이온 기술로 대체하는 기초를 마련하기 위해 일찍부터 나타났습니다2,3. 나트륨은 리튬과 매우 유사한 많은 특성, 특히 전기음성도와 이온 반경을 가지고 있습니다. 반면, 나트륨은 환경친화적이며 지각 내 풍부도는 리튬4의 약 1350배에 달합니다. 많은 나노물질이 나트륨 이온 배터리(SIB)의 음극과 양극으로 밝혀졌으며 다른 곳에서도 발표되었습니다5,6,7,8. NASICON 구조를 갖는 NVP(나트륨 바나듐 인산염) Na3V2(PO4)3 및 Na3VCr(PO4)3는 에너지 밀도를 최대화하는 Na/Na+에 비해 3.4V에서 높고 평탄한 방전 전위로 인해 가장 성공적인 활성 양극 재료 중 하나였습니다. 또한 나트륨 이온 초전도 개방형 프레임워크 구조로 인해 높은 속도 성능 이점을 갖습니다. 그러나 이 높은 전위에서는 3개의 Na+ 이온 중 2개만 사용할 수 있으므로 이론적 용량이 118mA hg−1로 상대적으로 낮습니다. 또한 비용이 상대적으로 높습니다9,10. 원료인 산화철은 산화바나듐 가격의 10분의 1 수준으로 LiFePO411과 비교할 때 NVP 사용의 비용 이점이 낮아집니다. 다양한 형태의 인산철나트륨은 환경 안전성 외에도 나트륨 이온 배터리 음극으로 값싼 재료를 제공합니다5. 이론적 용량이 모두 152mA hg−1인 마리사이트(Maricite), 감람석(Olivine) 및 무정형 NaFePO4가 SIB용 활성 저가형 음극 재료로 연구되었습니다12,13,14,15,16. 감람석 NaFePO4는 전기화학적 탈리튬화 및 후속 나트륨화를 통해 LiFePO4에서만 제조할 수 있습니다. 단방향 Na/Li 확산 터널12,17로 인해 낮은 이온 전도성을 가지고 있습니다. 마리사이트 NaFePO4의 비정질 상으로의 전환은 Kim et al.에 의해 보고되었습니다. 완전한 탈나트륨 후에는 마리사이트와 비정질 NaFePO4가 음극 물질과 동일한 전기화학적 영향을 갖는 것으로 간주될 수 있습니다13.

알칼리 금속이 없는 전이 금속 인산염은 대칭 및 비대칭 슈퍼커패시터에 매력적인 재료이며 Li et al.18에 의해 많은 보고서가 검토되었습니다. 제한된 수의 기사에서 원래 배터리의 Li/Na 이온 음극으로 활성이었던 Li/Na 전이 금속 인산염 물질은 비대칭 전기화학적 슈퍼커패시터의 활성 물질로 활용되었습니다. 그들은 좋은 커패시턴스와 우수한 순환 안정성을 나타냈습니다. NaNiPO4는 2M의 NaOH를 전해질로 사용하고 전압 범위가 0~1.6V20일 때 125Fg−1을 전달했습니다. Sundaramet al. Maricite 구조의 NaMn1/3Co1/3Ni1/3PO4를 준비했습니다. 비대칭 슈퍼커패시터 대 탄소는 EC/DMC의 1M NaPF6가 전해질로 사용되고 전압 범위가 0~3V일 때 40Fg−1의 비정전용량을 보고했습니다.

Fe(80) > Fe(100) > Fe(30). For the sample Fe(30), the low capacity may refers to the presence of a large amount of unreacted inactive raw materials. The decrease in capacity with increasing microwave time above 60 s may refer to the decrease in particle size and to the increase in surface area (Table 3). The first charge cycle for all samples exhibits a relatively elevated voltages due to energy consumed during extraction of Na that occupies the corners of the orthorhombic bipyramid in the maricite structure40. As shown in the inset of Fig. 5a, the second charge processes have lower voltages compared to the first. This is because the intercalated Na ions occupy the framework channels in maricite NaFePO4. After the first charge–discharge cycle, maricite NaFePO4 is converted to amorphous phase, so that Na+ ions become easier to extract12,13. Figure 5d shows the difference in XRD pattern before and after cycling, indicating the conversion of the maricite into an amorphous phase. Nyquist plots of samples are presented in Fig. 5c. The RCT values indicate that the sodium ion diffusivity inside the cathode matrix was in the order of Fe(60) > Fe(80) > Fe(100) > Fe(30). Sodium ion diffusion coefficients (DNa) are calculated from the low frequency region according to equation S2 (Supplementary). The calculated values are listed in Table 4. The rate capabilities of samples followed their RCT order, indicating that the enhancement in electronic conductivity of samples is the key factor for improving rate capability. Figure 5,b shows the charge–discharge curves at a different rates for sample Fe(60), the corresponding capacities for other samples are listed in Table 4. Generally, iron based sodium ion batteries suffer from capacity fading with increasing discharge rate41./p>

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