Electrochemical properties of amorphous vanadium pentoxide as negative electrode in sodium ion battery

Abstract

매장지가 제한되어 있고 매장량에 한계가 있는 리튬에 비하여, 소듐은 저렴하고 지구상에 풍부하게 존재하기 때문에 리튬이온 이차전지를 대체할 전지로 소듐이온 이차전지에 대한 연구가 주목을 받기 시작하였다. 하지만 현재 소듐이온 이차전지에 대한 연구는 많이 이루어 지지 않았으며 특히 음극재에 대한 연구는 난흑연화탄소 등 탄소계열 만이 주로 연구되어 있어 아직 많은 연구가 필요하다. 본 연구에서는 리튬이온 이차전지의 양극활물질로 많은 연구가 된 오산화 바나듐(V2O5)을 침전법으로 합성하여 비정질화된 V2O5를 얻어 소듐이온 이차전지용 음극으로의 가능성을 모색해 보았고 그 결정화도에 따른 소듐이온의 반응성에 대한 연구를 진행하였다. 비정질 V2O5는 VOSO4 수용액을 암모니아수(NH4OH)에 가하여 침전시 켜 합성하였고, 이 파우더를 250 ℃ - 500 ℃로 가열하여 결정화도가 다른 V2O5를 합성하였다. 이렇게 얻어진 결정화도가 다른 각각의 V2O5를 소듐금속을 반대전극으로 사용하여 반쪽전지를 제조하여 전기화학실험을 진행하였다. 그 결과 결정화도가 증가할수록 소듐이 삽입은 되나 탈리가 되지 않는 비가역적인 거동을 보였고 비정질 V2O5는 약 270 mAh g-1의 용량을 가역적으로 발현하였다. 본 연구에서는 비정질상의 V2O5만이 가역적으로 소듐이온과 반응할 수 있다는 것을 도출할 수 있었고 소듐이온 이차전지용 음극활물질로 사용 가능성을 확인하였다. 또한 결정질 V2O5의 소듐 탈리 반응이 불가능한 이유는 0.01 V에서 생성되는 비가역적인 구조 때문이라는 것을 알 수 있었다.

As demands for energy increase, energy storage devices become principal to use energy efficiently. However increasing demand for lithium ion batteries which are popular commercial secondary batteries makes concerns about limited storage quantity of lithium and its depletion. In this situation sodium ion batteries based on Na+ insertion/extraction mechanisms could decrease these concerns due to cheap and abundant sodium raw material. However few materials are known as their negative electrode, hard carbons and some metal oxides, and research on that is in its early stage. So there are needs to find more appropriate negative electrode materials. In this study the possibility of vanadium pentoxides (V2O5), composed of plentiful transition metal vanadium and studied numerously for positive electrode materials of lithium ion batteries, is studied as negative electrode for sodium ion batteries. And reactions of V2O5 of different crystallinities and sodium are studied. Amorphous V2O5 was synthesized by precipitation method that VOSO4 aqueous solution is poured to NH4OH and crystalline V2O5 were obtained by following heat treatment of the amorphous sample at 250 ℃ ~ 500 ℃ temperature range. For coin half-cells which are composed of the samples as working electrode, Na metal as counter electrode and 0.7 M NaClO4 in EC/DEC (1/1 in v/v) electrolytes, electrochemical charge/discharge experiments were executed in 0.01 V ~ 2.5 V (vs. Na/Na+) range. Na+ insertion capacities are similar between three samples, but as crystallinities of vanadium pentoxides are increased, Na+ extraction capacities are decreased. It is considered that amorphous V2O5, which shows 270 mAh g-1 capacity at 20th cycle, is a proper candidate for negative electrode of sodium ion batteries. And we could know that the reason of irreversibility of crystalline V2O5 is the irreversible structural change after 3 Na+ inserted.