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Nature Communications 13권, 기사 번호: 4934(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

비수성 나트륨 기반 배터리는 차세대 전기화학 에너지 저장 장치에 이상적인 후보입니다. 그러나 주변 온도에서의 유망한 성능에도 불구하고 저온(예: < 0°C) 작동은 전해질 저항의 증가와 고체 전해질 간기(SEI) 불안정성으로 인해 해로운 영향을 받습니다. 여기서는 이러한 문제를 피하기 위해 -150°C까지 열적으로 안정하고 저온에서 안정적인 SEI를 형성할 수 있는 선형 및 고리형 에테르 기반 용매와 트리플루오로메탄술폰산나트륨 염으로 구성된 특정 전해질 제제를 제안합니다. Na||Na 코인 셀 구성에서 테스트할 때 저온 전해질을 사용하면 -80°C까지 장기간 사이클링할 수 있습니다. 현장 외 물리화학적(예: X선 광전자 분광법, 극저온 투과 전자 현미경 및 원자력 현미경) 전극 측정 및 밀도 함수 이론 계산을 통해 효율적인 저온 전기화학적 성능을 담당하는 메커니즘을 조사합니다. 우리는 또한 전체 Na||Na3V2(PO4)3 코인 셀의 -20°C ~ -60°C 사이의 조립 및 테스트를 보고합니다. -40°C에서 테스트된 셀은 68mAh g−1의 초기 방전 용량을 보여 주며, 22mA g−1에서 100회 사이클 후 약 94%의 용량 유지율을 나타냅니다.

리튬 이온 배터리(LIB)는 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명으로 인해 휴대용 전자 제품 및 전기 자동차에 광범위하게 사용되었습니다1,2,3. 그럼에도 불구하고 추운 환경, 특히 온도가 -20°C 이하로 떨어지는 경우 필연적으로 심각한 에너지/전력 손실을 겪게 됩니다4,5. 이러한 열악한 저온 성능으로 인해 -40°C 미만의 배터리 작동 온도가 필요한 항공/우주 임무, 극지 탐험 및 추운 지역의 많은 군사 및 민간 시설에서의 적용이 제한됩니다4,6.

Li 기반 기술을 넘어 매력적인 전기화학적 에너지 저장 기능을 갖춘 시스템을 찾는 것은 저온 작동과 관련된 문제를 해결하는 데 유망할 것입니다. 알칼리 금속인 나트륨(Na)은 Li와 많은 화학적, 물리적 특성을 공유하면서 자연적으로 더 풍부하기 때문에 두드러집니다7,8,9. Na는 Li(495.8 vs. 520.2 kJ mol−1)10보다 낮은 1차 이온화 에너지를 가지며, 이는 향상된 화학/전기화학적 반응성에 기여하고 추운 환경에서 전기화학 반응을 촉진할 수 있습니다. Na 금속은 낮은 전극 전위(표준 수소 전극 대비 -2.714V)와 높은 이론 비용량(1166mAh g−1)으로 인해 Na 배터리의 양극 재료로서 중요한 역할을 합니다7,8,9,11,12 ,13,14. 그럼에도 불구하고 저온에서 Na 배터리에 대한 연구는 제한적이며, 특히 Na 금속의 전극 거동에 대한 이해가 크게 부족합니다.

저온 배터리 작동 가능 여부는 전해질의 특성에 따라 크게 달라집니다. 비수성 탄산염 용매의 상대적으로 높은 어는점/녹는점과 전도성 염의 용해도 감소로 인해 온도가 떨어지면서 전해질 저항이 급격히 증가합니다5,19. 더욱이, 주변 온도에서 형성된 고체 전해질 간기(SEI)는 효율적인 사이클링을 가능하게 하기 위해 추운 조건에서 동일한 보호 기능을 유지하지 못할 수도 있습니다. 한편, Na 금속 전극에 형성된 SEI의 저온 구조 및 조성 진화는 여전히 파악하기 어렵습니다.

이러한 문제를 피할 수 있는 한 가지 실행 가능한 해결책은 융점이 낮은 용매와 안정적인 SEI를 형성할 수 있는 염을 사용하여 저온 작동을 목표로 하는 전해질을 제제화하는 것입니다. 여기서는 이러한 전해질 전략을 적용하여 비환형 에테르 용매와 호환 가능한 Na 염으로 구성된 전해질 용액이 Na 금속 작동 온도를 -40 °C까지 확장할 수 있음을 보여줍니다. 트리플루오로메탄설포네이트(OTf) 염은 저온에서 안정적인 SEI를 형성하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌습니다. 또한, 이원용매 전해질 용액을 제조하기 위해 고리형 에테르 용매를 추가하면 열안정성 온도 임계값을 -150°C까지 확장할 수 있습니다. 우리는 -80°C까지의 저온에서 대칭 셀에서 안정적인 Na 금속 도금/스트리핑을 시연하며, 750시간 이상 동안 ~150mV의 낮은 과전위를 나타냅니다. 이 성능은 비수성 전해질 용액에서 알칼리 금속 전극의 저온 작동 능력을 확장합니다(최신 기술과 비교하려면 보충 그림 1 및 보충 표 1 참조). 결합된 실험 특성(예: X선 광전자 분광법, 극저온 투과 전자 현미경, 원자력 현미경)과 밀도 범함수 이론 계산을 통해 효율적인 저온 전기화학적 성능을 가능하게 하는 기계적 특징을 이해할 수 있습니다. 전체 Na||Na3V2(PO4)3 코인 셀도 조립되어 -20°C ~ -60°C에서 테스트되었습니다. -40°C 및 -60°C에서 테스트된 셀은 각각 ~68 및 39mAh g−1의 초기 방전 용량을 나타냈으며, 22mA g−1에서 100회 사이클 후 ~94% 및 91%의 용량 유지율을 나타냈습니다.