최근 나트륨이온전지는 리튬 자원 대비 풍부하고 저렴한 나트륨을 활용할 수 있어 리튬이온전지를 대체할 유력한 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 다양한 양극 후보 소재 중에서도 P2 계층형 전이금속 산화물은 높은 에너지 밀도와 빠른 Na+ 확산 경로를 제공한다는 점에서 큰 관심을 받아왔다. 본 연구에서는 Cu 도핑이 전기화학 성능에 미치는 영향을 규명하기 위해 고상반응법을 이용해 P2 구조의 Na0.7Fe0.5Mn0.5O₂(기준 조성), Na0.7Fe0.4Mn0.5Cu0.1O₂(Fe 치환), Na0.7Fe0.5Mn0.4Cu0.1O₂(Mn 치환)를 합성하였다. XRD 기반 구조 분석 결과, 모든 시료가 불순물 없이 P2 층상구조를 유지하는 것으로 확인되었으며, Cu 도입 시 격자 상수의 미세한 변화가 나타나 국소 전자구조 환경의 변화를 나타냈다. 전기화학 평가 결과, Cu 도핑은 사이클링 과정에서 구조 안정성을 향상시키고 Na+ 확산 속도를 증가시키는 효과가 있었다. 특히 Fe 자리를 Cu로 치환한 시료는 기초 조성 대비 더 높은 방전 용량과 우수한 용량 유지율을 보였으며, 이는 상전이 억제와 가역적 산화-환원 반응의 향상에 기인한 것으로 분석된다. 임피던스 분석과 율속 특성 평가에서도 Cu 도핑 시 전하 전달 저항이 감소하고 이온 이동 속도가 향상되는 경향이 나타났다. 이러한 결과는 부분적인 Cu 치환이 F e/Mn 레독스 커플의 안정성을 높이고 Na+ 점유 구조를 조절함으로써 전기화학적 안정성을 향상시킨다는 것을 보여준다. 본 연구는 고성능·고내구성 나트륨이온전지용 Fe-Mn 기반 P2 계층형 산화물 설계를 위한 중요한 설계 방향을 제시한다.
Jeong et al. (Wed,) studied this question.