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리튬 이온 배터리 (LIB)와 같은 에너지 저장 기술은 모바일, 랩탑, 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템을 비롯한 유비쿼터스 휴대용 전자 장치의 개발을 가능하게했다. 1991 년 소니가 최초로 고전압 및 고에너지 셀을 상용화 한 이후, 현대의 LIB는 중량 당 ...

리튬 이온 배터리 (LIB)와 같은 에너지 저장 기술은 모바일, 랩탑, 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템을 비롯한 유비쿼터스 휴대용 전자 장치의 개발을 가능하게했다. 1991 년 소니가 최초로 고전압 및 고에너지 셀을 상용화 한 이후, 현대의 LIB는 중량 당 에너지밀도가 지금까지 두 배 이상 증가하면서 놀라운 가능성을 제시하였다. 그럼에도 불구하고 세계적으로 국지적인 리튬의 분포, 셀 엔지니어링 및 처리 비용에 대한 문제는 여전히 많은 연구자들이 해결해야 할 과제들 중 하나이다. 차세대 LIB 기술의 한 유형으로서, 다가 이온 배터리 (Mg2+, Ca2+ 및 Zn2+ 등)는 위와 같은 문제에 대한 기준을 충족시키는 특성을 갖는 것으로 간주된다. 다가 이온 배터리 양극재료에 대한 연구는 새로운 재료 및 전기화학적 층간삽입화학에 대한 발견을 제공한다. 그러나, 층간삽입과정은 격자구조에서 양이온과 산소 이온 사이의 강한 Coloumbic 상호작용으로 인해 산화물 내에서 느리게 발생할 수 있다. 결과적으로, 다가 이온의 양극물질로의 전기 화학적 층간삽입화학은 여전히 기능성 물질의 발견 가능성 뿐만 아니라 밝혀지지 않은 수수께끼 같은 현상이 공존하는 것으로 간주된다.





마그네슘 이온 배터리 (MIBs)는 마그네슘이 지구상에서 풍부하기 때문에 유망하다고 할 수 있으며 높은 에너지 밀도, 안전성 및 경제적인 에너지 저장을 제공할 수 있다. 그러나, 지금까지 MIBs 양극물질에 대해서 제한된 후보물질 만이 제시되었다. 이 연구에서는, 이산화바나듐 (VO2(B))으로 마그네슘 이온이 삽입된 구조 및 전기 화학적 특성이 밝혀졌다. 이산화바나듐 다형체는 VO2(B), VO2(A), VO2(M), VO2(R) 및 VO2(C)의 여러 결정상으로 존재하며, 여기서 VO2(B) 및 VO2(A)는 준안정상으로 간주된다. VO2(B)는 물질의 가장 안정적인 개방형 구조로 간주되는 브루카이트 이산화바나듐 상이다. VO2(B)의 결정 구조는 C2/m의 공간 그룹을 갖는 단사정계 구조를 가지며 VO6 팔면체 사이의 모서리 공유에 의해 형성되고, C1, C2 및 C3으로 표시 된 3 개의 확산 공동 및 b축과 c축을 따라 2 개의 확산 경로를 제공한다.
VO2(B)는 용이한 열수법을 사용하여 합성되었고, 공간 그룹 C2/m, 및 나노-벨트 형태를 갖는 단사정계 구조가 XRD, HR FE-SEM 및 TEM에 의해 확인되었다. VO2(B)는 a = 12.059 (1) Å, b = 3.692 (2) Å, c = 6.420 (1) Å의 격자상수를 갖는다. 불순물이 발생하지 않았으며, 이는 합성공정동안 V5+가 V4 +로 성공적으로 환원되었음을 의미한다.
건식전해질에서 AC에 대해 -0.57V에서 더 급격한 감소 피크를 나타내는 0.1mV s-1의 스캔 속도를 갖는 습식전해질에서의 VO2(B)의 CV 프로파일. 한편 건식 전해질의 산화 피크는 습식 전해질 (0.18V vs AC)보다 높은 전압 (0.35V vs AC)에서 나타난다. VO2(B)는 비수계전해질 (51 mAh g-1)에 비해 습식전해질에서 250mAh g-1의 훨씬 큰 방전 및 충전 용량을 나타냈다. 이 물질은 건식전해질 (0.5 M Mg(ClO4)2 in AN)에서 20mA g-1의 전류 밀도에서 25oC에서 방전 용량이 51.0 mAh g-1 의 가역적인 마그네슘 층간삽입을 보여준다. 25, 30, 40 및 50 mA g-1에서 우수한 율속특성을 보여줍니다. VO2(B)의 사이클 성능은 전해질에서의 구조적 분해 및 바나듐 용해로 인해 25 사이클 후 초기 용량의 62 %에 도달하여 여전히 개선이 필요하다. 환원 및 산화 반응은 층간 메카니즘에 의해 지배되며, 약 81-75 %의 마그네슘 이온이 0.1 mV s-1의 주사속도로 삽입된다. 주사속도가 1 mV s-1로 증가함에 따라 표면제한메커니즘은 천천히 증가합니다.
VO2(B)는 또한 건식 전해질에서 60oC에서 ~ 2.47 V (vs Mg/Mg2+)의 평균 전압으로 114.8mAh g-1의 방전 용량으로 마그네슘 층간삽입을 나타낸다. 선명한, 방전 및 충전 상태에서 마그네슘 이온 intercalation에 의한 VO2(B) 구조적 변화를 공개한다. Mg0.11VO2의 결정 구조와 VO2(B)의 세부 마그네슘 이온 위치가 처음으로 밝혀졌다. 그것은 공간 그룹 C2/m 의 단 사정 구조를 가지고 있으며 마그네슘 이온은 VO2(B)의 가장 큰 공동에 위치합니다. TEM-EDX 매핑 및 XPS 결과는 구조적으로 가역적인 마그네슘 층간삽입이 일어났음을 보여주었다. 방전된 전극에서 균일 한 분포를 명확하게 볼 수 있으며, 충전 전극에서는 다시 사라지는 가역 반응이 일어난다. Mg 1s 피크의 형성은 방전 동안 1304.4 eV의 결합 에너지에서 관측되고 충전 후에 사라졌으며, 이는 VO2(B) 로의 성공적인 마그네슘 삽입을 보여준다. 결과적으로 건식 전해질에서 VO2(B)로 마그네슘 층간삽입 메커니즘이 명확하게 드러나며 MIBs에 대해 고성능의 새로운 산화물 양극재를 발견 할 수 있는 가능성을 열어준다.

Abstract ▼ AI-Helper

Magnesium-ion Batteries (MIBs) offer a promising energy density, safety, and low-cost energy storage due to the large abundance of magnesium on Earth. However, only limited candidates have been proposed for MIBs cathode materials. In this study, the structure and electrochemical properties of magnes...

Magnesium-ion Batteries (MIBs) offer a promising energy density, safety, and low-cost energy storage due to the large abundance of magnesium on Earth. However, only limited candidates have been proposed for MIBs cathode materials. In this study, the structure and electrochemical properties of magnesium ion intercalation into vanadium dioxide (VO2(B)) has been unveiled. VO2(B) was synthesized using a facile hydrothermal method, and confirmed by XRD, HR FE-SEM and TEM as a monoclinic structure with the space group of C 2/m, and a nano-belt morphology. The material shows reversible magnesium intercalation with a discharge capacity of 51.0 mAh g-1 at 25oC at current density of 20 mA g-1 in nonaqueous electrolyte (0.5 M Mg(ClO4)2 in AN). It shows good rate performance at 25, 30, 40, and 50 mA g-1. The cycle performance of VO2(B) still need improvement, as it delivered 62% of the initial capacity after 25 cycles, due to the structural degradation and vanadium dissolution in the electrolyte. VO2(B) also shows magnesium intercalation with a discharge capacity of 114.8 mAh g-1 with an average voltage of ~2.47 V (vs Mg/Mg2+) at 60oC in nonaqueous electrolyte. The structural evolution at pristine, discharge, and charge state revealed the magnesium ion intercalation into VO2(B). The crystal structure of Mg0.11VO2 and detail magnesium ion position in VO2(B) is determined for the first time. It has monoclinic structure with space group of C 2/m and the magnesium ion is located in the largest cavity of VO2(B). TEM-EDX mapping and XPS result also revealed the reversible magnesium intercalation into the material.

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