• 나트륨 이온 저장을 위한 층상 MnO2에 미리 삽입(pre-intercalated)된 결합제-무(무첨가) 수화 K+ 이온. • HKMO는 3 V의 넓은 전위 범위에서 우수한 전기화학적 특성을 보인다. • DFT 계산 결과, MnO2 매트릭스에 K+ 이온을 삽입함으로써 층간 거리가 증가하였다. • SIS 장치는 우수한 비에너지와 뛰어난 사이클 안정성을 나타낸다. 칼륨 버네사이트(potassium birnessite)는 더 넓은 층간(planar) 간격을 갖는 주목할 만한 재료로, 더 많은 전해질 이온을 수용하여 전반적인 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 K0.46Mn2O4(H2O)1.4(HKMO) 나노시트를 탄소 섬유(CC) 위에 하나의 단계(one-step) 수열(hydrothermal) 공정으로 균일하게 성장시킨 상호 연결된 메조다공성 네트워크로 제어 합성하였다. 구체적으로, 100 °C에서 12 h 동안 합성한 HKMO 시료(100@HKMO-12 h)는 큰 비표면적을 갖는 메조다공성 형태를 나타냈다. 결합제-무 100@HKMO-12 h 전극은 1 M NaClO4/아세토니트릴(acetonitrile) 전해질에서 3 V의 넓은 전위 범위에 걸쳐 최대 비정전용량 255 F g−1 (323 F cm−3 )을 보였다. DFT 연구는 K+ 이온의 MnO2 매트릭스 삽입에 의해 층간 거리가 증가함을 입증하였다. 바데어 전하 분석(Bader charge analysis)에서는 정상 버네사이트(normal birnessite)와 비교하여 층간 영역에서 K-버네사이트의 12.09 |e| 전하 차이가 나타났으며, 이는 MnO2 매트릭스의 층간 영역 증가를 뒷받침한다. 특히 증가된 층간 거리는 Na+ 이온의 신속한 삽입/탈삽입(intercalation/deintercalation)을 촉진하고, 더 넓은 전위 창(window)에서 가역적 패러데이성 의사축전지 반응(faradic pseudocapacitance reaction)이 일어나도록 하였다. 또한 100@HKMO-12 h 전극을 이용해 제작한 대칭 전지(symmetric full-cell)는 2 V의 넓은 전압 범위를 갖고, 최소 비출력 556 W kg−1 (349 W cm−3 )에서 최대 비에너지 43 Wh kg−1 (28 Wh cm−3 )를 전달하였다. 더불어, 장치는 5 A/g의 전류 조건에서 연속적인 10,000번의 충·방전 사이클 후에도 축전용량 유지율이 약 94 %로 우수하여, 차세대 나트륨 에너지 저장 장치의 유망한 후보임을 시사한다.

*본 초록은 AI를 통해 원문을 번역한 내용입니다. 정확한 내용은 하기 원문에서 확인해주세요.