Sol-Gel법에 의해 제조된 고용량 양극 활물질 LiMxCo1-xO2[M Mg, Zr]의 전기화학적 특성 연구 = (A) study on the electrochemical properties of LiMxCo1-xO2 [M=Mg, Zr] as high capacity cathode materials prepared by Sol-Gel method원문보기
상업용 리튬 이온 이차전지 양극 활물질 중에서 리튬 전이금속 산화물들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중 LiCoO2는 다른 양극 활물질에 비하여 물질의 합성이 용이하며 안정된 충․방전 특성과 뛰어난 전력공급속도, 낮은 자가 방전량, 평탄한 방전 전압으로 인한 전기 전압이 높은 전극특성을 나타내고 있어 리튬이차전지의 양극 활물질로 주로 사용되고 있다. 그러나 LiCoO2는 4.2V 이상의 전위 영역에서는 충․방전시 anisotropic structural change(large change in c-axis versus small change in a-axis)에 의해서 micro-crack과 구조적인 붕괴가 발생하게 된다. 따라서 4.3V 이상의 전위에서의 전극 반응시 구조적 불안정성으로 인하여 싸이클 수명이 현저하게 감소하게 된다. 구조적인 특성으로 설명되는 용량 감소 현상을 방지하고자 기존의 LiCoO2에 dopant를 첨가하거나 표면개질 변화를 통해 구조적인 안정성을 획득하기 위한 연구가 진행 되고 있다. 본 연구에서는 ...
상업용 리튬 이온 이차전지 양극 활물질 중에서 리튬 전이금속 산화물들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중 LiCoO2는 다른 양극 활물질에 비하여 물질의 합성이 용이하며 안정된 충․방전 특성과 뛰어난 전력공급속도, 낮은 자가 방전량, 평탄한 방전 전압으로 인한 전기 전압이 높은 전극특성을 나타내고 있어 리튬이차전지의 양극 활물질로 주로 사용되고 있다. 그러나 LiCoO2는 4.2V 이상의 전위 영역에서는 충․방전시 anisotropic structural change(large change in c-axis versus small change in a-axis)에 의해서 micro-crack과 구조적인 붕괴가 발생하게 된다. 따라서 4.3V 이상의 전위에서의 전극 반응시 구조적 불안정성으로 인하여 싸이클 수명이 현저하게 감소하게 된다. 구조적인 특성으로 설명되는 용량 감소 현상을 방지하고자 기존의 LiCoO2에 dopant를 첨가하거나 표면개질 변화를 통해 구조적인 안정성을 획득하기 위한 연구가 진행 되고 있다. 본 연구에서는 Sol-gel법을 이용하여 이차전지 정극 재료인 LiCoO2와 Mg-doped LiCoO2와 Zr doped LiCoO2를 제조하였다. 합성된 전극은 XRD를 통하여 구조적인 특성, SEM을 통하여 입자 형상을 분석하였으며, CV와 충․방전 거동등을 통하여 전기화학적인 성능 평가를 비교 분석하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다. Sol-gel법으로 제조된 LiCoO2와 Mg-doped LiCoO2와 Zr doped LiCoO2 전극의 XRD 분석 결과, 육방정계(hexagonal system)공간군 에 속하는 층상구조를 이루고 있고, CV 분석 결과 3개의 peak을 갖는 전형적인 LiCoO2 거동을 보여준다. Sol-gel법으로 제조된 LiCoO2전극의 경우 4.3V 이상의 전위영역에서의 용량감소 현상이 두드러지게 나타나는 반면, Mg과 Zr를 doping한 LiCoO2의 경우에는 사이클 특성이 향상되었음을 나타내었다. 이와 같이 dopant를 첨가한 전극에서 우수한 충․방전 특성을 나타내는 이유는, Li+와 이온크기가 비슷한 Mg2+, Zr4+ 이온이 inter-slab space에 존재하여 충․방전시 Li+의 탈․삽입의 통로를 제공하여 구조적인 뒤틀림 현상을 방지하기 때문이다. 또한, 전극 표면에서 얇은 막을 형성하여 상전이 완충역할을 하게 되어 전체적인 구조적 안정성을 획득하였기 때문이라 사료된다.
상업용 리튬 이온 이차전지 양극 활물질 중에서 리튬 전이금속 산화물들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중 LiCoO2는 다른 양극 활물질에 비하여 물질의 합성이 용이하며 안정된 충․방전 특성과 뛰어난 전력공급속도, 낮은 자가 방전량, 평탄한 방전 전압으로 인한 전기 전압이 높은 전극특성을 나타내고 있어 리튬이차전지의 양극 활물질로 주로 사용되고 있다. 그러나 LiCoO2는 4.2V 이상의 전위 영역에서는 충․방전시 anisotropic structural change(large change in c-axis versus small change in a-axis)에 의해서 micro-crack과 구조적인 붕괴가 발생하게 된다. 따라서 4.3V 이상의 전위에서의 전극 반응시 구조적 불안정성으로 인하여 싸이클 수명이 현저하게 감소하게 된다. 구조적인 특성으로 설명되는 용량 감소 현상을 방지하고자 기존의 LiCoO2에 dopant를 첨가하거나 표면개질 변화를 통해 구조적인 안정성을 획득하기 위한 연구가 진행 되고 있다. 본 연구에서는 Sol-gel법을 이용하여 이차전지 정극 재료인 LiCoO2와 Mg-doped LiCoO2와 Zr doped LiCoO2를 제조하였다. 합성된 전극은 XRD를 통하여 구조적인 특성, SEM을 통하여 입자 형상을 분석하였으며, CV와 충․방전 거동등을 통하여 전기화학적인 성능 평가를 비교 분석하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다. Sol-gel법으로 제조된 LiCoO2와 Mg-doped LiCoO2와 Zr doped LiCoO2 전극의 XRD 분석 결과, 육방정계(hexagonal system)공간군 에 속하는 층상구조를 이루고 있고, CV 분석 결과 3개의 peak을 갖는 전형적인 LiCoO2 거동을 보여준다. Sol-gel법으로 제조된 LiCoO2전극의 경우 4.3V 이상의 전위영역에서의 용량감소 현상이 두드러지게 나타나는 반면, Mg과 Zr를 doping한 LiCoO2의 경우에는 사이클 특성이 향상되었음을 나타내었다. 이와 같이 dopant를 첨가한 전극에서 우수한 충․방전 특성을 나타내는 이유는, Li+와 이온크기가 비슷한 Mg2+, Zr4+ 이온이 inter-slab space에 존재하여 충․방전시 Li+의 탈․삽입의 통로를 제공하여 구조적인 뒤틀림 현상을 방지하기 때문이다. 또한, 전극 표면에서 얇은 막을 형성하여 상전이 완충역할을 하게 되어 전체적인 구조적 안정성을 획득하였기 때문이라 사료된다.
Lithiated transition metal oxides have been extensively studied as cathode materials for commercial lithium ion rechargeable batteries. Among those oxide, LiCoO2 is the most attractive cathode material for the rechargeable lithium ion battery, because it has high specific capacity, high operating ce...
Lithiated transition metal oxides have been extensively studied as cathode materials for commercial lithium ion rechargeable batteries. Among those oxide, LiCoO2 is the most attractive cathode material for the rechargeable lithium ion battery, because it has high specific capacity, high operating cell voltage, ease of preparation and excellent rechargeability. In the region of higher potential than 4.2V for LiCoO2, a capacity fading occurred mainly due to anisotropic expansion and contraction during cycling that leads to the formation of micro-cracks in the particles, causing structural degradation of the materials. Several methods are reported to improve the structural stability of LiCoO2 such as doping or surface coating of LiCoO2. In this study, LiCoO2, Mg-doped LiCoO2 and Zr-doped LiCoO2 powders are synthesized by sol-gel method and their structural and electrochemical properties are studied by X-ray diffraction, SEM, cyclic voltammetry and galvanostatic chargedischarge experiments.Considering the XRD intensity and position of the Bragg peaks, it is well known that patterns of the rhombohedral unit cell ( space group)can be indexed in the hexagonal system. In gel-derived LiCoO2 electrodes, typical cyclic voltammogams of HT-LiCoO2 are observed, which are characterized by three sets of well-defined current peaks. Mg and Zr-doped LiCoO2 cathodes lead to enhanced capacity retention during cycling above 4.3V. The reason for the stabilization of the layered structure is the same size between Li+ and Mg2+, Zr4+. And their presence in the inter-slab space does not strongly affect lithium reintercalation because no shrinkage of the structure appears upon cycling. Additionally the formation of stable structure of the thinner shell near the surface, acting as a buffer to the phase transformation, thereby enhancing the stability of cycling.
Lithiated transition metal oxides have been extensively studied as cathode materials for commercial lithium ion rechargeable batteries. Among those oxide, LiCoO2 is the most attractive cathode material for the rechargeable lithium ion battery, because it has high specific capacity, high operating cell voltage, ease of preparation and excellent rechargeability. In the region of higher potential than 4.2V for LiCoO2, a capacity fading occurred mainly due to anisotropic expansion and contraction during cycling that leads to the formation of micro-cracks in the particles, causing structural degradation of the materials. Several methods are reported to improve the structural stability of LiCoO2 such as doping or surface coating of LiCoO2. In this study, LiCoO2, Mg-doped LiCoO2 and Zr-doped LiCoO2 powders are synthesized by sol-gel method and their structural and electrochemical properties are studied by X-ray diffraction, SEM, cyclic voltammetry and galvanostatic chargedischarge experiments.Considering the XRD intensity and position of the Bragg peaks, it is well known that patterns of the rhombohedral unit cell ( space group)can be indexed in the hexagonal system. In gel-derived LiCoO2 electrodes, typical cyclic voltammogams of HT-LiCoO2 are observed, which are characterized by three sets of well-defined current peaks. Mg and Zr-doped LiCoO2 cathodes lead to enhanced capacity retention during cycling above 4.3V. The reason for the stabilization of the layered structure is the same size between Li+ and Mg2+, Zr4+. And their presence in the inter-slab space does not strongly affect lithium reintercalation because no shrinkage of the structure appears upon cycling. Additionally the formation of stable structure of the thinner shell near the surface, acting as a buffer to the phase transformation, thereby enhancing the stability of cycling.
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