리튬이차전지 양극소재 LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2 의 Ti 치환을 통한 열적 특성 향상 Improvement of thermal properties of Ti doped LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2 as cathode material for lithium ion battery원문보기
기존 LiCoO2 는 고전압 사용의 제약에 따른 용량적 한계와 코발트 원료의 높은 가격과 독성 등이 문제시 되어 왔으며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 Co 함량을 낮추고 Ni, Co, Mn을 포함하는 LiNixCoyMnzO2 (x+y+z=1)가 제시되었으며, “NCM523”은 이미 상용화되고 있다. 여기서 "NCM523"의 N은 Ni, C는 Co, M은 Mn을 의미하며, 523은 Ni, Co, Mn의 함량을 의미한다. 즉 "NCM523"은 "LiNi0.5Co0.2Mn0.3"을 의미한다. 최근에는 보다 높은 ...
기존 LiCoO2 는 고전압 사용의 제약에 따른 용량적 한계와 코발트 원료의 높은 가격과 독성 등이 문제시 되어 왔으며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 Co 함량을 낮추고 Ni, Co, Mn을 포함하는 LiNixCoyMnzO2 (x+y+z=1)가 제시되었으며, “NCM523”은 이미 상용화되고 있다. 여기서 "NCM523"의 N은 Ni, C는 Co, M은 Mn을 의미하며, 523은 Ni, Co, Mn의 함량을 의미한다. 즉 "NCM523"은 "LiNi0.5Co0.2Mn0.3"을 의미한다. 최근에는 보다 높은 에너지 밀도가 요구되면서 Ni의 함량이 50%를 상회하는 “NCM622” 같은 소재도 상용화되고 있으나, 전기자동차용 등으로 업체에서 요구하는 고에너지 밀도를 달성하기에는 한계가 있다. 따라서 고용량을 달성하기 위하여 Ni의 함량을 60% 이상으로 하는, 예컨대 NCM 소재 (NCM7조성)에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다. 하지만 Ni 함량의 증가에 따른 구조적 안정성의 저하에 기인하는 전지 특성의 저하, 특히 고온 환경에서의 전지 특성 열화와 열안정성의 감소가 심각하게 발생하며, 이는 상용화를 지연시키는 중요한 원인이 되고 있다. 본 학위논문은 Ni-rich 삼성분계 양극소재 LiNi0.7Co0.15Mn0.15조성의 전이금속전구체의 표면에 TiO2 를 코팅한 후 리튬 소스와 열처리하여 Ni, Co 및 Mn 중 일부와 치환되어 Bare 자체의 우수한 전기화학특성은 유지하고, 문제시 되는 열안정성의 확보를 목표로 하였다. 이 양극 활물질은 4.3 V 충전상태에서 DSC 평가 시, 주 발열 피크의 온도가 증가하고 발열온도 피크가 275℃ 이상에서 나타난다. 이종금속효과 검토를 위한 전기화학 특성 평가 (출력특성과 수명특성평가)를 실시하였다. 그리고 표면개질 종의 존재유무와 함량, 균일도 등을 확인하기 위해 SEM을 측정하였다. SEM 이외에, EDS (energy dispersive spectroscopy)를 사용하여 시료 내 존재하는 원소에 대한 정성 및 정량 분석을 실시하였다. 또한 XRD 분석으로 Ti 함량 증가에 따라 저각으로 shift하는 것을 확인하였으며, 이는 이온반경이 상대적으로 큰 Ti가 구조 내 고용되어 있음을 의미한다. 따라서 Ti 함량에 따른 Ti의 치환이 잘되었다는 것을 확인할 수 있었다. 특히 고온수명특성을 평가함으로서 TiO2 표면개질에 의해 열적 특성 개선을 확인하였고, 입자 강도의 증가로 구조적 안정성 향상에 효과적임을 증명하였다.
기존 LiCoO2 는 고전압 사용의 제약에 따른 용량적 한계와 코발트 원료의 높은 가격과 독성 등이 문제시 되어 왔으며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 Co 함량을 낮추고 Ni, Co, Mn을 포함하는 LiNixCoyMnzO2 (x+y+z=1)가 제시되었으며, “NCM523”은 이미 상용화되고 있다. 여기서 "NCM523"의 N은 Ni, C는 Co, M은 Mn을 의미하며, 523은 Ni, Co, Mn의 함량을 의미한다. 즉 "NCM523"은 "LiNi0.5Co0.2Mn0.3"을 의미한다. 최근에는 보다 높은 에너지 밀도가 요구되면서 Ni의 함량이 50%를 상회하는 “NCM622” 같은 소재도 상용화되고 있으나, 전기자동차용 등으로 업체에서 요구하는 고에너지 밀도를 달성하기에는 한계가 있다. 따라서 고용량을 달성하기 위하여 Ni의 함량을 60% 이상으로 하는, 예컨대 NCM 소재 (NCM7조성)에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다. 하지만 Ni 함량의 증가에 따른 구조적 안정성의 저하에 기인하는 전지 특성의 저하, 특히 고온 환경에서의 전지 특성 열화와 열안정성의 감소가 심각하게 발생하며, 이는 상용화를 지연시키는 중요한 원인이 되고 있다. 본 학위논문은 Ni-rich 삼성분계 양극소재 LiNi0.7Co0.15Mn0.15조성의 전이금속 전구체의 표면에 TiO2 를 코팅한 후 리튬 소스와 열처리하여 Ni, Co 및 Mn 중 일부와 치환되어 Bare 자체의 우수한 전기화학특성은 유지하고, 문제시 되는 열안정성의 확보를 목표로 하였다. 이 양극 활물질은 4.3 V 충전상태에서 DSC 평가 시, 주 발열 피크의 온도가 증가하고 발열온도 피크가 275℃ 이상에서 나타난다. 이종금속효과 검토를 위한 전기화학 특성 평가 (출력특성과 수명특성평가)를 실시하였다. 그리고 표면개질 종의 존재유무와 함량, 균일도 등을 확인하기 위해 SEM을 측정하였다. SEM 이외에, EDS (energy dispersive spectroscopy)를 사용하여 시료 내 존재하는 원소에 대한 정성 및 정량 분석을 실시하였다. 또한 XRD 분석으로 Ti 함량 증가에 따라 저각으로 shift하는 것을 확인하였으며, 이는 이온반경이 상대적으로 큰 Ti가 구조 내 고용되어 있음을 의미한다. 따라서 Ti 함량에 따른 Ti의 치환이 잘되었다는 것을 확인할 수 있었다. 특히 고온수명특성을 평가함으로서 TiO2 표면개질에 의해 열적 특성 개선을 확인하였고, 입자 강도의 증가로 구조적 안정성 향상에 효과적임을 증명하였다.
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