전기화학적 성능 및 안정성 향상을 위해 표면 코팅 및 벌크 도핑이 동시에 진행된 고니켈 NCM 양극 소재 : 표면 코팅 및 벌크 도핑이 동시에 진행된 고니켈 NCM 양극 소재 Improved Electrochemical Performance and Stability of Ni-rich NCM with Simultaneous Surface Coating/Bulk Doping원문보기
최근, 에너지 수요가 증가함에 따라 기존 화석연료의 지속적인 고갈과 CO2 발생 증가로 효율적인 녹색 및 재생에너지 자원의 개발이 요구되고 있다. 지금까지 개발된 다양한 친환경 에너지 자원 중 이차전지 기술은 휴대성, 출력 밀도, 비용, 효율성, 안전성 측면에서 다른 에너지 자원에 비해 두각을 나타내고 있다.
최근 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)는 광범위한 응용 분야, 특히 휴대용 장치, 전기 자동차(...
최근, 에너지 수요가 증가함에 따라 기존 화석연료의 지속적인 고갈과 CO2 발생 증가로 효율적인 녹색 및 재생에너지 자원의 개발이 요구되고 있다. 지금까지 개발된 다양한 친환경 에너지 자원 중 이차전지 기술은 휴대성, 출력 밀도, 비용, 효율성, 안전성 측면에서 다른 에너지 자원에 비해 두각을 나타내고 있다.
최근 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)는 광범위한 응용 분야, 특히 휴대용 장치, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 무정전 전원 공급 장치(UPS)에서 장점을 가지고 있다. 더 높은 에너지 밀도를 만족시키기 위해 삼원계 층상구조 산화물 LiNixCoyMnzO2 (x + y + z = 1)는 놀라운 용량, 넓은 작동 전압 범위 및 우수한 구조적 안정성 덕분에 집중적인 연구가 진행 중이다. 그 중에서도 고니켈 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM) 양극은 고에너지 LIB에 대한 가장 유망한 양극 후보 중 하나이다. 그러나 에너지 밀도 향상을 위해 고니켈 NCM 양극재에서 니켈 함량을 증가시키면 열악한 구조 및 열악한 화학적 안정성과 같은 일부 문제가 발생되어 리튬이차전지의 성능을 악화시킨다. 이러한 심각한 단점으로 인해 LIB의 상용화가 지연되고 있다. 이러한 열화 메커니즘을 극복하기 위해 층상 구조를 안정화하고 고니켈 NCM 양극 소재의 전기 화학적 성능을 향상시키기 위한 효과적인 표면 개질(벌크 도핑 및 표면 코팅) 방법이 제안되고 있다. NCM 양극에 도펀트 원소(Mg, Ga, Co, Al 등)를 도핑하면 이러한 단점을 크게 완화할 수 있다. 다양한 도펀트 중에서 Mg2+는 Mg-O 결합 에너지가 TM-O(Ni, Co, Mn)보다 상당히 강하기 때문에, 고니켈 NCM 재료에 대한 유망한 도핑 양이온 중 하나이다. Mg2+(0.72Å)와 Li+(0.76 Å)의 이온 반경의 유사성으로 인해 Mg2+는 쉽게 Li 사이트를 대체할 수 있으며, pillaring 효과를 통해 NCM 구조를 안정화할 수 있다. 또한, 표면 코팅은 잔류 리튬과 pH 값을 효과적으로 감소시킬 수 있기 때문에 간단한 방법으로 사용된다. 예를 들어, Al2O3 및 TiO2와 같은 불활성 물질은 양극 표면에 물리적 장벽을 형성하여 양극 활물질과 전해질 간의 반응을 효과적으로 억제한다. 그럼에도 불구하고, 표면 코팅층은 낮은 전자 전도성으로 인해 용량 감소 및 속도 성능 저하를 야기한다. 또한 FePO4, AlPO4 및 CoPO4와 같은 많은 금속 인산염 물질은 양극 성능을 향상시키는 유망한 코팅 물질로 간주되고 있다.
현재까지 제시된 표면 개질법은 향상된 전기화학적 성능을 위해 구조적 안정성(벌크 도핑) 또는 표면 화학(표면 코팅)의 단일 측면에서만 얻을 수 있다. 따라서 구조적 안정성과 전기화학적 성능을 동시에 극대화하기 위해서는 두 가지 표면 개질의 장점이 결합된 시너지 효과를 달성하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 Mg2+와 인산염(P)을 포함한 코팅 물질의 시너지 효과가 고니켈 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 양극재의 전기화학적 성능과 구조적 안정성에 미치는 영향을 확인할 수 있다. 또한, NCM의 용량 및 사이클링 성능을 향상시킬 수 있다.
최근, 에너지 수요가 증가함에 따라 기존 화석연료의 지속적인 고갈과 CO2 발생 증가로 효율적인 녹색 및 재생에너지 자원의 개발이 요구되고 있다. 지금까지 개발된 다양한 친환경 에너지 자원 중 이차전지 기술은 휴대성, 출력 밀도, 비용, 효율성, 안전성 측면에서 다른 에너지 자원에 비해 두각을 나타내고 있다.
최근 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)는 광범위한 응용 분야, 특히 휴대용 장치, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 무정전 전원 공급 장치(UPS)에서 장점을 가지고 있다. 더 높은 에너지 밀도를 만족시키기 위해 삼원계 층상구조 산화물 LiNixCoyMnzO2 (x + y + z = 1)는 놀라운 용량, 넓은 작동 전압 범위 및 우수한 구조적 안정성 덕분에 집중적인 연구가 진행 중이다. 그 중에서도 고니켈 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM) 양극은 고에너지 LIB에 대한 가장 유망한 양극 후보 중 하나이다. 그러나 에너지 밀도 향상을 위해 고니켈 NCM 양극재에서 니켈 함량을 증가시키면 열악한 구조 및 열악한 화학적 안정성과 같은 일부 문제가 발생되어 리튬이차전지의 성능을 악화시킨다. 이러한 심각한 단점으로 인해 LIB의 상용화가 지연되고 있다. 이러한 열화 메커니즘을 극복하기 위해 층상 구조를 안정화하고 고니켈 NCM 양극 소재의 전기 화학적 성능을 향상시키기 위한 효과적인 표면 개질(벌크 도핑 및 표면 코팅) 방법이 제안되고 있다. NCM 양극에 도펀트 원소(Mg, Ga, Co, Al 등)를 도핑하면 이러한 단점을 크게 완화할 수 있다. 다양한 도펀트 중에서 Mg2+는 Mg-O 결합 에너지가 TM-O(Ni, Co, Mn)보다 상당히 강하기 때문에, 고니켈 NCM 재료에 대한 유망한 도핑 양이온 중 하나이다. Mg2+(0.72Å)와 Li+(0.76 Å)의 이온 반경의 유사성으로 인해 Mg2+는 쉽게 Li 사이트를 대체할 수 있으며, pillaring 효과를 통해 NCM 구조를 안정화할 수 있다. 또한, 표면 코팅은 잔류 리튬과 pH 값을 효과적으로 감소시킬 수 있기 때문에 간단한 방법으로 사용된다. 예를 들어, Al2O3 및 TiO2와 같은 불활성 물질은 양극 표면에 물리적 장벽을 형성하여 양극 활물질과 전해질 간의 반응을 효과적으로 억제한다. 그럼에도 불구하고, 표면 코팅층은 낮은 전자 전도성으로 인해 용량 감소 및 속도 성능 저하를 야기한다. 또한 FePO4, AlPO4 및 CoPO4와 같은 많은 금속 인산염 물질은 양극 성능을 향상시키는 유망한 코팅 물질로 간주되고 있다.
현재까지 제시된 표면 개질법은 향상된 전기화학적 성능을 위해 구조적 안정성(벌크 도핑) 또는 표면 화학(표면 코팅)의 단일 측면에서만 얻을 수 있다. 따라서 구조적 안정성과 전기화학적 성능을 동시에 극대화하기 위해서는 두 가지 표면 개질의 장점이 결합된 시너지 효과를 달성하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 Mg2+와 인산염(P)을 포함한 코팅 물질의 시너지 효과가 고니켈 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 양극재의 전기화학적 성능과 구조적 안정성에 미치는 영향을 확인할 수 있다. 또한, NCM의 용량 및 사이클링 성능을 향상시킬 수 있다.
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