[학위논문]리튬 이온 배터리의 고에너지 밀도를 위한 이중층 후막 전극 제조 기술 및 파우치 셀 설계 전략 A Double Layered Thick electrode Manufacturing and Pouch Cell Design Strategy for High-Energy Density Lithium-Ion Batteries원문보기
최근 리튬 이온 배터리의 고에너지 밀도를 위해 양극 활물질 중 Ni-rich NCM (LiNixCoyMn1-x-yO2, 0.6 ≤ x ≤ 1.0, 0 ≤ y ≤ 0.2)에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 셀 용량 증가를 위해 양극 활물질의 Ni의 함량을 증가시키는 접근은 그 한계가 존재하며, 구조적 및 열적 불안정성으로 인해 발생하는 가스는 배터리 폭발을 야기할 수 있다. 따라서 양극 활물질의 소재 관점에서의 연구와 함께 후막 전극과 같은 전극 설계 측면에서의 연구가 필수적이다. 하지만 다결정 입자 Ni-rich NCM으로 구성된 후막 전극은 전극 밀도를 높이기 위한 ...
최근 리튬 이온 배터리의 고에너지 밀도를 위해 양극 활물질 중 Ni-rich NCM (LiNixCoyMn1-x-yO2, 0.6 ≤ x ≤ 1.0, 0 ≤ y ≤ 0.2)에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 셀 용량 증가를 위해 양극 활물질의 Ni의 함량을 증가시키는 접근은 그 한계가 존재하며, 구조적 및 열적 불안정성으로 인해 발생하는 가스는 배터리 폭발을 야기할 수 있다. 따라서 양극 활물질의 소재 관점에서의 연구와 함께 후막 전극과 같은 전극 설계 측면에서의 연구가 필수적이다. 하지만 다결정 입자 Ni-rich NCM으로 구성된 후막 전극은 전극 밀도를 높이기 위한 압연 공정 중, 상부층의 입자가 부서지는 문제점이 있다. 본 연구에서는 위의 문제 해결을 위해 높은 기계적 강도를 갖는 단결정 입자를 상부층에 활용하는 이중층 후막 전극 연구를 수행했다. 단결정 입자를 통해 상부층의 균열 억제 효과를 확인했지만, 단결정 입자의 큰 일차입자 크기 (3μm)로 길어진 리튬 이온 전달 경로와 다결정 이차입자 (약 13μm)보다 작은 사이즈 (약 3μm)로 인한 굴곡률의 증가로 후막의 상부층과 하부층의 반응 불균형 문제가 나타난다. 따라서, 단결정 및 다결정의 최적 비율 탐색, 전기화학 성능평가 및 분석을 수행했다. SEM 이미지를 통해 상부층의 균열 및 전극 단면의 굴곡률을 확인하였다. 최소한의 단결정으로 상부층의 균열 억제 및 굴곡률이 유지된 P9S1샘플에서 기존 다결정 후막 대비 12.66% 향상된 우수한 수명특성 (60cycle, @0.5C)을 확인했으며 GITT, XRD 및 EIS 분석을 통해 열화 원인을 분석하였다. 결과적으로, 기존 후막전극의 문제점을 개선하여 전기화학적 성능을 향상 시켰을 뿐 아니라 파우치 셀 적용을 통해 실제 상용 셀에서의 활용 가능성을 확인하였다.
최근 리튬 이온 배터리의 고에너지 밀도를 위해 양극 활물질 중 Ni-rich NCM (LiNixCoyMn1-x-yO2, 0.6 ≤ x ≤ 1.0, 0 ≤ y ≤ 0.2)에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 셀 용량 증가를 위해 양극 활물질의 Ni의 함량을 증가시키는 접근은 그 한계가 존재하며, 구조적 및 열적 불안정성으로 인해 발생하는 가스는 배터리 폭발을 야기할 수 있다. 따라서 양극 활물질의 소재 관점에서의 연구와 함께 후막 전극과 같은 전극 설계 측면에서의 연구가 필수적이다. 하지만 다결정 입자 Ni-rich NCM으로 구성된 후막 전극은 전극 밀도를 높이기 위한 압연 공정 중, 상부층의 입자가 부서지는 문제점이 있다. 본 연구에서는 위의 문제 해결을 위해 높은 기계적 강도를 갖는 단결정 입자를 상부층에 활용하는 이중층 후막 전극 연구를 수행했다. 단결정 입자를 통해 상부층의 균열 억제 효과를 확인했지만, 단결정 입자의 큰 일차입자 크기 (3μm)로 길어진 리튬 이온 전달 경로와 다결정 이차입자 (약 13μm)보다 작은 사이즈 (약 3μm)로 인한 굴곡률의 증가로 후막의 상부층과 하부층의 반응 불균형 문제가 나타난다. 따라서, 단결정 및 다결정의 최적 비율 탐색, 전기화학 성능평가 및 분석을 수행했다. SEM 이미지를 통해 상부층의 균열 및 전극 단면의 굴곡률을 확인하였다. 최소한의 단결정으로 상부층의 균열 억제 및 굴곡률이 유지된 P9S1샘플에서 기존 다결정 후막 대비 12.66% 향상된 우수한 수명특성 (60cycle, @0.5C)을 확인했으며 GITT, XRD 및 EIS 분석을 통해 열화 원인을 분석하였다. 결과적으로, 기존 후막전극의 문제점을 개선하여 전기화학적 성능을 향상 시켰을 뿐 아니라 파우치 셀 적용을 통해 실제 상용 셀에서의 활용 가능성을 확인하였다.
Recent research has focused on Ni-rich NCM (LiNixCoyMn1-x-yO2, 0.6 ≤ x ≤ 1.0, 0 ≤ y ≤ 0.2) as a cathode material for high-energy density lithium-ion batteries. The approach to increase the cell capacity by increasing the nickel content in the cathode material has its limitations, and the gas generat...
Recent research has focused on Ni-rich NCM (LiNixCoyMn1-x-yO2, 0.6 ≤ x ≤ 1.0, 0 ≤ y ≤ 0.2) as a cathode material for high-energy density lithium-ion batteries. The approach to increase the cell capacity by increasing the nickel content in the cathode material has its limitations, and the gas generated due to structural and thermal instability can lead to battery explosion. Therefore, in addition to research on the material aspect of the cathode, research on electrode design aspects such as thick electrode is essential. However, thick electrodes composed of polycrystalline Ni-rich NCM particles present an issue where the particles in the upper layer break during the calendering process for increasing the electrode density. This study addresses the above problem by investigating a double layer thick electrode, which uses single-crystalline particles with high mechanical strength in the upper layer. We confirmed the effect of suppressing cracks in the upper layer through the use of single-crystalline particles. However, to analyze the effect of the elongated lithium ion delivery path due to the large primary particle size of the single - crystalline particles and the increase in curvature due to smaller size compared to polycrystalline secondary particles on the maximization of the reaction imbalance between the upper and lower layers of the double layer, electrodes were fabricated according to the ratio of single-crystalline to polycrystalline and their electrochemical performance evaluation and analysis were performed. The suppression of cracks in the upper layer and the curvature of the electrode cross-section were confirmed through SEM images. The P9S1 sample, where cracks in the upper layer were suppressed and curvature was maintained with a minimum of single-crystalline particles, showed excellent lifespan characteristics improved by 12.66% compared to the existing polycrystalline thick electrode, and the causes of degradation were analyzed through GITT, XRD, and EIS analysis. This study not only improved the problems of the existing thick electrode to enhance electrochemical performance, but also confirmed the potential for application in commercial cells through the application to pouch full cells.
Recent research has focused on Ni-rich NCM (LiNixCoyMn1-x-yO2, 0.6 ≤ x ≤ 1.0, 0 ≤ y ≤ 0.2) as a cathode material for high-energy density lithium-ion batteries. The approach to increase the cell capacity by increasing the nickel content in the cathode material has its limitations, and the gas generated due to structural and thermal instability can lead to battery explosion. Therefore, in addition to research on the material aspect of the cathode, research on electrode design aspects such as thick electrode is essential. However, thick electrodes composed of polycrystalline Ni-rich NCM particles present an issue where the particles in the upper layer break during the calendering process for increasing the electrode density. This study addresses the above problem by investigating a double layer thick electrode, which uses single-crystalline particles with high mechanical strength in the upper layer. We confirmed the effect of suppressing cracks in the upper layer through the use of single-crystalline particles. However, to analyze the effect of the elongated lithium ion delivery path due to the large primary particle size of the single - crystalline particles and the increase in curvature due to smaller size compared to polycrystalline secondary particles on the maximization of the reaction imbalance between the upper and lower layers of the double layer, electrodes were fabricated according to the ratio of single-crystalline to polycrystalline and their electrochemical performance evaluation and analysis were performed. The suppression of cracks in the upper layer and the curvature of the electrode cross-section were confirmed through SEM images. The P9S1 sample, where cracks in the upper layer were suppressed and curvature was maintained with a minimum of single-crystalline particles, showed excellent lifespan characteristics improved by 12.66% compared to the existing polycrystalline thick electrode, and the causes of degradation were analyzed through GITT, XRD, and EIS analysis. This study not only improved the problems of the existing thick electrode to enhance electrochemical performance, but also confirmed the potential for application in commercial cells through the application to pouch full cells.
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