[논문]리튬 이온 전지용 리튬 코발트 산화물 양극에서의 삽입 전압과 리튬 이온 전도

김대현; 김대희; 서화일; 김영철

doi:10.5229/jkes.2010.13.4.290

리튬 이온 전지용 리튬 코발트 산화물 양극에서의 삽입 전압과 리튬 이온 전도
Intercalation Voltage and Lithium Ion Conduction in Lithium Cobalt Oxide Cathode for Lithium Ion Battery 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.13 no.4, 2010년, pp.290 - 294

김대현 (한국기술교육대학교 신소재공학과) , 김대희 (한국기술교육대학교 신소재공학과) , 서화일 (한국기술교육대학교 정보기술공학부) , 김영철 (한국기술교육대학교 신소재공학과)

초록
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본 연구는 밀도 범함수 이론을 이용하여 Li이온전지에 사용되는 Li코발트 산화물에서의 Li이온 삽입 전압과 전도에 관한 것이다. Li이온은 Li코발트 산화물 원자구조의 각 층을 1개씩 채우거나 한 층을 다 채우고 다음 층을 채울 수 있다. 평균 삽입 전압은 3.48V로 동일하나, 전자가 후자보다 더 유리하였다. 격자상수 c는 Li농도가 0.25보다 작을 때는 증가하였으나, 0.25보다 클 때는 감소하였다. Li농도가 증가하면, Li코발트 산화물에서의 Li이온 전도를 위한 에너지 장벽은 증가하였다. Li이온전지가 방전 중 출력 전압이 낮아지는 현상은 Li농도 증가에 따른 삽입 전압의 감소와 전도 에너지 장벽의 증가로 설명할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We performed a density functional theory study to investigate the intercalation voltage and lithium ion conduction in lithium cobalt oxide for lithium ion battery as a function of the lithium concentration. There were two methods for the intercalation of lithium ions; the intercalation of a lithium ion at a time in the individual layer and the intercalation of lithium ions in all the sites of one layer after all the sites of another layer. The average intercalation voltage was the same value, 3.48 V. However, we found the former method was more favorable than the latter method. The lattice parameter c was increased as the increase of the lithium concentration in the range of x 0.25. The energy barrier for the conduction of lithium ion in lithium cobalt oxide was increased as the lithium concentration was increased. We demonstrated that the decrease of the intercalation voltage and increase of the energy barrier as the increase of the lithium concentration caused lower output voltage during the discharge of the lithium ion battery.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 두 가지 방법의 Li의 조성이 다르기 때문에 정확한 비교라고 할 수 없다.¹³⁾ 본 연구에서는 방전 시에 Li이온이 LiCoO₂ 전극 내부로 삽입되는 과정을 밝히기 위하여, Aydinol 등이 고려하지 않았던 Li이온의 조성에 따른 LiCoO₂ 양극의 삽입 전압과 Li이온이 한 층 내에서 이동하기 위한 에너지 장벽을 계산하였다.
의 a와 b축과 평행한 Li이온 층을 통해 이차원적으로 이동한다. 본 연구에서는 한 층에서 Li이온의 농도 증가가 Li이온의 이동에 어떤 영향을 미치는지를 조사하기 위해서 Fig. 4와 같이 세 가지 조성에 따라 Li이온이 LiCoO₂내에서 이동할 때의 에너지 장벽을 계산하였다. Li_0.

가설 설정

즉, 두 번째 Li이온은 Fig. 2(a)의 경우와 같이 첫 번째 Li이온이 삽입되지 않은 다른 층에 삽입되어 더 높은 삽입 전압 또는 더 낮은 에너지를 가질 것이다. 따라서, 실제 리튬 이온 전지에서 충방전 시, LiCoO₂의 Li이온의 농도에 따른 전압의 변화는 Fig.
2(a))와 Li이온이 한 층에 모두 삽입된 후 다음 층으로 삽입되는 경우 (Fig. 2 (b))로 가정하였다. 두 경우 모두 한 층에서의 Li이온의 농도가 높아질수록 낮은 전압을 갖는 경향을 보였다.

제안 방법

Cutoff energy는 500 eV이고, k-points mesh는 Monkhorst-Pack이며, 16 × 16 × 3 (단위격자)과 8 × 8 × 3 (초격자) 크기를 사용하였다.
본 연구에서는 리튬 이온 배터리의 양극 재료인 LiCoO₂에서 Li이온의 농도에 따른 삽입 전압과 격자 상수의 변화, 그리고 Li이온의 이동에 요구되는 에너지 장벽을 계산하였다. LiCoO₂에서 Li이온은 각 층에 순차적으로 삽입되었다.
본 연구의 모든 계산은 Fig. 1(b)와 같이 단위 격자를 구성한 후, a축과 b축을 두 배 확장한 2 × 2 × 1 초격자구조에서 진행하였다.
삽입 전압을 얻기 위해 2 × 2 × 1 초격자구조에 포함된 12개의 Li이온을 한 개씩 제거하면서 에너지를 계산하였고, 그에 따른 격자 상수의 변화를 관찰하였다.
사용된 cutoff energy와 k-points mesh 값은 계산 시간과 계산 값의 정확도를 고려한 최적화된 값이다. 초격자구조의 계산에서 모든 원자의 이완 (relaxation)과 격자의 부피 변화를 허용하였다.

이론/모형

14-18) 사용된 포텐셜 (potential)은 projector-augmented wave (PAW)이며, 전자의 바닥 상태를 계산하기 위하여 residual minimization method direct inversion in the iterative subspace (RMM-DIIS)가 사용되었다.^19,20) 전산모사 에너지 계산은 10⁻³ eV를 수렴 (convergence) 조건으로 설정하여 진행되었다.
Cutoff energy는 500 eV이고, k-points mesh는 Monkhorst-Pack이며, 16 × 16 × 3 (단위격자)과 8 × 8 × 3 (초격자) 크기를 사용하였다. Smearing 방법은 Gaussian 법이며, 0.05 eV의 smearing factor가 사용되었다. 사용된 cutoff energy와 k-points mesh 값은 계산 시간과 계산 값의 정확도를 고려한 최적화된 값이다.
와 금속 Li원자 한 개의 에너지의 합을 뺀 것이다. 모든 에너지 장벽 계산은 VASP 코드에 포함된 climbing nudged elastic band (CNEB) 도구를 이용하여 수행되었고²³⁾, 모든 원자들을 이완시켜 응력 변화에 의한 에너지를 최소화하였다.
본 연구는 Vienna ab-initio simulation package (VASP) 코드로 구현된 first-principles generalized gradient approximation (GGA)을 이용하여 수행되었다.^14-18) 사용된 포텐셜 (potential)은 projector-augmented wave (PAW)이며, 전자의 바닥 상태를 계산하기 위하여 residual minimization method direct inversion in the iterative subspace (RMM-DIIS)가 사용되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬 이온 전지를 사용 용도는?	재생 가능한 이차 전지인 리튬 이온 전지 (lithium ion battery)는 높은 에너지 밀도와 비메모리 효과 (non-memory effect)의 장점으로 휴대폰, 노트북, MP3등의 휴대용 전자 기기의 전지로 널리 사용되고 있다. 리튬 이온 전지의 기본적인 원리는 방전 시 음극 (anode)에 있는 리튬 (lithium, Li) 이온이 전해질을 거쳐서 양극 (cathode)으로 이동하여 전류를 생산하고, 충전 시에는 그 역 과정으로 외부 전원을 통해서 Li이온이 양극에서 음극으로 이동하는 것이다.
	리튬 이온 전지의 장점은?	재생 가능한 이차 전지인 리튬 이온 전지 (lithium ion battery)는 높은 에너지 밀도와 비메모리 효과 (non-memory effect)의 장점으로 휴대폰, 노트북, MP3등의 휴대용 전자 기기의 전지로 널리 사용되고 있다. 리튬 이온 전지의 기본적인 원리는 방전 시 음극 (anode)에 있는 리튬 (lithium, Li) 이온이 전해질을 거쳐서 양극 (cathode)으로 이동하여 전류를 생산하고, 충전 시에는 그 역 과정으로 외부 전원을 통해서 Li이온이 양극에서 음극으로 이동하는 것이다.
	Li코발트 산화물에서의 Li이온 삽입 평균 전압은?	Li이온은 Li코발트 산화물 원자구조의 각 층을 1개씩 채우거나 한 층을 다 채우고 다음 층을 채울 수 있다. 평균 삽입 전압은 3.48V로 동일하나, 전자가 후자보다 더 유리하였다. 격자상수 c는 Li농도가 0.

참고문헌 (25)

K. S. Kang, Y. S. Meng, J. Breger, C. P. Grey, and G. Ceder, "Electrodes with High Power and High Capacity for Rechargeable Lithium Batteries" Science, 311, 977 (2006).

상세보기
S. Shi, C. Ouyang, M. Lei, and W. Tang, "Effect of Mgdoping on the Structural and Electronic Properties of $LiCoO_2$ : A First-principles Investigation" J. Power Sources, 171, 908 (2007).

상세보기
M. Okubo, E. Hosono, J. D. Kim, M. Enomoto, N. Kojima, T. Kudo, H. Zhou, and I. Honma, "Nanosize Effect on High-Rate Li-ion Intercalation in $LiCoO_2$ Electrode" J. Am. Chem. Soc., 129, 7444 (2007).

상세보기
Y. Takahashi, N. Kijima, K. Dokko, M. Nishizawa, I. Uchida, and J. Akimoto, "Structure and Electron Density Analysis of Electrochemically and Chemically Delithiated $LiCoO_2$ Single Crystals" J. Solid State Chem., 180, 313 (2007).

상세보기
J. Xu, H. R. Thomas, R. W. Francis, K. R. Lum, J. Wang, and B. Liang, "A Review of Processes and Technologies for the Recycling of Lithium-ion Secondary Batteries" J. Power Sources, 177, 512 (2008).

상세보기
K. S. Kang and G. Ceder, "Factors that Affect Li Mobility in Layered Lithium Transition Metal Oxides" Phy. Rev. B, 74, 094105-1 (2006).

상세보기
J. Hafner, C. Wolverton, and G. Ceder, "Toward Computational Materials Design: The Impact of Density Functional Theory on Materials Research" MRS Bulletin, 31, 659 (2006).

상세보기
G. Ceder, M. Doyle, P. Arora, and Y. Fuentes, "Computational Modeling and Simulation for Rechargeable Batteries" MRS Bulletin, 27, 619 (2002).

상세보기
C. Wolverton and A. Zunger, "First-principles Theory of Cation and Intercalation Ordering in $Li_xCoO_2$ " J. Power Sources, 81-82, 680 (1999).

상세보기
A. I. Landa, C. C. Chang, P. N. Kumta, L. Vitos, and I. A. Abrikosov, "Phase Stability of $Li(Mn_{100-x}Co_x)O_2 $ Oxides: An Ab Initio Study" Solid State Ionics, 149, 209 (2002).

상세보기
D. Kramer and G. Ceder, "Tailoring the Morphology of $LiCoO_2$ : A First Principles Study" Chem. Mater., 21, 3799 (2009).

상세보기
M. K. Aydinol, A. F. Kohan, and G. Ceder, "Ab Initio Calculation of the Intercalation Voltage of Lithiumtransition- metal Oxide Electrodes for Rechargeable Batteries" J. Power Sources, 68, 664 (1997).

상세보기
A. Van der Ven and G. Ceder, "Lithium Diffusion Mechanisms in Layered Intercalstion Compounds" J. Power Sources, 97-98, 529 (2001).

상세보기
G. Kresse and J. Hafner, "Ab Initio Molecular Dynamics for Liquid Metals" Phys. Rev. B, 47, 558 (1993)

상세보기
G. Kresse and J. Hafner, "Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metalamorphous- semiconductor transition in germanium" Phys. Rev. B, 49, 14251 (1994).

상세보기
G. Kresse and J. Furthuller, "Efficiency of Ab-initio Total Energy Calculations for Metals and Semiconductors using a Plane-wave BASIS Set" Comput. Mat. Sci., 6, 15 (1996).

상세보기
G. Kresse and J. Furthuller, "Efficient Iterative Schemes for Ab Initio Total-energy Calculations using a Planewave Basis Set" Phys. Rev. B, 54, 11169 (1996).

상세보기
G. Kresse and D. Joubert, "From Ultrasoft Pseudopotentials to the Projector Augmented-wave Method" Phys. Rev. B, 59, 1758 (1999).

상세보기
D. Vanderbilt, "Soft Self-consistent Pseudopotentials in a Generalized Eigenvalue Formalism" Phys. Rev. B, 41, 7892 (1990).

상세보기
D. M. Wood and A. Zunger, "A New Method for Diagonalising Large Matrices" J. Phys. A, 18, 1343 (1985).

상세보기
P. Pulay, "Convergence Acceleration in Iterative Sequences: The Case of SCF Iteration" Chem. Phys. Lett., 73, 393 (1980).

상세보기
Y. Shao-Horn, L. Croguennec, C. Delmas, E. C. Nelson, and M. A. O’KEEFE, "Atomic Resolution of Lithium Ions in $LiCoO_2$ " Nature Materials, 2, 464 (2003).

상세보기
Y. Shao-Horn, S. A. Hackney, A. J. Kahaian, and M. M. Thackeray, "Structural Stability of $LiCoO_2$ at 400oC" J. Solid State Chem., 168, 60 (2002).

상세보기
D. Sheppard, R. Terrell, and G. Henkelman, "Optimization Methods for Finding Minimum Energy Paths" J. Chem. Phys., 128, 134106 (2008).

상세보기
T. Ohzuku and A. Ueda, "Solid-State Redox Reactions of $LiCoO_2$ (R3m) for 4 Volt Secondary Lithium Cells" J. Electrochem. Soc., 141, 2972 (1994).

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