다양한 형태 및 구조의 망간산화물 및 망간수산화물 전구체로부터 합성한 LiMn2O4양극의 전기화학적 특성 연구 Electrochemical Characteristics of LiMn2O4 Cathodes Synthesized from Various Precursors of Manganese Oxide and Manganese Hydroxide원문보기
리튬이온전지의 양극소재인 $LiMn_2O_4$를 다양한 모양과 크기의 망간산화물 및 망간수산화물 전구체를 사용해서 합성하였다. 첫 번째 단계로 수열합성법이나 침전법을 사용하여 ${\alpha}-MnO_2$, ${\beta}-MnO_2$, $Mn_3O_4$, amorphous $MnO_2$ 및 $Mn(OH)_2$ 등의 전구체를 합성하였고, 두 번째 단계로 이들 전구체로부터 고상법을 사용하여 다양한 형태의 $LiMn_2O_4$를 제조하였다. 합성된 $LiMn_2O_4$의 특성은 주사전자현미경과 XRD Rietveld구조분석을 통해 확인하고, Li coin cell로 조립하여 전극특성을 측정하였다. 500 nm크기의 팔면체(nano-octahedron) $LiMn_2O_4$가 1 C-rate와 50 C-rate에서 각각 107 mAh $g^{-1}$, 99 mAh $g^{-1}$의 높은 전지용량을 나타내며, 다양한 방전전류에서 가장 우수한 전기화학적 특성을 보인다. 3차원 팔면체 결정입자가 1차원 막대모양이나 2차원 판상모양의 다른 형태의 $LiMn_2O_4$보다 구조적 안정성도 우수한 것으로 평가된다. 또한 10 C-rate의 높은 전류로 500회 충 방전이 진행된 후에도 nano-octahedron $LiMn_2O_4$는 단지 5%의 용량감소(95% capacityretention)로 우수한 전극특성을 나타냈다.
리튬이온전지의 양극소재인 $LiMn_2O_4$를 다양한 모양과 크기의 망간산화물 및 망간수산화물 전구체를 사용해서 합성하였다. 첫 번째 단계로 수열합성법이나 침전법을 사용하여 ${\alpha}-MnO_2$, ${\beta}-MnO_2$, $Mn_3O_4$, amorphous $MnO_2$ 및 $Mn(OH)_2$ 등의 전구체를 합성하였고, 두 번째 단계로 이들 전구체로부터 고상법을 사용하여 다양한 형태의 $LiMn_2O_4$를 제조하였다. 합성된 $LiMn_2O_4$의 특성은 주사전자현미경과 XRD Rietveld구조분석을 통해 확인하고, Li coin cell로 조립하여 전극특성을 측정하였다. 500 nm크기의 팔면체(nano-octahedron) $LiMn_2O_4$가 1 C-rate와 50 C-rate에서 각각 107 mAh $g^{-1}$, 99 mAh $g^{-1}$의 높은 전지용량을 나타내며, 다양한 방전전류에서 가장 우수한 전기화학적 특성을 보인다. 3차원 팔면체 결정입자가 1차원 막대모양이나 2차원 판상모양의 다른 형태의 $LiMn_2O_4$보다 구조적 안정성도 우수한 것으로 평가된다. 또한 10 C-rate의 높은 전류로 500회 충 방전이 진행된 후에도 nano-octahedron $LiMn_2O_4$는 단지 5%의 용량감소(95% capacity retention)로 우수한 전극특성을 나타냈다.
The $LiMn_2O_4$ cathodes for lithium ion battery were synthesized from various precursors of manganese oxides and manganese hydroxides. As the first step, nanosized precursors such as ${\alpha}-MnO_2$ (nano-sticks), ${\beta}-MnO_2$ (nano-rods), $Mn_3O_4$ (...
The $LiMn_2O_4$ cathodes for lithium ion battery were synthesized from various precursors of manganese oxides and manganese hydroxides. As the first step, nanosized precursors such as ${\alpha}-MnO_2$ (nano-sticks), ${\beta}-MnO_2$ (nano-rods), $Mn_3O_4$ (nano-octahedra), amorphous $MnO_2$(nano-spheres), and $Mn(OH)_2$ (nano-plates) were prepared by a hydrothermal or a precipitation method. Spinel $LiMn_2O_4$ with various sizes and shapes were finally synthesized by a solid-state reaction method from the manganese precursors and LiOH. Nano-sized (500 nm) octahedron $LiMn_2O_4$ showed high capacities of 107 mAh $g^{-1}$ and 99 mAh $g^{-1}$ at 1 C- and 50 C-rate, respectively. Three dimensional octahedral crystallites exhibit superior electrochemical characteristics to the other one-dimensional and two-dimensional shaped $LiMn_2O_4$ nanoparticles. After 500 consecutive charge discharge battery cycles at 10 C-rate with the nano-octahedron $LiMn_2O_4$ cathode, the capacity retention of 95% was observed, which is far better than any other morphologies studied in this work.
The $LiMn_2O_4$ cathodes for lithium ion battery were synthesized from various precursors of manganese oxides and manganese hydroxides. As the first step, nanosized precursors such as ${\alpha}-MnO_2$ (nano-sticks), ${\beta}-MnO_2$ (nano-rods), $Mn_3O_4$ (nano-octahedra), amorphous $MnO_2$(nano-spheres), and $Mn(OH)_2$ (nano-plates) were prepared by a hydrothermal or a precipitation method. Spinel $LiMn_2O_4$ with various sizes and shapes were finally synthesized by a solid-state reaction method from the manganese precursors and LiOH. Nano-sized (500 nm) octahedron $LiMn_2O_4$ showed high capacities of 107 mAh $g^{-1}$ and 99 mAh $g^{-1}$ at 1 C- and 50 C-rate, respectively. Three dimensional octahedral crystallites exhibit superior electrochemical characteristics to the other one-dimensional and two-dimensional shaped $LiMn_2O_4$ nanoparticles. After 500 consecutive charge discharge battery cycles at 10 C-rate with the nano-octahedron $LiMn_2O_4$ cathode, the capacity retention of 95% was observed, which is far better than any other morphologies studied in this work.
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문제 정의
1에는 1단계에서 제조한 망간산화물 및 망간수산화물 전구체들의 X-선회절(XRD) 피크 패턴을 나타내었다. 각 전구체들의 결정성 및 구조를 확인할 수있도록 참고자료도 함께 제시하였다. 전구체 Mn3O4분말의 XRD피크들이 참고자료(ICSD #109250)의 피크 패턴과 잘 일치하였고, I41/amdS의 space group을 가진 tetragonal 구조이다.
본 연구에서는 입자 크기 및 형태가 양극소재로 사용되는 LiMn2O4의 전기화학적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 1 차구조인 α-MnO2(나노-봉 모양), β-MnO2(나노-막대 모양), 2 차구조인 Mn(OH)2(나노판상 모양), 3 차구조인 Mn3O4(나노-팔면체 구조), 또한 무정형의 MnO2등과 같은 다양한 망간산화물 및 망간수산화물 전구체를 제조하였다.
제안 방법
LiMn2O4의 입자 크기, 형태, 구조 등이 전기화학적 특성에 어떤 영향을 미치는 지를 알아 보기 위해서, 다양한 형태의 망간산화물 및 망간수산화물 전구체를 이용하여 모양과 크기가 제어된 LiMn2O4를 합성하였다. 막대모양의 α-MnO2와 β-MnO2의 전구체를 사용할 경우에는 1 차구조인 nanostick과 nanorod 형태의 LiMn2O4가 생성되었고, 판상구조의Mn(OH)2 전구체를 사용할 경우에는 2차구조인 nanoplate형태의 LiMn2O4를 제조할 수 있었다.
같은 조건에서 전극특성을 비교하기 위해 전압 범위를 3.0-4.3 V으로 고정하였고, 표준 전류 1 C-rate로 충·방전 곡선을 측정하였다.
O (99%). 다양한 크기와 모양을 지닌 스피넬 구조의 LiMn2O4양극재료를 두 단계의 합성 방법으로 제조하였다. 최종 생성물인 LiMn2O4양극재료를 합성하기 위한 첫 번째 단계로 Mn3O4, α-MnO2, β-MnO2, 혹은 Mn(OH)2와 MnO2와 같은 망간산화물 및 망간수산화물 형태의 전구체를 합성했다.
두 번째 단계로, 위에서 설명한 방법으로 제조한 각각의 전구체로부터 다양한 모양의 스피넬 구조 LiMn2O4를 합성하였다. 리튬과 망간의 몰 비가 1.
리튬과 망간의 몰 비가 1.07:2가 되도록 LiOH·H2O와 망간 전구체를 잘 섞어서, 650℃에서 10 시간 동안 전기로에서 열처리하는 고상법으로 리튬이 다소 과량 함유된 LiMn2O4를 제조하였다.
2 M NH4OH용액 200 mL를 65℃에서 서서히 첨가하며 침전시켰다. 무정형(amorphous) MnO2를 제조하기 위하여, 0.04 M MnSO4H2O수용액 400 mL 에 0.18 M KMnO4 산성(황산 0.22 M) 용액 100 mL를 실온조건에서 천천히 가해서 산화-환원반응이 일어나며 무정형의 MnO2가 침전되도록 하였다.28)
LiMn2O4합성에 사용된 전구체 들의 구조 및 조성이 다양하였어도, spinel 구조의 LiMn2O4이외에 다른 불순물에 해당하는 피크 들은 관찰되지 않은 순수한 LiMn2O4가 합성되었음을 확인하였다. 보다 자세한 구조 분석을 위해서 500 nm 크기의 Mn3O4 전구체로부터 제조한 LiMn2O4의 X선 회절 패턴을 Rietveld 세밀분석을 하였고, 측정치와 계산 값 및 그 차이 등의 결과를 Fig. 4에 나타냈으며, Table 1에 표로 정리하여 제시하였다. 그 결과 500 nm LiMn2O4결정의 cell parameter는 8.
생성된 LiMn2O4분말의 결정구조를 Cu-Kα radiation (λ = 1.54056 Å)를 사용한 X-ray 회절기(Rigaku, DMAX-2200PC, Japan)를 이용하여 분석하였고, 주사 전자현미경(SEM, JSM-6380, JEOL, Japan)을 이용하여 형태를 관찰하였다.
등과 같은 다양한 망간산화물 및 망간수산화물 전구체를 제조하였다. 이들 전구체로부터 모양과 크기가 조절된 LiMn2O4를 합성하여, 리튬이온전지의 양극소재로서의 전기화학적 특성을 측정하고 비교 분석하였다.
전구체 α-MnO2를 제조하기 위해, 0.43 M의 Mn(CH3COO)24H2O 용액 30 mL에 1.3 M의KMnO4용액 40 mL를 서서히 가한 후에, 그 용액을 125 mL 크기의 테프론 용기가 내장된 스테인리스 재질의 오토클레이브에 옮기고, 120℃ 에서 12시간 동안 수열합성 반응을 진행시켰다.
54056 Å)를 사용한 X-ray 회절기(Rigaku, DMAX-2200PC, Japan)를 이용하여 분석하였고, 주사 전자현미경(SEM, JSM-6380, JEOL, Japan)을 이용하여 형태를 관찰하였다. 전극을 만들기 위해서 전극활성 물질인LiMn2O4, 도전제인 아세틸렌 블랙(C), 결합제인 PVDF를 75:20:5의 질량 비로 섞은 다음에 NMP(N-methyl-2-pyrrolidinon)를 소량 첨가하여 반죽 상태로 만들었다. 반죽을 Doctor Blade법으로 250 µm 두께로 알루미늄 박막 위에 코팅한 다음, 오븐(80℃)에서 말리고, 두께를 30% 정도로 압축하여, 80℃의 진공 오븐에서 24시간 동안 건조하여 양극으로 사용하였다.
최종 생성물인 LiMn2O4양극재료를 합성하기 위한 첫 번째 단계로 Mn3O4, α-MnO2, β-MnO2, 혹은 Mn(OH)2와 MnO2와 같은 망간산화물 및 망간수산화물 형태의 전구체를 합성했다.
대상 데이터
전해질은 1M의 LiPF6가 녹은 ethylene carbonate (EC)와 dimethyl carbonate (DMC) (1:1 wt%) 혼합 용액이다. 다양한 크기와 형태의 LiMn2O4 양극 활물질로 만든 양극과 리튬금속의 음극으로 코인형 리튬 전지(CR2032 coin)를 제작하였다. 전지의 전기화학적 특성은 다중채널 배터리 시험기(Maccor S4000, USA)를 이용하여 정전류 방법으로 측정하였다.
230 Å이었고, Fd3m구조를 가지고 있음을 확인하였다. 스피넬 구조 LiMn2O4결정 내의 리튬이온 과량의 정도가 격자상수 (cell parameter) 뿐만 아니라, 전지용량 및 전지수명 등의 전극특성에도 크게 영향을 끼치므로,9,10) 본 연구에서는 모든 형태 및 크기의 LiMn2O4 결정소재는 리튬과 망간의 몰 비가 일정하도록 수산화리튬과 전구 내의 망간의 비율을 1.07:2로 하고 동일한 열처리 조건(650℃; 10 h)으로 제조하였다. 결정격자상수는 LiMn2O4 결정 내의 리튬이온 함량에 따라 변하였으며, 리튬과 망간의 몰 비가 1.
실험에 사용된 시약은 모두 Sigma-Aldrich사에서 구매하여 추가적인 정제과정 없이 사용하였다: Mn(CH3COO)24H2O (99%), MnSO4H2O (99%), KMnO4 (99%), MnCl24H2O (99%), polyethylene glycol (PEG 600), NH4OH (28%), H2SO4 (98%), (NH4)2S2O8 (98%), LiOH·H2O (99%).
이론/모형
다양한 크기와 형태의 LiMn2O4 양극 활물질로 만든 양극과 리튬금속의 음극으로 코인형 리튬 전지(CR2032 coin)를 제작하였다. 전지의 전기화학적 특성은 다중채널 배터리 시험기(Maccor S4000, USA)를 이용하여 정전류 방법으로 측정하였다.
성능/효과
1,2) LiMn2O4는 148 mAh g−1 이론 충전용량을 가지며, 4.1 V의 Mn3+/Mn4+ 산화환원 전압은 다른 양극소재에 비해 높은 편이다.
22) Tetragonal 구조인 β-MnO2입자들은 길이가 1 µm이고, 너비가 100 nm 정도인 나노-막대 (nano-rod) 형태를 띤다.
모든 결정들의 XRD 패턴이 LiMn2O4의 회절 패턴 참고자료(ICSD #84889)와 잘 일치하였으며, Fd-3m구조를 가진 것으로 확인할 수 있었다. LiMn2O4합성에 사용된 전구체 들의 구조 및 조성이 다양하였어도, spinel 구조의 LiMn2O4이외에 다른 불순물에 해당하는 피크 들은 관찰되지 않은 순수한 LiMn2O4가 합성되었음을 확인하였다. 보다 자세한 구조 분석을 위해서 500 nm 크기의 Mn3O4 전구체로부터 제조한 LiMn2O4의 X선 회절 패턴을 Rietveld 세밀분석을 하였고, 측정치와 계산 값 및 그 차이 등의 결과를 Fig.
두께가 상대적으로 두꺼운 nanorod의 경우에는 초기에는 비표면적이 nanostick 보다 적으므로 작은 용량 값을 나타냈으나, 용랑의 감소가 상대적으로 완만하여, 충·방전이 300cycle 이상이 되면서 방전 용량이 nanostick의 값에 비해 오히려 큰 값을 나타내는 것을 관찰할 수 있다(500cycle 후 19% 용량감소). 결론적으로, 입자의 크기가 500 nm 정도로 작으며, 3차원 구조인 팔면체 구조의 결정성이 우수한 LiMn2O4가 가장 안정한 구조 특성을 유지하기 때문에 우수한 전지 특성을 보이는 것이라고 해석 할 수 있다.
그 결과 500 nm LiMn2O4결정의 cell parameter는 8.230 Å이었고, Fd3m구조를 가지고 있음을 확인하였다.
나노 막대 형태의 전구체 β-MnO2로 합성한 LiMn2O4는 막대(nano-rod)형태를 띠고 있었고, 두께가 150 nm로 전구체 β-MnO2보다 더 두꺼우며 약 1 µm 정도의 길이를 지닌 균일한 결정이 생성되었음을 확인할 수 있었다.
다중채널 배터리 모드를 통해 전기화학적 특성을 비교한 결과, 일차원 막대 구조나 2차원 판상구조의 LiMn2O4에 비해 nano-octahedron LiMn2O4가 0.1 C-rate 부터 100 C-rate까지의 다양한 전류범위에서 비교적 높은 용량을 나타냈으며, 10 C-rate에서 충·방전이 500 cycle이 지난 후에도 용량의 감소가 거의 없는 우수한 용량유지 특성을 나타냈다.
두께가 상대적으로 두꺼운 nanorod의 경우에는 초기에는 비표면적이 nanostick 보다 적으므로 작은 용량 값을 나타냈으나, 용랑의 감소가 상대적으로 완만하여, 충·방전이 300cycle 이상이 되면서 방전 용량이 nanostick의 값에 비해 오히려 큰 값을 나타내는 것을 관찰할 수 있다(500cycle 후 19% 용량감소).
막대모양의 α-MnO2와 β-MnO2의 전구체를 사용할 경우에는 1 차구조인 nanostick과 nanorod 형태의 LiMn2O4가 생성되었고, 판상구조의Mn(OH)2 전구체를 사용할 경우에는 2차구조인 nanoplate형태의 LiMn2O4를 제조할 수 있었다. 또한 Mn3O4와 무정형의 MnO2의 전구체를 사용할 경우에는 입자의 크기가 다양한 octahedron 형태의 LiMn2O4가 생성됨을 확인하였다. 다중채널 배터리 모드를 통해 전기화학적 특성을 비교한 결과, 일차원 막대 구조나 2차원 판상구조의 LiMn2O4에 비해 nano-octahedron LiMn2O4가 0.
팔면체 (octahedron)구조의 LiMn2O4 가 구조적으로 가장 안정성을 나타내는 것으로 평가된다. 또한 nano-sized LiMn2O4가 micro sized LiMn2O4보다 비표면적이 커서 방전용량이 큰 것을 관찰할 수 있었다.
또한, 같은 3차원구조이지만 입자의 크기가 큰 micro-octahedron LiMn2O4의 경우에도 충·방전이 500 cycle이 되면서 19% 정도의 용량 감소가 일어나며, 입자의 표면의 주된 결정면이 (111)이며, 망간이온의 용해 등이 잘 안 일어나는 안정한 결정입자들로 추측할 수 있다.
3에는 다양한 구조 및 형태의 망간산화물 및 망간수산화물의 전구체로부터 고상법으로 합성한 LiMn2O4 의 X선 회절(XRD) 패턴을 나타냈다. 모든 결정들의 XRD 패턴이 LiMn2O4의 회절 패턴 참고자료(ICSD #84889)와 잘 일치하였으며, Fd-3m구조를 가진 것으로 확인할 수 있었다. LiMn2O4합성에 사용된 전구체 들의 구조 및 조성이 다양하였어도, spinel 구조의 LiMn2O4이외에 다른 불순물에 해당하는 피크 들은 관찰되지 않은 순수한 LiMn2O4가 합성되었음을 확인하였다.
237 Å으로, 리튬이온 과량의 결정격자상수보다 큰 값이었다. 본 실험실에서 제조한 모든 LiMn2O4결정소재들의 XRD 패턴이 서로일치하였으며(Fig. 3), 결정격자도 동일한 것으로 확인할 수 있었다.
무정형의 MnO2로 합성한 LiMn2O4는 입자가 팔면체 모양으로 잘 자라고 크기가 1 µm로 크게 증가한 것을 볼 수 있었다. 본래 300 nm 정도의 구형인 전구체로부터, 스피넬 구조의 LiMn2O4 입자의 크기 뿐만 아니라 결정면과 모서리가 매끄럽게 결정이 잘 자란 것을 관찰할 수 있었다.
Nanoplate LiMn2O4는 비교적 높은 98 mAh g−1의 전지용량을 보였다. 이 결과로부터 nano-octahedron LiMn2O4, nanoplate LiMn2O4와 같이 입자의 크기가 500 nm이하이거나 혹은 nanostick LiMn2O4과 같이 두께가 얇은 LiMn2O4들은 표면적도 크고 결정입자들의 크기가 작아서 입자 내에서 리튬 확산이 보다 원활해지고 그 결과 비교적 높은 전지용량을 나타내는 것으로 볼 수 있다. LiMn2O4 전극소재의 정확한 표면적은 BET 표면 흡착법을 사용하여 측정할 수 있으며, 향후 정확한 표면적은 실험을 통하여 측정할 수 있을 것이다.
전구체 β-MnO2도 XRD 피크 들의 세기가 아주 크고, 참고자료(ICSD #20229)와 잘 일치하였으며, P42/mnm space group을 가지는 tetragonal구조로 확인되었다.
팔면체 구조를 지닌 Mn3O4 전구체로부터 합성한 LiMn2O4는 500 nm의 크기를 지닌 팔면체(octahedron) 입자로 입자의 결정면과 모서리가 매끄러운 결정성이 우수해 보였다. 전구체의 형태와 크기는 유지한 채 spinel 결정구조의 LiMn2O4 입자로 변한 것임을 확인할 수 있었다. 전구체 α-MnO2로부터 합성한 LiMn2O4는 α-MnO2와 유사한 나노 봉(nanostick) 모습을 띠고 있으며 약 1 µm정도의 길이이다.
전지 용량의 특성을 비교한 결과, 500 nm 크기의 nano-octahedron LiMn2O4의 경우에는 낮은 방전 전류(0.1 C-rate)에서 112 mAh g−1 의 가장 높은 용량을 보였으며, 높은 방전 전류인 50 C-rate에서도 99 mAh g−1 의 용량을 나타내고, 전체 방전속도 범위에서 높은 용량과 안정성을 유지했다.
충·방전이 500회까지도 100 mAh g−1로 유지하여, 처음 충·방전에서 관찰된 106 mAh g−1 용량에서 단지 6% 미만의 용량 감소가 된 점으로 미루어 매우 안정한 구조를 가진 것으로 평가된다.
전구체 β-MnO2도 XRD 피크 들의 세기가 아주 크고, 참고자료(ICSD #20229)와 잘 일치하였으며, P42/mnm space group을 가지는 tetragonal구조로 확인되었다. 침전법으로 제조된 MnO2의 경우 결정성이 거의 없으므로, XRD 피크들이 나타나지 않고 아주 넓고 약한 봉우리들이 나타나는 무정형의 MnO2임을 확인할 수 있었다.28)
후속연구
이 결과로부터 nano-octahedron LiMn2O4, nanoplate LiMn2O4와 같이 입자의 크기가 500 nm이하이거나 혹은 nanostick LiMn2O4과 같이 두께가 얇은 LiMn2O4들은 표면적도 크고 결정입자들의 크기가 작아서 입자 내에서 리튬 확산이 보다 원활해지고 그 결과 비교적 높은 전지용량을 나타내는 것으로 볼 수 있다. LiMn2O4 전극소재의 정확한 표면적은 BET 표면 흡착법을 사용하여 측정할 수 있으며, 향후 정확한 표면적은 실험을 통하여 측정할 수 있을 것이다.
13-22) LiMn2O4 입자가 나노크기로 작아질수록 비표면적이 증가하고 리튬이온의 확산거리가 짧아질 것으로 기대된다. 결정 격자내에서 리튬이온의 짧은 확산거리는 리튬이온의 확산 및 출입을 원활하고 신속하게 해주므로 낮은 전류밀도 혹은 높은 전류밀도에서 모두 좋은 전지 특성을 나타낼 것으로 기대된다.16-22)
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
α-MnO2와 β-MnO2를 전구체로 사용하면 어떤 형태의 LiMn2O4가 생성되는가?
LiMn2O4의 입자 크기, 형태, 구조 등이 전기화학적 특성에 어떤 영향을 미치는 지를 알아 보기 위해서, 다양한 형태의 망간산화물 및 망간수산화물 전구체를 이용하여 모양과 크기가 제어된 LiMn2O4를 합성하였다. 막대모양의 α-MnO2와 β-MnO2의 전구체를 사용할 경우에는 1 차구조인 nanostick과 nanorod 형태의 LiMn2O4가 생성되었고, 판상구조의Mn(OH)2 전구체를 사용할 경우에는 2차구조인 nanoplate형태의 LiMn2O4를 제조할 수 있었다. 또한 Mn3O4와 무정형의 MnO2의 전구체를 사용할 경우에는 입자의 크기가 다양한 octahedron 형태의 LiMn2O4가 생성됨을 확인하였다.
망간산화물 및 망간수산화물 전구체는 어떤 방법으로 합성하였나?
리튬이온전지의 양극소재인 $LiMn_2O_4$를 다양한 모양과 크기의 망간산화물 및 망간수산화물 전구체를 사용해서 합성하였다. 첫 번째 단계로 수열합성법이나 침전법을 사용하여 ${\alpha}-MnO_2$, ${\beta}-MnO_2$, $Mn_3O_4$, amorphous $MnO_2$ 및 $Mn(OH)_2$ 등의 전구체를 합성하였고, 두 번째 단계로 이들 전구체로부터 고상법을 사용하여 다양한 형태의 $LiMn_2O_4$를 제조하였다. 합성된 $LiMn_2O_4$의 특성은 주사전자현미경과 XRD Rietveld구조분석을 통해 확인하고, Li coin cell로 조립하여 전극특성을 측정하였다.
LiMn2O4이 가진 문제점은?
1 V의 Mn3+/Mn4+ 산화환원 전압은 다른 양극소재에 비해 높은 편이다. 반면에 높은 전압구간에서의 전해질 불안정성,3)심한 방전 시 Mn3+의 Jahn-Teller 뒤틀림4-11) 그리고 방전할 때 망간이온의 용출6-14) 등과 같은 문제점을 지니고 있다. LiMn2O4 는 격자 내에 리튬이온이 부족하거나 격렬한 방전 조건에서는 Mn4+에 비해 Mn3+가 상대적으로 많아진다.
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