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제일원리계산을 이용한 리튬이차전지 양극활물질 LiNiO2의 표면 특성에 관한 연구
First-Principles Investigation of the Surface Properties of LiNiO2 as Cathode Material for Lithium-ion Batteries 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.16 no.3, 2013년, pp.169 - 176  

최희성 ((주)삼성SDI 중앙연구소) ,  이맹은 ((주)삼성SDI 중앙연구소)

초록
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현재 이차전지에서 사용중인 양극활물질은 구조 안정성이 높은 층상구조(Layered Structure)의 리튬 금속 산화물(Solid State Lithium Oxide Compounds)이 주로 사용된다. 최근에는 리튬이차전지의 성능향상을 위해서 음극활물질과 전해질 사이의 계면뿐만 아니라, 양극활물질과 전해질 사이의 계면에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 계면의 연구를 위해서는 음극활물질 뿐만 아니라, 양극활물질의 표면에 관한 연구도 선행적으로 이루어져야 하는 상황이다. 대표적인 리튬금속 산화물질인 니켈산리튬($LiNiO_2$)과 코발트산리튬($LiCoO_2$)은 서로 매우 유사한 구조를 갖는 층상구조의 양극활물질이다. 코발트산리튬이 다양한 실험적, 이론적 연구가 진행된 반면에, 니켈산 리튬은 실험적 연구에 비해서 이론적 연구가 부족하다. 따라서, 본 연구에서는 니켈산리튬의 X-선 회절계 측정 결과(XRD data)에 나오는9개의 표면 방향을 범밀도함수이론(Density Functional Theory)을 이용하여 니켈산리튬 표면의 표면 에너지를 계산하였다. 니켈산리튬의 X-선 회절계 측정 결과(XRD data)에서는 (003), (104), (101), (110) 결정 등등이 순차적으로 주요하게 존재하는 것으로 확인되었다. 그러나 시뮬레이션을 이용한 각각의 표면 에너지 계산 결과, X-선 회절계 측정 결과와 다른 순서로 안정한 표면 에너지가 나타나는 결과를 얻었다. 따라서 에너지적으로 안정한 표면이자, X-선 회절계에서 주요하게 나타나는 (104)와 (101) 방향의 니켈산리튬 표면이 많이 노출되어 Li 이온의 충방전시 리튬의 삽입 탈리에 영향을 줄 것으로 예상된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Solid state lithium oxide compounds of layered structure, which has high stability of structure, are mainly used as the cathode materials in lithium-ion batteries (LIBs). Recently, the investigation of Solid Electrolyte Interphase (SEI) between active materials and electrolyte has been focusing to i...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구는 니켈산리튬의 표면 특성에 관한 기존의 연구 범위13)를 확장하여 X-선 회절계(XRD)에서 주요하게 나타나는 9개의 니켈산리튬의 표면을 살펴보기로 한다. 니켈산리튬의 표면 특성의 이론적인 연구를 위하여 제일원리계산(First-principle calculat-ion)을 이용하였으며, 이를 통해서 표면 에너지를 계산하였다.
  • 본 연구에서는 리튬이차전지의 양극활물질로 사용되는 니켈산리튬의 안정한 표면에 관하여 제일원리계산을 이용한 시뮬레이션 기법으로 살펴봤다. 계산으로 얻은 표면 에너지 및 안정된 표면의 경향성이 X-선회절계의 그래프의 주요 결정구조의 경향성과 비슷하게 나올 것이라는 예상과는 달리 주요하게 보이는 표면들 중에서 (104) 표면, (101) 표면, (110) 표면의 순서로 표면이 안정하다는 계산 결과를 얻었다.

가설 설정

  • 14) 마지막으로 숫자 2가 의미하는 것은 표면이 양쪽에 존재하기 때문이며, S는 각각의 표면의 넓이이다.14)
  • 17) 양극표면에 처음으로 계면층이 형성되면, 전해질의 리튬 이온이 계면층을 통과해 양극표면에 접촉하게 되어 전자전달이 일어나고, 그 결과 산화-분해 반응이 발생하면서 추가적인 계면층을 형성하게 된다.15) 초기 싸이클 과정에서 형성된 양극 표면의 계면층은 싸이클 횟수의 증가와 함께 셀 내부의 저항을 증가시켜서 셀의 전기화학적 성능, 수명 및 열적 안정성을 저하시키는 요인이 될 수도 있다.15) 따라서 앞에서 언급한 바와 같이 양극활물질의 계면층에 대한 심도깊은 연구가 더 필요하며, 이러한 계면층을 연구하기 위해서는 활물질의 표면에 대한 연구가 선행되어야 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
리튬이온전지의 용량은 무엇에 따라 결정되는가? 리튬이온전지의 용량은 양극 활물질에 따라 결정된다. 현재 사용중인 양극활물질의 종류는 스피넬 구조(Spinel Structure)의 망간계리튬(Manganese Spinel), 인산철리튬(Lithium Iron Phosphate), 층상구조의 망간 계리튬(Lithium Manganese Oxide) 그리고 스피넬 구조와 층상구조를 갖는 니켈/망간/코발트리튬(Lithium Nickel Manganese Cobalt) 등이 있으나, 그 중에서 구조 안정성이 높은 층상구조(Layered Structure)의 리튬 금속 산화물( Solid State Lithium Oxide Compounds)이 주로 사용된다.
리튬이온전지의 사용 용도는? 리튬이온전지(lithium-ion battery, LIB)는 1991년 일본의 소니(Sony)와 아사히 카세이(Asahi KASEI Co.)가 최초로 상용화된 제품을 출시한 이후, 지금까지 휴대용 전자기기-노트북, 휴대폰, 테블릿 등에서 가장 널리 쓰이고 있는 배터리이며, 현재는 그 범위를 확장시켜 전동공구, 전기자전거, 자동차 및 에너지 저장 장치 (Energy Storage System, ESS)에도 적용되고 있다.1-3)
리튬이온전지에 현재 사용중인 양극활물질은? 리튬이온전지의 용량은 양극 활물질에 따라 결정된다. 현재 사용중인 양극활물질의 종류는 스피넬 구조(Spinel Structure)의 망간계리튬(Manganese Spinel), 인산철리튬(Lithium Iron Phosphate), 층상구조의 망간 계리튬(Lithium Manganese Oxide) 그리고 스피넬 구조와 층상구조를 갖는 니켈/망간/코발트리튬(Lithium Nickel Manganese Cobalt) 등이 있으나, 그 중에서 구조 안정성이 높은 층상구조(Layered Structure)의 리튬 금속 산화물( Solid State Lithium Oxide Compounds)이 주로 사용된다.3,4) 층상구조의 LiMO2(M=Co,Ni,Mn)는 전이금속과 산소로 구성된 금속 산화물층(Transition metal layer)과 리튬을 둘러싸고 있는 산소층(Oxygen layer)이 서로 교대로 배열하고 있다.
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참고문헌 (32)

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  32. H. J. Monkhorst and J. D. Pack, 'Special points for Brillouin-zone integrations', Phys. Rev. B 13, 5188 (1976). 

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