선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 19로 거의 유사한 조성을 갖는다. 따라서, 각 용액으로부터 제조한 전구체 및 양극재의 특성 차이는 리튬 및 알루미늄 불순물로부터 기인하는 것으로 간주하고 연구를 수행하였다. 위의 조성은 몰농도로 환산할 경우 전이금속의 총농도의합이 1.
- 본 연구에서는 상기 연구를 통해 폐전지에 포함된 Li[Ni0.5Mn 0.3Co 0.2]O2 양극으로부터 회수한 전이금속 추출 용액을 이용하여 동일한 조성을 갖고 있는 리튬이온전지 양극재를 다시 제조하고 특성 및 성능을 평가하여 재생 전이금속 용액의 활용 가능성을 살펴보고자 하였다.
- 2]O2 양극으로부터 회수한 전이금속 추출 용액을 이용하여 동일한 조성을 갖고 있는 리튬이온전지 양극재를 다시 제조하고 특성 및 성능을 평가하여 재생 전이금속 용액의 활용 가능성을 살펴보고자 하였다. 아울러, 환원소성법을 거쳐 회수한 재생 전이금속 용액의 특성이 양극재의 특성에 미치는 영향을 알아보고자 한다.
- 폐전지 스크랩으로부터 회수한 전이금속 원료의 이차전지 소재 원료로서의 재활용 가능성을 알아보기 위한 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻어 내었다.
제안 방법
- 두 가지 양극재를 이용하여 전극을 제조하고 리튬이온 전지로서의 성능을 평가하였다. 0.2C-rate에서 충방전 용량과 전류밀도 증가에 따른 방전용량의 변화(율특성) 및 1C-rate에서의 충방전 수명특성을 조사하였으며 그 결과는 그림 6과 7에 나타내었다. 그림 6에 나타난 바와 같이 용액 A와 B로부터 제조된 양극재가 각각 약 161 mAh/g, 158 mAh/g의 값을 나타내었다.
- XRD분석은 Cu-Kα선을 이용하였으며 2θ=5~80°까지 분석하였다.
- 공침반응 시, CSTR에 체류하는 시간(τ)을 8시간으로 설정하고 이에 맞추어 전이금속 용액, 암모니아 수용액의 유량을 조절하였다.
- 두 가지 양극재를 이용하여 전극을 제조하고 리튬이온 전지로서의 성능을 평가하였다. 0.
- 또한, 충전시 전류밀도를 0.2 C-rate으로 고정하고 방전 전류밀도를 변화시켜 가면서 용량 변화를 측정하였다. 그 결과, A용액으로부터 제조한 양극재의 경우 7 C-rate에서의 방전용량이 0.
- 반응기 내부의 반응물 체류시간(τ)은 8시간으로 설정하여 전이금속 용액과 암모니아 용액의 유량을 설정하였고 수산화나트륨 용액은 pH 설정치에 맞추어 자동으로 적하되었다. 반응 후, 합성된 전구체는수세, 여과 및 건조과정을 거쳐 분말형태로 얻었다.
- 반응기 내부의 반응물 체류시간(τ)은 8시간으로 설정하여 전이금속 용액과 암모니아 용액의 유량을 설정하였고 수산화나트륨 용액은 pH 설정치에 맞추어 자동으로 적하되었다.
- CSTR(continuous stirred tank reactor) 형태의 1 L 용량 공침반응기를 이용하였고 반응기 내부에 존재하는 전이금속 이온들의 착물형성 및 안정화를 위해 28 wt% 암모니아 수용액(JUNSEI, 28 wt%)을 사용하였다. 반응기 내부의 온도는 순환조(circulator)와 반응기 외부의 자켓(jacket)을 이용하여 제어하였고 수산화나트륨(SAMCHUN, 98%) 25 wt% 수용액을 이용하여 pH를 조절하였다. 반응기 내부에는 배플(baffle)을 설치하여 반응물이 균질하게 혼합되도록 하였다.
- 상기 방법을 통해 제조한 전구체를 이용하여 양극재를 합성하였는데 탄산리튬(Li2CO3)과 전구체를 화학양론비에 맞추어 리튬:전이금속=1:1 몰비로 균질하게 혼합하여 전기로 내에서 고상법을 통해 합성하였다. 합성 온도는 900℃에서 10시간 동안 유지하여 공기 분위기에서 양극재를 제조하였다.
- 1)를 이용하여 전기화학적 특성을 평가하였다. 수명특성 평가는 충방전전류속도를 초기 네 사이클은 0.1, 0.2, 0.5, 1 C-rate 로 변화시켜 측정하였으며, 마지막에는 1 C-rate 충방전을 100회 진행하였다. 율특성 평가는 충전전류 0.
- 양극재의 성능평가를 위해 코인형 전지(CR2016)를 제조하여 용량, 율특성 및 수명특성을 분석하였다. 전극제조를 위해 양극재:바인더(PVdF):도전재(SuperP)=88:8:4의 중량비로 NMP(N-methyl pyrrolidone)에 넣고 혼합하여 슬러리를 만들고 이를 알루미늄 호일위에 도포하여 닥터블 레이드로 코팅하였다.
- 원료를 투입하기 시작하여 40시간 후에 전구체 샘플을 채취하여 광학현미경으로 입자의 성장 상태를 확인하였다(그림 2
- 5, 1 C-rate 로 변화시켜 측정하였으며, 마지막에는 1 C-rate 충방전을 100회 진행하였다. 율특성 평가는 충전전류 0.5 Crate로 고정 후 방전 전류를 0.2, 0.5, 1, 3, 5, 7 C-rate로 변화시켜 가면서 측정하였다. 충·방전 시 cut-off는 3~4.
- 자동제어를 통해 반응이 이루어지는 동안 온도와 pH가 설정값(온도: 45℃, pH: 11.5)을 유지하도록 하였고 전이 금속과 암모니아의 비율은 1:1 몰비를 유지하였다. 상기 pH, 온도 및 전이금속과 암모니아 비율 등 반응조건은 유사한 조성에서 시약급 원료를 사용하여 수행한 연구로부터 결정된 최적조건이다.
- 0 M의 농도로 녹여 사용하였다. 제작된 셀은 25℃ 항온박스에서 PNE Solution사의 충방전기(모델명 PEBC050.1)를 이용하여 전기화학적 특성을 평가하였다. 수명특성 평가는 충방전전류속도를 초기 네 사이클은 0.
- 그림 중 검은색 점은 방전용량을 나타낸다. 충방전 절차는 우선 0.1 C-rate로 충방전을 2회 실시하고 0.2 Crate로 1회, 0.5 C-rate로 1회 실시한 후 1 C-rate로 95회 수행하였다. 이 때, 1 C-rate로 충방전한 초기와 최종 사이클의 방전용량을 비교하면 용액 A와 B로부터 얻은 양극재는 각각 93.
- 폐전지 스크랩으로부터 두 가지 조성의 전이금속 황산염 수용액을 제조하고, 이를 이용하여 리튬이온전지 양극재용 전구체를 합성하였다. 표 1에 수록한 실험에 사용한 두 가지 조성의 용액(용액 A와 용액 B)의 경우 Ni:Mn: Co의 비율은 각각, 0.
- 폐전지 스크랩으로부터 탄소 및 수소 환원법을 이용하여 회수한 두 가지 전이금속 용액을 이용하여 리튬이온전지 양극재의 전구체를 합성하였다. 사용된 전이금속 용액에 포함된 원소들의 조성은 표 1과 같다.
대상 데이터
- 그림 1에 전구체 공침공정에 대한 개략도를 나타내었다. CSTR(continuous stirred tank reactor) 형태의 1 L 용량 공침반응기를 이용하였고 반응기 내부에 존재하는 전이금속 이온들의 착물형성 및 안정화를 위해 28 wt% 암모니아 수용액(JUNSEI, 28 wt%)을 사용하였다. 반응기 내부의 온도는 순환조(circulator)와 반응기 외부의 자켓(jacket)을 이용하여 제어하였고 수산화나트륨(SAMCHUN, 98%) 25 wt% 수용액을 이용하여 pH를 조절하였다.
- 이후, 120℃에서 8시간 동안 진공 건조하여 수분을 제거하고 롤 프레스기를 이용하여 압연한 후 적절한 크기의 디스크 형태로 타발하여 전극으로 사용하였다. 반대전극 및 보조전극으로는 리튬 호일을 사용하였고 전해질은 EC:EMC=1:2 vol%의 용매에 LiPF6를 1.0 M의 농도로 녹여 사용하였다. 제작된 셀은 25℃ 항온박스에서 PNE Solution사의 충방전기(모델명 PEBC050.
이론/모형
- 제조한 전구체와 양극재는 X선 회절분석법(XRD, Rigaku, Ultima IV)을 통하여 결정상 분석을 실시하였고 입자의 형상은 광학현미경과 전자주사현미경(SEM, TESCAN, MIRA LMH)을 이용하여 분석하였다. XRD분석은 Cu-Kα선을 이용하였으며 2θ=5~80°까지 분석하였다.
성능/효과
- 1) 동일한 조성을 갖고 있는 회수 원료를 이용하여 전구 체와 양극재를 합성한 결과, 10 μm 수준의 입자 크기를 보였으며 160 mAh/g 수준의 방전용량과 우수한 수명특성을 얻을 수 있었다.
- 2보다 작은 경우 cation mixing에 의한 전기화학적인 물성저하가 있는 것으로 알려져 있다.12) 본 연구에서 회수 용액으로부터 얻은 양극재는 용액 A와 B로부터 제조한 샘플이 각각 R=1.08, 0.95의 값을 보여 cation mixing의 영향에 의한 성능저하가 다소 존재할 것으로 예상된다. 그러나 (0 0 6), (1 0 2) 피크의 분리, (1 0 8), (1 1 0) 피크의 분리가 확연하여 잘 발달된 층상구조를 갖고 있는 것으로 판단된다.
- 2) 리튬 불순물이 포함된 회수 용액의 경우, 그렇지 않은 대조 원료에 비해 전구체 합성시 입자의 크기가 다소 작고 결정성도 다소 떨어지는 모습을 보였는데 이는 원료 용액에 존재하는 리튬이온이 공침 공정에서 전구체 입자의 성장을 방해하는 역할을 하는 것으로 추정된다. 따라서, 회수 용액을 전구체 합성에 이용할 경우, 용액 내에 존재하는 리튬이온을 제거할 수 있는 공정이 필요할 것으로 사료된다.
- 3) 일반적으로 폐전지 스크랩에 다량 포함되어 있는 알루미늄의 경우 회수 전이금속 용액에 미량 포함되어 있는 경우라 하더라도 전구체 및 양극재의 물리화학적 혹은 전기화학적 특성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
- 4) A용액과 B용액으로부터 제조한 양극재의 특성을 비교한 결과, A용액의 경우 용액 내에 존재하는 리튬이온의 영향으로 인해 입자크기가 작아 율특성은 B용액으로 제조한 양극재에 비해 3% 가량 높으나 수명특성이 떨어지는 현상을 나타내었고 용액 B의 경우 미량 존재하는 알루미늄 이온의 영향으로 인해 방전용량이 다소 줄어드는 현상이 관찰되는 것으로 추정된다.
- 2 C-rate으로 고정하고 방전 전류밀도를 변화시켜 가면서 용량 변화를 측정하였다. 그 결과, A용액으로부터 제조한 양극재의 경우 7 C-rate에서의 방전용량이 0.2 C-rate 대비 87% 수준을 유지하였다. 반면, B용액으로부터 제조한 양극재는 그 보다 3% 가량 낮은 용량 유지율을 보여 A용액에 비해 다소 낮은 율특성을 나타내었다.
- 그림 5에서 보듯이 양극재 입자의 형태와 크기는 전구체 입자의 모폴로지를 거의 유지하는 것으로 관찰되었고 용액 B로부터 제조한 양극재가 약간 더 큰 입도를 보이는 것으로 나타났다. 입도분석결과, A, B용액으로부터 제조한 양극재의 D50은 각각 12.
- 일반적으로, 양극재의 입자가 작은 경우에는 전해액과의 접촉면적이 커지기 때문에 충방전 과정 중 발생할 수 있는 전극과 전해액 간의 부반응이 늘어나므로 수명특성이 낮아지게 되는 경우가 많은데 그 이유는 전극과 전해액의 부반응이 클 경우, 리튬이온의 부반응 참여에 따른 소모와 반응 부산물의 전극 침착으로 인한 저항증가가 일어나기 때문이다. 본 연구에서 합성한 양극재 역시 이러한 경향에 따라 입자의 크기가 상대적으로 큰, 용액 B로부터 제조한 양극재가 보다 우수한 용량 유지율을 나타내었다.
- 위의 그림에서 보이듯이 두 샘플 모두 10 μm내외의 입자 크기를 보이고 있으며 A용액에 비하여 용액 B로부터 제조된 전구체의 입자가 약간 더 크고 성장이 많이 이루어진 것을 알 수 있다.
- 입도분석결과, A, B용액으로부터 제조한 양극재의 D50은 각각 12.1, 14.3 μm 수준의 입자크기를 보여 전구체의 입자크기에 비해 모두 커진 것으로 나타났다.
- 0 μm 수준이었다. 합성온도, 교반속도, pH, 유량 등 다른 모든 합성조건이 동일하고 두 가지 용액의 농도 또한 0.05 M 수준의 적은 농도차를 보이고 있으므로 상기 인자들의 영향이 무시할 만한 수준임을 고려할 때, 알루미늄 불순물의 존재가 전구체 입자의 성장에 제약조건으로 작용하지 않은 것으로 보이며, 리튬 불순물은 다소 전구체 입자의 성장을 방해하는 작용을 한 것으로 추정된다.
후속연구
- 종합적으로, 폐전지 스크랩으로부터 얻은 회수 전이금속 용액을 이용하여 합성한 리튬이온전지 양극재는 용량, 율특성 및 수명특성 등 기본적인 성능에서 양호한 특성을 보이는 것으로 평가되었고 보다 정밀한 시험을 위해서는 완전지(full-cell) 수준에서의 심층적인 검증이 필요할 것으로 예상된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.