[논문]전구체 공침 온도가 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 분말의 특성에 미치는 영향

최웅희; 강찬형

doi:10.4150/kpmi.2016.23.4.287

전구체 공침 온도가 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 분말의 특성에 미치는 영향
Effects of Precursor Co-Precipitation Temperature on the Properties of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 Powders 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.23 no.4, 2016년, pp.287 - 296

최웅희 (한국산업기술대학교 신소재공학과) , 강찬형 (한국산업기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

$Ni_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}(OH)_2$ powders have been synthesized in a continuously stirred tank reactor via a co-precipitation reaction between aqueous metal sulfates and NaOH using $NH_4OH$ as a chelating agent. The co-precipitation temperature is varied in the range of $30-80^{\circ}C$. Calcination of the prepared precursors with $Li_2CO_3$ for 8 h at $1000^{\circ}C$ in air results in Li $Ni_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ powders. Two kinds of obtained powders have been characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy, particle size analyzer, and tap density measurements. The co-precipitation temperature does not differentiate the XRD patterns of precursors as well as their final powders. Precursor powders are spherical and dense, consisting of numerous acicular or flaky primary particles. The precursors obtained at 70 and $80^{\circ}C$ possess bigger primary particles having more irregular shapes than those at lower temperatures. This is related to the lower tap density measured for the former. The final powders show a similar tendency in terms of primary particle shape and tap density. Electrochemical characterization shows that the initial charge/discharge capacities and cycle life of final powders from the precursors obtained at 70 and $80^{\circ}C$ are inferior to those at $50^{\circ}C$. It is concluded that the optimum co-precipitation temperature is around $50^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

30~80℃의 범위에서 전구체의 공침 합성을 진행하고, 공침 과정으로 얻은 전구체들을 Li₂CO₃과 혼합하여 1,000℃에서 8h 동안 열처리함으로써 양극소재 LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂를 합성했다. 이런 과정에서 얻은 전구체와 양극소재 분말의 결정구조, 표면 형상, 입도, 탭 밀도, 전기화학적 특성 등을 측정하여 서로 비교하여, 최적의 공침 온도를 탐구하였다.

제안 방법

리튬이온전지의 양극소재 LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂의 전구체인 Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂ 분말을 반응 온도를 30~80℃ 범위에서 달리하여 공침 방법으로 합성하고 각 조건의 전구체와 양극소재의 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 저온에서 합성되는 전구체 분말은 결정화가 완전하게 이루어지지 않아 XRD 상의 피크가 희미하게 관찰되는 경우가 있지만, 전구체에 1,000℃의 고온에서 Li을 확산시킨 양극소재는 완전한 층상구조를 갖고 있고 공침 온도에 따라 XRD 패턴에 유의한 차이가 관찰되지 않았다.

데이터처리

전구체와 양극소재를 분석하기 위해 X선 회절(X-Ray Diffraction; XRD), 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy; SEM), 탭 밀도 측정, 입도 분석, 충·방전 평가를 진행했다. 먼저 XRD는 Cu-Kα(λ = 1.

성능/효과

이는 복잡하게 뭉친 1차 입자로 인해 분말의 유동 시 충전(filling)이 잘 일어나지 않기 때문으로 사료된다. 결론적으로 실험한 조건 중에서 50℃가 Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂ 분말의 최적 공침 온도라고 판단된다.
50℃에서 합성한 전구체와 그로부터의 양극소재의 탭 밀도가 가장 높았다. 공침 온도가 높을수록, 전구체와 양극소재의 탭 밀도의 차이가 작았으며, 양극소재의 탭 밀도가 낮았다. 이는 복잡하게 뭉친 1차 입자로 인해 분말의 유동 시 충전(filling)이 잘 일어나지 않기 때문으로 사료된다.

후속연구

이 또한 앞에서 언급한 불균일한 크기의 1차 입자 때문으로 반복적인 리튬 이온의 출입 시 확산속도가 저하되고 양극소재의 손상으로 이어졌을 것으로 판단할 수 있다. 양극소재 분말의 비표면적과 전기화학적 특성과의 연관성에 대한 추가적인 해석을 위하여 차후에 BET 측정 등을 통한표면 분석에 관한 연구가 필요하다고 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	코발트의 단점은?	코발트의 한정적인 채굴 지역과 비싼 원료 가격 때문에LiCoO2에서 Co 일부를 Ni과 Mn 등으로 치환한 삼성분계양극소재가 개발됐다. 삼성분계 양극소재는 고상법[1,2],분무건조법[2], 분무열분해법[3], 졸겔법[4], 연소법[5] 등다양한 제조 방법이 제안되었으나, 결정 내 금속 원소의 고른 배치나 생산방식의 용이성으로 공침법[6]을 이용한전구체(precursor) 제조법이 가장 많이 사용되고 있다.
	리튬인온전지에 LiCoO2가 가장 많이 사용되는 이유는?	특히 최근에는 전기자동차와 에너지저장시스템에서 효율적인 에너지 활용 가능성으로 리튬이온전지가 각광을 받고 있다. 가장 먼저 상용화된 양극소재인 LiCoO2은 구조적으로 안정한 3차원 결정구조를 가진 LiMn2O4나 LiFePO4이 개발되었음에도 불구하고 높은 이온전도도와 작동전압 등 다양한 측면에서 유리한 특성을 가지고 있기 때문에 가장 많이 사용되고 있다.
	공칩법으로 전구체를 합성하는 과정은?	공침법으로 전구체를 합성하는 과정은 크게 3 단계로 나눌 수 있다. 먼저, 핵의 생성과 단결정의 비등방적 성장이 일어나 침상 또는 편상의 1차 입자가 형성된다(1단계). 이러한 1차 입자들이 서로 얽히게 된다(2단계). 이렇게 얽힌 1차 입자들은 다시서로 뭉치는 동시에 다른 1차 입자들이 달라 붙으면서 구상의 2차 입자가 성장한다(3단계)[12]. 전구체가 합성되는 과정에서 용액의 농도, pH, 교반 속도, 온도 등 다양한 변수들에 의해 전구체 입자의 형태나 밀도, 1차 입자의 형태등의 특성이 변하게 된다.

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