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LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 양극 활물질의 합성공정 중 나노크기 알루미나 추가에 의한 고온수명 개선
Enhanced High-Temperature Performance of LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 Positive Electrode Materials by the Addition of nano-Al2O3 during the Synthetic Process 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.19 no.3, 2016년, pp.80 - 86  

박지민 (한국산업기술대학교 생명화학공학과) ,  김다은 (한국산업기술대학교 생명화학공학과) ,  김해빈 (한국산업기술대학교 생명화학공학과) ,  배중호 (한국산업기술대학교 생명화학공학과) ,  이예지 (한국산업기술대학교 생명화학공학과) ,  명재인 (한국산업기술대학교 생명화학공학과) ,  황은경 (한국산업기술대학교 생명화학공학과) ,  임태은 (인천대학교 화학과) ,  송준호 (전자부품연구원 차세대전지연구센터) ,  유지상 (전자부품연구원 차세대전지연구센터) ,  류지헌 (한국산업기술대학교 지식기반기술.에너지대학원)

초록
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리튬이온 이차전지의 고용량화를 위해 high-Ni계 양극 활물질이 크게 주목받고 있으나, Ni 함량이 높아짐에 따라 고온 안정성이 감소하여 수명저하가 발생하게 된다. 본 연구에서는 $LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$ (NCM622)의 합성공정 중에서 전구체인 전이금속 수산화물과 리튬염의 열처리 과정에 알루미나 입자를 첨가함으로써 추가적인 표면처리 공정없이 활물질 특성을 개선시키고자 하였다. 알루미나를 첨가하게 되면 고온 사이클 수명이 개선되었으며, 특히 나노크기의 알루미나를 사용하는 경우에 초기용량의 감소도 적고 수명도 개선됨을 확인하였다. 그리고, 나노 알루미나를 함량별로 추가한 결과로 표면형상이 점차 변화함과 동시에 격자상수의 감소가 발생하는 것이 관찰되어 표면코팅과 구조 내 치환이 동시에 발생하고 있음을 확인하였다. LSTA (linear-sweep thermmametry)를 사용하여 알루미나의 함량이 증가할 수록 부반응이 감소하며 고온 안정성이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 전이금속 대비 Al을 2.5 mol% 추가하는 경우에 가장 우수한 고온 사이클 성능이 나타나는 것을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

High Ni content layered oxide materials for the positive electrode in lithium-ion batteries have high specific capacity. However, their poor electrochemical and thermal stability at elevated temperature restrict the practical use. A small amount of $Al_2O_3$ was added to the mixture of tr...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 고용량 양극 활물질인 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2의 고온수명을 개선하기 위하여 공침법으로 얻어진 전구체와 리튬염의 혼합과정 중에 크기가 나노크기 Al2O3를 함량별로 투입하여 합성하였으며, 고온수명을 비교하였다.

대상 데이터

  • 양극물질로 사용한 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2의 분말제조를 위해 공침법으로 제조된 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 전구체(Ecopro 제공)와 Li 원료인 LiOH·H2O(대정)를 혼합하여 사용하였다. 여기에 이종 금속원소의 첨가를 위하여 마이크로 크기의 Al2O3(Merck, 70~230mesh)와 나노크기의 Al2O3(Aldrich, <50 nm)를 Al을 기준으로 5 mol% 추가하여 제조하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
리튬이온 이차전지는 어떤 특성을 가지고 있는가? 지난 수십 년간, 리튬이온 이차전지는 IT 소형기기의 전원으로 사용되어왔다. 리튬이온 이차전지는 다른 이차전지에 비해 작동 전압 및 에너지 밀도가 높을 뿐 아니라 오래 사용할 수 있어 기기의 다양화와 복합화에 따른 요구조건을 충족시킬 수 있는 우수한 특성을 지니고 있다. 최근 전기자동차와 같은 친환경 수송시스템 및 전력저장용 이차전지 등 응용분야가 확대됨에 따라 리튬이온 이차전지의 사용영역과 필요성이 함께 증대되고 있다.
나노크기의 Al2O3를 사용하는 경우 초기용량이 더 크게 나타는 것은 마이크로 크기와 비교해서 어떤 특성때문인가? Al2O3를 사용하게 되면 고온수명이 개선됨을 알 수 있으며, 마이크로 크기의 Al2O3보다는 나노크기의 Al2O3를 사용하는 경우가 초기용량이 더욱 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 마이크로 크기의 Al2O3의 경우에는 상대적으로 크기가 큰 Al2O3가 편재화되어 위치하였기 때문에 부분적으로 과도한 코팅을 이루어 저항을 증가시키며, 또한 반응하지 않고 남아있는 상들이 표면에 분리되어 위치함으로써 저항의 증가를 가져오면서 용량의 발현을 제한하는 것으로 예상되는 반면에, 나노크기를 사용하는 경우에는 표면을 고르게 덮어주면서 이러한 효과가 감소하는 것으로 예상된다. Standard의 경우에는 100번째 사이클에서 초기대비 74.
리튬이온 이차전지의 층상구조 산화물은 어떤 한계점을 가지고 있는가? 그러나 층상구조 산화물들은 4.3 V 이상으로 충전 시 전이금속의 용출 및 리튬이온과 전이금속 이온의 자리바꿈 등에 의해 가역 용량이 현저하게 감소하고, Ni 함량이 높아짐에 따라 고온에서의 안정성이 감소되며 이로 인하여 그 성능의 저하가 알려져 있다.4)이러한 층상구조 물질의 고온 안전성을 향상시키기 위하여 합성된 시료에 추가적인 표면코팅을 통하여 그 성능을 개선하는 연구가 널리 진행되어 왔다.
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참고문헌 (13)

  1. S. Lee, D. Jang, J. Yoon, Y.-H. Cho, Y.-S. Lee, D.-H. Kim, W.-S. Kim, and W.-S. Yoon, 'Crystal Structure Changes of $LiNi_{0.5}Co_{0.2}Mn_{0.3}O_2$ Cathode Materials During the First Charge Investigated by in situ XRD', J. Electrochem. Sci. Technol., 3, 29 (2012) 

  2. S-W. Cho, J.-H. Ju, S.-H. Ryu, and K.-S. Ryu, 'Structure and Electrochemical Characterization of $LiNi_{0.5}Mn_{0.3}Co_{0.2}O_2$ as the Cathode Material Synthesized by Simple-combustion Method', J. Korean Electrochem. Soc., 13, 264 (2010). 

  3. S.-M. Kim, B.-S. Jin, G.-J. Park, and H.-S. Kim, 'Electrochemical Performances of the Fluorine-Substituted on the $0.3Li_2MnO_3{\cdot}0.7LiMn_{0.60}Ni_{0.25}Co_{0.15}O_2$ Cathode Material', J. Electrochem. Sci. Technol., 5, 87 (2014). 

  4. H.-J. Noh, S. Youn, C. S. Yoon, Y.-K. Sun, 'Comparison of the structural and electrochemical properties of layered $Li[Ni_xCo_yMn_z]O_2$ (x 1/3, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 and 0.85) cathode material for lithium-ion batteries', J. Power Sources, 233, 121 (2013). 

  5. J. Cho, Y. J. Kim, B. Park, 'Novel $LiCoO_2$ Cathode Material with $Al_2O_3$ Coating for a Li Ion Cell', Chem. Mater., 12, 3788 (2000). 

  6. Y.-H. Chang and S.-Y. Choi, 'Analyses on the physical and electrochemical properties of $Al_2O_3$ coated $LiCoO_2$ ', J. Korean Electrochem. Soc., 10, 184 (2007). 

  7. S. H. Ju, I.-S. Kang, Y.-S. Lee, W.-K. Shin, S. Kim, K. Shin, and D.-W. Kim, 'Improvement of the Cycling Performance of $LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$ Cathode Active Materials by a Dual-Conductive Polymer Coating', ACS Appl. Mater. Interfaces, 6, 2546 (2014). 

  8. W. Cho, S.-M. Kim, J. H. Song, T. Yim, S.-G. Woo, K.-W. Lee, J.-S. Kim, and Y.-J. Kim, 'Improved electrochemical and thermal properties of nickel rich $LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$ cathode materials by $SiO_2$ coating', J. Power Sources, 282, 45 (2015). 

  9. Y. Chen, Y. Zhang, B. Chen, Z. Wang, and C. Lu, 'An approach to application for $LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$ cathode material at high cutoff voltage by TiO2 coating', J. Power Sources, 256, 20 (2014). 

  10. Y. Chen, Y. Zhang, F. Wang, Z. Wang, and Q. Zhang, 'Improve the structure and electrochemical performance of $LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$ cathode material by nano- $Al_2O_3$ ultrasonic coating', J. Alloys Compds, 611, 135 (2014). 

  11. J. Jeong, H. Lee, H. Lee, M.-H. Ryou, and Y. M. Lee, 'Effects of Lithium Bis(Oxalate) Borate as an Electrolyte Additive on High-Temperature Performance of $Li(Ni_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3})O_2$ /Graphite Cells', J. Korean Electrochem. Soc., 18, 58 (2015). 

  12. J. Mun, T. Yim, C. Y. Choi, J. H. Ryu, Y. G. Kim, and S. M. Oh, 'Linear-sweep Thermammetry Study on Corrosion Behavior of Al Current Collector in Ionic Liquid Solvent', Electrochem. Solid-state Lett., 13(8), A109 (2010). 

  13. D. Aurbach, O. Srur-Lavi, C. Ghanty, M. Dixit, O. Haik, M. Talianker, Y. Grinblat, N. Leifer, R. Lavi, D. T. Major, G. Goobes, E. Zinigrad, E. M. Erickson, M. Kosa, B. Markovsky, J. Lampert, A. Volkov, J.-Y. Shin, and A. Garsuch, 'Studies of Aluminum-Doped $LiNi_{0.5}Co_{0.2}Mn_{0.3}O_2$ : Electrochemical Behavior, Aging, Structural Transformations, and Thermal Characteristics', J. Electrochem. Soc., 162, A1014 (2015). 

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