$LiNi_{1-x-y}Co_xAl_yO_2$(x=0.15, y=0.045 혹은 0.05, NCA) 양극소재의 전기화학적 특성 및 양극소재의 입자 크기 분포에 대한 리튬이온이차전지의 수명특성에 대한 영향을 살피기 위해 두 종의 상업용 NCA (NCA#1, NCA#2) 양극소재를 리튬이온이차전지의양극으로사용하였다. NCA#1은약 $5m{\mu}$의 균일한구형의입자로구성되어있고 NCA#2는약 $5m{\mu}$와 $11m{\mu}$ 정도의 입자들이 혼합되어 있는 분말이다. 충방전 측정 결과 NCA#2는 초기 방전용량은 197.0 mAh/g으로 NCA#1에 비해 높게 나타났다. NCA#1과 NCA#2의 용량 유지율(30 사이클 기준)은 각각 92%와 94%로 나타났다.
$LiNi_{1-x-y}Co_xAl_yO_2$(x=0.15, y=0.045 혹은 0.05, NCA) 양극소재의 전기화학적 특성 및 양극소재의 입자 크기 분포에 대한 리튬이온이차전지의 수명특성에 대한 영향을 살피기 위해 두 종의 상업용 NCA (NCA#1, NCA#2) 양극소재를 리튬이온이차전지의양극으로사용하였다. NCA#1은약 $5m{\mu}$의 균일한구형의입자로구성되어있고 NCA#2는약 $5m{\mu}$와 $11m{\mu}$ 정도의 입자들이 혼합되어 있는 분말이다. 충방전 측정 결과 NCA#2는 초기 방전용량은 197.0 mAh/g으로 NCA#1에 비해 높게 나타났다. NCA#1과 NCA#2의 용량 유지율(30 사이클 기준)은 각각 92%와 94%로 나타났다.
In order to investigate the electrochemical properties and the particle size effect of $LiNi_{1-x-y}Co_xAl_yO_2$ (x=0.15, y=0.045 or 0.05, NCA) for lithium ion batteries (LIBs), two commercial NCA cathode materials (NCA#1, NCA#2) were used as cathode materials for LIB. The average particl...
In order to investigate the electrochemical properties and the particle size effect of $LiNi_{1-x-y}Co_xAl_yO_2$ (x=0.15, y=0.045 or 0.05, NCA) for lithium ion batteries (LIBs), two commercial NCA cathode materials (NCA#1, NCA#2) were used as cathode materials for LIB. The average particle size of the NCA#1 which consisted of uniform spherical particles was found to be approximately $5m{\mu}$. NCA#2 consisted of particles with bimodal size distribution of approximately $5m{\mu}$ and $11m{\mu}$. From the results of charge-discharge performance test, a high initial discharge capacity of 197.0 mAh/g was obtained with NCA#2, which is a higher value than that with NCA#1. The cycle retentions of NCA#1 and NCA#2 up to 30 cycles were 92% and 94%, respectively.
In order to investigate the electrochemical properties and the particle size effect of $LiNi_{1-x-y}Co_xAl_yO_2$ (x=0.15, y=0.045 or 0.05, NCA) for lithium ion batteries (LIBs), two commercial NCA cathode materials (NCA#1, NCA#2) were used as cathode materials for LIB. The average particle size of the NCA#1 which consisted of uniform spherical particles was found to be approximately $5m{\mu}$. NCA#2 consisted of particles with bimodal size distribution of approximately $5m{\mu}$ and $11m{\mu}$. From the results of charge-discharge performance test, a high initial discharge capacity of 197.0 mAh/g was obtained with NCA#2, which is a higher value than that with NCA#1. The cycle retentions of NCA#1 and NCA#2 up to 30 cycles were 92% and 94%, respectively.
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문제 정의
일반적으로 Ni 함량이 높으면 방전용량이 크고 사이클이 진행됨에 따라 급격한 용량감소가 나타나는 것이 특징이다. 본 연구에서는 입자 크기가 균일한 NCA#1 (LiNi0.805Co0.15Al0.045O2)과 입자크기가 상이하며 NCA#1에 비해 Ni 함량이 높은 NCA#2 (LiNi0.815Co0.15Al0.035O2)와 같은 상업용 NCA 양극소재를 리튬이온이차전지에 응용하기 위해 전기화학적 특성 및 내부의 임피던스 특성을 분석하였다. 이를 통해 리튬이온이차전지의 수명특성에 대한 입자 크기 영향을 고찰하고자 한다.
035O2)와 같은 상업용 NCA 양극소재를 리튬이온이차전지에 응용하기 위해 전기화학적 특성 및 내부의 임피던스 특성을 분석하였다. 이를 통해 리튬이온이차전지의 수명특성에 대한 입자 크기 영향을 고찰하고자 한다.
제안 방법
준비한 슬러리는 닥터블레이드 방법으로 약 20 μm의 두께를 갖는 Al 호일에 도포하여 120oC에서 건조 후 도포 두께의 80%로 압착하여 극판을 제작하여사용하였다. 극판은 CR2032 코인셀 용 크기(2cm2)로 원형으로 펀칭하여 120oC의진공오븐에서 24시간동안재차건조를진행하였다. 전해질은 1.
모든 전기화학적 측정은 25 oC에서 진행되었다. 또한 사이클 진행후의 입자의 형태학적 분석은 집속이온빔(Focused ion beam, FIB, 1540 EsB, CARL ZEISS)을 이용하여 분석하였다.
3 V의 전압범위에서 측정하였다. 또한 충방전 사이클에 따른 전지의 내부저항 특성은 교류임피던스(Metrohm Autolab, B. V., PGSTAT302N) 스펙트럼으로 10 mHz에서 100 kHz까지의 주파수 범위에서 10 mV의 진폭으로 OCV 전압에서 측정되었으며 측정된 데이터는 NOVA 소프트웨어(Metrohm Autolab B.V.)를 이용하여 피팅하였다. 모든 전기화학적 측정은 25 oC에서 진행되었다.
6(a)에 삽입된 등가회로와 같이 충방전전의 임피던스 스펙트럼은 먼저 외부의 전해질 저항(Rs), 반원의 형태로 나타나는 전극 물질 계면에서의 Li+ 산화/환원반응을 나타내는 전하전달 저항(R2, R3)와 입자결정구조내부로의 층간삽입에 의한 화학적 확산저항(RW)로 구성할 수 있다. 본 실험에서는 사용한 양극소재가 1차 입자들이 서로 응집하여 2차 입자로 구성되었으므로 1차 입자와 2차 입자의 전하전달 저항을 구분하여 R2과 R3로 구분하여 등가회로를 구성하였다. 등가회로를 구성한 후 이를 측정한 임피던스 스펙트럼결과와 비선형 최소 자승법(Non-linear least square fitting)을 통해 얻은 각각의 저항 값을 Table 2에 나타내었다.
약 5 μm의 균일한 구형의 NCA#1과 약 5 μm와 11 μm의 입자가 혼합된 NCA#2를 리튬이온이차전지의 양극소재로 응용하여 전지를 조립하고 이의 전기화학적 특성을 분석하였다.
)와 입도분석기(Particle size analyzer, Mastersizer 3000)를이용하였다. 제작된 전지(CR2032)의 순환전위전류특성, 충방전 특성 등 전기화학적 측정은 WonAtech사의 WBCS 3000 충방전기기를 이용하여 0.1C에서 각각 2.8~4.5 V, 3.0~4.3 V의 전압범위에서 측정하였다. 또한 충방전 사이클에 따른 전지의 내부저항 특성은 교류임피던스(Metrohm Autolab, B.
준비한 슬러리는 닥터블레이드 방법으로 약 20 μm의 두께를 갖는 Al 호일에 도포하여 120oC에서 건조 후 도포 두께의 80%로 압착하여 극판을 제작하여사용하였다.
충방전 사이클에 따른 전극의 형태학적 특성은 충방전 전과 후의 FE-SEM 이미지 및 FIB를 이용해 분석되었다. Fig.
대상 데이터
리튬이온이차전지는 NCA 양극극판, 전해질로음극은금속리튬호일을이용하여제작하였다. NCA 양극극판은상업용 LiNi0.805Co0.15Al0.045O2(NCA#1), LiNi0.815Co0.15Al0.035O2 (NCA#2) 양극소재와 super-Pblack 및 polyvinylidene fluoride (PVdF, Mw: ~400,000, SigmaAldrich)를 94 : 3 : 3의 중량비율로 N-methyl-2-purrolidone (NMP) 용매에 분산시켜 준비한 슬러리를 제조하였다. 준비한 슬러리는 닥터블레이드 방법으로 약 20 μm의 두께를 갖는 Al 호일에 도포하여 120oC에서 건조 후 도포 두께의 80%로 압착하여 극판을 제작하여사용하였다.
극판은 CR2032 코인셀 용 크기(2cm2)로 원형으로 펀칭하여 120oC의진공오븐에서 24시간동안재차건조를진행하였다. 전해질은 1.15M의 LiPF6/EC-DMC (3:7 vol%) 유기용매를사용하였고,양극과 음극의 단락을 방지하기 위하여 폴리에틸렌(Polyethylene, PE, W-SCOPE, Korea)을 분리막으로 사용하였다. 전지의 제작은 모두 아르곤 분위기의 글러브 박스 안에서 진행되었다.
데이터처리
사용한 NCA#1과 #2의 형태학적 특성은 FE-SEM으로분석하였고 그 결과를 Fig. 1에 나타냈다. Fig.
이론/모형
NCA 양극소재의결정구조와표면형상은 X-ray 회절분석법(X-ray diffraction spectroscopy, XRD, D8 Discover with GADDS, Bruker AXS)과 전계방출형 주사현미경(Field-emission scanning electron microscopy, FE-SEM, LEO-1530, Carl Zeiss)을 이용하여 분석하였고 입자분포 및 전기전도도는 분채저항측정장치(HPRM-M2, Han Tech.)와 입도분석기(Particle size analyzer, Mastersizer 3000)를이용하였다. 제작된 전지(CR2032)의 순환전위전류특성, 충방전 특성 등 전기화학적 측정은 WonAtech사의 WBCS 3000 충방전기기를 이용하여 0.
성능/효과
Fig. 1에서 보여준 것과 같이 NCA#1과 NCA#2 입자는 작은 1차 입자들이 서로 응집되어 2차 입자로 이루어져 있는 것을 확인할 수 있었고 NCA#1 입자인 경우 약 5 μm의 균일한 구형의 2차입자로, NCA#2인 경우는 NCA#1과 비슷한 약 5 μm 크기의 입자와 약 11 μm의 큰 입자들이 혼합되어 있는 것을 확인할 수 있다.
5(d)에서 NCA#1과 NCA#2의 사이클 특성을 나타내었다. NCA#2NCA#1에 비해 모든 사이클에서 높은 방전용량 값을 나타내었고 30번째 사이클의 NCA#1과 NCA#2의 방전용량은 각각 174.6 mAh/g와 184.3 mAh/g으로 방전용량 유지율을 각각 92와 94%로 나타났다. 따라서 NCA#2는 NCA#1에 비해 Ni 함량이 높음에도 불구하고 용량유지율이 높게 나타난 것은 두 가지 크기를 갖는 입자의 영향으로 판단된다.
이는 또한 NCA#2인 경우 Ni2+와 Li+이 NCA#1에 비해 더욱 무질서하게 배열된 것을 알 수 있으며 따라서 NCA#2를 리튬이온이차전지의 양극소재로 활용하였을 경우 더욱 우수한 전기화학적 특성을 기대할 수 있다. 그리고 NCA#2는 NCA#1에 비해 a축 길이가 조금 증가하고 c축은 조금 감소한 것으로 나타났으며 전체 부피는 증가한 것으로 나타났다.
3 mAh/g으로 나타났다. 그리고 방전용량 유지율을 30 사이클을 기준으로 각각 92와 94%로 나타났다. 따라서 NCA#2는 NCA#1에 비해 Ni 함량이 높음에도 불구하고 용량유지율이 높게 나타난 것은 두 가지 크기를 갖는 입자를 이용함으로써 전극 내에서의 전하의 이동이 훨씬 용이할 뿐만 아니라 전극의 부피증가를 억제하는 결과를 나타내었다.
약 5 μm의 균일한 구형의 NCA#1과 약 5 μm와 11 μm의 입자가 혼합된 NCA#2를 리튬이온이차전지의 양극소재로 응용하여 전지를 조립하고 이의 전기화학적 특성을 분석하였다. 충방전 특성 측정 결과 NCA#1과 NCA#2는 초기 사이클에 각각 189.6과 197.0 mAh/g의 방전용량을 나타내었고, 30번째 사이클 후의 방전용량은 각각 174.6 mAh/g와 184.3 mAh/g으로 나타났다. 그리고 방전용량 유지율을 30 사이클을 기준으로 각각 92와 94%로 나타났다.
3에 나타내었다. 측정한 결과 NCA#2 분말의 전기전도도는 NCA#1에 비해 높게 나타났고 압력이 증가함에 따라 전기전도도의 증가는 더욱 선명하게 나타났다. 이것은 크고 작은 입자의 혼합으로 인하여 압력이 증가할 수로 큰 입자간의 기공 사이를 작은 입자들이 채워줌으로써 입자간의 더욱 긴밀한 접촉에 의한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LCO의단점을 보완하는 물질은?
현재까지 LiCoO2 (LCO) 양극소재는 높은 용량 안정성으로 인해 상업적으로 많이 사용이 되어 왔으나 낮은 용량과 출력, 환경에 대한 오염, 그리고 Co의 자원적인 제약 때문에 가격적인 면에서 불안정하므로 EV 등 중대형 전지로는 적합하지 않다. 이러한 LCO의단점을 보완하기 위하여 LiNiO2 (LNO)가 그 대안으로 떠올랐다. LNO 양극소재는 LCO와 비슷한 층상구조로 높은 가역용량(>190mAh/g)을 갖지만, LNO는 합성이 어렵고 낮은 열안정성과 열악한 수명특성등단점이있다[3,4].
리튬이온이차전지가 전기자동차(EV), 에너지저장장치(ESS)와 같은 중대형 에너지원으로 사용되기위한 조건은?
최근 리튬이온이차전지(LIB)는 기존의 소형전자기기에서 전기자동차(EV), 에너지저장장치(ESS)와 같은 중대형 에너지원으로 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. EV, ESS와 같은 중대형에너지원으로응용하기위해서는양극소재의높은에너지밀도, 높은 전압과 충방전효율, 고안정성, 그리고 친환경적이 소재가 요구된다[1,2].
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