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상용 고용량 리튬이온이차전지용 NCA 양극활물질의 전기화학적 특성
Electrochemical Properties of Commercial NCA Cathode Materials for High Capacity of Lithium Ion Battery 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.2, 2017년, pp.163 - 169  

김은미 (충북대학교 화학공학과) ,  이가을 (충북대학교 화학공학과) ,  나병기 (충북대학교 화학공학과) ,  정상문 (충북대학교 화학공학과)

초록
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$LiNi_{1-x-y}Co_xAl_yO_2$(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}$$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.

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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...

주제어

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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.
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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].
리튬이온이차전지 제작에 필요한 것은? 리튬이온이차전지는 NCA 양극극판, 전해질로음극은금속리튬호일을이용하여제작하였다. NCA 양극극판은상업용 LiNi0.
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참고문헌 (22)

  1. Kang, K. Y., Choi, M. G., Lee, Y. G. and Kim, K. M., "Phase Change of Nanorod-Clustered $MnO_2$ by Hydrothermal Reaction Conditions and the Lithium-ion Battery Cathode Properties of $LiMn_2O_4$ Prepared from the $MnO_2$ ," Korean Chem. Eng. Res., 49(5), 541-547 (2011). 

  2. Lee, H. Y. and Lee, J. D., "Electrochemical Performance on the $H_3BO_3$ Treated Soft Carbon modified from PFO as Anode Material," Korean Chem. Eng. Res., 54(6), 746-752(2016). 

  3. Wu, B., Wang, J., Li, J., Lin, W., Hu, H., Wang, F., Zhao, S., Gan, C. and Zhao, J., "Morphology Controllable Synthesis and Electrochemical Performance of $LiCoO_2$ for Lithium-ion Batteries," Electrochim. Acta, 209, 315-322(2016). 

  4. Vu, D. L. and Lee, J. W., "Properties of $LiNi_{0.8}Co_{0.}1Mn_{0.1}O_2$ as a High Energy Cathode Material for Lithium-ion Batteries," Korean J. Chem. Eng., 33(2), 514-526(2016). 

  5. Hua, W., Zhang, J., Zheng, Z., Liu, W., Peng, X., Guo, X. D., Zhong, B., Wang, Y. J. and Wang, X., "Na-doped Ni-rich $LiNi_{0.5}Co_{0.2}Mn_{0.3}O_2$ Cathode Material with Both High Rate Capability and High Tap Density for Lithium Ion Batteries," Dalton Trans., 43, 14824-14832(2014). 

  6. Nitta, N., Wu, F., Lee, J. T. and Yushin, G., "Li-ion Battery Materials: Present and Future," Materials Today, 18, 252-264(2015). 

  7. Liu, J., Wang, S., Ding, Z., Zhou, R., Xia, Q. J., Chen, L., Wei, W. and Wang, P., "The Effect of Boron Doping on Structure and Electrochemical Performance of Lithium-Rich Layered Oxide Materials," ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 18008-18017(2016). 

  8. Choo, S., Kim, H. Y., Yoon, D. Y., Choi, W., Oh, S. H., Ju, J. B., Ko, J. M., Jang, H. and Cho, W. I., "Electrochemical Properties of Co-less Layered Transition Metal Oxide as High Energy Cathode Material for Li-ion Batteries," J. Korean Electrochem. Soc., 31, 905-910(2014). 

  9. Conry, T. E., Mehta, A., Cabana, J. and Doeff, M. M., "Structural Underpinnings of the Enhanced Cycling Stability upon Al-Substitution in $LiNi_{0.45}Mn_{0.45}Co_{0.1-y}Al_yO_2$ Positive Electrode Materials for Li-ion Batteries," Chem. Mater., 24, 3307-3317(2012). 

  10. Lim, S. N., Ahn, W., Yeon, S. H. and Park, S. B., "Enhanced Elevated-temperature Performance of $Li(Ni_{0.8}Co_{0.15}Al_{0.05})O_2$ Electrodes Coated with $Li_2O-2B_2O_3$ Glass," Electrochim. Acta, 136, 1-9(2014). 

  11. Lee, D. J., Scrosati, B. and Sun, Y. K., " $Ni_3(PO_4)_2$ -coated $Li[Ni_{0.8}Co_{0.15}Al_{0.05}]O_2$ Lithium Battery Electrode with Improved Cycling Performance at $55^{\circ}C$ ," J. Power Sources, 196, 7742-7746(2011). 

  12. Lee, S. H., Yoon, C. S., Amine, K. and Sun, Y. K., "Improvement of Long-term Cycling Performance of $Li[Ni_{0.8}Co_{0.15}Al_{0.05}]O_2$ by AlF3 Coating," J. Power Sources, 234, 201-207(2013). 

  13. Liu, W., Hu, G., Du, K., Peng, Z. and Cao, Y., "Surface Coating of $LiNi_{0.8}Co_{0.15}Al_{0.05}O_2$ with $LiCoO_2$ by a Molten Salt Method," Surface & Coatings Technology, 216, 267-272(2013). 

  14. Kang, S. H., Kim, J., Stoll, M. E., Abraham, D., Sun, Y. K. and Amine, K., "Layered $Li(Ni_{0.5-x}Mn_{0.5-x}M_{2x}{^{\prime}})O_2$ (M'Co, Al, Ti; x0, 0.025) Cathode Materials for Li-ion Rechargeable Batteries," J. Power Sources, 112, 41-48(2002). 

  15. Santhanam, R. and Rambabu, B., "High Rate Cycling Performance of $Li_{1.05}Ni_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ Materials Prepared by Sol-gel and Co-precipitation Methods for Lithium-ion Batteries," J. Power Sources, 195, 4313-4317(2010). 

  16. Chang, Z. R., Chen, Z. J., Wu, F., Tang, H. W. and Zhu, Z. H., "Synthesis of $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ Cathode Material by Eutectic Molten Salt $LiOH-LiNO_3$ ," Acta Phys. Chim. Sin., 24, 513-519 (2008). 

  17. Chang, Z., Chen, Z., Wu, F., Yuan, X. Z. and Wang, H., "The Synthesis of $Li(Ni_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3})O_2$ Using Eutectic Mixed Lithium Salt $LiNO_3-LiOH$ ," Electrochim. Acta, 54, 6529-6535(2009). 

  18. Dahn, J. R., Sacken, U. V., Michal, C. A., "Structure and Electrochemistry of $Li_{1{\pm}y}NiO_2$ and a New $Li_2NiO_2$ Phase with the $Ni(OH)_2$ Structure," Solid State Ionics, 44, 87-97(1990). 

  19. Reimers, J. N., Rossen, E., Jones, C. D. and Dahn, J. R., "Structure and Electrochemistry of $Li_xFeyNi_{1-y}O_2$ ," Solid State Ionics, 61, 335-344(1993). 

  20. Wu, K., Wang, F., Gao, L., Li, M. R., Xiao, L., Zhao, L., Hu, S., Wang, X., Xu, Z. and Wu, Q., "Effect of Precursor and Synthesis Temperature on the Structural and Electrochemical Properties of $Li(Ni_{0.5}Co_{0.2}Mn_{0.3})O_2$ ," Electrochim. Acta, 75, 393-398(2012). 

  21. Li, W., Reimers, J. N. and Dahn, J. R., "In situ x-ray Diffraction and Electrochemical Studies of $Li_{1-x}NiO_2$ ," Solid State Ionics, 67, 123-130(1993). 

  22. Makimura, Y., Sasaki, T., Nanaka, T., Nishimura, Y. F., Uyama, T., Okuda, C., Itou, Y. and Takeuchi, Y., "Factors Affecting Cycling Life of $LiNi_{0.8}Co_{0.15}Al_{0.05}O_2$ for Lithium-ion Batteries," J. Mater. Chem. A, 4, 8350-8358(2016). 

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