[논문]전기자동차용 리튬이온전지를 위한 양극전극 분말 재료의 연구 동향

신동요; 안효진

doi:10.4150/kpmi.2019.26.1.58

전기자동차용 리튬이온전지를 위한 양극전극 분말 재료의 연구 동향
Research Trends of Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries used in Electric Vehicles 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.26 no.1, 2019년, pp.58 - 69

신동요 (서울과학기술대학교 의공학 바이오 소재 융합 협동과정 신소재공학프로그램) , 안효진 (서울과학기술대학교 의공학 바이오 소재 융합 협동과정 신소재공학프로그램)

Abstract ▼ AI-Helper

High performance lithium-ion batteries (LIBs) have attracted considerable attention as essential energy sources for high-technology electrical devices such as electrical vehicles, unmanned drones, uninterruptible power supply, and artificial intelligence robots because of their high energy density (150-250 Wh/kg), long lifetime (> 500 cycles), low toxicity, and low memory effects. Of the high-performance LIB components, cathode materials have a significant effect on the capacity, lifetime, energy density, power density, and operating conditions of high-performance LIBs. This is because cathode materials have limitations with respect to a lower specific capacity and cycling stability as compared to anode materials. In addition, cathode materials present difficulties when used with LIBs in electric vehicles because of their poor rate performance. Therefore, this study summarizes the structural and electrochemical properties of cathode materials for LIBs used in electric vehicles. In addition, we consider unique strategies to improve their structural and electrochemical properties.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만, 이러한 노력에도 불구하고 LiCoO₂는 비싼 가격의 Co 이온을 사용함에 따라 리튬이온전지 제조 단가를 향상시키며 일부 독성을 가지고 있어 환경오염 문제를 발생시켜 고성 능 리튬이온전지 양극 분말 소재로 한계를 가지고 있다[9, 10]. 따라서 층상 구조 화합물의 연구 방향은 LiCoO₂구조 에서 Co 이온을 독성이 없고 지구상에 풍부한 Ni, Mn 및 Al과 같은 원소로 대체하고자 하는 시도가 수행되었다. LiNi_0.
따라서, 음극 분말 소재가 가진 높은 용량 및 전기화 학적 특성을 모두 구현할 수 있도록 다양한 양극 분말 소재의 개발이 진행되고 있으며 양극 분말 소재의 용량 및 급속 충전 특성 향상을 위한 새로운 전략들이 연구되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 기술 개발이 진행되고 있는 리튬이온전지 양극 분말 소재에 대해 소개하고자 한다.
특히, 급속 충전 속도 특성은 전기자동 차용 고성능 리튬이온전지의 중요한 요구 특성 중 하나이며, 이를 만족하기 양극 분말 소재의 형상 및 크기 제어, 계면 제어, 결정 구조 제어 등의 새로운 기술들이 개발되고 있다[8-10]. 본 논문에서는 양극 분말 소재의 간략한 소개와 고성능 리튬이온전지를 위한 양극 분말 소재의 개발 동향에 대해 자세히 다룰 예정이다.

성능/효과

그림 5는 Nb가 도핑된 LiNi_1/3 Co_1/3Mn_1/3O₂nanofiber의 전기화학적 특성 평가 결과를 나타낸다. Nb가 도핑된 LiNi_1/3 Co_1/3Mn_1/3O₂ nanofiber 는 높은 용량 및 유지율(100 사이클 이후 160.2 mAh/g 및 유지율 94%)뿐만 아니라 급속 충전 조건(5C)에서 142.5 mAh/g의 높은 용량이 나타났다. Lv는 이러한 특성 향상 요인으로 Li 이온 삽입/탈리 시 발생하는 구조적 붕괴 현상을 도핑된 Nb의 산화수 변화로 인해 방지할 수 있으며, 급속 충전 조건에서 Nb 도핑에 따른 증가된 전기적 특성으로 우수한 특성 구현이 가능하다고 보고하였다.
반면에 음이온(F, N, Cl 등)은 O 이온 위치에 F 이온이 존재하면서 Li 이온 확산 통로를 확보할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 결과로 F 도핑된 LiFePO₄ 입자는 10C의 급속 충전 조건하에서는 140.3 mAh/g의 높은 용량을 나타내며, 특히 30C의 가혹한 급속 충전 조건에서도 115.7 mAh/g의 높은 용량을 나타냈다. 그림 13은 C 코팅층이 도입된 F 도핑된 LiFePO₄의 전기화학적 특성 평가 결과를 나타낸다.
나노 크기의 LiFePO₄ 입자는 Li 이온의 확산 거리를 감소시켜주며, 특히 N 및 S가 도핑된 그래핀은 높은 전기전도도를 가져 LiFePO₄ 입자의 낮은 전기적 특성을 보완 할 수 있다. 이러한 결과로, 보고된 LiFePO₄ 양극 분말 소재는 10C의 급속 충전 조건에서 106.1 mAh/g의 높은 용량을 나타내며 500 사이클 이후 95%라는 우수한 용량 유지율을 나타내었다. 그림 11은 LiFePO₄ 나노 입자가 담지된 N 및 S 도핑된 그래핀 양극 분말 소재의 전기화학적 특성 평가 결과이다.

후속연구

이처럼 양극 분말 소재의 특성 향상을 위해 다양한 전략이 개발되고 있으나 전기자동차용 고성능 리튬이온전지 양극 분말 소재에 적용하기 위해서는 각 분야 전문가들의 노력이 필요한 실정이다. 또한, 본 논문에서 언급한 기술 외에도 새로운 양극 소재의 개발을 통하여 전기자동차용 고성능 리튬이온전지가 개발 될 것으로 기대된다.
그 예로, 1) 층상 구조 화합물의 용량 구현을 위한 전략으로 다양한 전이 금속을 사용하여 다성분계 양극 분말 소재를 개발하고 있으며, 2) Li 이온 확산 통로 확보를 위하여 양극 분말 소재의 나노화 및 형상 제어 연구가 진행되고 있으며, 3) 급속 충전 조건에서의 용량 및 유지율 구현을 위하여 금속 이온 도핑 전략이 개발되고 있다. 하지만, 전기자동차용 고성능 리튬이온전지의 양극 분말 소재로 적용하기위해서는 급속 충전 조건하에서의 용량 저하 및 구조적 붕괴 문제를 극복해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	층상 구조 화합물의 구조적 특징은?	이론적인 층상 구조 화합물은 그림 2와 같이 정의된다. 층상 구조 화합물의 MO2 구조는 metal 양이온이 중심에 위치하고, 꼭지점에 O 음이온이 존재하는 8면체(Octahedral) 가 서로 모서리를 공유하며 한 층으로 구성된다[11, 12]. 형성된 MO2 층과 Li 이온층은 교대로 적층되며 층상 구 조를 이루게 되며 Li 이온은 2차원적인 확산 통로를 갖는다.
	양극 분말 소재의 단점은 무엇인가?	따라서, 음극 전극과 양극 전극에 사용되는 분말 소재들에 대한 연구가 다양하게 수행되어왔다. 하지만, 양극 분말 소재는 구조적인 한계로 음극 분말 소재보다 낮은 용량을 가지고 있을 뿐만 아니라 합성이 어려워 리튬이온전지의 성능 향상에 제한이 되고 있다[6]. 또한, 양극 분말 소재는 산화물이 주로 사용되어 급속 충전 속도 특성을 만족하기 어려우며 이에 따라 낮은 율 특성 및 출력 특성을 나타난다.
	리튬이온전지의 양극 분말 소재 중, 스피넬 구조 화합물의 특징 및 개선 방안은 무엇인가?	따라서, 이를 개선하기 위한 전략으로 1) 다성분계 층상 구조 화합물 개발, 2) 입자의 나노화 및 형상 제어, 3) 금속 이온 도핑 연구가 진행되고 있다. 스피넬 구조 화합물은 높은 출력 밀도 및 3차원적인 Li 이 온 확산 통로를 갖는다는 장점이 있지만, 층상 구조 화합물에 비해 낮은 용량 및 빠른 용량 감소라는 단점으로 급속 충전 특성 확보가 어렵다. 따라서, 이를 개선하기 위한 전략으로 1) 표면 코팅층 도입 및 금속 원소 도핑, 2) 결정학적 구조 제어, 3) 입자의 나노화 및 결정면 제어 전략이 개발되고 있다. 마지막으로 올리빈 구조 화합물은 층상 구조 화합물과 유사한 이론 용량을 가지며 수명이 길다는 장점이 있지만, 출력 밀도가 낮고 전기전도도 및 이온전도도가 낮아 급속 충전 특성이 낮다는 문제점이 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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