[논문]결정배향 LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 전극활물질을 통한 리튬이차전지 성능 향상 및 이의 전기화학적 해석

김참

doi:10.5012/jkcs.2022.66.6.451

[국내논문] 결정배향 LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 전극활물질을 통한 리튬이차전지 성능 향상 및 이의 전기화학적 해석
Enhanced Performance in a Lithium-ion Battery via the Crystal-aligned LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 and the Relevant Electrochemical Interpretation 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.66 no.6, 2022년, pp.451 - 458

김참 (대구경북과학기술원 나노융합연구부)

초록
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LiNi_xMn_yCo_1-(x+y)O₂의 자기특성을 고려한 자기장 이용 결정방향 제어 연구를 통해, LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂ 결정 내 많은 비율의 (00l) plane들이 전극집전체 표면에 수직으로 정렬된 결정배향 전극을 확보하였다. 해당 결정배향 전극은 리튬이차전지의 충방전 과정 중에 낮은 전극 polarization 특성을 나타내었으며, 일반 LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂ 전극 대비 높은 용량을 기록하였다. 결정 배향 전극은 빠른 리튬이온 전달에 적합한 구조적 특성으로 인해 리튬이차전지 성능 향상에 기여한 것으로 예상되었다. 결정배향 전극에 의한 성능 향상을 다양한 전기화학적 이론 및 분석 결과를 통해 검증, 해석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Through the crystal alignment research based on the magnetic properties of LiNixMnyCo1-(x+y)O2 such as magnetic susceptibility and related anisotropy, a crystal aligned LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 electrode is obtained, in which the (00l) plane is frequently oriented perpendicular to the surface of a current collector. The crystal aligned LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 electrode steadily exhibits low electrode polarization properties during the charge/discharge process in a lithium-ion battery, thus affording an improved capacity compared to a pristine LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 electrode. The aligned LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 electrode may have an appropriate structural nature for fast lithium-ion transport due to the oriented (00l) plane, and thus it contributes to enhancing the battery performance. This enhancement is analyzed in terms of various electrochemical theories and experiment results; thus, it is verified to occur because of the considerably fast lithium-ion transport in the aligned LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 electrode.

Keyword

표/그림 (5)

그림 Figure 1. (a) Magnetic field profile depending on electric current and voltage in a superconducting magnet, (b) schematic drawing of the LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂ crystal alignment process using the magnet, in which a magnetic field (B) is applied parallel to a current collector, resulting in the (00l) plane of LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 oriented perpendicular to a current collector.
그림 Figure 2. (a) XRD patterns of the LiNi0.6Mn_0.2Co_0.2O₂ treated with a magnetic field (mf-NMC) compared to those of the pristine LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂ (NMC), both of which were pressed using a calendering machine. The asterisked peak was identified as the conductive carbon black. (b) The crystallographic difference between the mf-NMC and NMC is quantified using their Lotgering factors ( f(00l)).
$Figure 3. Electron backscatter diffraction (EBSD) observations of the (a) pristine NMC and (b) mf-NMC, which are individually divided into image quality (left) and inverse pole figure maps (right).$ 그림 Figure 3. Electron backscatter diffraction (EBSD) observations of the (a) pristine NMC and (b) mf-NMC, which are individually divided into image quality (left) and inverse pole figure maps (right).
그림 Figure 4. Charge and discharge profiles of the pristine NMC and mf-NMC in a voltage range of 3.00-4.25 V versus Li/Li⁺ at different C-rates: (a) 0.3 C, (b) 0.5 C, (c) 1.0 C, and (d) 2.0 C (1 C = 165 mA g^-1).
그림 Figure 5. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analyses for the NMC and mf-NMC: (a) Nyquist plots, (b) impedance plots as a function of angular frequency in the Warburg region and lithium-ion diffusion coefficients (D_Li+, inlet). (c) Electrical circuit model of a lithium-ion battery. The circuit model for a cathode is hypothesized to consist of the impedances of cathode surface and charge transfer, which are both represented by resistor (R) and constant phase element (CPE) in parallel.

AI 본문요약
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이론/모형

5b). 결정배향 NMC 전극 및 일반 NMC 전극의 Warburg factor를 식 (4)에 적용하여 리튬이온 확산계수를 각각 도출하였다(Fig. 5b inlet).

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