보고서 정보
주관연구기관 |
전북대학교 Chonbuk National University |
연구책임자 |
송명엽
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참여연구자 |
김복희
,
박혜령
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2006-11 |
과제시작연도 |
2005 |
주관부처 |
과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국과학재단 Korea Science and Engineering Foundtion |
등록번호 |
TRKO200800068577 |
과제고유번호 |
1350016804 |
사업명 |
특정기초연구지원 |
DB 구축일자 |
2015-01-08
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키워드 |
$LiNi_{1-x}M_xO_2$.고용량·고성능.치환원소의 산화상태 및 이온크기의 효과.합성 최적조건.연소법 에멀젼법 기계적 혼합 + 고상법.충·방전 속도.$LiNi_{1-x}M_xO_2$.large capacity·good cycling performance.effects of oxidation state and ionic size.optimum conditions for synthesis.combustion method emulsion method mechanical mixing + solid-state method.rate capability.
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초록
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$LiNiO_2$의 전기화학적 특성에 미치는 치환원소의 산화상태의 효과를 연구하기 위하여 연소법, 에멀젼법, 기계적 합금 + 고상법으로 $LiNi_{1-x}M_xO_2$(x=0.000-0.100)의 M으로서 $Zn^{2+}$, $Al^{3+}$, $Ti^4+$를 치환하고, 치환원소의 이온 크기의 효과를 연구하기 위하여 Ga, In, Tl을 치환하여 전기화학적 특성을 조사한다. 치환원소의 산화상태 및 이온크기의 효과를 규명하고 고용량·고
$LiNiO_2$의 전기화학적 특성에 미치는 치환원소의 산화상태의 효과를 연구하기 위하여 연소법, 에멀젼법, 기계적 합금 + 고상법으로 $LiNi_{1-x}M_xO_2$(x=0.000-0.100)의 M으로서 $Zn^{2+}$, $Al^{3+}$, $Ti^4+$를 치환하고, 치환원소의 이온 크기의 효과를 연구하기 위하여 Ga, In, Tl을 치환하여 전기화학적 특성을 조사한다. 치환원소의 산화상태 및 이온크기의 효과를 규명하고 고용량·고성능을 가진 적은 치환량의 $LiNi_{1-x}M_xO_2$ 전극을 개발한다.
제1차 년도에 LiNiO2와 LiNi1-yMyO2 (M = $Zn^{2+}$, $Al^{3+}$ and $Ti^{4+}$ , 0.005≤y≤0.100)의 합성과 전기화학적 특성을 연구하였다; 연소법, 에멀젼법, 기계적 혼합+고상법에 의한 $LiNiO_2$ 합성의 최적 조건을 결절하였다. 각각의 최적 합성법으로 합성한 시료들 중에서 연소법의 경우 $LiNi_{0.990}Ti_{0.01O}O_2$, 에멀젼의 경우 $LiNi_{0.990}Ti_{0.01O}O_2$, 기계적 혼합 + 고상법의 경우 $LiNi_{0.990}Ti_{0.025}O_2$가 가장 큰 초기 방전용량을 나타내었다. Ni의 일부를 $Zn^{2+}$, $Al^{3+}$, $Ti^4+$로 치환 하였을 때 Ni과 산화수가 비슷한 $Al^3+$를 치환하였을 경우 비교적 높은 방전용량과 우수한 사이클 특성을 나타내었다.
제2차 년도에는 $LiNi_{1-y}M_yO_2$ (M = Ga, In and Tl, 0.005?x?0.100)을 합성하고 전기화학 적 특성을 조사하였다; 연소법에 의한 합성 시, 여러 시료들 중에서, 이온 크기가 가장 작은 Ga를 치환한 $LiNi_{0.975}Ga_{0.025}O_2$가 초기방전용량 (172.2 mAh/g)도 비교적 크고 사이클 성능도 비교적 우수하였다. 이 시료는 모든 시료 중에서 가장 큰 $I_{003}$/$I_{104}$ 값을 나타내었다.
에멀젼번에 의한 $LiNi_{1-y}Ga_yO_2$의 최적의 합성조건은 700℃, 36 시간이었다. $LiNi_{1-y}M_yO_2$ 시료들 중에서, 이온 크기가 가장 작은 Ga를 치환한 $LiNi_{0.990}Ga_{0.010}O_2$가 가장 큰 초기 방전 용량(167.3 mAh/g)과 우수한 사이클 성능을 나타내었다. 기계적 혼합과 고상법 (1시간 밀링, 산소 분위기 750℃ 30h 하소)에 의하여 합성한$LiNi_{1-y}M_yO_2$ 시료들 중에서 Tl이 y=0.050 치환된 경우 179.8mAh/g의 가장 큰 초기 방전용량을 나타내었다
제3차 년도에는 고용량 고성능 양극재료 합성을 위한 최적 조건의 확립 및 전기화학적 특성을 연구하였다; 연소법에 의해 합성한 $LiNiO_2$ 시료에 대해 과잉 리튬 y를 첨가하여 사이클 성능을 조사하였는데, y=0.10 시료가 가장 높은 초기 방전용량 (195 mAh/g)을 보였다.
C-rate에 따른 초기 방전 용량의 변화를 조사하였는데, $LiNiO_2$와 $LiNi_{0.990}Ti_{0.010}O_2$의 경우, C-rate의 증가에 따라 초기 방전 용량이 비교적 서서히 감소하였다. 에멀젼법에 의한 $Li_{1+x}NiO_2$ (x=0.04, 0.08, 0.12, 0.16)의 최적의 합성조건은 750℃, 24 시간이었으며 최적 조성은 x=0.12인 Li1.12NiO2이었다. 기계적 혼합 + 고상법에 의해 합성한 시료들에 대해 C-rate가 충·방전 성질에 미치는 영향을 조사하였는데, LiNi0.975Al0.025O2가 C-rate 관계없이 비슷한 사이클 성능을 나타내었다. 충·방전 실험 전의 시료에 비하여, 충·방전 실험 후의 시료의 $I_{003}$/$I_{104}$ 값은 대체로 감소하였고 R-factor의 값은 증가하였다.
우수한 전기화학적 특성을 갖는 $LiNi_{1-x}M_xO_2$ 전극을 제작함으로써 큰 방전용량과 사이클 성능이 우수한 전극을 개발할 수 있었다. 본 연구를 통하여 $LiNiO_2$ 양극 활물질에 미치는 치환원소의 산화상태 및 이온 크기의 효과를 조사하고, 고용량?고성능을 가진 적은 치환량의 $LiNi_{1-x}M_xO_2$ 양극재료 합성을 위한 최적 조건을 찾았다. 본 연구의 결과는 Li 산화물 전극의 실용화를 위한 기초 자료로써 활용할 수 있으리라 생각된다. 본 연구의 수행은 리튬 2차 전지의 연구 인력 양성에 기여하였다.
Abstract
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To investigate the effects of the oxidation state of the substituents, $LiNi_{1-x}M_xO_2$ (x=0.000-0.100, M=$Zn^{2+}$, $Al^{3+}$,/tex>, $Ti^{4+}$) will be synthesized. To examine the effects of the ionic size of the substituents, $LiNi_{1-x}M_xO_2$(M=
To investigate the effects of the oxidation state of the substituents, $LiNi_{1-x}M_xO_2$ (x=0.000-0.100, M=$Zn^{2+}$, $Al^{3+}$,/tex>, $Ti^{4+}$) will be synthesized. To examine the effects of the ionic size of the substituents, $LiNi_{1-x}M_xO_2$(M=Ga, In, Tl) will be prepared. The effects of the oxidation state and the ionic size will be studied. $LiNi_{1-x}M_xO_2$ electrode(with small x's) with a large discharge capacity and a good cycling performance will be developed.
In the first year the syntheses and electrochemical properties of $LiNiO_2$ and $LiNi_{1-y}M_yO_2$ (M = $Zn^{2+}$, $Al^3+$and $Ti^4+$, 0.005≤y≤0.100) were studied. The optimum conditions for the synthesis of $LiNiO_2$ by the combustion method, the emulsion method and the mechanical grinding +solid state reaction method were determined. $LiNi_{0.990}Ti_{0.010}O_2$ among the samples synthesized by the combustion method, $LiNi_{0.990}Al_{0.010}O_2$ among those by the emulsion method and $LiNi{0.975}Al_{0.025}O_2$ among those by the mechanical grinding +solid state reaction method had the highest first discharge capacities.
Among the samples Ni of which is substituted by $Zn^{2+}$, $Al^3+$ and $Ti^{4+}$, the sample substituted by $Al^{3+}$, which has the same oxidation number as Ni, showed relatively high discharge capacity and excellent cycling performance.
In the second year $LiNi_{1-y}M_yO_2$ (M = Ga, In and Tl, 0.005?x?0.100) were synthesized and their electrochemical properties were studied. Among the samples synthesized by the combustion method $LiNi_{0.975}Ga_{0.025}O_2@, in which Ga with the smallest ionic size is substituted, had the highest discharge capacity (172.2 mAh/g) and relatively good cycling performance. This sample had the largest value of $I_{003}/I_{104}$.
The optimum synthesis temperature and time for $Ni_{1-y}Ga_yO_2$ by the emulsion method were 700℃ and 36 h, respectively. Among $LiNi_{1-y}M_yO_2$ samples by the emulsion method $LiNi_{0.990}Ga_{0.010}O_2$, in which Ga with the smallest ionic size is substituted, had the highest discharge capacity (167.3 mAh/g) and good cycling performance. Among the $LiNi_{1-y}M_yO_2$ samples synthesized by the mechanical grinding +solid state reaction method (milling 1 h, and calcination in O2 stream at 750℃ for 30h), $LiNi_{0.950}Tl_{0.050}O_2$ showed the highest discharge capacity (179.8mAh/g).
In the third year, the optimum conditions for the synthesis of cathode materials with large discharge capacity and excellent cycling performance were established, and electrochemical properties were studied. Among the samples $Li_{1+y}NiO_2$ with excess $Li_y$ synthesized by the combustion method, the sample $Li_{1.10}NiO_2$ had the highest first discharge capacity (195 mAh/g). The variations of the first discharge capacity with C-rate were investigated. $LiNiO_2$ and $LiNi_{0.990}Ti_{0.010}O_2$ showed slow decrease in the first discharge capacity with C-rate. The optimum synthesis conditions for $Li_{1+x}NiO_2$ (x=0.04, 0.08, 0.12, 0.16) by the emulsion method were the synthesis temperature of 750℃ and the synthesis time of 24 h, and the optimum value of excess Li y was 0.12. The effects of C-rate on the charge-discharge properties of the samples synthesized by the mechanical grinding + solid state reaction method were studied. $LiNi_{0.975}Al_{0.025}O_2$ showed similar cycling performances irrespective of C-rate. The samples after charge-discharge cycling had smaller values of $I_{003}/I_{104} in general, and larger values of R-factor than the samples before charge-discharge cycling.
By preparing the electrodes of $LiNi_{1-x}M_xO_2$ with excellent electrochemical properties, a electrode with a large discharge capacity and a good cycling performance is developed. The effects of the oxidation state and the ionic size of the substituents on the electrochemical properties of $LiNiO_2$ are explained and the optimum conditions for the syntheses of $LiNi_{1-x}M_xO_2$ electrodes are established.
These results can be used as basic data for the application of Li oxide electrode.
This work contributed to the education of manpower for the research in the field of Li-ion secondary battery.
목차 Contents
- Ⅰ. 연구계획 요약문...3
- 1. 국문요약문...3
- Ⅱ. 연구결과 요약문...4
- 1. 국문요약문...4
- 2. 영문요약문...5
- Ⅲ. 연구내용...6
- 제1장 서론...6
- 제2장 연구방법 및 이론...9
- 제3장 결과 및 고찰...11
- 제4장 결론...96
- 제5장 인용문헌...100
- 제6장 연구 성과...103
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