Aerosol Flame Deposition(AFD)법에 의한 리튬 이온 이차전지용 LiCoO₂ 양극활물질 나노분말 제조에 관한 연구

Abstract

최근 전자, 통신, 컴퓨터산업의 급속한 발전과 전자기기의 소형화 고집적화에 따라 마이크로 시스템 분야에 대한 수요가 급증하고 있다. 이러한 전자기기의 소형화 및 경량화를 위한 이차전지의 소형화 및 경량화 대한 연구뿐만 아니라 고성능의 이차 전지에 대한 연구도 증가하였다. 현재 박막형 전지에서뿐만 아니라 분말형태의 리튬 이온 이차전지에서는 작동전압이 높고 긴 수명을 가지며 높은 단위용량을 가진 것이 입증된 LiCoO₂를 가장 많이 사용하여 왔다. 본 연구에서는 새로운 합성방법인 Aerosol Flame Deposition(AFD)법을 이용하여 LiCoO₂ 나노 분말을 합성하였으며 여러 조건에서 합성된 나노 분말은 기본적인 분말 및 전기 화학적 특성분석을 위해 사용되었다. LiNO₃와 Co(CH₃COO)₂를 메탄올에 용해시켜 0.1mol의 수용액을 제조하였다. 제조된 수용액을 초음파 분무 장치에서 미세한 증기 형태로 기화시켜 산소·수소로 이루어진 불꽃에 분사시켜 불꽃반응에 의하여 나노입자의 분말로 형성되었다. 형성되어진 분말은Li₂CO₃, CoCO₃, Co₃O₄로 이루어져 있으며 열처리 과정을 거치면서 LiCoO₂로 합성 되었다. 얻어진 분말의 크기는 수십나노 크기였으며 열처리 과정을 거치면서 결정성장이 일어나 그 크기가 조금씩 커지는 것을 관찰 할 수 있었다. 수소가스 흐름의 양을 달리하여 합성되어진 LiCoO₂ 는 그 크기에서는 큰 차이를 보이지 않았으나 전기화학적 특성을 분석해 본 결과 수소의 흐름이 2.5 ℓ/min 일때 가장 안정한 사이클 특성을 보였으며 가장 높은 초기용량인 144mAh/g로 나타내었다. 연구의 목적은 LiCoO₂를 다른 합성법보다 쉽고 간단한 공정조건과 낮은 가격으로 합성하는 방법으로서 나노입자의 LiCoO₂을 Aerosol Flame Deposition법에 의해 합성하는 방법을 제공하는데 있다.; Crystalline LiCoO₂ nano-particles for thin film battery were synthesized and deposited by Aerosol Flame Deposition (AFD). The aqueous precursor solution of the lithium nitrate and cobalt acetate was atomized with an ultrasonic vibrator and subsequently carried into the central tube of the torch by flowing dry Ar gas. LiCoO₂ were formed by oxy-hydrogen flame and deposited on a substrate placed in a heating stage. The deposited soot film composed of nano-sized particles was subsequently consolidated into a dense film by high temperature heat treatment at 500°C to 800°C for 5hrs and characterized by SEM, TEM, XRD, TG and Raman spectroscopy. The crystalline carbonates and oxide were first formed by the deposition and the subsequent heat treatment converted those to LiCoO₂. The FWHMs of the XRD peaks were reduced and their intensity increased as the heat treatment temperature increased, which is due to improved crystallinity. When judged from the low enough cation mixing and well developed layered structure, it is believed that the LiCoO₂ film satisfied the quality standard for the real application. SEM measurements showed that LiCoO₂ were nano-crystalline structure with the average particle size＜70nm and the particle size increased with the increase of heat treatment temperature. The thickness of thin film LiCoO₂ before the consolidation process was about 15 μm and reduced to about 4 μm after sintering. The flow rate of H2 flame gas was discovered to have influenced the phase composition in the as-deposited soot. The electrochemical performance of synthesized nano powders was investigated using 2032 coin type cell. LiCoO₂ nano powder synthesized at an H2 flow rate of 2.5 ℓ /min sintered at 700°C for 5 hrs showed a first discharge capacity of 144mA h/g and good rechargeability in Li // 1M LiPF6-EC / DEC // LiCoO₂ cells cycled between 3.0 and 4.3 V.