LiMn₂O₄와 LiNi⅓Co⅓Mn⅓O₂가 혼합된 리튬이온 전지용 양극활물질의 전기화학적 특성

Abstract

초음파분무열분해법으로 제조한 LiNi⅓Co⅓Mn⅓O₂ 양극 활물질과 상용화된 스핀넬상의 양극 활물질 LiMn₂O₄를 무게비로 4:6이 되도록 혼합하여 만든 복합 양극 활물질의 전기화학적 특성을 조사하였다. 또한 이 복합 양극 활물질의 전기화학적 특성에 미치는 알루미나 코팅의 영향을 분석하였다. LiNi⅓Co⅓Mn⅓O₂합성을 위한 출발물질로는 LiNO₃, Ni(NO₃)₂·6H₂O, Co(NO₃)₂·6H₂O, Mn(NO₃)₂·6H₂O를 사용하였다. LiMn₂O₄는 Mn 대신 Zr이 일부 치환된 상온 3.2~4.5V에서 가역용량이 110mAh/g인 일본 Nikki사의 제품을 사용하였다. 복합 양극 활물질을 이용하여 상대극에 흑연을 사용한 full cell과 리튬 금속을 사용한 half cell을 제조하여 상온 (30℃)과 고온 (55℃)에서 3.2~4.5V의 전압으로 충·방전 특성을 조사하였다. 그 결과 복합 양극 활물질을 사용한 half cell의 3.2~4.5V, 상온에서의 초기가역용량은 스핀넬만을 사용한 경우의 110mAh/g보다 23% 증가한 135mAh/g이었으나, full cell의 경우는 스핀넬만 사용한 경우의 80mAh/g에서 50% 증가한 120mAh/g으로 증가하였다. 또한 측정온도가 55℃의 경우는 스핀넬만을 사용한 경우의 70mAh/g에서 123mAh/g으로 더 많은 증가를 보였다. half cell의 경우 상온에서의 싸이클 특성은 스핀넬만을 사용한 경우가 혼합분말보다 우수하였다. 그러나 full cell의 경우는 스핀넬만 사용한 경우 3.2~4.5V, 상온에서 50회 싸이클 후의 용량 보존율이 77%인데 비하여 혼합분말은 88%의 높은 용량 보존율을 나타내었다. 한편 알루미늄을 코팅한 경우 LiNi⅓Co⅓Mn⅓O₂에서는 싸이클 특성이 향상되었으나 스핀넬의 경우는 싸이클 특성이 향상되지 않았다.; The electrochemical properties were studied on the mixed cathode material, LiMn₂O₄ and LiNi⅓Co⅓Mn⅓O₂ at a weight ratio of 4:6 purchased from Nikki Co. Ltd. LiMn₂O₄ was a commercialized one and LiNi⅓Co⅓Mn⅓O₂ was synthesized from its metal nitrate solution by ultrasonic spray pyrolysis method. The effect of Al₂O₃ coating of the mixed cathode material on cycle stability was also studied. The spinel LiMn₂O₄ powder had a discharge capacity of 110 mAh/g in the voltage range of 3.2~4.5V at room temperature. Full cells with graphite and half cells with lithium foil as counter electrodes were assembled. Reversible capacities of the cells as a function of charge/discharge cycles was measured in a voltage range of 3.2~4.5V at both 30 and 55℃. The initial capacity of half cell with the mixed powder was 135 mAh/g at 30℃, which was higher than that with only LiMn₂O₄ by 23%. Furthermore, the capacity of the full cell with the mixed powder was higher by 50% than that with LiMn₂O₄. The full cells tested at 55℃ also showed large difference in the capacity; 70 mAh/g for LiMn₂O₄ and 123 mAh/g for the mixed powder, respectively. In the case of half cell the cycle stability was better for the cells with only LiMn₂O₄ than those with the mixed powder. However, in the case of full cells, capacity retention of cells with the mixed powder was higher than that with LiMn₂O₄, 88% for the former and 77% for the later after 50 cycles. Al₂O₃ coating improved the cycle performance of the cells assembled with LiNi⅓Co⅓Mn⅓O₂ but not with LiMn₂O₄.