리튬이온이차전지용 층상양극재료 제조 및 전기화학적 성능향상에 관한 연구

Abstract

최근 소형 리튬이온이차전지를 사용하는 휴대폰, PDA, 노트북의 성능이 비약적으로 향상되고 내연 엔진과 배터리 엔진이 조합된 하이브리드전기자동차(hybrid electric vehicle)를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행됨에 따라, 고용량이면서 고율방전특성이 우수한 리튬이온이차전지의 개발이 절실하게 요구되고 있다. 양극활물질의 충진밀도와 충방전 전위를 높이면, 단위부피에서 더 많은 양의 리튬이온을 탈/삽입 시킬 수 있어 리튬이온이차전지를 고용량화 시킬 수 있다. 뿐만 아니라 입자 크기가 작은 양극활물질을 사용하면, 고율방전특성을 얻을 수 있다. 그러나 충방전 전위가 높아지고 입자가 작아지면 상대적으로 싸이클 특성이 저하되는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 초음파분무열분해법으로 LiCoO2, Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2를 합성하여 구형이면서 입경이 1㎛ 내외인 작은 입자를 제조하였다. 또한 양극활물질의 입경이 작고 충방전 전압이 높은 경우에 발생하는 싸이클 특성 저하 문제를 해결하기 위하여 양극활물질에 Zr 또는 Al을 일부 치환시키거나 또는 금속산화물(Al2O3, MgO)로 표면 개질 시켜 가역용량과 구조안정성을 동시에 개선하였다. 그 중에서 LiCoO2에 Zr과 Mg를 동시 치환하였을 때, 싸이클 특성과 고율방전성이 가장 향상되는 것을 알았다. 고율특성향상의 메카니즘은 EXAFS(extended x-ray absorption fine structure)를 이용하여 Co와 주변원소의 거리를 분석하고 XRD(X-ray diffraction)와 NEXAFS(near edge x-ray absorption fine structure)분석에서 Li slab이 c축으로 증가하여 Li이온의 이동성을 용이하게 만들기 때문이라는 것을 확인하였다.; Recently, lithium ion secondary batteries with high energy density are required desperately for newly developed IT equipments such as cellular phone, PDA, and notebook. Their energy and power density are mostly determined by the characteristics of cathode materials because the amount of reversible lithium ions in cathode materials is very important in their capacity. There are several ways to improve the capacity in lithium-ion secondary batteries. If the cut-off voltage increases from 3.0 - 4.2 V to 3.0 - 4.5 V, much more lithium ions will be extracted from cathode materials, resulting in improving the capacity. Higher packing density of cathode material is also a simple way to enhance the capacity of batteries. The cathode with small particle size could enhance the rate performance of lithium-ion batteries by reducing the distance of lithium-ion path. In this study, LiCoO2 and Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2 powders were synthesized using ultrasonic spray pyrolysis method by controling the particle size and shape. Zr or Al elements were substituted with transition metal in LiCoO2 and Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2. The substitution could enhance the reversible capacity, rate performance and cycle stability of cathode materials. The improvement of rate performance was found to be due to the expansion of lattice parameter of c-axis, in particular the enlargement of Li slab, resulting from the EXAFS(extended x-ray absorption fine structure)analysis.