리튬이차전지용 양극 소재 Li[Ni0.885Co0.100Al0.015]02 의 B, Ga co-doping을 통한 전기화학적 특성 향상

Abstract

Li-ion 배터리용 양극 활물질인 Ni-rich 양극 소재에 다른 원소를 doping 한 선행 연구 중 산소와 높은 결합력을 갖는 Boron 을 doping 하여 Ni-rich 양극 소재 층상 구조의 표면 에너지와 1차 입자를 변화시킴으로써 우수한 성능을 가진 양극 소재를 제조 한 연구가 존재한다. 또한, 비교적 이온의 크기가 큰 Gallium을 NCM에 doping 하여 a축과 c축의 격자 상수 증가로 인한 Li 이온 diffusion channel의 증가로 성능을 개선시킨 연구가 진행 된 바 있다. 본 연구에서는 Ni-rich 양극 소재의 특성 향상을 위해 Ni-rich 양극 소재인 NCA89 (Li[Ni0.885Co0.100Al0.015]02)에 Gallium을 doping하여 성능 개선을 확인하였으며, 검증 된 doping 원소인 Boron과 Gallium을 co-doping하여 여러 실험을 통해 doping 비율을 최적화 하였다. 최적화 된 비율인 Boron 0.25mol%, Ga 0.75mol%를 doping 한 NCA89는 doping 하지 않은 NCA89와는 다른 미세구조를 보였으며, 0.5 C, 4.3 V 조건에서 207.2 mAh g-1의 방전 용량과 100사이클 동안 91.7%의 개선 된 수명 특성을 보였다, 또한, 충∙방전 과정 동안 양극의 구조적 안정성과 열적 안정성이 개선 되었다. 이번 실험 결과를 통하여 우수한 전기화학적 특성과 개선 된 구조적 안정성, 열적 안정성을 갖는 B0.25&Ga0.75-NCA89 는 미래에 높은 에너지 밀도를 요구하는 전기자동차에 적용 가능 한 물질이 될 수 있다는 결과를 얻어내었다.