Zr과 B의 multi-doping을 통한 리튬이차전지용 양극 소재 Li[Ni0.885Co0.100Al0.015]O2의 수명 특성 향상

Abstract

Zr and B co-doped Ni-rich Li[Ni0.885Co0.100Al0.015]O2 cathode shows extraordinarily stable cycle performance. The Li[Ni0.885Co0.100Al0.015]O2 cathode doped with 0.3 mol% Zr and 1.5 mol% exhibits a remarkable long-term cycling by retaining 95% of its initial capacity even after 1000 cycles whereas the pristine Li[Ni0.885Co0.100Al0.015]O2 cathode retains only 62% after 500 cycles. The unprecedented long-term cycling stability of the co-doped Li[Ni0.885Co0.100Al0.015]O2 cathode is attributed to the microstructure modification that inhibits microcrack propagation in the deeply charged state. Although the proposed cathode may not be an ideal cathode for a high-end EV because of its inferior rate capability, the codoped Li[Ni0.885Co0.100Al0.015]O2 is well suited for applications where power demand is moderate and battery life and cost are critical. Moreover, the proposed cathode suggests that appropriate microstructure modification can be effectively resolve the inherent capacity fading of Ni-rich layered cathodes, providing the material design guidelines for the next generation high-performance LIBs.|본 연구에서는 Li[Ni0.885Co0.100Al0.015]O2 양극에 Zr과 B을 같이 도핑하여 수명 성능을 크게 안정시키는 결과를 얻었다. 연구에 사용한 기존 양극 소재는 500싸이클 이후엔 초기용량의 62% 밖에 남지 않았지만, 0.3 mol% Zr과 1.5 mol% B을 같이 도핑한 후에 1000싸이클 이후에도 초기용량의 95% 이상을 유지했다. Co-doping 처리를 한 양극의 놀라운 수명성능은 microstructure의 개질로 인한 microcrack의 형성 억제에 기인한다. Zr 이온은 도핑 시 Li site에 위치하여 전지반응에 참여하지 않고, 충전 상태에서의 소재 lattice 구조를 안정화하는 역할을 하며, B 이온은 rod-shape의 1차 입자를 형성하여 충방전시 내부 부피변화로 생기는 microcrack의 형성을 억제하고 전해액의 침투를 막는다. 이 두가지 dopant에 대해서 도핑 기술과 원소 비율을 최적화하여 최적의 수명특성과 열안정성을 보이는 결과를 얻어내었고, 그 과정과 결과를 소개하고자 한다.