미세구조 제어를 통한 고성능 리튬이온전지용 고니켈계 Li[Ni0.94Co0.03Mn0.02Al0.01]O2 층상계 양극소재 개발

Abstract

지난 30년 동안 재충전이 가능한 다양한 에너지 저장 기술이 제안되었으나, 리튬이온 배터리(Lithium-Ion Battery, LIB)는 뛰어난 신뢰성과 높은 에너지 밀도로 휴대용 에너지원의 산업 표준으로 자리매김했다. 현재 LIB는 개인 전자기기, 전동 도구, 스마트 그리드, 그리고 전기 자동차를 포함한 다양한 응용 분야에서 널리 활용되고 있다. 그러나 전 세계 전기 자동차 시장의 성장에 따라 LIB 사용은 새로운 과제에 직면하고 있다. 비용, 충전 효율, 주행 거리, 열 안정성, 배터리 수명 등의 문제가 제기되고 있는데, 이러한 문제들은 주로 LIB의 양극과 관련이 깊다. 따라서 이러한 문제들을 해결하기 위해 고성능 양극 재료에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 고니켈계 양극 재료인 Li[Ni1−x−yCox(Mn및/또는Al)y]O2(NCM, NCA, NCMA)는 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 전기 자동차용 배터리에 유망한 소재로 평가되고 있다. 실제로 층상구조를 갖는 고니켈계 양극재는 전기 자동차용 배터리에 광범위하게 적용되고 있으며, 더 긴 주행 거리를 갖기 위해 제조업체들은 Ni 함량이 90 %이상인 양극을 고려하고 있다. 그러나 Ni 함량이 증가함에 따라 생기는 고유한 구조적 불안정성으로 인해 전기 자동차용 배터리 적용이 제한되고 있다. 이를 해결하기 위해 산업 및 학계의 많은 연구자들은 다양한 전략을 모색했다. 그 중 도핑은 고니켈계 양극재의 안정성을 향상시키는 효과적인 전략 중 하나이다. 도핑은 소성 전에 양극 전구체에 적절한 도펀트를 혼합하여 이루어지며 미량의 도펀트로도 사이클링 성능이 상당히 향상될 수 있다는 장점을 가지고 있어, 상업적으로 적용 가능한 고니켈계 층상구조 양극 재료를 제조하기 위한 유망한 전략으로 간주되고 있다. 하지만 양극재에 도핑을 통해 사이클링 성능을 향상시키는 것은 쉽지 않으며, 도핑 변수와 조건을 주위 깊게 조정해야 한다. 본 연구에서는 고 산화가수를 가지는 Molybdenum(Mo)을 Ni 함량이 94 %로 이루어진 Li[Ni0.94Co0.03Mn0.02Al0.01]O2(NCMA94) 양극재에 적용하는 최적화된 방법을 제시하고, 고니켈계가 갖는 구조적 불안정성을 해결해 전기화학 성능을 향상시켰다. 그리고 NCMA94와 Mo-NCMA94 소재가 갖는 형태학적 특성, 결정성 및 기타 특성에 대한 비교 분석을 통해 Mo-NCMA94 소재의 우수한 성능 및 제조 용이성을 입증하여 전기 자동차용 고성능 배터리에 적용 가능한 소재를 제시하였다.