Quenching 후처리 공정을 통한 OLO 양극재의 용량 향상

Abstract

이차전지는 충전과 방전이 반복되며 전기 에너지를 저장하고 공급하는 장치로, 화학 반응을 기반으로 한다. 대표적인 이차전지로는 리튬이온 전지가 있다. 1991년 일본 SONY 그룹에 의해 LiCoO2 양극과 흑연 음극을 사용한 리튬이온전지의 상용화가 이루어진 후 20년간 빠르게 발전되어왔다. 지금까지도 리튬이차전지 시장은 지속적인 성장을 하고있다. 전기자동차 (Electric Vehicles, EV)의 급격한 증가, 이동형 전자 기기의 보급 확대, 에너지 저장 시스템의 수요 등이 리튬이차전지 시장을 촉진하고 있다. 또한 전 세계적으로 대기 중의 탄소 배출 감소를 위한 노력과 함께, 친환경적이고 효율적인 에너지 저장 솔루션으로서의 역할이 강조되고 있다. 전기자동차 시장은 전 세계적으로 에너지 효율성에 대한 관심 증가로 인해, 전동 차량의 채택이 늘어나고 있다. 이는 리튬이차전지의 수요를 증가시키는 주요 요인 중 하나이다. ESS시장 또한 큰 시장 중 하나로, 재생 에너지의 보관 및 사용을 위한 에너지 저장 시스템이 증가하고 있다. 태양광 및 풍력 발전소에서 생성된 전기를 효과적으로 저장하고 사용하기 위해 연구 개발이 계속되고있는 시장 중 하나이다. 소비자들은 더 높은 에너지 밀도, 더 긴 수명, 빠른 충전 속도 등을 포함한 고급 속성을 요구하고 있다. 이를 충족시키기 위한 기술 개발 및 연구가 계속되고 있다. 이처럼 고용량 및 긴 사이클 성능에 적합한 양극 소재가 요구됨에 따라, 고에너지밀도를 갖는 과리튬 산화물 (OLO)이 새로운 소재로 주목받고 있다. 과리튬산화물 (OLO)은 높은 에너지 밀도를 가지고있어 전지의 용량이 크고 에너지 저장 능력이 우수하다. 뿐만 아니라 화학적으로 안정적이며 상대적으로 저렴한 생산 비용을 가진다는 장점이있다. 그러나 과리튬 산화물의 구조는 사이클링동안 스피넬 구조로 바뀐다. 이는 용량감소 및 전압 감소에 영향을 미친다. 또한 일반적으로 고온이나 고전류 조건에서 사용될 때 순환 수명이 감소하여 전지의 수명이 단축될 수 있다. 높은 전압에서 충전 및 방전이 진행될 때 열 발생, 가스 방출 등의 안정성 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 연구자들은 표면 코팅, 원소 도핑 및 입자크기 최적화 방법을 연구하였다. 과리튬 산화물 합성법으로는 고체 상 반응법 (Solid-State Reaction), 수화법 (Hydrothermal Synthesis), 용해법 (Sol-Gel Method)의 합성법이 있다. 각각의 합성법은 장단점이 있으며, 사용 목적이나 생산 공정에 따라 선택하여 사용되고있다. 본 연구에서는 을 적용한 OLO 본 연구에서는 고순도 및 균일한 입자크기를 가질 수 있으며 대량 생산에 용이한 용해법을 사용하여 과리튬 산화물을 합성하였다. FE-SEM, FE-TEM 분석을 통해 제조한 양극활물질의 물성분석을 진행하였고, XRD 분석 및 XPS 분석을 통하여 구조적 특성을 분석하였다. 이후 전기화학적 성능 평가를 위해 코인셀 제조 후 충방전실험을 진행하였다. 본 연구에서는 이러한 결과를 통해 액체질소를 사용한 냉각 방법이 OLO의 성능 특성 향상에 영향을 미친다는 것을 제안한다.|A secondary battery is a device that stores and supplies electrical energy by repeating charging and discharging, and is based on a chemical reaction. Representative secondary batteries include lithium ion batteries. It has developed rapidly for 20 years after commercialization of lithium ion batteries using LiCoO2 cathode and graphite anode by the SONY group in Japan in 1991. Until now, the lithium secondary battery market is continuously growing. The rapid increase in electric vehicles (EVs), the expansion of the spread of mobile electronic devices, and the demand for energy storage systems are promoting the lithium secondary battery market. In addition, efforts to reduce carbon emissions in the atmosphere around the world are being emphasized, and their role as an eco-friendly and efficient energy storage solution. In the electric vehicle market, the adoption of electric vehicles is increasing due to the increasing interest in energy efficiency worldwide. This is one of the main factors that increase the demand for lithium secondary batteries. The ESS market is also one of the large markets, and energy storage systems for the storage and use of renewable energy are increasing. It is one of the markets where research and development continues to store and use electricity generated by solar and wind power plants effectively. Consumers are demanding advanced attributes including higher energy density, longer lifespan, and fast charging speed. Technology development and research are continuing to satisfy this. As such an anode material suitable for high capacity and long cycle performance is required, overlithiated oxide (OLO) having high energy density is attracting attention as a new material. OLO has high energy density, so it has a large battery capacity and excellent energy storage capacity. In addition, it has the advantage of being chemically stable and having relatively low production costs. However, the structure of overlithiated oxide changes to a spinel structure during cycling. It affects capacity reduction and voltage reduction. In addition, when used under high temperature or high current conditions, the circulation life may be reduced, thereby shortening the life of the battery. When charging and discharging proceeds at high voltages, stability problems such as heat generation and gas release may occur. To solve this problem, researchers studied surface coating, elemental doping, and particle size optimization methods. Overlithiated oxide synthesis methods include solid-state reaction, hydrothermal synthesis, and sol-gel method. Each synthesis method has advantages and disadvantages, and is selected and used according to the purpose of use or production process. OLO to which this study applied In this study, overlithiated oxide was synthesized using a dissolution method that can have high purity and uniform particle size and is easy for mass production. Physical properties of the anode active material prepared through FE-SEM and FE-TEM analysis were analyzed, and structural characteristics were analyzed through XRD analysis and XPS analysis. Afterwards, for the evaluation of electrochemical performance, charge and discharge experiments were conducted after coin cell production. In this study, we propose that the cooling method using liquid nitrogen affects the improvement of the performance characteristics of OLO through these results.