리튬이차전지 양극소재 Li(Ni0.7Co0.2Mn0.1)O2의 Al2O3 코팅을 통한 전기화학적 특성 향상

Abstract

최근 이차전지를 이용한 전기 자동차 및 에너지 저장용 전지시장의 수요가 크게 증가하고 있어 고에너지 차세대 이차전지를 개발하는 것이 필수적이다. 고용량화와 함께 수반되어야 하는 특성으로서 높은 안전성 및 수명, 저렴한 가격 등의 특성도 요구되고 있다. 특히, 1990년대에 Sony사가 리튬이온전지의 양극재인 LiCoO2를 상용화한 이래로 현재까지도 지속적으로 사용하고 있으며, 현재 추세에 걸맞는 새로운 양극재를 개발하는데 박차를 가하고 있다. 이에 상응하는 물질로서 NCM이라고 불리는 LiNi1-xMxO2 (0≤x≤0.5, M=Co, Mn 등)가 있으며, 기존의 LCO보다 Ni의 함량을 높이고 Co 함량을 줄임으로써 친환경 및 저가격화의 장점을 지닌다. Ni 함량이 높아지면서 방전용량이 증가하는 장점이 있지만, 정량비대로 합성이 용이하지 않으며 Li+와 이온반경이 유사한 Ni2+가 충·방전 과정이 반복될수록 Cation mixing 현상이 발생하고 이로 인해 rock salt 구조를 형성하여 전기화학적 특성 저하를 발생시키는 문제점이 있다. 선행 연구를 통해 Ni-rich 양극소재의 문제점을 해결하고 특성을 향상시킬 수 있는 연구가 다양하게 진행되었고, 본 연구에서는 그 중에서도 양극소재의 표면 안정화 물질의 코팅을 통해 전지의 신뢰성 및 전기화학적 성능을 향상시키는 연구를 진행하였다. NCM의 합성방법으로는 저비용 및 대량생산이 가능한 공침합성을 진행하였고, 착화제로는 NH4OH를 사용하여 수 ㎛의 구형형상의 입자를 가진 Li(Ni0.7Co0.2Mn0.1)O2의 양극소재를 얻을 수 있었다. 이후 대표적인 코팅물질로 알려진 Al2O3를 이용하여 코팅하였으며, 그 함량을 1, 2, 5wt%로 점차 양을 증가시켜 실험을 진행하였다. 상기 방법을 통해 얻은 결과물을 소재 분석과 전기화학적 분석으로 나눠서 진행하고 pristine NCM과 Al2O3가 코팅된 NCM의 특성을 비교하였다. 먼저 화학 및 표면분석으로서는 SEM, SEM-EDS, ICP, TEM, XRD, BET를 사용하였고, 상기 분석을 통해 Al2O3가 NCM 전극 표면에 코팅이 된 것을 증명할 수 있었다. 전기화학적 특성 분석으로는 용량 및 율 특성 평가를 통해 전지가 가져야할 특성인 고용량 및 안정성에 대해서 해석을 진행하였다. 주목할 만한 결과로서 pristine NCM 대비 Al2O3가 1wt% 코팅된 소재가 5C에서 각각 80, 82%의 높은 용량 유지율을 보였고, 5C 이후 0.2C의 recovery 단계에서는 NCM+Al 1wt%가 100%의 용량 회복율을 나타내었다. 또한 100 cycle의 수명 특성에서도 NCM+Al 1wt%의 용량 감소가 완만하게 이뤄졌으며, 최종 100 cycle에서는 95% 이상의 용량 유지율을 확인 하였다. 본 논문에서는 단일 산화물이 아닌 안정화 물질이 코팅된 전극소재를 이용하여 이차전지 적용에 있어서 전기화학적 활성범위를 증대시키는 효과를 얻는 것과 더불어 시험기관의 특성을 활용하여 다양한 분석기기를 이용해 분석을 진행하고 다방면으로 해석하는 것을 목적으로 한다.; In recent years, demand for electric vehicles and energy storage batteries using secondary batteries has greatly increased, so it is essential to develop high-energy next generation secondary batteries. As a characteristic to be accompanied with high capacity, high safety, long lifespan, low cost and other characteristics are also required. In particular, since the commercialization of LiCoO2, a cathode material for lithium-ion batteries, in the 1990s, Sony continues to use it, and is accelerating the development of new cathode materials for today's trends. There are LiNi1-xMxO2 (0≤x≤0.5, M=Co, Mn, etc.) called NCM as the corresponding material and it has advantages of eco-friendliness and low price by increasing Ni content and reducing Co content compared to existing LCO I have. As the Ni content increases, the discharge capacity increases. However, the synthesis is not easy due to the quantitative increase. Ni2+, which has a similar ionic radius to Li+, forms a rock salt structure when the charging and discharging processes are repeated. There is a problem that electrochemical characteristics are deteriorated. In the present study, the surface of the anode material was coated with a stabilizing material to improve the reliability and the electrochemical performance of the Ni-rich anode material. In the study. NCM was synthesized by coprecipitation with low cost and mass production. NH4OH was used as a complexing agent and Li(Ni0.7Co0.2Mn0.1]O2 cathode material with spherical particles of several micrometers. Al2O3, which is known as a typical coating material, was coated by impregnation method and its content was gradually increased to 1, 2 and 5 wt%. The results obtained by the above method were divided into material analysis and electrochemical analysis, and the characteristics of NCM coated with pristine NCM and Al2O3 were compared. First, SEM, SEM-EDS, ICP, TEM, XRD, BET and PSA were used for chemical and surface analysis, and the analysis showed that Al2O3 was coated on the NCM electrode surface. In the electrochemical characterization, capacity and rate characteristics were evaluated and the capacity and stability of battery were analyzed. As a remarkable result, 1wt% coated Al2O3 compared to pristine NCM exhibited 80% and 82% retention rates at 5C, respectively, and 1% recovery at 0.2C after 5C showed 100%. In addition, capacity retention of 1% NCM + Al was gentle in 100 cycle life characteristics, and capacity retention of 95% or more was confirmed in the last 100 cycles. In this paper, the effect of increasing the electrochemical activity range in the application of the secondary cell by using the electrode material coated with the stabilizing material rather than the single oxide is obtained, It is intended to interpret it in various aspects.