유기물 첨가를 통한 리튬계 금속산화물의 구조제어 및 그에 따른 전기화학적 특성

Abstract

1990년대 초반부터 본격적으로 상용화되기 시작한 리튬이온 배터리는 우리의 실생활과 산업분야에서 다양한 용도로 활용되고 있다. 리튬이온 배터리가 상용화되기 전 주로 사용하였던 니켈-카드뮴 전지나 납축전지에 비해서 리튬이온 배터리는 우수한 전기화학적 성능, 높은 에너지 밀도, 비메모리 효과, 긴 수명주기, 높은 전압으로 인한 높은 출력 구현, 환경 친화적과 같은 장점을 가지고 있다. 이러한 많은 장점으로 인해 리튬이온 배터리는 오늘날까지 활발한 연구가 이루어지고 있는 중이고, 앞으로도 실생활과 산업이 요구하는 성능에 맞춰가기 위해 더욱 많은 연구가 필요하다고 볼 수 있다. 리튬이온 배터리는 크게 양극, 음극, 전해질의 3가지 기본 요소로 구성되어 있다. 일반적으로 음극은 탄소계열의 물질을 사용하고 전해질은 리튬염을 유기용매에 용해시킨 형태를 사용한다. 음극은 양극에 비해 매우 높은 비축전용량을 갖기 때문에 리튬이온 배터리의 전체적인 비축전용량은 양극의 비축전용량에 의해 결정된다고 볼 수 있다. 리튬이온 배터리의 초기단계부터 지금까지 가장 많이 사용된 양극 활물질로는 리튬-코발트 산화물을 꼽을 수 있다. 리튬-코발트 산화물은 우수한 전기화학적 성능을 가지면서도 제조법이 간단하여 대량생산이 쉽다는 장점으로 인해 리튬이온 배터리의 양극 활물질로서 가장 흔하게 사용되었다. 그러나 코발트의 비교적 높은 단가와 코발트가 갖는 특유의 독성은 리튬-코발트 산화물의 경제적, 환경적인 단점으로 지적되어 왔으며 이를 개선하기 위한 방법으로서 니켈, 망간과 같은 전이금속을 배합하여 리튬-니켈코발트망간 4종 금속산화물을 만드는 방법이 제안되었다. 리튬-니켈코발트망간 산화물은 니켈의 고용량 특성, 코발트의 우수한 전기화학적 특성, 망간의 안정성과 같은 각 전이금속이 배터리에서 갖는 장점을 취합하였다는 특징이 있으며 기존의 리튬-코발트 산화물과 맞먹는 전기화학적 특성을 가지면서도 가격적인 측면에서 좀 더 유리하다는 장점을 가지고 있다. 따라서 리튬-니켈코발트망간 4종 금속산화물을 제작할 때 배터리의 어느 특성에 초점을 맞추느냐에 따라 전이금속의 배합이 달라지게 된다. 본 연구에서는 배터리의 고용량 특성에 초점을 맞추어 니켈의 비율을 상대적으로 높여서 리튬-니켈코발트망간 산화물을 제작하였으며, 또한 제작 과정에서 양이온 계면활성제의 한 종류인 Cetyl trimethylammonium bromide (CTAB) 을 첨가하여 리튬-니켈코발트망간 산화물의 morphology 변화를 유도하였다. CTAB이 리튬-니켈코발트망간 산화물의 morphology에 어떠한 영향을 주는지와 그러한 morphology의 영향으로 인하여 전극으로 제작하였을 때 어떠한 전기화학적 특성을 나타내는지에 대하여 연구하였다. 제작된 리튬-니켈코발트망간 산화물의 결정구조 분석을 위해 X-ray 회절분석(XRD), morphology를 관찰하기 위해 전자주사 현미경(SEM)과 투과전자현미경 (TEM)을 사용하였고 전기화학적 분석을 위해 대시간전위차법 (charge - discharge)과 전극의 수명특성 분석을 위해 life-cycle test를 실시하였다.|Since the early 1990s, lithium ion battery was developed and commercialized rapidly. Because lithium ion battery has many advantage such as superior electrochemical characteristic, safeness, cost-effectiveness and environmentally-friendlyness than traditional battery. LiCoO2 is one of the first commercial lithium-ion battery cathode materials due to its easy production process, mass production and superior electrochemical properties. But LiCoO2 has some challenges such as toxicity, high prices and limited application because of the scarce cobalt resources. Also, LiCoO2 has a high theoretical capacity of 274 mAh/g but the practically attainable capacity is limited to about 150 mAh/g because of its phase transformation. To overcome these problems of LiCoO2, alternate lithium ion battery cathode materials have researched with superior electrochemical properties, cheap, safe and non-toxic to replace LiCoO2. LiNixCoyMn1-x-yO2 is one kind of the alternative cathode material which contains advantage of LiNiO2, LiMnO2 and LiCoO2. LiNiO2 has good capacity characteristic, LiMnO2 shows good safety characteristic and LiCoO2 has good reversibility. LiNixCoyMn1-x-yO2 received much attention because it includes all advantages of LiNiO2, LiMnO2 and LiCoO2. In this study, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 was prepared by a co-precipitation method with cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) as a organic additive. The morphology and electrochemical feature of LNCMO - CTAB was studied by X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) and chronopotentiometry. The LNCMO - 2 CTAB shows the discharge capacity of 138.2 mAh/g at 1 C between 2.8 V and 4.3 V and LNCMO - 5 CTAB shows 80.63% capacity retention after 30 cycles at 1 C. This is better than LNCMO bare. It is considered that CTAB can help forming a stable mixed layer structure of LNCMO. But as seen in the charge-discharge test and life cycle test result, further study is necessary for optimization of LNCMO - CTAB ratio. These results suggest that LNCMO - CTAB has possibility of important application for lithium ion battery cathode materials.; Since the early 1990s, lithium ion battery was developed and commercialized rapidly. Because lithium ion battery has many advantage such as superior electrochemical characteristic, safeness, cost-effectiveness and environmentally-friendlyness than traditional battery. LiCoO2 is one of the first commercial lithium-ion battery cathode materials due to its easy production process, mass production and superior electrochemical properties. But LiCoO2 has some challenges such as toxicity, high prices and limited application because of the scarce cobalt resources. Also, LiCoO2 has a high theoretical capacity of 274 mAh/g but the practically attainable capacity is limited to about 150 mAh/g because of its phase transformation. To overcome these problems of LiCoO2, alternate lithium ion battery cathode materials have researched with superior electrochemical properties, cheap, safe and non-toxic to replace LiCoO2. LiNixCoyMn1-x-yO2 is one kind of the alternative cathode material which contains advantage of LiNiO2, LiMnO2 and LiCoO2. LiNiO2 has good capacity characteristic, LiMnO2 shows good safety characteristic and LiCoO2 has good reversibility. LiNixCoyMn1-x-yO2 received much attention because it includes all advantages of LiNiO2, LiMnO2 and LiCoO2. In this study, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 was prepared by a co-precipitation method with cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) as a organic additive. The morphology and electrochemical feature of LNCMO - CTAB was studied by X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) and chronopotentiometry. The LNCMO - 2 CTAB shows the discharge capacity of 138.2 mAh/g at 1 C between 2.8 V and 4.3 V and LNCMO - 5 CTAB shows 80.63% capacity retention after 30 cycles at 1 C. This is better than LNCMO bare. It is considered that CTAB can help forming a stable mixed layer structure of LNCMO. But as seen in the charge-discharge test and life cycle test result, further study is necessary for optimization of LNCMO - CTAB ratio. These results suggest that LNCMO - CTAB has possibility of important application for lithium ion battery cathode materials.