리튬이차전지용 양극활물질 LiMn2O4의 금속산화물 코팅에 의한 전기화학적 특성에 관한 연구

Abstract

Part Ⅰ에서는 Nanowire MnO2 template를 이용하여 LiMn2O4 nanorod를 합성하였고 PVP(polyvinyl pyrrolidone)를 이용하여 ZrO2를 코팅하였다. 리튬 2차 전지의 양극물질 중 하나인 LiMn2O4는 저가의 재료와 열적 안정성 때문에 HEV용으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 충방전이 진행됨에 따라 용량감소가 생기며 특히 고온에서 이러한 현상이 심하게 일어난다. 그 이유로 전해액에서 생성 된 HF에 의한 스피넬 표면과의 반응에 의해 Mn이 용출되는 것으로 생각된다. 이를 해결하기 위해 LiMn2O4에 금속 산화물을 코팅하여 전해액과의 반응을 감소시키고자 하였다. 기존의 산화물 코팅법은 균일한 코팅층을 형성하는데 어려움이 있지만 PVP를 capping하여 코팅을 함으로써 ZrO2의 균일한 코팅 층을 형성할 수 있었고, 코팅 층의 두께도 조절할 수 있었다. 산화물이 코팅 되지 않은 것보다 1wt% ZrO2을 코팅한 것이 65℃에서 60% 향상된 용량 유지율을 보이고 있다. 이것은 산화물 코팅에 의한 Mn 용출을 제어하였고 Zr-Li-Mn-O 고용체의 코팅층에 의해 리튬이온의 확산을 가능하게 한 것으로 생각된다. Part Ⅱ에서는 나노입자의 LiMn2O4 에 나노미터 MgO 와 Al2O3를 PVP를 이용하여 코팅하였다. 비표면적인 큰 나노입자에 성공적으로 코팅을 할 수 있었고, PVP를 사용하지 않고 산화물이 코팅 된 스피넬에 비해 65℃에서 높은 용량 유지율을 보였다. 이 결과는 PVP에 의한 금속 산화물 코팅층이 나노입자 LiMn2O4 에 균일하게 형성되어 전해액과의 반응을 제어하였기 때문으로 생각된다.; In PART Ⅰ, we report a new coating method, PVP capping, which provides a uniform coating with facile thickness control, and we demonstrate its use for the coating of cathode nanoparticles. ZrO2-coated LiMn2O4 spinel nanoparticles with sizes < 100 nm demonstrate improved structural stability at 65℃ operating up to a 7 C rate cycling. Furthermore, we find that spinel nanorods split into nanoparticles with a uniform particle size of 100 nm after the coating procedure. In PART Ⅱ, a new metal oxide coating method that leads to a uniform coating layer and control of coating thickness via functionalized spinel surfaces with polyvinyl pyrrolidone (PVP) is reported. This new coating method was successfully applied to spinel nanoparticles with a high surface area. Furthermore, MgO and Al2O3 coatings resulted in superior capacity retention at 65℃ cycling compared to uncoated and coated spinels without PVP.