졸-겔(sol-gel)법을 이용한 LiMn2O4 합성에 관한 연구

Abstract

리튬이온 이차전지는 점차 고용량화, 고출력화, 소형화가 되면서 다양한 휴대용 장비의 전원으로써 급속하게 인기를 얻어오고 있다. 예를 들면 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등에 사용되고 있다. [1] 이러한 리튬이온 이차전지는 성능의 많은 부분을 양극 재료의 성능에 의존하고 있으며, 상용화되어 있는 리튬이차전지용 양극활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등이 있다. 그런데 LiCoO2 계는 코발트의 가격이 높고 간 및 신장에 유해한 독성을 갖고 있으며, LiNiO2의 경우 낮은 열적 안정성을 나타내는 단점이 있기 때문에 LiCoO2 나 LiNiO2 보다 전도성이 다소 낮으나 제조가 용이하고 공기 중에서 안정하며, 코발트나 니켈보다 값이 싸고 풍부한 망간을 이용한 스피넬 구조의 LiMn2O4 에 대한 연구가 이루어지고 있으며 차후 대두될 전기자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle, EV: Electric Vehicle)의 전원으로 사용될 가능성이 높다. [2] 리튬이온 이차전지의 충·방전 과정은 리튬의 확산(diffusion)에 의해 이루어지게 되므로 활물질의 입자크기의 균질성이나 조성의 균질성이 전극의 제반 특성에 매우 큰 영향을 미치고 따라서 이를 조절하는 것은 매우 큰 문제 중의 하나이다. 특히 전극 활물질의 특성을 개선하기 위해 미량의 이종 원소를 첨가(do-ping)할 경우 이러한 문제는 더욱 심각해진다. 이러한 측면에서 고상합성의 단점을 극복하기 위해 액상제조법이 개발되었고 그 중 하나가 졸-겔(sol-gel)법이다. 졸-겔(sol-gel)법으로 산화물 분말을 제조할 경우 고상 반응에 의해 제조된 분말에 비해 입자가 매우 작으며 따라서 표면적이 크고 입자크기의 분포가 훨씬 균일하며 각각의 원료물질의 이온이 나노 스케일(nano-scale)로 섞이므로 조성의 균일성이 매우 좋다. 또한 고상 합성에서와 같은 반복된 소결, 분쇄 과정이 필요 없으므로 제조시간을 단축하고 또한 고상 반응에 비해 낮은 온도에서 합성할 수 있으므로 제조비를 줄일 수 있다는 장점이 있다. [3] 본 연구에서는 친환경적이고 안정적이며 제조비를 절감할 수 있는 양극활 재료인 LiMn2O4 를 Li acetylacetonate와 Mn acetylacetonate를 사용하여 합성하였다. 졸-겔(sol-gel)법을 이용하였고 TGA분석을 통해 최종 소결조건을 결정하였다. 150, 500, 800℃의 소결온도 중 800℃에서 결정화가 완성됨을 SEM 촬영을 이용하여 확인한 후 입방정구조의 LiMn2O4 가 얻어졌음을 XRD분석을 통해 확인하였다. 이렇게 만들어진 LiMn2O4 를 도전제 carbonblack과 결합제 PVdF와 혼합한 후 CR2016 coin cell을 만들어 정전류법을 이용한 방전실험을 하였고 0.2C 조건으로 충·방전 실험을 하여 안정적인 수명특성과 양호한 정격용량을 얻을 수 있었다.