Stabilizing high-voltage cycling performance of Li-ion batteries using nickel-rich cathode via functional additives

Abstract

To be applied to highly effective large-capacity energy storage device such as an electric vehicle battery and ESS (Energy storage system), it is necessary to implement more improved performance in energy density, cycle life, and stability to improve its effectiveness. In particular, we are producing a lot of production. NCM (LiNixCoyMn1-x-yO2) is a material that satisfies a high capacity. In particular, the higher the Ni content of the NCM (LiNixCoyMn1-x-yO2, x≥0.8), the higher the capacity. However, as the number of the Ni content and the cut-off voltage increase, serious decomposition of the electrolyte occurs, and the cycle life and thermal stability are decreased. Therefore, in this study, biphenyl, known as an overcharge protector, and FEC, a fluorine-based electrolyte additive that can stabilize the electrode interface are used as the electrolyte additives to improve the high-voltage performance of a LiNi0.83Co0.11Mn0.6O2/Lithium half cell. A improvement in cycling performance of the additives inclusion results in high capacity and 20% higher retention after 200 cycles. Stable performance in high-voltage operation to increase the energy density of lithium-ion batteries is possible due to the synergistic effect of the optimal combination of additives.| 리튬이차전지는 전기자동차용 배터리와 ESS (Energy storage system)와 같은 대용량 에너지 저장 장치로서 효용성을 향상하기 위하여 에너지 밀도, 사이클 수명, 그리고 안정성 등에서 보다 개선된 성능 구현이 필요하다. 특히, 리튬이차전지의 에너지 밀도 향상을 위해서는 고용량을 갖는 새로운 양극 소재의 개발과 cutoff voltage를 높여 고전압구동을 구현하는 연구가 지속적으로 진행되고 있다. NMC (LiNixCoyMn1-x-yO2)는 높은 용량을 만족하는 양극 물질로, NMC 양극 물질 중 Ni의 함량이 높은 (LiNixCoyMn1-x-yO2, x≥0.8) 물질일수록 더욱 높은 용량을 갖는다. 이러한 고함량 Ni 양극 전지에 고전압 구동을 결합하게 된다면 전지의 고에너지 밀도를 구현하는 데 용이할 수 있다. 그러나, Ni의 함량과 cutoff voltage가 증가할수록 표면에서 심대한 전기 화학 반응으로 인해 전해액의 심각한 분해가 발생과 같이 사이클 수명과 열적 안정성이 악화된다는 한계점을 갖고 있다. 이에 본 연구에서는 전해액에 과충전 방지 첨가제인 BP와 전극 계면을 안정화 시키는 첨가제 FEC를 적용하였다. 첨가제 적용 시 양극 표면에서 전해액보다 먼저 산화되어 안정한 피막 형성 및 전극 구조 보호로 전해액 분해가 감소한다. 리튬이온전지에 두 종류의 첨가제를 적용하여 고전압 구동을 진행한 결과, 초기 용량과 200회 충방전 사이클 반복 후 20% 향상된 용량 유지율을 보였다. 최적의 첨가제 조합의 시너지 효과로 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위한 고전압 작동에서 안정적인 성능이 가능하다.