Effect of Hafnium Dopant on the Electrochemical Performance of LiNiO2 for Lithium-Ion Battery

Abstract

층상 양극소재가 처음 개발되고 수십년간, 양극재의 용량을 늘리려는 시도는 계속 있어왔다. 수차례의 시도는 층상 양극소재 중 최초로 상용화에 성공한 리튬 코발트계 산화물 양극소재가 가지고 있는 용량의 문제점을 니켈로 해결할 수 있다는 단서를 제공하였다. 하지만 현재까지 리튬 니켈계 산화물 양극소재는 기계적, 전기화학적, 열적 안정성으로 대표되는 내재적 문제로 인해 상용화 되지 못하고 있다. 언급한 문제들은 서로 다른 메커니즘을 갖고 있지만 한가지 공통적인 특징을 가지고 있는데, 바로 산소를 방출한다는 것이다. 이러한 산소의 방출을 방지하기 위하여 산소와의 결합력이 강한 원소 중 하나로 알려진 하프늄을 도입하였다. 하프늄을 리튬 니켈계 산화물에 도입함으로써 우리는 안정성을 향상시킬 수 있었다. 원인이 무엇인지 알아보기 위해 다양한 물리, 전기화학적 분석을 진행하였으며, 여기서 우리는 하프늄의 도입이 리튬 니켈계 산화물의 전기화학적 안정성과 함께 물리화학적 안정성 또한 향상시킨다는 사실을 밝혀냈다. 충방전 초기 하프늄을 도입한 리튬 니켈계 산화물은 낮은 성능을 보였지만 불과 수십회의 충방전으로 하프늄을 도입하지 않은 리튬 니켈계 산화물의 성능을 앞지르는 결과를 보였다. 이 논문에서 우리는 도입된 하프늄 원소의 역할에 대한 단서를 제공하고, 또한 다른 도입 원소에서도 적용할 수 있는 실험 절차를 제공하였다.|Over the decades from the invention of layered cathode active materials (CAMs), there have always been tried to enhance their capacity. And these tremendous researches led to the conclusion that nickel could provide its theoretical capacity, whereas cobalt, which was adopted as a first-generation CAMs, couldn’t. However, because of its innate problems, which are represented as mechanical, electrochemical, thermal stability problems, there are huge challenges to commercializing high nickel CAMs. All these problems have different mechanisms but accompany one main problem, oxygen decomposition. To suppress the oxygen decomposition, hafnium dopant adopted, known as atom which has one of the highest oxygen decomposition energies. By introducing hafnium into the LiNiO2 system, stability could be improved. To reveal the reason why this happens, many electrochemical and physicochemical analyses took place like galvanostatic intermittent titration technique, electrochemical impedance spectroscopy, and X-ray diffraction. What this research found here is that hafnium affects not just the electrochemical stability, but also their mechanical stability. At the very beginning of the cycle, hafnium-doped one shows poor performance, but only within 20 cycles, bare one came from behind with rapid degradation. Herein, this research will provide you with a clue about the role of hafnium dopant in the high nickel CAMs and suggest to you the procedure which could be utilized for all other dopants.