표면의 산소공공에 의한 리튬타이타네이트에서의 메모리 효과

Abstract

The memory effect was a phenomenon that mainly occurs in rechargeable batteries such as Ni-Cd and Ni-hydride batteries, and this phenomenon is that the previous usage history influence following uses. According to recently published articles, the memory effect in lithium-ion batteries occurs only in specific materials, such as LiFePO4, Al-doped Li4Ti5O12 (LTO), and anatase TiO2. This memory effect is described as sluggish kinetics in phase transformation. If the memory effect occurs, it make knowing the state of charge (SOC) become difficult. Additionally, the memory effect negatively affects the lifespan of batteries. Therefore, the absence of the memory effect becomes a great advantage. LTO is a promising anode material to replace graphite because of its stability. Furthermore, LTO was known that it does not have the memory effect. Due to the poor ion conductivity of LTO, improvement is inevitable. Heat treatment is mainly implemented to solve the shortage. However, unexpected side effect such as memory effect also appears. Meanwhile, the memory effect revealed here has a different mechanism. The cause of the memory effect was elucidated using electrochemical impedance spectroscopy, and this is due to the sluggish kinetics caused by reversible solid-electrolyte interphase formation, which is attributed to the oxygen vacancies formed on the LTO particle surface. In addition, the method to alleviate the memory effect by using oxygen atmosphere is also identified. |4 차 산업혁명과 탄소 중립과 같은 사회적, 정치적 변화의 결과로 전자기기 와 전기차에 관한 관심이 커지고 있다. 리튬이온배터리는 다른 이차전지에 비해 상대적으로 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 갖는다는 장점과 더불어 메모리 효과로부터 자유롭다는 특징 때문에 여러 분야에서 활용되고 있다. 하지만 최근의 여러 논문에서 리튬이온배터리의 활물질인 LiFePO4, Al-doped Li4Ti5O12(LTO)에서 메모리 효과가 발생한다는 것이 밝혀졌다. 메모리 효과는 이전의 사용 형태가 다음의 사용에 영향을 미치는 현상으로, 발생 시 정확한 잔존 용량의 확인을 어렵게 한다. LTO 는 굉장히 안정한 리튬이온배터리의 음극 물질로 알려져 있으며 메모리 효과 또한 나타나지 않는다고 알려져 있다. 하지만 LTO 는 본질적으로 낮은 전기전도성을 갖기 때문에 이를 개선할 여러 방법이 연구되어왔다. 본 연구에서는 활물질의 특성을 개조하기 위해 자주 사용되는 열처리가 불러온 새로운 형태의 메모리 효과를 순수한 LTO 에서 확인하였다. 또한 이러한 메모리 효과는 입자의 표면에 존재하는 산소 공공 (oxygen vacancy)에 의해 발생하였다는 사실이 확인되었다. 이는 전기화학 임피던스 분석을 통해 가변적인 SEI (solid electrolyte interphase) 층의 생성과 전하 저항에서 부진한 키네틱이 원인이라는 것을 밝혀졌다. 더불어, 원인 분석을 통해 산소 조건 하에서의 열처리가 메모리 효과를 경감시켜주는 것을 확인하였으며, LTO 의 성능 향상을 위한 열처리 방법에 적절한 가이드라인을 제시하였다.