리튬이온 이차전지용 고니켈계 양극재 특성 연구

Abstract

소성 온도에 따른 입자 형태와 전이금속 농도구배가 단일 조성의 소재인 Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2 (NCM811)에 비해 우수한 성능을 보이는 전이금속 농도구배형 소재인 Li[Ni0.78Co0.10Mn0.12]O2 (FCG NCM78) 양극재의 물리화학적 특성 및 전기화학적 성능에 미치는 영향에 대한 종합적인 연구를 수행했다. FCG NCM78 양극재의 전기화학적 성능은 전이금속 농도구배와 일차 입자 형태 등 FCG NCM78의 물성에 크게 영향을 받았다. 790 oC에서 소성한 FCG NCM78 양극재는 입자 내 전이금속 농도구배를 유지하며 입자 중심부를 향한 방사형 배향의 얇고 긴 rod-shape 일차입자를 갖고 있다. 그 결과 microcrack의 발생 및 표면까지의 전파를 줄여 우수한 전기화학 성능과 열 및 구조적 안정성을 보였다. 반면에, 850 oC에서 소성한 FCG NCM78 양극재는 입자 내 전이금속 농도구배가 사라졌으며, 방사형 배향은 갖지만 두껍고 짧은 일차입자를 갖고 있다. 그 결과 충‧방전 시 microcrack의 발생 및 전파를 억제하지 못해 전해액이 침투하여 입자 표면에서 부반응이 발생하고 양극이 열화되면서 전기화학 성능과 열 및 구조적 안정성이 떨어지는 모습을 보였다. 충전 시 격자 부피 변화량이 790 oC와 850 oC에서 소성한 양극재에서 같은 값을 보여 전이 금속 농도구배에 따른 내부 니켈 조성의 차이로 인한 microcrack 발생 및 전파 억제 효과는 미미하다고 판단하였으며 같은 격자 부피 변화량에도 microcrack의 전파 및 발생량의 차이가 많이 나는 것은 서로 다른 일차입자 형태에서 비롯되어 이러한 양극재의 특성 및 전기화학적 성능의 차이가 발생한다고 판단했다. 따라서 양극의 우수한 특성 및 전기화학적 성능을 위해서는 가장 우선적으로 FCG NCM78 양극재의 입자 형태를 최적화할 수 있도록 공정 변수를 제어하여 microcrack의 발생량 및 입자 표면까지의 전파를 억제해야 한다.