다양한 전위 조건에서 리튬이차전지용 양극-LiCoO₂의 계면 메커니즘 = Interfacial mechanism of cathode LiCoO₂ under various potential conditions

국문 초록 (Abstract)

양극 소재 LiCoO₂의 에너지 밀도를 높이기 위해서는 고전압에서 발생하는 전해액 부반응과 결정 구조 변화 두 가지 문제점을 해결해야 한다. 본 연구에서는 효과적인 SEI(solid electrolyte interphase)를 형성하는 lithium bis(oxalato)borate(LiBOB)을 전해액 첨가제로 사용하여 다양한 전위조건에서 LiCoO₂의 전기화학적 성능 변화를 관찰하고, 또한 부반응 억제와 비가역상 구조 변화에 대한 영향을 분석하였다.
3.9 V vs. Li/Li+부터 비가역상으로의 결정 구조 변화가 LiCoO2 표면에서 시작되는데, 이런 상전이가 전압 증가에 따라 점차 bulk로 확대되어 간다는 것을 XPS로 확인하였다. 그리하여 표면 상전이가 상대적으로 심하지 않은 저전압 환경(4.2 & 4.5 V vs. Li/Li+) 에서는 첨가제 LiBOB의 추가로 효과적인 SEI를 형성하여 initial coulombic efficiency와 수명을 향상해주는데 이는 저전압에서 주요 요인인 부반응을 억제하여 표면 저항을 줄여준다는 것을 XPS와 EIS를 통해 확인하였다. 하지만 표면에서 비가역 결정 구조 변화가 심각해진 고전압(4.9 V vs. Li/Li+)조건에서는 첨가제 LiBOB으로는 전기 화학적 성능을 급격히 저하시키는 표면 결정 변화를 막지 못하며, 이는 표면 구조 변화에서 기인함을 확인하였다. 이로서 저전압에서는 첨가제 LiBOB이 SEI 형성으로 전해액 부반응은 완화할 수 있어 효과적이지만, 심각한 구조 변화를 야기하는 고전압 환경에서는 LiCoO₂의 전기화학적 성능을 향상하지 못함을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 문헌연구 2
• 2.1 리튬 이온 전지 2
• 2.1.1 리튬 이온 전지 시스템 2
• 2.1.2 양극 소재 LCO 5
• 2.1.3 LCO의 문제점 6
• 2.2 전해액 첨가제 12
• 2.2.1 전해액 첨가제의 장점 12
• 2.2.2 Lithium bis(oxalato) borate(LiBOB) 13
• 제 3 장 실험 방법 19
• 3.1 전극 및 전지 제조 19
• 3.1.1 LCO 전극 제조 19
• 3.1.2 LiBOB 전해액 준비 19
• 3.2 전기화학 실험 20
• 3.2.1 전기화학 전지 구성 20
• 3.2.2 전기화학 성능 평가 20
• 제 4 장 결과 및 고찰 25
• 4.1 LCO의 전기화학적 성능 분석 25
• 4.1.1 Cut off-4.2 V 조건에서의 전기화학적 성능 비교 25
• 4.1.2 Cut off-4.5 V 조건에서의 전기화학적 성능 비교 26
• 4.1.3 Cut off-4.9 V 조건에서의 전기화학적 성능 비교 28
• 4.2 저전압(4.2 & 4.5 V )에서 LiBOB이 효과적인 이유 33
• 4.2.1 결정 구조의 변화 여부 확인(XRD) 33
• 4.2.2 표면 피막 두께(SEM&XPS) 34
• 4.2.3 표면 저항 확인(EIS) 36
• 4.3 고전압(4.9 V )에서 LiBOB이 효과적이지 않는 이유 43
• 4.3.1 Cut off-4.6, 4.7, 4.8 V 조건에서의 전기 화학 실험 결과 43
• 4.3.2 고전압에서 SEI 전기화학적 안정성 평가(LSV&CV) 51
• 4.3.3 전위에 따른 SEI 변화 거동 분석(XPS&EIS) 56
• 4.3.4 전위에 따른 LCO 결정 구조 분석(XRD&XPS) 61
• 제 5 장 결론 70
• 참고문헌 72