고용량 리튬이차전지용 Nickel rich 양극 표면의 잔류리튬을 이용한 다기능성 표면개질

국문 초록 (Abstract)

미세먼지를 비롯한 환경오염, 잦은 유가변동 등으로 인하여 친환경적인 전기차(Electric Vehicle)에 관심이 증가하고 있다. 현재 상용화된 리튬이온배터리의 양극 활물질(active material)로 사용되는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)은 이론적으로 280 mAh g-1 의 상대적으로 큰 이론 용량을 가지나 리튬의 산화 환원 potential 대비 4.2 V 이상 충전 되면 구조 내 절반 이상의 리튬 이온이 빠져 나오게 되고 Hexagonal에서 Monoclinic으로 상 전이가 발생한다. 상 전이가 발생하게 되면 더 이상 리튬 이온과 가역적으로 반응할 수가 없기 때문에 실제 사용할 수 있는 용량은 이론용량의 절반인 140 mAh g-1 으로 제한된다. 따라서 현재 사용되는 리튬 이차전지를 전기차에 적용할 경우, 에너지 밀도가 낮아서 한 번 충전으로 갈 수 있는 거리가 상대적으로 짧기 때문에 전기차를 일상 생활에 적용하기에 한계가 있다. 또한 지속 가능한 에너지원의 중요성이 증가하면서 지속 가능한 에너지원으로부터 생산되는 에너지를 저장할 수 있고 에너지를 공급함에 있어 밤과 낮의 효율적인 에너지 관리를 위한 에너지 저장 시스템 (Energy storage system)의 중요성이 매우 부각되고 있다. 이러한 대용량 전지 시스템을 우리의 일상생활에 보편적으로 사용하기 위해서는 리튬 이온 이차전지의 에너지 밀도를 증가시켜야 한다.
리튬 이온 이차전지의 에너지 밀도를 증가시키기 위해서 리튬 코발트 산화물 을 대체할 수 있는 소재로 상대적으로 에너지 밀도가 큰 Nickel rich 양극재에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, Nickel rich 양극재의 경우, Li+ 이온과 Ni2+ 이온의 반경이 비슷하여, Li 층으로 Ni2+ 이온이 치환되는 Cation disorder가 발생하게 된다. Cation disorder이 발생하게 되면 충/방전 과정에서 Li이온의 확산을 방해하여 저항을 증가시킨다. 이러한 Cation disorder를 최소화하기 위해서 양극재를 합성할 때 상대적으로 낮은 온도에서 합성하고, 그 결과, 양극 입자 표면에 Li 불순물이 남게 된다. Li 불순물(impurity)은 충/방전 과정에서 분해되어 가스를 발생시켜 리튬 이온 이차전지의 수명 및 안정성에 문제가 된다. 이에 Nickel rich 양극 제조 후 수세척을 통하여 Li 불순물을 제거하기 위한 연구가 진행 되어 왔다.
본 연구에서는 Nickel rich 양극재 표면에 존재하는 Li 불순물을 제거하기 위한 수세척 과정에서 발생하는 영향을 규명하고 세척 과정에서 발생하는 부정적 영향을 최소화 하고자 하였다. 동시에 MnSO4를 물에 용해시킨 코팅 용액을 이용하여 Nickel rich 양극재 표면에 존재하는 Li 불순물을 제거함과 동시에 Mn(OH)¬2를 침전시키고 이 후 열처리 과정을 통해 Nickel rich 양극재 표면에 Li2MnO3 코팅층을 형성 및 제어함으로써 효과적으로 Li 불순물을 제거함 하면서 Nickel rich 양극재의 수명 특성과 율속 특성을 향상시키고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 배경 이론 3
• 2.1 전기 화학 반응 3
• 2.2 온도에 따른 반응 속도 5
• 2.3 이차전지 시스템 7
• 2.4 층상형 양극재 10
• 2.5 Nickel rich 양극재 13
• 2.6 표면 개질 연구 22
• 제 3 장 실험 방법 26
• 3.1 Nickel rich 양극재 표면 개질 방법 26
• 3.2 전극(electrode) 제조 및 전지(cell) 제작 방법 26
• 3.3 물성 분석 방법 28
• 3.4 전기화학 분석 방법 29
• 제 4 장 결과 및 논의 31
• 4.1 세척 과정의 영향 31
• 4.2 Li2MnO3 코팅의 효과 39
• 제 5장 결론 63