리튬이온전지용 LiCoO2 양극의 고전압 구동과 안정성 확보를 위한 기술적 접근 = Technical Approaches for High-Voltage Operation and Stability Enhancement of LiCoO2 Cathodes

국문 초록 (Abstract)

고에너지 밀도의 리튬이온전지 (Lithium-ion batteries, LIBs) 수요가 급증함에 따라, 고전압 (≥ 4.5 V)에서 안정적으로 구동 가능한 LiCoO2 (LCO)양극 소재의 개발이 주요 과제로 대두되고 있다. 하지만 기존 LCO는 고전압 운용 시 산소 방출, Co 용출, 상전이, 계면 열화 등의 복합적인 문제로 인해 심각한 성능 저하를 겪는다. 본 연구는 이러한 한계를 해결하기 위해 두 단계의 기술적 접근을 수행하였다. 먼저, 도핑이나 코팅과 같은 외부 개질 없이도 고전압 조건에서 우수한 성능을 달성할 수 있는 pristine LCO의 합성 조건을 체계적으로 최적화하였다. 전구체 조합, 열처리 온도, 리튬 과량이라는 세 가지 핵심 변수에 대해 단계적 실험을 수행한 결과, LC–NC 조합(Li2CO3 + nano Co3O4), 500–1000의 열처리 조건, 1 mol% 리튬 과량이 가장 우수한 결정성 및 전기화학적 특성을 나타냈다. 최적 조건에서 제조된 LCO는 초기 방전 용량 193.6 mAh/g, 쿨롱 효율 98.0%를 기록하며, 고전압 구동을 위한 기초 소재로서의 가능성을 입증하였다. 이후, 고전압 충·방전 시 발생하는 구조적·계면적 불안정성을 해결하기 위해 다양한 문헌 기반 안정화 전략을 분석하였다. 도핑, 코팅, 표면 및 벌크 동시 개질, 고엔트로피 설계 등의 접근 방식이 LCO의 열화 억제와 장기 수명 확보에 미치는 효과를 정리하고, 고전압 운용을 위한 소재 설계 방향성을 제시하였다. 결론적으로, 본 연구는 고전압용 LCO 양극의 실질적 상용화를 위해 기초 합성 최적화 실험과 문헌 기반 고급 안정화 전략을 통합적으로 분석한 사례로서, 차세대 고에너지 리튬이온전지 개발에 중요한 기반을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures
• Chapter 1 서론
• 1.1 연구 배경
• 1.2 LCO 고전압 구동 필요성
• 1.3 고전압에서의 LCO의 열화 메커니즘
• 1.4 본 연구의 목적
• Chapter 2 Prisine LCO의 합성 조건 최적화
• 2.1 연구 개요 및 접근 전략
• 2.2 합성 방법
• 2.2.1 활물질 합성
• 2.2.2 구조 및 형상 분석
• 2.2.3 전극 제조 및 코인 셀 조립
• 2.2.4 전기화학적 특성 평가
• 2.3 결과 및 분석
• 2.3.1 전구체 조합의 최적화
• 2.3.2 열처리 온도의 최적화
• 2.3.3 리튬 과량의 최적화
• 2.4 결론
• Chapter 3 LCO 고전압 안정성 향상 전략
• 3.1 도핑에 의한 구조 안정화
• 3.2 코팅 및 표면 구조 제어를 통한 계면 안정성 향상
• 3.3 표면 및 벌크 동시 개질을 통한 시너지 안정화
• 3.4 기타 안정화 전략
• Chapter 4 종합 고찰 및 결론
• 참고문헌
• ABSTRACT