NMX 양극활물질의 잔류리튬을 활용한 표면개질 및 전기화학적 특성 평가 = Surface Modification of NMX Cathode Materials Utilizing Residual Lithium and Evaluation of Electrochemical Properties

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes a synergistic strategy involving excess lithium introduction and H3BO3 based surface modification to mitigate cation mixing and residual lithium issues in High-Nickel, Cobalt-free NMX cathode materials. H3BO3 reacts spontaneously with surface residual lithium to form an ion-conductive Li3BO3 layer. This modification effectively removed up to 70.6% of residual lithium immediately after synthesis and ensured superior air stability even after 14 days of ambient exposure. The 2-LBO sample exhibited an initial discharge capacity of 206.89 mAh/g, representing an increase of approximately 14.4 mAh/g compared to the bare sample. Furthermore, the capacity retention after 100 cycles was significantly enhanced from 91.42% to 97.91%. These improvements are attributed to the Li3BO3 layer, which inhibits the formation of the electrochemically inactive rock-salt phase during high-voltage phase transitions and accelerates lithium-ion diffusion. Additionally, and accelerates lithium-ion diffusion. Additionally, Material Life Cycle Assessment (MLCA) revealed that the increase in environmental burden due to the coating process was negligible relative to the substantial performance gains. The proposed strategy demonstrates high feasibility as a sustainable process that enhances resource efficiency and reduces waste by extending battery lifespan from a long-term perspective.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 NMX 양극활물질의 잔류리튬을 활용한 표면개질로 전기화학성능과 환경적 타당성을 동시에 확보하였다. 본 연구는 하이니켈 Co-free NMX 양극활물질의 양이 온 혼합과 잔류리튬을 해결하기 위해 리튬 과량 투입 과 H3BO3기반 표면 개질 전략을 제안한다. H3BO3는 표면 잔류리튬과 자발적 반응을 통해 이온전도성이 우 수한 Li3BO3층을 형성한다. 합성 직후 잔류리튬을 최 대 70.6%제거하고 14일간 대기노출에도 높은 대기 안 정성을 확보하였다. 2-LBO시료는 초기 방전용량이 206.89mAh/g로 bare대비 약 14.4mAh/g 증가했다. 100사이클 후 수명 유지율은 91.42%에서 97.91%로 증가되었다. 이는 Li3BO3층이 고전압 상전이 시 발생 하는 암염상 형성을 억제하고 리튬 이온확산을 가속화 했기 때문이다. 또한, 물질전과정평가(MLCA)결과 코 팅 공정으로 인한 환경 부하 증가율은 성능 향상 폭에 비해 매우 미미하였다. 본 전략은 장기적인 관점에서 배터리 수명 증가로 인해 폐기물 감소와 자원 순환 효 율성을 증가시키는 공정으로서 높은 타당성을 가짐을 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 1. 리튬이차전지의 개요 6
• 1) 리튬이차전지란 6
• 2) 리튬이차전지의 구성 7
• 3) 리튬이차전지의 원리 10
• 2. 리튬이차전지용 양극활물질 12
• 1) 양극활물질의 조건 12
• 2) 층상계 양극활물질 15
• 3. 공침법(Co-precipitation) 18
• 4. 하이니켈 양극활물질의 문제점 21
• 1) 양이온혼합 21
• 2) 잔류리튬 23
• 3) 계면 부반응 25
• 5. 문제 해결을 위한 연구전략 28
• 6. 물질전과정평가 30
• Ⅲ. 연구 방법 36
• 1. 공침법에 의한 전구체 합성 36
• 2. 양극활물질 합성 37
• 3. 표면개질 38
• 4. 잔류리튬 적정 39
• 5. 구조 및 표면 특성 분석 41
• 6. 전극 및 셀 제조 43
• 7. 전기화학적 특성 평가 45
• 8. 물질전과정평가 47
• Ⅳ. 연구 결과 49
• 1. 전구체 구조 및 물성 분석 49
• 2. 양극활물질 구조 및 물성 분석 52
• 3. 양극활물질 전기화학특성 평가 67
• 4. 물질전과정평가 79
• Ⅴ. 결론 83