pH 조절 수열 합성과 열간 압축 공정이 LiFePO₄미세구조 및 전하 전달 거동에 미치는 영향 = Effects of pH-Controlled Hydrothermal Synthesis and Hot-Pressing on the Microstructure and Charge-Transport Behavior of LiFePO₄

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 LFP/C 양극활물질의 전기화학적 특성을 규명하기 위한 연구이다.

리튬 인산철(LiFePO₄)의 열적·구조적 안정성과 자원·환 경성 측면에서 장점이 있지만, 주요 문제는 낮은 전자 전도도(~10⁻⁹S/cm)와 리튬 이온 확산 계수(~10⁻¹⁴cm²/s)로 인해 고속 충전과 전기차(EV) 적용에 제한적인 요소로 작용한다. 본 연구에서는 pH 제어와 착화제(citrate chelation)로 시트르산, 에틸렌글리콜/DI 혼합용 매를 활용한 수열합성으로 입자 크기를 최소화하고 균 일한 전구체를 제조하여 Li⁺ 확산 경로를 단축하였다. 양극활물질 제조 단계에서 전구체에 열간 압축(Hot-Pressing) 공정을 적용하여 건식으로 탄소 코팅의 결합 력과 균일성을 높이며, 네트워크를 강화하여 입자 표 면에 탄소 코팅을 목표로 한다. H₂SO₄, NH₄OH로 pH를 제어한 수열반응을 통해 진행하였으며, 글루코스 탄소원을 이용해 Hot-Pressing 및 후속 열처리를 진 행하였다.구조와 표면 분석(XRD, SEM, FT-IR)으로 단일상 형성과 탄소 코팅을 확인하며, 코인셀(2.5–4.2 V)에서 갈바노스태틱 충·방전, 레이트 테스트(0.1–5C), EIS로 전기화학적 특성을 평가하였다. 그 결과, 미세·균일 입자 형성으로 Li⁺ 확산 경로를 단축하여 용량이 증가하며 탄소 코팅 접합력 향상에 따라 계면/전하이동 저항이 감소하는 경향을 보였다. 특히 고율 영역에서 과전압이 완화되고 용량 유지가 개선되어, LiFePO₄의 고질적 전자·이온 전도도 한계를 입자 미세화, 탄소 코팅 균일화의 이중 공정으로 동시에 보완할 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 공정 변 수 (pH, 착화제, Hot-Pressing)를 통해 LiFePO₄/C 의 구조적·전기화학적 성능을 균형 있게 개선했다는 점에서 의의를 갖는다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. 리튬이차전지 4
• 1) 리튬이차전지의 구성 4
• 2) 리튬이차전지의 원리 6
• 2. 리튬이차전지용 양극활물질 9
• 1) 양극활물질의 요구 특성 9
• 3. 철 화합물을 이용한 양극활물질 11
• 4. LiFePO₄/C의 특성 및 연구 동향 13
• 5. 수열 합성법 16
• 6. 유기 첨가제의 영향 18
• 7. 탄소 표면 코팅 20
• Ⅲ. 실험방법 22
• 1. 시트르산을 사용한 수열 합성법 22
• 1) 시약 준비 22
• 2) 전구체 용액 준비 및 수열 합성 23
• 2. LiFePO₄/C 양극활물질 합성 24
• 3. 재료 특성화 25
• 4. 전극제조 및 전기화학적 특성 평가 26
• Ⅳ. 연구결과 27
• 1. 시트르산-철(Fe) 27
• 1) 전구체의 미세구조 27
• 2) 양극활물질의 미세구조 30
• 3) 양극활물질의 구조분석 31
• 4) 전기화학 특성 35
• 2. pH 제어 43
• 1) 전구체의 미세구조 43
• 2) 양극활물질의 미세구조 47
• 3) 양극활물질의 구조분석 49
• 4) 전기화학 특성 53
• 3. Hot-Pressing 공정 61
• 1) 양극활물질의 미세구조 61
• 2) 양극활물질의 구조분석 63
• 3) 전기화학 특성 67
• Ⅴ. 결론 77