장수명용 단결정 양극활물질의 전기화학적 특성 향상에 관한 연구 = A Study of Single-Crystal Cathode Materials for Enhancing Electrochemical Performance in Long-Life Lithium-Ion Batteries

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 코발트를 첨가하지 않은 고니켈계 양극활물질의 결정 구조를 단결정화하고 단결정 양극활물질의 전기화학 특성을 향상시키기 위한 도핑 기술을 규명하기 위한 연구이다. 본 연구의 목적은 단결정 양극활물질의 구조적·전기 화학 한계를 개선하기 위한 도핑 기반 연구를 수행하는데 있다. 단결정 양극활물질은 다결정 구조 대비 입계(grain boundary)가 존재하지 않아 미세 균열의 발 생을 억제하고 수명 특성 및 열적 안정성이 우수하다 는 장점을 지닌다. 그러나 고니켈(Co-free Ni-rich) 조성의 경우 충·방전 중 내부 응력 집중과 표면 산소 방출로 인한 구조 불안정성과 전해질 반응성 증가 문제가 여전히 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 도핑 원소를 도입하여 결정 격자 내 리튬 확산 경로를 확장하고, 전하 전달 저항을 저감함으로써 단결정 양극활물질의 전기화학 반응성을 개선하고자 하였다. 도핑 원소는 이온 반경 및 결합 에너지를 고려하여 구조적 안정성과 리튬 확산도에 영향을 줄 수 있는 조성으로 선정하였다. 합성된 시료는 XRD 분석을 통해 결정구조 변화를, EIS를 통해 확산 계수 변화를 평가하였다. 본 연구의 결과는 도핑이 단결정 양극활물질의 구조적 안정성, Li⁺ 확산 속도 및 반응속도 향상에 기여할 수 있음을 실험적으로 규명하였으며 향후 고속 충·방전용 고니켈 단결정 양극활물질 설계에 기초자료를 제공할 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. 리튬이차전지 4
• 1) 리튬이차전지의 구성 4
• 2) 리튬이차전지의 원리 8
• 2. 리튬이차전지용 양극활물질 11
• 1) 양극활물질의 조건 11
• 3. 양극활물질의 종류 13
• 1) LiNi1-x-yCoxMnyO2 13
• 2) LiNi1x-MnxO2 15
• 4. 양극활물질의 미세구조 16
• 1) 다결정 양극활물질 16
• 2) 단결정 양극활물질 18
• 5. 문제 해결을 위한 연구 방향 20
• 1) 단결정 양극활물질의 문제점 20
• (1) Li+/Ni2+ 양이온 혼합 21
• (2) 격자 불안정성 22
• (3) 산소 방출 23
• 2) 단결정 양극활물질의 문제 해결방안 24
• 3) 도핑 원소 선정 이유 26
• 6. 물질전과정평가(MLCA) 27
• 1) 국제표준규격(ISO 14040) 28
• 2) 물질전과정평가 방법론 29
• Ⅲ. 연구 방법 30
• 1. 공침법에 의한 전구체 합성 30
• 2. 단결정 양극활물질 합성 32
• 3. 재료 특성화 33
• 4. 전극 및 코인 셀 제조 34
• 5. 전기화학적 특성평가 35
• 6. 물질전과정평가 36
• Ⅳ. 연구 결과 38
• 1. 전구체 물성 분석 38
• 2. 양극활물질의 구조 및 물성 분석 40
• 1) 양극활물질 구조분석 40
• 2) 양극활물질 미세구조 및 조성 특성화 42
• 3) 양극활물질 표면의 화학적특성 분석 45
• 3. 양극활물질 전기화학 특성 분석 47
• 1) 초기충방전 47
• 2) dQ/dV 49
• 3) 수명 특성 그래프 51
• 4) 고율 특성 그래프 53
• 5) 임피던스 분광법 및 리튬확산계수 55
• 4. 물질전과정평가(MLCA) 58
• 1) CML 2001 기반 58
• 2) ReCiPe 2016 기반 59
• Ⅳ. 결론 61