Effect of Calcination Temperature on the Structural Characteristics and Rate Capability of LiMn0.8Fe0.2PO4 Cathode : 소결 온도에 따른 LiMn0.8Fe0.2PO4의 결정학적 특성 및 율속 특성에 미치는 영향 연구

국문 초록 (Abstract)

LiMnxFe1-xPO4(LMFP)는 LiFePO4의 구조적 안정성과 LiMnPO4의 높은 작동 전압을 겸비한 고에너지 밀도의 양극재이나 낮은 전기 전도도와 이온 전도성을 지녀 고속 충방전 성능이 제한된다. 본 연구에서는 LMFP의 소결 온도를 500℃에서 800℃까지 변화시키며 LMFP의 결정학적 특성과 율속 특성 변화를 연구하였다. 소결 온도를 500℃에서 700℃로 증가하였을 때 격자 내 anti-site defect 농도가 감소하고 결정성이 향상되면서 LMFP 입자 내부에 연속적인 리튬 이온 확산 경로를 형성하였다. 한편, 700℃를 기점으로 하여 Li3PO4 불순물 상 함량이 4% 이상으로 증가하고 비표면적 감소가 심화되었다. 낮은 전기 전도성을 갖는 불순물 상과 낮은 비표면적은 충방전 반응을 저해하였다. 600℃에서 소결된 LMFP-6은 0.1C-rate에서 162.40 mAh g⁻¹의 방전 용량과 함께 5C-rate에서 77.40 mAh g⁻¹의 가장 높은 율속 특성을 보였고, 2.81×10⁻¹² cm² s⁻¹의 리튬 이온 확산 계수를 보였다. 따라서, 600℃의 소결 온도가 anti-site defect을 줄이고 결정성을 높여 리튬 이온 확산을 촉진하면서도 불순물을 최소화하는 최적의 균형점임을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. INTRODUCTION 1
• Ⅱ. THEORETICAL BACKGROUND 4
• Ⅱ−1. Electrochemistry 4
• Ⅱ−1−1. Cell 6
• Ⅱ−1−2. Battery 8
• Ⅱ−2. Li-ion battery 10
• Ⅱ−2−1. Reaction mechanism 10
• Ⅱ−2−2. Components 12
• Ⅱ−2−3. Cathode 14
• Ⅱ−3. Olivine-type cathode 18
• Ⅱ−3−1. Crystal structure 18
• Ⅱ−3−2. Synthesis 21
• Ⅱ−3−3. Modification strategy 24
• Ⅱ−4. Electrochemical analysis 26
• Ⅱ−4−1. Galvanostatic charge-discharge, GCD 26
• Ⅱ−4−2. Cyclic voltammetry, CV 29
• Ⅱ−4−3. Electrochemical impedance spectroscopy, EIS 32
• Ⅲ. EXPERIMENTAL 35
• Ⅲ−1. Materials preparation 35
• Ⅲ−2. Materials characterization 36
• Ⅲ−2−1. Thermogravimetric analysis 36
• Ⅲ−2−2. Morphology analysis 36
• Ⅲ−2−3. N2 adsorption/desorption analysis 36
• Ⅲ−2−4. Chemical bond analysis 37
• Ⅲ−2−5. Crystal structure analysis 37
• Ⅲ−3. Electrochemical analysis 38
• Ⅲ−3−1. Electrode fabrication and cell assembly 38
• Ⅲ−3−2. Electrochemical analysis 38
• Ⅳ. RESULTS AND DISCUSSION 40
• Ⅳ−1. Material characterization of LiMn0.8Fe0.2PO4 40
• Ⅳ−1−1. Thermal decomposition analysis 40
• Ⅳ−1−2. Morphological analysis 43
• Ⅳ−1−3. Surface characteristics analysis 45
• Ⅳ−1−4. Chemical bonding analysis 48
• Ⅳ−1−5. Crystal structure analysis 51
• Ⅳ−1−6. Lattice parameter analysis 53
• Ⅳ−1−7. Impurity phase analysis 55
• Ⅳ−2. Electrochemical analysis of LiMn0.8Fe0.2PO4 57
• Ⅳ−2−1. Discharge capacity 57
• Ⅳ−2−2. Differential capacity analysis 59
• Ⅳ−2−3. Rate capability 61
• Ⅳ−2−4. Cyclic voltammetry 64
• Ⅳ−2−5. Li+ diffusion coefficient using the Randles-Sevcik equation 66
• Ⅳ−2−6. Cyclic stability 68
• Ⅳ−2−7. Electrochemical impedance spectroscopy 70
• Ⅴ. CONCLUSION 72
• REFERENCES 74