탄소 원료 혼합 및 페로센 기반 탄소 코팅을 통한 리튬인산철 양극의 전기화학적 특성 개선

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid expansion of electric vehicle adoption and the growing demand for cost reduction in battery systems, lithium iron phosphate (LiFePO4, LFP) has become widely recognized as a cost-effective cathode material. LFP has attracted considerable attention due to its reliance on inexpensive elements such as Fe and P, as well as its excellent safety and long-term cycling stability, which originate from the strong P-O bonds within the (PO4)3- polyanion. However, its intrinsically low lithium-ion diffusivity and electronic conductivity significantly limit its rate performance, posing a major challenge to its practical application.
A well-known strategy to mitigate these drawbacks is to form a carbon coating layer on the surface of LFP particles, which substantially enhances electronic conductivity and improves rate capability. The performance of this carbon coating is highly dependent on the choice of carbon precursors. In this study, glucose and polystyrene were employed as composite carbon sources to optimize the carbon-coating conditions. Furthermore, ferrocene was introduced as an additive to promote the graphitization of the carbon layer and reduce the proportion of amorphous carbon, thereby improving the overall quality of the coating.
As a result, a discharge capacity of approximately 166 mAh·g⁻¹ was achieved at 0.05C, along with a high capacity retention of ~90%, defined as the ratio of the discharge capacity at 1C to that at 0.05C. The structural and compositional characteristics of the carbon coating layer were examined by transmission electron microscopy (TEM), Raman spectroscopy, and carbon–sulfur (CS) analysis. In addition, the electrochemical performance of the coated LFP was evaluated using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), the galvanostatic intermittent titration technique (GITT), and cyclic voltammetry (CV) to elucidate the impact of the carbon coating on cell behavior.
Overall, these results demonstrate that a coating strategy combining composite carbon sources with an appropriate additive is highly effective for developing high-quality carbon-coated LFP cathodes and provides important guidelines for enhancing the performance of lithium-ion batteries for electric vehicle applications.

국문 초록 (Abstract)

전기차 보급의 확대와 더불어 배터리 비용 절감을 위한 수요가 증가함에 따라 리튬인산철(LiFePO4, LFP)은 저가형 배터리 소재로 널리 사용되는 양극 소재로 자리 잡았다. LFP는 Fe와 P와 같은 저렴한 원소를 기반으로 한다는 점과 (PO4)3- polyanion 내 강한 P-O 결합으로부터 기인하는 우수한 안전성을 바탕으로 높은 주목을 받아왔다. 그러나 본질적으로 낮은 리튬 이온 확산도와 전자 전도도로 인해 고율 성능이 제한되며 이는 실용적 적용에 있어 주요 장애 요소로 작용해왔다.
이러한 한계를 극복하기 위해 널리 알려진 전략은 LFP 입자 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 것으로, 이는 전자 전도도를 크게 향상시켜 고율 특성을 개선하는 데 효과적이다. 탄소 코팅의 성능은 사용되는 코팅 원료의 종류에 크게 영향을 받는다. 본 연구에서는 glucose와 polystyrene을 복합 탄소원으로 활용하여 탄소 코팅 조건을 최적화하고자 하였다. 더 나아가, 탄소층의 흑연화를 촉진하고 비정질 탄소의 비율을 감소시키기 위한 첨가제로 ferrocene을 도입하여 코팅층의 품질을 향상시키고자 하였다.
이와 같은 접근법을 통해, 0.05C 약 166 mAh·g-1의 방전 용량을 확보하였으며 0.05C 대비 1C 방전 용량으로 정의한 용량 유지율(capacity retention) 역시 약 90%로 높은 값을 나타냈다. 탄소 코팅층의 구조적, 조성적 특성은 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy. TEM), 라만분광법(Raman spectroscopy), CS 분석(Carbon Sulfur analysis)을 통해 확인하였다. 또한 코팅된 LFP의 전기화학적 성능은 임피던스 분석(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS), 정전류 간헐적 적정 분석(Galvanostatic Intermittent Titration Technique, GITT) 및 순환 전압전류법(Cyclic Voltammetry, CV)을 통해 평가하여 탄소 코팅층이 셀 거동에 미치는 영향을 규명하였다.
본 연구 결과는 복합 탄소원과 첨가제를 결합한 코팅 전략이 고품질 탄소 코팅 LFP 양극 개발에 유효함을 보여주며 향후 전기차용 리튬이온전지의 성능 향상을 위한 중요한 방향성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 Electrochemical Performance Improvement of LiFePO₄ Cathodes through Mixed Carbon Sources and Ferrocene-Derived Carbon Layers 1
• 제 1 절 Introduction 1
• 제 2 절 Experimental 3
• 제 3 절 Result and Discussion 5
• 제 4 절 Conclusion 26
• 제 5 절 Supporting Information 27
• 참고문헌 31
• Abstract 36