결정배향 LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 전극활물질을 통한 리튬이차전지 성능 향상 및 이의 전기화학적 해석

김참 대한화학회 2022 대한화학회지 Vol.66 No.6

Through the crystal alignment research based on the magnetic properties of LiNixMnyCo1-(x+y)O2 such as mag- netic susceptibility and related anisotropy, a crystal aligned LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 electrode is obtained, in which the (00l) plane is frequently oriented perpendicular to the surface of a current collector. The crystal aligned LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 electrode steadily exhibits low electrode polarization properties during the charge/discharge process in a lithium-ion battery, thus afford- ing an improved capacity compared to a pristine LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 electrode. The aligned LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 electrode may have an appropriate structural nature for fast lithium-ion transport due to the oriented (00l) plane, and thus it contributes to enhancing the battery performance. This enhancement is analyzed in terms of various electrochemical theories and experiment results; thus, it is verified to occur because of the considerably fast lithium-ion transport in the aligned LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 electrode. LiNixMnyCo1-(x+y)O2의 자기특성을 고려한 자기장 이용 결정방향 제어 연구를 통해, LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 결정 내 많은 비율의 (00l) plane들이 전극집전체 표면에 수직으로 정렬된 결정배향 전극을 확보하였다. 해당 결정배향 전극은 리튬이차전지의 충방전 과정 중에 낮은 전극 polarization 특성을 나타내었으며, 일반 LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 전극 대비 높은 용량을 기록하였다. 결정배향 전극은 빠른 리튬이온 전달에 적합한 구조적 특성으로 인해 리튬이차전지 성능 향상에 기여한 것으로 예상되었다. 결정배향 전극에 의한 성능 향상을 다양한 전기화학적 이론 및 분석 결과를 통해 검증, 해석하였다.

리튬 이차전지용 LiMn1.92Co0.08O4, LiNi1-yCoyO2 의 합성과 그들의 혼합물 의 전기화학적 특성

권익현,송명엽,김훈욱 한국수소및신에너지학회 2004 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.15 No.1

LiMn1.92Co0.08O4와 LiNi1-yCoyO2를 단순화한 연소법에 의하여 합성하고, 그것들의 전기화학적 특성을 조사하였다. 또한 30분동안 밀링하여 준비한 LiMn1.92Co0.08O4 - x wt.%LiNi0.7Co0.3O2 (x=9, 23, 33, 41 and 47) 혼합물 전극의 전기화학적 특성을 조사하였다. x=33 조성의 전극이 가장 큰 초기방전용량(132.0mAh/g at 0.1C)을 나타내었다. x=9조성의 전극은 비교적 큰 초기방전용량(109.9mAh/g at 0.1C)과 우수한 싸이클 특성을 나타내었다. 싸이클링에 따른 혼합물 전극의 방전용량의 감소는 주로 LiNi0.7Co0.3O2의 퇴화에 기인한다고 생각된다. 그런데 LiNi0.7Co0.3O2의 퇴화는 LiMn1.92Co0.08O4로부터 용해된 Mn이 LiNi0.7Co0.3O2를 둘러쌈(coating)으로써 야기되는 것으로 생각된다.

단순 연소법으로 합성한 LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂ 양극 활물질의 구조 분석 및 전기화학적 특성 연구

조성우,주정훈,류성현,류광선,Cho, Sung-Woo,Ju, Jeong-Hun,Ryu, Seong-Hyeon,Ryu, Kawng-Sun 한국전기화학회 2010 한국전기화학회지 Vol.13 No.4

$LiNi_{0.5}Mn_{0.3}Co_{0.2}O_2$의 리튬이온 이차전지 양극 물질로의 특성을 연구하기 위해서 단순 연소합성법을 이용하여 합성했다. 합성된 물질의 구조적 특징을 분석하기 위하여 X-선 회절분석(XRD)과 주사전자현미경 (FE-SEM)을 측정하였다. X-선 회절분석을 통하여 합성된 $LiNi_{0.5}Mn_{0.3}Co_{0.2}O_2$시료가 육방정계 층상구조가 형성된 것을 확인하였다. FE-SEM을 통해 측정한 결과 $LiNi_{0.5}Mn_{0.3}Co_{0.2}O_2$ 입자는 일정한 형태를 가지지 않았으며 크기는 대략 100~300 nm의 크기임을 확인할 수 있었다. 그리고 전기화학적 특성을 측정하기 위하여 충 방전 용량 측정과 CV(Cyclic Voltammetry)를 측정하였다. 2.8 V에서 4.3 V까지 충 방전 용량을 측정한 결과 ~162 mAh/g의 초기 방전 용량을 가졌다. $LiNi_{0.5}Mn_{0.3}Co_{0.2}O_2$ active material was prepared by simple-combustion method and investigated as the cathode material for li-ion battery. The structural characterization was analyzed by X-ray diffraction (XRD) and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), respectively. The XRD patterns of $LiNi_{0.5}Mn_{0.3}Co_{0.2}O_2$ sample was indicated a phase of layered hexagonal structure. The size of particles has not uniform diameters ranging from 100 to 300 nm. The electrochemical performance of the $LiNi_{0.5}Mn_{0.3}Co_{0.2}O_2$ was measured by Cyclic Voltammetry and galvanostatics. The $LiNi_{0.5}Mn_{0.3}Co_{0.2}O_2$ shows the discharge capacity of ~162 mAh/g in the range of 2.8 to 4.3 V at the first cycle.

LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 양극활물질의 전기화학적 특성 향상을 위한 MgF2 표면처리 효과

진수진,서진성,나병기 한국화학공학회 2020 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.58 No.1

Electrochemical characterization and thermal stability were investigated for MgF2 coated LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 cathode. The ratio of MgF2 was controlled by 0.5, 1, 3 wt%. Cyclic voltammetry, charge-discharge profiles, rate capability, cycle life were measured for electrochemical properties. DSC analysis was measured for thermal stability. The first discharge capacities of MgF2 coated LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 were decreased at 0.1C-rate compared to pristine LiNi0.8Co0.15Al0.05O2. But the rate capability and cycle life of MgF2 coated LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 were improved at 2C-rate. In DSC analysis result, the exothermic temperature of MgF2 coated LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 was increased and peak height was decreased. 본 연구에서는 MgF2를 이용하여 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 양극활물질의 표면을 코팅하여 전기화학적 특성과 열적 안정성을 평가하였다. 코팅된 MgF2의 비율은 0.5, 1, 3 wt%로 조절하였다. 전기화학적 특성은 CV, 충·방전 프로파일, 출력특성, 수명특성을 분석하였고, 열적 안정성은 DSC 분석을 통하여 이루어졌다. 전기화학적 특성 분석 결과 0.1C에서초기 방전 용량은 MgF2 코팅이 되었을 때 감소하였지만, 2C까지 출력을 향상 시켰을 때는 약간 향상된 방전 용량을얻을 수 있었고, 수명특성 또한 향상되었다. 또한 DSC 분석 결과 코팅이 되었을 때 발열 온도가 증가하였고, 발열 피크의 세기 또한 감소하였다.

KCl을 사용한 LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂계 양극활물질의 잔류리튬 저감 및 전기화학특성 개선

유기원,신미라,신태명,홍태환,김홍경,Yoo, Gi-Won,Shin, Mi-Ra,Shin, Tae-Myung,Hong, Tae-Whan,Kim, Hong-kyeong 한국전기화학회 2017 한국전기화학회지 Vol.20 No.1

$LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$의 전구체 물질에 KCl을 첨가함으로써, 리튬카보네이트($Li_2CO_3$)와 리튬수산화물(LiOH)의 양을 감소시켰을 때 전기화학특성에 어떤 영향을 주는지에 대한 연구를 진행하였다. KCl을 1 질량 %로 전구체에 첨가하여 $800^{\circ}C$에서 열처리 한 샘플의 경우, 첨가하지 않은 재료와 대비하여 잔류하는 리튬카보네이트($Li_2CO_3$)는 8,464 ppm에서 1,639 ppm으로 리튬수산화물(LiOH)은 8,088 ppm에서 6,287 ppm으로 크게 감소하였다. XRD 분석결과 KCl의 첨가는 모상구조에 영향을 주지 않았으며, 층상구조 결정성이 약간 개선되는 효과가 확인되었다. 또한, 전하전달 저항($R_{ct}$)은 $255{\Omega}$에서 KCl 첨가 시 $99{\Omega}$으로 감소하였다. 초기 방전 용량은 171.04 mAh/g에서 182.73 mAh/g으로 증가하였으며 싸이클 특성도 개선되었다. 특히, AFM 분석을 통하여 표면적이 50% 감소하는 것을 확인하였는데, 이는 잔류리튬의 산화반응으로 인한 열 때문일 것으로 해석되고, 전해질과의 부반응을 억제할 수 있는 장점이 있었다. 잔류리튬 제거를 위해 KCl을 첨가한 연구는, 아직까지 발표된 바가 없으며, $LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$계 양극활물질의 전기화학특성을 개선하는데 매우 효과적임을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다. Using a precursor of $LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$ as a starting material, a surface-modified cathode material was obtained by coating with KCl, where the added KCl reduces residual Li compounds such as $Li_2CO_3$ and LiOH, on the surface. The resulting electrochemical properties were investigated. The amounts of $Li_2CO_3$ and LiOH decreased from 8,464 ppm to 1,639 ppm and from 8,088 ppm to 6,287 ppm, respectively, with 1 wt% KCl added $LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$ that had been calcined at $800^{\circ}C$. X-ray diffraction results revealed that 1 wt% of KCl added $LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$ did not affect the parent structure but enhanced the development of hexagonal crystallites. Additionally, the charge transfer resistance ($R_{ct}$) decreased dramatically from $225{\Omega}$ to $99{\Omega}$, and the discharge capacity increased to 182.73mAh/g. Using atomic force microscopy, we observed that the surface area decreased by half because of the exothermic heat released by the Li residues. The reduced surface area protects the cathode material from reacting with the electrolyte and hinders the development of a solid electrolyte interphase (SEI) film on the surface of the oxide particles. Finally, we found that the introduction of KCl into $LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$ is a very effective method of enhancing the electrochemical properties of this active material by reducing the residual Li. To the best of our knowledge, this report is the first to demonstrate this phenomenon.

Improved electrochemical performance of LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ cathode material synthesized by citric acid assisted sol-gel method for lithium ion batteries

Lee, S.W.,Kim, H.,Kim, M.S.,Youn, H.C.,Kang, K.,Cho, B.W.,Roh, K.C.,Kim, K.B. Elsevier Sequoia 2016 Journal of Power Sources Vol.315 No.-

A citric acid assisted sol-gel method is employed for synthesizing LiNi<SUB>0.6</SUB>Co<SUB>0.2</SUB>Mn<SUB>0.2</SUB>O<SUB>2</SUB> for use as a cathode material in lithium-ion batteries. The effects of heat-treatment temperature and oxygen atmosphere on the structural and electrochemical properties of LiNi<SUB>0.6</SUB>Co<SUB>0.2</SUB>Mn<SUB>0.2</SUB>O<SUB>2</SUB> are investigated, in order to determine optimal conditions for the synthesis of LiNi<SUB>0.6</SUB>Co<SUB>0.2</SUB>Mn<SUB>0.2</SUB>O<SUB>2</SUB> via the citric acid assisted sol-gel method. In particular, the presence of oxygen in the atmosphere effectively leads to a decrease in the degree of cation mixing and the formation of LiOH and Li<SUB>2</SUB>CO<SUB>3</SUB> on the surface of LiNi<SUB>0.6</SUB>Co<SUB>0.2</SUB>Mn<SUB>0.2</SUB>O<SUB>2</SUB>. Furthermore, heat-treatment in an oxygen atmosphere improves the uniformity of oxidation state of Ni ions between the surface and bulk. LiNi<SUB>0.6</SUB>Co<SUB>0.2</SUB>Mn<SUB>0.2</SUB>O<SUB>2</SUB> synthesized by heat-treatment at 850 <SUP>o</SUP>C under an oxygen atmosphere shows a discharge capacity of 174 mA h g<SUP>-1</SUP> and 89% capacity retention after 100 cycles. In addition, it shows high rate capability (i.e., 41% capacity retention at 10 C), which is an improved rate performance over a previous report. The results of this study should provide useful information for the synthesis of Ni-rich layered oxides for lithium ion batteries.

Improved electrochemical performances of LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ cathode via SiO₂ coating

Lee, Seung-Hwan,Park, Gum-Jae,Sim, Seoung-Ju,Jin, Bong-Soo,Kim, Hyun-Soo Elsevier 2019 JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS Vol.791 No.-

<P><B>Abstract</B></P> <P>Surface-modified LiNi<SUB>0.8</SUB>Co<SUB>0.1</SUB>Mn<SUB>0.1</SUB>O<SUB>2</SUB> cathode with different coating amounts of SiO<SUB>2</SUB> (0.25–1 wt%) is successfully synthesized and its electrochemical performances are investigated. Compared to bare LiNi<SUB>0.8</SUB>Co<SUB>0.1</SUB>Mn<SUB>0.1</SUB>O<SUB>2</SUB>, the 0.25 wt% SiO<SUB>2</SUB> coated LiNi<SUB>0.8</SUB>Co<SUB>0.1</SUB>Mn<SUB>0.1</SUB>O<SUB>2</SUB> delivers an initial capacity of 200.7 mAh g<SUP>−1</SUP> as well as the excellent cyclability (capacity retention of 87.3% after 100 cycles at 0.5C) and rate capability (82.2% at 2C). Furthermore, 0.25 wt% SiO<SUB>2</SUB> coated LiNi<SUB>0.8</SUB>Co<SUB>0.1</SUB>Mn<SUB>0.1</SUB>O<SUB>2</SUB> exhibits the stable cycle performance at 55 °C (84.5% after 100 cycles at 0.5C). Such improvements are attributed to the SiO<SUB>2</SUB> coating, which can suppress the irreversible phase transformation and play a role in obstacle to protect the LiNi<SUB>0.8</SUB>Co<SUB>0.1</SUB>Mn<SUB>0.1</SUB>O<SUB>2</SUB> from electrolyte.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> SiO<SUB>2</SUB> coating was prepared with high crystallinity. </LI> <LI> SiO<SUB>2</SUB> coating has a discharge capacity of 200.7 mAh g<SUP>−1</SUP>. </LI> <LI> SiO<SUB>2</SUB> coating shows a rate capability of 82.2% at 2C. </LI> <LI> SiO<SUB>2</SUB> coating shows a stable cyclability of 84.5%, after 100 cycles. </LI> </UL> </P>

Zirconium doped LiNi0.91Co0.06Mn0.03O2cathode as a superior cathode for lithium ion batteries

Seung-Hwan Lee 한양대학교 세라믹연구소 2020 Journal of Ceramic Processing Research Vol.21 No.5

In this paper, well-crystallized Zr-doped Ni-rich layered LiNi0.91Co0.06Mn0.03O2 cathode is prepared by solid state method and itsstructural properties and electrochemical performances in lithium-ion cells is investigated. The Zr-doped LiNi0.91Co0.06Mn0.03O2has superior cation ordering and the morphology of Zr-doped LiNi0.91Co0.06Mn0.03O2 was the same as pristine LiNi0.91Co0.06Mn0.03O2. The 0.5 wt% Zr-doped LiNi0.91Co0.06Mn0.03O2 shows better electrochemical performances such as initial discharge capacity of210.5 mAh g-1, rate capability of 75.4 % at 2 C and cycling retention of 94.5 % after 50 cycles. It can be elucidated by therole of the Li2ZrO3 layer and Zr substitution in LiNi0.91Co0.06Mn0.03O2.

구조 및 우수한 전기화학적 성능

이승환(Seung-Hwan Lee) 강원대학교 산업기술연구소 2022 産業技術硏究 Vol.42 No.1

Although the mileage of electric vehicles can be increased based on the excellent energy density of the LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2, it is known that the reason for limiting its use is the low lifespan and poor surface stability due to the structural deformation of the LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2. To improve the structural stability of LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2, electrochemical performance is improved by La coating on the surface. La-modified LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2 shows an initial capacity of 210.6 mAh/g, a capacity retention rate of 89.9 % after 50 cycles, and a retention rate of 52.5% at 6.0 C. These are superior performances than the pristine sample, because the structural stability of the LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2 cathode is improved by the La coating.

KCl을 사용한 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2계 양극활물질의 잔류리튬 저감 및 전기화학특성 개선

유기원,신미라,신태명,홍태환,김홍경 한국전기화학회 2017 한국전기화학회지 Vol.20 No.1

LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2의 전구체 물질에 KCl을 첨가함으로써, 리튬카보네이트(Li2CO3)와 리튬수산화물(LiOH)의 양을 감소시켰을 때 전기화학특성에 어떤 영향을 주는지에 대한 연구를 진행하였다. KCl을 1 질량 %로 전구체에 첨가하여 800oC에서 열처리 한 샘플의 경우, 첨가하지 않은 재료와 대비하여 잔류하는 리튬카보네이트(Li2CO3)는 8,464 ppm에서 1,639 ppm으로 리튬수산화물(LiOH)은 8,088 ppm에서 6,287 ppm으로 크게 감소하였다. XRD 분석결과 KCl의 첨가는 모상구조에 영향을 주지 않았으며, 층상구조 결정성이 약간 개선되는 효과가 확인되었다. 또한, 전하전달 저항(Rct)은 255 Ω에서 KCl 첨가 시 99 Ω으로 감소하였다. 초기 방전 용량은 171.04 mAh/g에서 182.73 mAh/g으로 증가하였으며 싸이클 특성도 개선되었다. 특히, AFM 분석을 통하여 표면적이 50% 감소하는 것을 확인하였는데, 이는 잔류리튬의 산화반응으로 인한 열 때문일 것으로 해석되고, 전해질과의 부반응을 억제할 수 있는 장점이 있었다. 잔류리튬 제거를 위해 KCl을 첨가한 연구는, 아직까지 발표된 바가 없으며, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2계 양극활물질의 전기화학특성을 개선하는데 매우 효과적임을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다.