Metal oleate 전구체를 이용한 리튬 이온 이차전지의 양극 활물질 합성에 대한 연구 = Synthesis of Cathode Active Material for Lithium ion Secondary Battery using Metal oleate precursors

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 metal oleate 전구체를 이용하여 균일한 조성을 가지며, 양이온 혼합도가 낮은 양극 활물질인 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2을 합성하였다. 소성과정에서 결정구조의 변화를 알아보기 위해 전구체들과 활물질의 구조와 전기화학적 특성을 분석하였다. 비누화 반응과 금속치환 반응을 응용하여 metal oleate 전구체를 합성하고 이 전구체들을 혼합하여 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2을 합성하였다. 950 C에서 3 시간동안 소성한 활물질이 가장 우수한 결정성을 지녔으며, 이 활물질의 초기 충전 용량은 142 mAh/g(0.5 C)으로 CSTR을 이용하여 공침법으로 만든 활물질(145 mAh/g)과 다른 전구체를 이용한 고체상태 합성법으로 만든 것(CA333:143 mAh/g, AC333:80 mAh/g at 0.5 C) 과 비교하여 준수한 성능을 가진 것을 전기화학실험 결과를 통해 확인되었다. Metal oleate를 이용한 합성법은 비교적 저온에서 전구체의 용융로 인해 원자 수준의 혼합이 다른 합성법에 비해 쉽고 단시간에게 가능하다. 또한 합성 시간이 기존의 합성법보다 5배 이상 짧고 간단하여 공정의 간편성과 경제성이 뛰어나다는 장점이 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The layered hexagonal LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode active material were synthesized using metal oleate precursors prepared in this work. The morphology of metal oleate precursors and LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 were confirmed using SEM, EDS, XRD, ICP-AES and TGA-DSC analysis. Through the analysis, we derived the specific temperature using the mass change and the heat change of the precursors and the mixture, and analyzed the structure of the substance at the temperature to investigate the synthesis mechanism. The optimized condition(OA333) was calcining at 950 C for 3 hours in a muffle furnace. It was shown that low cation mixing and good crystallinity via intensity ratio and integral ratio of I(003)/I(104), ratio of (I(006)+I(102))/I(101), split of (006) and (102), split of (108) and (110) from XRD results. The electrochemical performances which are capacity of half coin and cycle properties are analyzed by cycler at 30 C. Capacity of half coin cell was obtained 142 mAh/g at 0.5 C, which is compared to that synthesized with metal carbonate(143 mAh/g at 0.5 C) and metal acetate(80 mAh/g at 0.5 C), conventional coprecipitated NCM333(145 mAh/g). There is no significant loss of capacity until 30 cycles at the rate of 0.5 C. OA333 can be used to cathode active material of LIB. This synthesis using metal oleate precursors can produce atomic level mixing by melting of precursors at relatively low temperature. It is faster and simpler than conventional processes.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 이론적 배경 3
• 1.2.1. 리튬 이온 이차전지의 작동원리 3
• 1.2.2. 양극 활물질 5
• 1.2.3. 음극 활물질 11
• 1.2.4. 전해질 12
• 1.2.5. 분리막 13
• 1.2.6. 바인더 13
• 1.2.7. Metal oleate 전구체 15
• 2. 실험 및 분석 16
• 2.1. 시약 16
• 2.2. 실험 17
• 2.2.1. Metal oleate 합성 17
• 2.2.2. LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 합성 20
• 2.3. 분석 22
• 2.3.1. 분석 기기 22
• 2.3.2. 전기화학실험 22
• 3. 결과 및 고찰 25
• 3.1. Metal oleate의 특성 25
• 3.2. LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2의 특성 36
• 3.3. 전기화학적 특성 45
• 4. 결론 48
• 참고 문헌 49
• 영어 초록 54
• 그림 목록
• 그림 1. 리튬 이온 이차전지의 충방전 원리 4
• 그림 2. 삼원계 리튬 전이금속 산화물의 역할과 조성도 10
• 그림 3. Metal oleate 합성 방법 19
• 그림 4. Metal oleate 전구체를 이용한 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 합성 21
• 그림 5. 전기화학실험을 위한 동전형 반쪽 전지의 구성 24
• 그림 6. Metal oleate의 특성 26
• 그림 7. 소성온도에 따른 Li-oleate의 구조 변화 28
• 그림 8. 소성온도에 따른 Ni(II)-oleate의 구조 변화 30
• 그림 9. 소성온도에 따른 Co(II)-oleate의 구조 변화 32
• 그림 10. 소성온도에 따른 Mn(II)-oleate의 구조 변화 34
• 그림 11. NCM333-oleate의 특성 38
• 그림 12. 다양한 온도와 시간조건으로 소성한 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2의 XRD 구조분석 결과 40
• 그림 13. OA333의 조성 44
• 그림 14. OA333의 전기화학실험 결과 47
• 표 목록
• 표 1. Metal oleate를 이용하여 다양한 온도와 시간으로 소성한 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2의 특성 42