A Study on the Improved Electrochemical Stability of Ni-Rich Single Crystal Cathode by a Lithium-Containing Oxide Coating Layer for High-Energy Density Lithium-Ion Batteries = 리튬 포함 산화물 코팅층에 의한 고 에너지 밀도 이차전지용 하이니켈 단결정 양극의 향상된 전기화학적 안정성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

하이니켈 단결정 양극소재는 높은 에너지 밀도와 기존 다결정 양극 소재의 입자 간 균열을 해결하기 위한 차세대 물질 중의 하나로 여겨진다. 비록, 단결정 하이니켈 양극재의 사용은 이러한 단점을 완화시키지만, 단결정 입자에서의 본질적으로 긴 이온 확산거리와 고온 소성으로 인해 발생하는 잔류리튬 화합물은 단결정 양극재의 율속 특성을 저하시킨다. 본 연구에서는 차세대 양극 재료인 하이니켈 단결정 양극재의 고온 열처리로 인한 양극 표면에 생성된 잔류 리튬 화합물 생성 문제를 해결하기 위해 몰리브데늄 기반 리튬 포함 산화물인 리튬 몰리브데이트(Li2MoO4) 코팅층을 도입하는 방법을 연구하였다. Li2MoO4 코팅층은 표면에 존재하는 잔류리튬과 (NH4)6Mo7O24∙4H2O의 반응을 통해 도입되었다. Li2MoO4 코팅 과정은 후속 열 처리 과정을 포함하며, 이는 코팅층에서 몰리브데늄 이온의 확산을 촉진시켜 단결정 LiNi0.9Co0.07Mn0.03O2 (SC NCM90)의 표면 영역에 몰리브데늄 6가 이온의 도핑 상을 형성한다. 몰리브데늄 기반 리튬 포함 산화물 코팅층은 리튬 이온 확산을 용이하게 하고 전극/전해질 계면에서의 부반응을 억제한다. 8 C의 방전 속도에서 Li2MoO4 코팅된 SC NCM90 양극의 방전 용량은 128.1 mAh g-1이었으며, 기존 SC NCM90 단결정 소재는 62 mAh g-1의 낮은 용량을 보였다. 또한, Li2MoO4 코팅된 SC NCM90은 실온(25°C)에서 수행된 우수한 사이클성능과 60°C에서 만충전된 상태로 3일 동안 2회 고온 저장 테스트를 거친 후 사이클링 평가에서 주목할만한 용량 유지율을 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ni-rich single-crystal materials are next-generation cathode materials for achieving a high specific energy density in lithium-ion batteries and solving intergranular cracking in polycrystal cathodes. However, residual lithium compounds generated on the cathode surface by high-temperature calcination can hamper its rate capability. In this study, a Mo-based Li+-ion conductor Li2MoO4 coating layer was generated from the residual lithium compounds on the Ni-rich single-crystal cathode surface using (NH4)6Mo7O24∙4H2O via melt decomposition. The process of Li2MoO4 coating involves heat treatment, which promotes the diffusion of Mo ions from the coating layer into the surface region of single-crystal LiNi0.9Co0.07Mn0.03O2(SC NCM90) and it leads to the formation of a Mo6+-doped phase. The Mo-based Li+ conductor coating layer facilitated lithium-ion transport and suppressed side reaction of SC NCM90 at the electrode/electrolyte interface. At an 8 C rate, the discharge capacity of the Li2MoO4-coated SC NCM90 cathode was 128.1 mAh g-1, whereas pristine SC NCM90 exhibited a lower capacity of 62 mAh g-1. In addition, the Li2MoO4-coated SC NCM90 demonstrated superior cyclability and a notable capacity retention during the cycling test after undergoing twice for 3 days of storage tests at 60°C while fully charged.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Experimental procedure 4
• 2.1. Materials 4
• 2.2. Preparation of Pristine Ni-rich single-crystal cathode and Li2MoO4 coated Ni-rich single-crystal cathode 4
• 2.3. Materials characterizations 4
• 2.4. Electrochemical measurements 5
• Ⅲ. Results and discussion 7
• 3.1. Synthesis and materials characterizations 7
• 3.2. Electrochemical characterizations 15
• 3.3. High temperature storage test 20
• 3.4. Post-mortem analysis 26
• 3.5. Intermittent galvanostatic titration technique(GITT) analysis 29
• Ⅳ. Conclusion 30
• References 31
• Appendix 39
• Abstract (in Korean) 49