(A) Study on the Synthesis and Electrochemical behavior of layered Li[CrxLi(1/3-x/3)Mn(2/3-2x/3)]O2 for Li-ion rechargeable batteries.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The synthesis of the manganese and chromium compounds which based on redox reactions in solutions are practiced by using different precursors and process. All of the Li[CrxLi(1/3-x/3)Mn(2/3-2x/3)]O2 series were synthesized by solid-state reactions using the pre-perpared manganese and chromium precursors.
In Capter. 2, the manganese and chromium oxide nanoparticles were synthesized by redox reactions using the oxidation agent in aqueous solutions. The Li1.252Cr0.244Mn0.504O2 materials having α-NaFeO2 (R3-m) phase were prepared by solid-state reactions with LiOH and the prepared nanoparticles. The materials were calcined at 500℃ and 900℃ for 6 hrs in air, and then quenched to room temperature. The Li1.252Cr0.244Mn0.504O2 material heated at 500℃ exhibits nanocrystalline characteristics and much higher discharge capacity of 268 mAh/g than the fully crystallized material heated at 900℃. Also, the material heated at 500℃ shows clearly the absence of the capacity at near 4.5 V after the first charge process in differential capacity vs. potential curve, indicating that the nanocrystalline Li1.252Cr0.244Mn0.504O2 successfully circumvents the undesirable oxygen loss.
In Capter. 3, the manganese and chromium oxide nanoparticles were synthesized by redox reactions using transition metal powders in solutions. The layered Li[CrxLi(1/3-x/3)Mn(2/3-2x/3)]O2 (x=0.054, 0.0142, 0.147 and 0.311) materials having α-NaFeO2 (R-3m) structure were prepared by solid-state reactions with LiOH and the pre-perpared manganese and chromium precursors. The amount of chromium, after removing the traces of Li2CrO4 from the prepared samples is found to be increased with temperature.
The Li[CrxLi(1/3-x/3)Mn(2/3-2x/3)]O2 material with x=0.147 exhibits a high discharge capacity of 280 mAh/g in the first cycle and a good reversible capacity of about 250 mAh/g when cycled in voltage range 2.0 - 4.9 V. Whereas, the Li[CrxLi(1/3-x/3)Mn(2/3-2x/3)]O2 material with x=0.311 delivered a very low initial discharge capacity of 98 mAh/g, which is found to be increased up to a discharge capacity of about 260 mAh/g at the 30th cycling. This drastic increase in capacity is attributed to the redox couples of Cr+4/Cr+6 and Cr+3/Cr+4.

국문 초록 (Abstract)

용액 상태에서 산화ㆍ환원 반응에 기초를 둔 망간과 크롬 화합물의 합성은 서로 다른 전구체와 실험과정을 이용하여 실행되었다. 모든 Li[CrxLi(1/3-x/3)Mn(2/3-2x/3)]O2 양극재료들은 미리 준비한 망간과 크롬 전구체를 이용하여 고상 고온법으로 합성하였다.
Chapter.2에서는 망간과 크롬 화합물은 수용액 상태에서 산화제를 이용하여 산화ㆍ환원 반응에 의해 합성하였다. α-NaFeO2 (R-3m) 구조를 갖는 Li1.252Cr0.244Mn0.504O2 양극재료는 LiOH 와 얻어진 망간과 크롬 화합물과 함께 고상 고온법으로 준비하였다. 이 양극재료는 500℃ 와 900℃에서 6 시간동안 열처리하고, 상온으로 급냉시켰다. 500℃에서 열처리한 Li1.252Cr0.244Mn0.504O2 양극재료는 nanocrystalline 특성을 보여주었고 900℃에서 열처리한 양극재료보다 더 높은 268 mAh/g 의 방전 용량을 나타냈다. 또한, 500℃에서 열처리한 양극재료는 differential capacity vs. potential 곡선에서 첫 번째 충전 과정 후 4.5 V 근처에서 용량 부재를 명백히 나타냈으며, 이는 nanocrystalline 특성을 지닌 Li1.252Cr0.244Mn0.504O2 양극재료가 바라지않은 산소 손실을 성공적으로 극복했다는 것을 말해주고 있다.
Capter. 3에서는 망간과 크롬 화합물은 전이 금속 powder를 이용하여 용액상태에서 산화ㆍ환원 반응에 의해 준비되었다. α-NaFeO2 (R-3m) 구조를 갖는 층상구조인 Li[CrxLi(1/3-x/3)Mn(2/3-2x/3)]O2 (x=0.054, 0.142, 0.147 and 0.311) 양극재료들은 얻어진 망간과 크롬 화합물을 이용하여 고상 고온법에 의해 합성되어졌다. 세척 과정을 통해 Li2CrO4를 제거해줌으로써 Li[CrxLi(1/3-x/3)Mn(2/3-2x/3)]O2 양극재료의 크롬 양은 반응 온도가 올라감에 따라 증가하는 것을 ICP결과에 의해 찾아낼 수 있었다. 크롬 양이 0.147함유한 리튬이온전지 양극재료는 전압영역 2.0 V와 4.9 V 사이에서 초기 싸이클 동안 280 mAh/g 의 높은 방전 용량을 나타냈고, 초기 충전 이후 산소 손실의 부재에 의해 약 250 mAh/g의 우수한 가역적인 용량을 나타내었다. 크롬 양이 0.311 함유한 리튬이온전지 양극재료는 98 mAh/g 의 낮은 초기 방전 용량을 나타내지만, 30번째 싸이클까지 약 260 mAh/g 의 급격한 방전 용량의 증가를 보여주었다. differential capacity vs. potential 곡선은 크롬 양이 0.311 함유한 리튬이온전지 양극재료의 용량 증가가 산화ㆍ환원 짝인 Cr+4/Cr+6 과 Cr+3/Cr+4과 관련이 있을 가능성을 언급해 주고 있다.

목차 (Table of Contents)

• CONTENTS
• List of figures = 2
• List of tables = 5
• Abstract in English = 6
• CHAPTER 1
• 1.1. Introduction = 8
• 1.2. Basic concepts of rechargeable lithium batteries = 12
• 1.3. Rechargeable lithium-ion batteries = 13
• 1.4. References = 20
• CHAPTER 2
• 2.1. Introduction = 22
• 2.2. Experimental = 24
• 2.3. Results and discussion = 26
• 2.4. Conclusion = 34
• 2.5. References = 35
• CHAPTER 3
• 3.1. Introduction = 36
• 3.2. Experimental = 38
• 3.3. Results and discussion = 41
• 3.4. Conclusion = 53
• 3.5. References = 54
• Abstract in Korean = 56