리튬이온배터리용 니켈리치 양극재료의 Sn 치환에 따른 구조적 전기화학적 영향 = Effects of Sn substitution on the structural and electrochemical properties of Ni-rich cathode materials for lithium-ion batteries

국문 초록 (Abstract)

니켈 함량이 높은 3성분계 전이금속(Ni, Co, Mn)산화물은 고용량 구현을 위해 개발되었다. 하지만 Ni 함량이 증가함에 따라 구조적 안정성이 악화되는 단점이 있어 이를 개선하기 위하여 양극소재에 이종원소를 치환하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 연구에서는 양극재료 개발에 있어 공침법을 통한 전구체 제조단계 이후에 Sn을 도핑하여 Li[Ni0.82Co0.12Mn0.06]1-xSnxO2(X = 0.004, 0.008, 0.012, 0.024)을 합성하였다. scanning electron microscopy(SEM)을 통해 전구체, 양극재의 형상이 구형임을 확인하였으며 energy-dispersive x-ray spectroscopy(EDS), cross-section polisher(CP)를 통해 Sn이 양극재 내부까지 치환되어 있음을 확인하였다. x-ray diffraction(XRD)를 통해 Sn이 치환됨에 따른 (003)피크의 저각으로의 이동으로 구조변화가 일어났음을 확인할 수 있었다. 또한 x-ray photoelectron spectroscopy(XPS)의 결과로 양극재의 구성원소 Ni은 2+, 3+로, Co는 3+로, Mn은 4+로, Sn은 4+로 존재함을 알 수 있었으며, Sn이 치환됨에 따른 각 원소들의 화학적 결합상태를 확인하였다. 입자강도 분석을 통해서 Sn이 치환됨에 따라 입자강도가 증가함을 보이다가 Sn 1.5wt%에서부터 감소함을 보이며 이는 Sn 1.5wt%부터 구조가 붕괴됨을 나타낸다. Sn 치환을 한 Li[Ni0.82Co0.12Mn0.06]1-xSnxO2의 전기화학적 특성인 수명특성과 출력특성이 Sn을 치환 하지 않은 Li[Ni0.82Co0.12Mn0.06]O2 보다 구조적인 안정성 향상 뿐만 아니라 수명특성, 출력특성을 향상시킴을 나타낸다. 하지만 Sn 1.5wt%부터 구조붕괴로 인해 불안정한 전기화학적 특성을 보이고 있다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 배경이론 3
• 2.1 리튬이온배터리의 원리 3
• 2.2 리튬이온배터리의 구성 5
• 2.2.1 양극(cathode) 5
• 2.2.2 음극(anode) 6
• 2.2.3 전해액(electrolyte) 6
• 2.2.4 분리막(seperator) 7
• 2.3. 리튬이온배터리 양극소재 8
• 2.3.1 층상계 양극활물질 8
• 2.3.1.1 LiCoO2 8
• 2.3.1.2 LiNi1-xCoxO2 8
• 2.3.1.3 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 9
• 2.3.1.4 LiNiCoMnO2 ( Ni ≥ 50% ) 9
• 2.4. 공침합성법의 원리 12
• Ⅲ. 실험방법 13
• 3.1 양극소재의 제조 13
• 3.1.1 양극소재의 전구체 제조 13
• 3.1.2 양극 활물질 제조 15
• 3.2 양극소재 분석 17
• 3.2.1 양극소재의 물성 분석 17
• 3.2.1.1 주사전자 현미경 (scanning electron microscope, SEM) 17
• 3.2.1.2 X-선 회절 분석 (x-ray diffraction, XRD) 17
• 3.2.1.3 광전자분광법 (x-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 18
• 3.2.1.4 입자강도(Particle Hardness) 18
• 3.3 전지제조 20
• 3.3.1 양극 전극의 제작 20
• 3.3.2 반쪽전지(Half Cell)의 제작 20
• 3.4 전기화학 특성 분석 20
• 3.4.1 출력특성 평가 20
• 3.4.2 수명특성 평가 21
• Ⅳ. 결과 및 고찰 22
• 4.1 물리적 특성 22
• 4.1.1 주사전자 현미경(SEM) 22
• 4.1.1.1 전구체 22
• 4.1.1.2 양극활물질 22
• 4.1.2 X-선 회절 분석(XRD) 27
• 4.1.3 광전자분광법(XPS) 29
• 4.1.4 입자강도(Particle Hardness) 31
• 4.2 전기화학적 특성 33
• 4.2.1 초기용량 33
• 4.2.2 수명 35
• 4.2.3 출력 43
• Ⅴ. 결론 46
• Ⅵ. 참고문헌 48