Electrochemical effects of transition metal (Fe, Al, and Zn) dopants in lithium-ion battery cathode active materials = 리튬이온전지 양극활물질 내의 전이금속 (Fe, Al, Zn) 도핑의 전기화학적 영향

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It is widely accepted that lithium-ion batteries (LIBs) are a suitable candidate for electric vehicles (EVs) due to their excellent electrochemical performance, which is related to their long cycling life and high energy density. Recently, as the amount of spent LIBs has increased dramatically due to the explosive growth of the EV market, the importance of recycling spent LIBs is also increasing. One of the typical processes for recycling spent LIBs is hydrometallurgy, which dissolves substances inside the batteries using acid to obtain leachate. Various impurities such as Fe, Al, Cu, Zn, and Ca are incorporated into the obtained leachate. Inspired by the fact that these impurities could affect electrochemical performance by being incorporated into regenerated LiNixCoyMnzO2 (NCM), the effects of Fe, Al, and Zn in the cathode active materials are confirmed in this study. The effects of major impurities (>50 ppm in the leachate) of Fe/Al and minor impurity (≤ 50 ppm in the leachate) of Zn are confirmed by synthesizing NCM in simulated leachate where the impurity content is controlled according to the actual leachate obtained in the industry. In the case of Zn-doped NCM, the effect on the substitution of Zn for Co is further investigated. This work not only elucidates the positive doping effect of impurities such as Fe, Al, and Zn in the regenerated cathode active materials but also further provides a practical approach to designing a Co-free Ni-rich cathode for higher energy density.

국문 초록 (Abstract)

리튬이온 배터리는 고에너밀도 특성으로 전기자동차용 배터리에 적합한 후보라는 것이 널리 받아들여지고 있다. 최근, 전기자동차 시장의 폭발적인 성장에 따라 리튬이온 배터리의 사용량이 급격하게 증가하면서, 사용 후 배터리를 재활용하는 방안도 동시에 화제가 되고 있다. 사용된 배터리를 재활용하는 공정 중에는 대표적으로 습식방식이 있으며, 이는 산을 이용하여 배터리 내부의 물질을 녹임으로써 침출수의 형태를 얻게 된다. 얻어진 침출수에는 여러 가지 불순물이 유입되며, 대표적으로 철, 알루미늄, 구리와 미량의 아연, 칼슘 등이 포함되어 있다. 이러한 불순물들이 재생된 양극활물질에 유입되어 전기화학적 성능에 영향을 미칠 수 있다는 사실에 영감을 받아, 본 연구에서는 철, 알루미늄, 아연이 양극활물질에 미치는 영향을 파악한다. 침출수에 50 ppm 이상 존재하는 주요 불순물인 철/알루미늄과 침출수에 50 ppm 미만 존재하는 아연의 불순물 양만큼을 양극활물질에 각각 도핑하여 불순물에 대한 영향을 확인한다. 아연의 경우 불순물의 양에서뿐만 아니라 코발트를 아연으로 완전히 치환하는 수준까지 양극활물질에 도핑 하여 영향을 확인한다. 본 연구는 불순물만큼의 도핑 수준에 대한 긍정적인 도핑 효과를 설명할 뿐만 아니라, 코발트 대신 아연을 사용하여 양극활물질을 설계하는 실용적인 접근법을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction
• Ⅱ. Experimental
• III. Effect of residual trace amounts of Fe and Al in LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 cathode active material for the sustainable recycling of lithium-ion batteries
• 1. Physicochemical characteristics
• 2. Electrochemical characteristics
• IV. The enhancement of cyclability of Ni-rich LiNi0.9Co0.05-xMn0.05ZnxO2 cathode materials by the substitution of Zn for Co
• 1. Morphology, elemental distribution, and structural characterization
• 2. Electrochemical performance
• V. Conclusions
• Ⅳ. References