리튬이차전지용 올리빈계 나노 양극 소재의 합성 및 전기화학 특성 연구

국문 초록 (Abstract)

리튬이온전지의 주요 소재인 양극 활물질 중 구조적, 열적 안정성이 우수한 올리빈계 양극 소재에 대해 연구하였다. 특히 고전압에서 구동할 수 있어 에너지 밀도가 높은 LiCoPO4를 졸-겔법과 고상합성법을 이용하여 제조하였다. 졸-겔법을 이용한 실험에서는 gelation 시간과 소성 온도가 LiCoPO4의 물성과 전기화학적 특성에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 졸-겔법은 고상합성법에 비해 매우 복잡하며 실험에 더 긴 시간을 필요로 하기 때문에 효율적인 실험을 위해 고상합성법을 이용하여 LiCoPO4를 제조하였다. 볼밀링을 하는데 있어 밀링 power가 중요한 변수였으며 소성 온도, Li의 양 또한 주요 변수였다. 이 실험을 바탕으로 가장 널리 사용되는 올리빈계 활물질 LiFePO4 제조 실험도 진행하였으며 그 결과 약 94%의 우수한 수명 특성을 얻을 수 있었다. 위 실험들을 바탕으로 수명 특성이 낮은 LiCoPO4에 Fe를 일부 첨가하여 수명 특성 향상을 기대하였다. 그 결과 구동전압은 높게 유지하면서 초기용량을 95mAh/g까지 증가시킬 수 있었으며 수명 특성은 90%로 높일 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cathode materials with a Olivine-structure are actively investigated for lithium ion batteries because they have good structural, thermal safety. Especially LiCoPO4 has high working voltage (4.8V vs. Li+/Li) and high energy density. In this study, LiCoPO4 was prepared by sol-gel method and solid state reaction. In the sol-gel experiment, gelation time and heat treatment temperature were important to the characteristics and electrochemical properties of LiCoPO4. However, sol-gel method is more complicated and needs longer time than solid state reaction. So LiCoPO4 was synthesized by solid state reaction for efficient experiment. There are important variables in solid state reaction such as milling power, heat treatment temperature, and the amount of Li. Also conventional olivine material, LiFePO4 was synthesized. Electrochemical charge and discharge test shows that the LiFePO4 can deliver a high specific capacity of 124 mAh g-1 and maintain 94% of initial capacity after 50 cycles at 1.0C rate. Based on these experiments, Fe was doped in LiCoPO4 for improvement of cycleability. As a result, LiCo0.75Fe0.25PO4 exhibits enhanced initial capacity of 86mAh g-1 to 95mAh g-1 and cycling capacity retention rate reached 90% over 30 cycles at high working voltage.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ⅱ
• List of Tables․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ⅳ
• 요약․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ⅴ
• Abstract․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ⅵ
• 제 1 장 서론․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․1
• 제 2 장 이론적 배경․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․4
• 2. 1. 리튬 이온 전지 (LIB)․․․․․․․․․․․․․․․․․․․4
• 2. 2. 올리빈계 양극 소재․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․7
• 2. 3. 졸-겔(Sol-gel)법․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․11
• 2. 4. 고상반응법․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․13
• 제 3 장 실험방법 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․16
• 3. 1. 양극 소재 합성․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․16
• 3. 1. 1. Sol-gel법을 이용한 합성․․․․․․․․․․․․․․․․16
• 3. 1. 2. 고상반응법을 이용한 합성․․․․․․․․․․․․․․․17
• 3. 2. 물리화학적 특성․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․17
• 3. 3. 전지 제작 및 전지 특성․․․․․․․․․․․․․․․․․․․18
• 제 4 장 결과 및 고찰․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․19
• 4. 1. LiCoPO4․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․19
• 4. 2. LiFePO4․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․34
• 4. 3. LiCo1-xFexPO4․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․41
• 제 5장 결론 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․47
• 제 6장 참고문헌․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․49