리튬이온배터리 양극 재합성 시 잔존하는 구리의 전기화학적 영향 = Effects of residual Cu in the resynthesized precursors of Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2 on their electrochemical properties

국문 초록 (Abstract)

최근 리튬이온배터리의 사용량이 증가함에 따라 수명이 다한 리튬이온배터리의 폐기량 또한 증가하고 있으며, 이에 따라 폐리튬이온배터리의 재활용이 중요해지며 관련 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 폐리튬이온배터리 재활용 시 잔존하는 구리의 전기화학적 영향에 대해 연구하기 위하여 공침 반응을 통해 수산화물 전구체 Cux[Ni1/3Co1/3Mn1/3]1-x(OH)2를 합성하였으며 열처리 과정을 통해 LiCux[Ni1/3Co1/3Mn1/3]1-xO2 양극활물질을 합성하고 전지를 제작하여 전기화학 성능 평가를 수행하였다. X-선 회절 분석을 통하여 전구체에 구리가 함유되었을 때 결정 구조의 불완전성이 증가함을 확인하였다. 또한 격자 상수의 감소와 (003)과 (104) 피크의 넓이비의 감소로부터 전구체의 구리 함량이 증가함에 따라 Li/Ni 양이온 혼합(cation mixing)이 심화되는 것을 확인하였다. 3.0-4.3 V의 전압 구간에서 전기화학 성능 평가를 진행하여, 구리 함량이 증가함에 따라 초기 충·방전 용량, 출력 특성, 수명 특성 등의 전기화학 성능이 저하되는 경향을 확인하였다. 따라서 폐리튬이온배터리로부터 양극활물질을 재합성할 때 침출 용액에 잔존하는 구리를 제거하는 과정이 필요할 것으로 보인다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the production and consumption of LIBs increase, the treatment or recycling of spent LIBs appears inevitable from environmental and economic point of view. In this work, LiCux[Ni1/3Co1/3Mn1/3]1-xO2 cathode active materials are synthesized from co-precipitated hydroxide precursors Cux[Ni1/3Co1/3Mn1/3]1-x(OH)2, and the effect of residual Cu in the precursors on the electrochemical properties of their corresponding cathode active materials is investigated. Four kinds of precursors that contain different amounts of Cu are selected depending on different conditions of the solution composition for the co-precipitation. It is confirmed that the introduction of Cu to the precursors reduces the degree of structural perfection by X-ray diffraction analysis. Undesirable Li/Ni cation mixing occurs with the increasing Cu content of the precursors, which is inferred from a decline in lattice parameters and the calculated intensity ratio of (003) and (104) peaks. In the voltage range of 3.0-4.3 V, the initial charge/discharge capacities, rate capability, and the cyclability of the cathode active materials are aggravated when Cu exists in the precursors. Therefore, it could be concluded that the removal process for Cu in a solution for co-precipitation of precursors is necessary in the resynthesis of cathode active materials from spent LIBs.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• II. 배경이론 3
• 2.1 리튬이온배터리의 원리 3
• 2.2 리튬이온배터리의 구성 5
• 2.2.1 양극 5
• 2.2.2 음극 6
• 2.2.3 전해질 7
• 2.2.4 분리막 8
• 2.3 리튬이온배터리의 재활용 9
• 2.3.1 침출 9
• 2.3.2 공침합성법 10
• III. 실험방법 12
• 3.1 소재 합성 12
• 3.2 소재 분석 12
• 3.2.1 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS) 12
• 3.2.2 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 13
• 3.2.3 입도 분석(particle size analysis, PSA) 13
• 3.2.4 X-선 회절 분석(X-ray diffraction spectroscopy, XRD) 13
• 3.2.5 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 14
• 3.3 전지 제작 15
• 3.3.1 양극 전극의 제작 15
• 3.3.2 전지의 제작 15
• 3.4 전기화학 특성 분석 16
• 3.4.1 출력 특성 16
• 3.4.2 수명 특성 16
• IV. 결과 및 고찰 17
• 4.1 물리화학적 특성 17
• 4.1.1 금속 원소 함량 17
• 4.1.2 입자 표면 형상 및 금속 원소 분포 19
• 4.1.3 X-선 회절 분석(X-ray diffraction spectroscopy, XRD) 23
• 4.1.4 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 28
• 4.2 전기화학적 특성 31
• 4.2.1 초기 용량 31
• 4.2.2 출력 및 수명 특성 33
• 4.2.3 고전압 특성 35
• 4.2.4 고온 특성 38
• 4.2.5 Full cell 실험 41
• V. 결론 44
• VI. 참고문헌 46
• Abstract 50