리튬 이온 배터리 양극 소재로서 과량의 니켈을 함유한 층상계 산화물의 비가역 용량 분석

Abstract

최근 리튬 이온 전지의 활용이 소형의 모바일 IT 기기에서 벗어나 중대형의 전기차 (electric vehicles, EV) 와 에너지 저장 시스템 (energy storage system, ESS)까지 확대되고 있다. 이에 고용량, 고에너지 밀도, 고출력과 같은 시장의 요구가 점점 커지고 있다. 이러한 요구를 만족하기 위해 여러 활물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 이중 가장 주목 받는 물질은 LiNi1-y-zCoyAlzO2 (NCA)이다. LiNiO2 에서 Ni의 일부를 Co, Al로 치환하여 LiNiO2 단점인 구조적, 열적 불안전성을 개선하고, LiNiO2 의 장점인 고 에너지 밀도를 내세워 상용화되기 시작하였다. 그러나 NCA는 수명 및 저장 특성 등, 여전히 개선 할 항목이 많이 남아있는 활물질이다. 또한 개선에 앞서 특성 분석의 미진한 부분이 있어, 보다 정확한 분석이 필요한 상황이기도 하다.

본 연구에서는 NCA의 수명 특성에 대한 분석을 진행하였다. NCA는 상온에서 수명 평가 진행 하였음에도 불구하고, 쿨룽 효율은 98 % 라는 낮은 수준이다. 수명 평가 내내 낮은 쿨룽 효율을 유지함에 따라 비가역 용량이 매우 증가하여 이론 용량 보다 큰 특이점이 있다. 비가역 용량은 충전과 방전의 각각의 단계에서 발생하게 되는데, 본 연구에서는 충전과 방전 단계에서 발생하는 비가역 용량 중 어떤 요인이 낮은 효율에 영향을 미치는지 확인하고자 하였다. 특히 계산 모델을 이용하여 영향을 미치는 정도를 정량화 하는 것을 시도하였다.

계산 모델을 통해, 충전 과정에서 발생하는 비가역 용량이 방전 과정의 비가역 용량보다 훨씬 높은 수준임을 확인하였다. 또한 계산 모델의 결과가 실제 수명 완료 후 전지의 분석 결과가 일치함을 확인하였다. 충전 과정의 비가역 용량 발생을 억제한 재검증 실험에서도 같은 맥락의 결과를 얻을 수 있었다. 즉, NCA 수명 특성에 영향을 미치는 요인에 대한 정량적인 분석을 수행하였고, 분석 결과 상 충전 비가역 용량이 주요한 요인으로 수명 특성 개선을 위해서는 충전 비가역 용량 발생을 억제하여야 한다.