스피넬 리튬 티타늄 산화물 전극의 표면 필름 생성 제어를 통한 수명 성능 향상

Abstract

Li4Ti5O12 (LTO)는 구조 안전성을 바탕으로 뛰어난 수명 성능과 속도 특성을 동시에 가지고 있는 음극 물질로 현재 상용화된 흑연을 대체할 수 있는 차세대 음극 물질로 많은 연구가 이루어지고 있다. 최근 리튬 이온 이차 전지가 다양한 분야에서 활용됨에 따라 이와 같이 뛰어난 성능을 가진 LTO의 활용도가 높아지고 있다. LTO는 상대적으로 높은 1.55 V (vs. Li/Li+)에서 리튬 이온의 삽입/탈리 반응이 일어나는 특성을 가지고 있다. 따라서 과거에는 높은 충/방전 전압으로 인해 전해질이 환원 분해되어서 생성되는 부산물인 표면 필름이 생기지 않는다고 알려져 있었다. 그러나 최근 연구 결과는 LTO가 높은 반응 전압에서 리튬 이온과 충/방전 반응을 거치더라도 LTO 표면에 전해질의 환원 분해 반응이 일어나서 표면 필름이 형성된다는 연구 결과가 보고되고 있다. 이미 많은 연구에서 리튬 이온 이차전지 음극 표면에서 형성되는 필름은 이차 전지의 전체 성능에 큰 영향을 준다고 알려져 있다. 특히 뛰어난 수명 성능을 가지는 LTO 역시 표면 필름의 생성에 따라 수명 성능이 좌우될 가능성이 있는바 이에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 LTO의 표면 필름 생성 제어를 통해서 고온 장기 수명 성능 향상에 대한 연구를 진행하였다. LTO는 본래 좋은 수명 성능을 가지지만 표면 필름에 따라서는 때때로 급격한 퇴화 거동을 보이기도 하는바 LTO를 실제 전지에 사용하기 위해서는 꼭 필요한 연구라고 할 수 있다. 표면 필름을 제어하기 위한 첫번째 방법으로 pre-cycling rate를 변화시키고 그에 따라 각각 생성된 표면 필름의 passivating ability를 각각 비교하였다. 빠르게 pre-cycling을 거친 전극의 경우 생성되는 표면 필름이 불완전한 형태로 전극을 덮고 있는 것을 확인하였다. 표면 필름이 전극을 완전히 덮지 못한 경우, 이어지는 싸이클에서 추가적인 전해질 분해로 인해 두꺼운 필름이 덮히게 되고 이는 좋지 못한 수명 성능에 이르게 되었다. 반면, 느리게 pre-cycling을 거친 전극의 경우 전지의 저항과 수명 성능 면에서 뛰어난 성능을 보였다. 마지막으로는 LTO 전극 내에서 도전재의 유무에 따라 보관 시 발생하는 전해질과의 반응성 차이 및 이와 관련된 수명 성능에 대한 연구를 수행하였다. 전극을 제조한 뒤 보관 과정에서 LTO의 표면과 전해질의 자발적인 반응이 관측되었으며 이러한 반응은 LTO의 표면에 추가적인 표면 필름을 형성하여 저항적인 요소로 작용하게 되며 결국에는 수명 성능의 퇴화를 일으키는 것을 확인하였는데 이는 전극 내의 도전재 존재 유무에 따라 큰 차이를 보인다는 것이다. 본 연구들을 통하여 실제 LTO 전극을 음극으로 활용하기 위한 방향을 제시할 수 있을 것이며, LTO의 상용화에 한걸음 더 다가갈 수 있는 계기가 될 것이라 생각한다.