Nanocomposite cathode of lithium and transition metal compounds for lithium secondary batteries

Abstract

전자기기의 개발 및 그 활용이 다양화 되고, 다각화 됨에 따라 리튬 이차 전지 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 리튬 이차 전지의 공급뿐만 아니라 높은 에너지 밀도, 우수한 파워 및 수명과 같은 특성들도 함께 요구되고 있다. 이에 따라 리튬 이차 전지 성능을 주로 결정하는 양극 소재에 대한 연구와 탐색이 진행되었고, 특성 개선 등의 다양한 시도와 더불어 많은 후보 물질들이 발굴되었다. 그러나 에너지 밀도를 개선하는데 있어 현실적으로 적용 가능한 방법은 기존 양극 소재로 잘 알려진 층상형 화합물의 전이금속 조성을 바꾸는 것 이외에는 (예: LiCoO2, LiNi1-x-yCoxMnyO2) 다른 방법이 없었다. 게다가 실용적으로 적용 가능한 수준의 파워 및 수명 특성은 오직 스피넬이나 올리빈 물질과 같은 종류의 소수의 물질 개발 만을 통해 가능 하였다. 이러한 맥락에서, 현재 배터리 기술은 소형 전자기기를 뛰어넘어 전기자동차나 에너지 저장 시스템과 같은 중대형 전자장비등에 확장 적용되기에는 여러 큰 문제에 직면해 있다.<br/> 특히 삽입 및 탈리 반응을 하는 지금까지 개발된 대부분의 양극소재들은 무게당 용량을 개선하는데 본질적인 한계점을 갖고 있다. 일반적 양극소재들은 대개 열린 형태의 동일 결정 구조 안에 산화 환원 반응을 할 수 있는 전이금속 및 리튬이 함께 포함되어 있다. 가능한 많은 양의 리튬을 저장 할 수 있다면 용량도 크게 증가 될 수 있지만 리튬을 저장 할 수 있는 침입형 자리의 개수는 전이금속의 동일한 개수로 보통 제한된다. 만약 일부 전이 금속을 리튬으로 치환하여 강제로 리튬을 저장 할 수 있는 침입형 자리의 수를 늘리더라도, 그로 인한 전이금속 이온의 감소는 모든 리튬을 대응할 만큼의 충분한 전자를 제공 할 수 없게 된다. 따라서 음이온에 의한 추가 용량을 발현하는 과잉 리튬 물질을 제외하고, 결정 구조내 삽입 및 탈리 반응을 하는 양극소재군은 태생적으로 용량을 증가시키는데 있어 결정학적인 한계점을 갖고 있다.<br/> 따라서 삽입 및 탈리 반응을 하는 기존 양극 소재의 문제점을 극복하기 위해서는 새로운 양극 소재 디자인 방법이 필요하다. 본 논문에서는 그 대안으로 리튬 및 전이금속 화합물이 혼합된 형태의 새로운 나노 복합체 양극 소재군을 제시한다. 이 양극 소재는 첫 충전시 리튬 화합물의 분해로부터 발생된 음이온이 전이금속 화합물로 혼입되는 과정을 통해 전이금속의 산화를 수반하며 전기화학적 활성을 갖게 된다. 반응 메커니즘은 음이온의 혼입 거동에 따라 표면 전환 반응과 호스트 형성 반응으로 구분되는데, 특히 표면 전환 반응 메커니즘의 경우 전이금속의 산화 환원이 주로 물질 표면에서 일어난다. 덕분에 입자 사이즈 조절을 통한 표면적 조절을 통해 발현되는 용량을 변화시킬 수 있다. 이러한 반응 메커니즘은 기존 결정학적 구조에 구애를 받지 않는 에너지 저장 반응이며 따라서 기존 양극 소재의 한계를 극복 할 수 있는 방안이 될 수 있다. 나노 복합체 양극 소재 디자인 방법은 리튬 이차전지뿐만 아니라 나트륨 및 칼륨 배터리 시스템에 이르기까지 확장 적용이 가능하다. 이러한 양극 디자인 전략은 리튬 화합물과 전이금속 화합물의 다양한 조합을 통해 양극 소재로 활용 가능한 물질 범위의 경계를 확장 할 수 있는 기회를 제공하며, 높은 에너지 밀도를 갖는 양극 소재 개발에 기여 할 수 있다.