Observation of Synergistic Effects of Blended Cathode in Lithium Ion Battery

Abstract

From the past, lithium ion batteries have been widely used in the form of small batteries such as mobile phones, notebooks, and power tools. However, beyond the demand for small batteries, research and development are currently underway to use in the form of medium and large batteries such as electric vehicles and energy storage system. In particular, as the electric vehicle industry develops based on the eco-friendly policies, interests and expectations for lithium ion batteries will increase in the future. As the shape of lithium ion batteries changes from small to medium and large, the safety is considered to be the most important factor. In addition, high capacity and long life characteristics are required as important factors as safety. In order to develop a battery that satisfies these various performances, many researches and studies are being conducted on materials. Since commercialized in 1991, LiCoO2, a cathode material, has been used widely in lithium ion batteries, but it has several problems. The first problem is that due to the irreversible structural transition, only half of the theoretical capacity can be used. The second problem is that the price fluctuation of cobalt caused by unstable supply. Therefore, a high capacity and low cost NCM and NCA based cathode materials compared to LiCoO2 have been developed and they are considered as a promising material. This kind of materials exert different properties depending on the composition ratio of the elements. Generally, as the ratio of nickel increases, the capacity is getting higher and lifespan is getting shorter. In this study, an electrode was fabricated by blending LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM) material with long lifespan and LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA) material with high capacity. Three types of cathodes which are individual NCM, NCA and blended were used to manufacturing 2032 coin half cell. And we evaluated various electrochemical performance of coin cells and performed structural analysis such as XRD and TEM. Previous studies on blended cathodes were conducted by blending two materials with different structures such as layered-spinel or layered-olivine. However, this study differs in that we used the same layered structure materials. This study on NCM and NCA blended cathode with long life characteristics is expected to contribute to the development of lithium ion batteries with excellent performances.

과거부터 리튬이온배터리는 휴대폰, 노트북, 전동공구 등 소형전지의 형태로 널리 사용되어 왔다. 하지만 그 수요를 뛰어넘어 현재는 전기자동차, 에너지저장장치 등 중, 대형의 형태로 사용하기 위해 다양한 연구와 개발이 진행되고 있다. 특히, 친환경 정책을 바탕으로 전기자동차 산업이 발전하면서 리튬이온배터리에 대한 관심과 기대가 더욱 커지고 있는 상황이다. 리튬이온배터리의 형태가 변화하면서 안전성이 가장 중요한 요인으로 여겨진다. 안전성에 못지않은 중요한 요인으로는 고용량, 장수명이 있다. 이러한 다양한 조건들을 동시에 만족하는 배터리를 제작하기 위하여 셀의 성능에 영향을 끼치는 양극, 음극, 전해질, 분리막 등의 소재에 대한 연구도 활발히 진행 중이다. 그중, 양극은 셀의 열화와 재료비 측면에서 가장 높은 비율을 차지하고 있기 때문에 연구 필요성은 더욱 크다고 할 수 있겠다. 1991년에 상용화된 이후, 현재까지 사용되고 있는 양극 소재인 LiCoO2에서 몇 가지의 문제점들이 발견되었다. 비가역적인 구조 변화로 인해 이론 용량의 절반 수준의 용량만 사용 가능했으며, 코발트의 불안정한 수급으로 인해 가격의 등락이 컸다는 것이다. 따라서, LiCoO2에 비해 고용량, 저비용의 특성을 가진 NCM, NCA 계열의 양극 소재가 개발되었고, 현재 큰 주목을 받고 있다. 이러한 니켈 기반의 삼원계 층상 구조 소재들은 구성하고 있는 전이금속의 비율에 따라 다른 특성을 가진다. 일반적으로 니켈의 비율이 증가함에 따라 고용량 특성을 나타내지만 짧은 수명 특성을 보인다. 본 연구에서는 장수명 특성을 가진 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM) 소재와 고용량 특성을 가진 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA) 소재를 혼합하여 전극을 제조하였다. NCM, NCA 개별 전극과 혼합 전극 등 세 종류의 양극으로 2032 하프 코인 셀을 제작하여 정전류 충, 방전, 순환전압전류법, 전기화학 임피던스 분광법 등의 전기화학적 성능을 측정 및 평가하였고, XRD, TEM을 사용하여 구조분석을 진행하였다. 기존에 진행되었던 혼합 양극에 관한 연구는 층상-스피넬 혹은 층상-올리빈 등 구조가 다른 두 물질을 혼합하였다. 하지만 본 연구에서는 동일한 층상 구조 물질을 사용했다는 것에 차별성이 있다고 할 수 있다. 장수명 특성을 갖는 NCM, NCA 혼합 양극에 관한 이번 연구는 우수한 특성을 갖는 리튬이온배터리 개발에 기여할 수 있을 것으로 예상한다.