리튬이온전지용 니켈-기반 층상계 양극재의 상분리를 통한 단일 단계 코팅

Abstract

현재 리튬이온 배터리는 그 응용이 스마트폰, 태블릿PC 등과 같은 소형 IT 기기를 넘어 전기자동차, ESS(Energy Storage System)와 같은 중대형 크기의 시스템에도 적용될 전망으로 꾸준히 그 시장이 성장하고 있다. 특히 전기자동차의 경우 한 번 충전 시 갈 수 있는 주행거리가 아직 기대에 미치지 못한다는 문제점이 있다. 따라서 기존의 내연기관 자동차에서 전기자동차로의 성공적인 대체를 이루기 위해서는 배터리의 용량을 향상시키는 연구가 필수적이다. 리튬이온 배터리의 용량을 늘리기 위해서는 단위 무게당 전자를 저장할 수 있는 양이 많아져야 한다. 그런데 현재까지 널리 사용되는 배터리의 활물질을 살펴보면, 단위 무게당 발현 가능한 용량이 음극보다 양극에서 많이 뒤처져 있으며 배터리의 고용량을 실현하기 위해서는 무엇보다 양극활물질에 대한 연구가 필요하다. 여러 양극활물질로 쓰이는 물질 중 층상계 산화물의 경우 여기서 사용되는 전이 금속을 기존의 코발트에서 니켈로 치환할 경우 가역 용량이 늘어난다고 알려져 왔다. 하지만 상대적으로 불안정한 니켈에 의한 부반응들로 배터리의 수명 특성이 떨어진다는 연구들이 보고되어 왔다. 그래서 니켈-기반 층상계 산화물의 경우 단독으로 사용하기엔 어려움이 있기 때문에 이러한 부반응을 막고 수명 특성을 개선해서 사용하기 위한 연구가 많이 진행되어 왔다. 그중 코팅을 이용하여 표면부반응을 억제하는 방법의 경우엔 크게 두 가지로 양극 활물질을 합성한 뒤 코팅제를 단순 물리적인 혼합을 통해 소성시키는 건식코팅과 용매 상에서 혼합하는 습식코팅이 있다. 하지만 이 두 코팅 방법 모두 활물질 합성 과정과 코팅 과정이라는 두 단계 과정을 거쳐야 되므로 공정 비용 측면에서 효율이 떨어지고 코팅의 균일도 또한 낮을 수 밖에 없다는 단점이 있다. 그런데 지금까지의 코팅과 관련된 연구로는 여러가지 코팅 물질을 바꿔가며 개선여부를 확인한 경우는 많았지만 코팅 방법적인 측면에서 새로운 방법을 제시 및 적용하는 연구는 부족하다. 본 연구에서는 니켈-기반 층상계 양극재에 상분리를 통한 새로운 단일 단계 코팅법을 적용하고 전기화학적 성능을 개선하는 실험을 진행하였다. 먼저, 디자인한 방향으로의 물질 합성이 잘 되었는지를 확인하기 위해 구조적인 분석으로는 XRD, Rietveld refinement를 통해 알아보았고, 입자 형태 및 코팅 유무 분석으로는 SEM, TEM으로 알아보았다. 이후 전기화학 성능 평가를 위해 Galvanostatic cycling test, Rate test를 진행하였고 Cycling 이후의 EIS 및 Ex-situ XRD로 수명 특성 변화의 원인을 알아보았다.

Currently, the market for lithium-ion batteries is steadily growing as its application is expected to be applied to larger scale systems such as electric vehicles and energy storage systems(ESS). In particular, in the case of electric vehicles, there is a problem that the mileage that can be reached once does not meet expectations. Therefore, research to improve the capacity of the batteries is needed for a successful replacement with an electric vehicle. In the case of layered cathode materials, it has been known that the reversible capacity increases when the transition metal Co is replaced with Ni. However, studies have been reported that the cycle performances of the batteries are poor due to side reactions triggered by unstable Ni. Therefore, in the case of Ni-based layered oxides, many studies have been conducted to prevent side reactions and improve cycle performances. One method to suppress the surface side reaction is a surface modification by coating. There is a disadvantage in that efficiency is lowered in terms of process cost and the uniformity of the coating is also low because it is necessary to undergo a two-step process of synthesizing the positive electrode active material and then coating with a coating agent. In this study, a new one-step coating method through phase segregation was applied to the Ni-rich layered cathode material and an experiment was conducted to improve the electrochemical performance. First, XRD, Rietveld refinement, SEM, and TEM analysis were conducted to confirm that the designed material synthesis was successful. To evaluate the electrochemical performance, Galvanostatic cycling test and rate test were conducted, and the cause of the change in cyclability was investigated by EIS and Ex-situ XRD after cycling.