Single-crystal Nickel-rich Layered Oxide by Solid-state Synthesis : Optimization and Electrochemical Performance for High Energy Lithium-ion Battery Cathodes

Abstract

최근 니켈계 양극재는 높은 에너지밀도와 합리적인 가격 때문에 차세대 양 극재로 주목을 받고 있다. 하지만 니켈계 양극재는 고에너지밀도를 위해 니켈 함량을 증가함에 따라 충ㆍ방전 중 부피 수축ㆍ팽창에 의한 입계 균열 문제가 발생한다. 이에 따라 비표면적 증가로 인한 표면 부반응 및 구조적 불안정성 등의 문제가 발생해 전극의 안정성이 심각하게 저하되는 문제를 갖는다. 또한, 1차 입자가 뭉쳐진 2차 입자로 구성된 니켈계 양극재는 전극밀도의 한계가 존 재한다. 최근, 코팅 및 도핑 등 다양한 방법을 통한 개질 연구가 어느 정도 전극 안 정성 및 높은 전극밀도를 가져오나, 원론적 문제를 완전히 해결하지 못해 하나 의 결정입계를 갖는 단결정 니켈계 양극재가 주목받고 있다. 하지만, 단결정 니켈계 양극재는 높은 소결 온도에서 구조적 불안정성으로 인한 비가역 용량이 높아지는 문제가 존재해 새로운 합성법 개발이 필요하다. 본 연구에서는 고상법을 바탕으로 리튬/전위금속 비율, 소결 온도, 하소 온 도 및 재열처리 온도 등에 따른 단결정 니켈계 양극재의 성능을 조사했다. 이 에 따라 최적의 고상법을 바탕으로 단결정 양극재 형상을 가지며 동시에 안정 적인 층상구조를 갖는 단결정을 합성하였다. 해당 단결정 양극재는 1.12%의 낮은 양이온 혼합층을 가지며 기존 상용소재인 다결정 니켈계 양극재와 비교 했을 때 6%가량 높은 용량 유지율을 갖는다. 이러한 결과는 고상법을 이용한 단결정 양극재 합성공정이 유효한 것을 입증했으며, 다양한 합성조건에 따른 영향을 조사함으로써 단결정 양극재 합성에 대한 통찰력을 제공한다.