High Nickel 계 양극 소재 표면 개질에 따른 리튬이차전지와 전고체전지의 상관관계 분석 연구

Abstract

Recently, as the demand for electric vehicles and energy storage systems has been increased, the requirements for high capacity of lithium ion batteries has also increased. To achieve the requirements, many researches for Ni-rich cathode materials with high capacity and low price properties have been conducted. The Ni-rich materials have high moisture sensitivity, however, which leads to serious surface deterioration and makes electrochemical instability poor. Hence, when the materials is exposed to the moisture, the materials have limitation for commercialization due to their low long-term life and rate property. In order to overcome the problem of Ni-rich cathode materials, many studies have been reported on increasing capacity by improving material stability through surface modification. As another requirement along with high capacity, stability issues are emerging in lithium-ion batteries research due to the low safety in liquid electrolyte. As an approach to this problem, various next-generation batteries are being studied. As the next-generation battery, a sulfide all solid-state battery, that uses sulfide solid electrolyte to have high ion conductivity similar to liquid electrolytes and can achieve high safety and high energy density, is considered as the most promising candidate. In this study, Li-Co and Li-Sn coating precursors were coated on the surface of commercial LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode material. The cathode materials were annealed with different temperatures (600 ℃ and 800 ℃) and were coated with different coating coverage of precursor to analyse effect of these condition on the electrochemical performance in the lithium-ion battery and all solid-state battery. As the annealing temperature increased, the surface was coated in a thin film. As the the annealing temperature decreased, the coating precursor was stuck in a small particle. The increased coating coverage improved electrochemical performance with enhanced long-term life and high-rate properties in both lithium-ion batteries and all-solid-state batteries. Also, we explained the performance difference with different coverage using the lithium ion battery and the all-solid-state battery and to analyze the electrochemical behavior of the two batteries.

최근 전기 자동차 (EVs)와 전력저장 시스템 (ESS) 등의 수요 증가로 인해 높은 용량을 가지는 배터리에 대한 요구 또한 증가하고 있다. 이를 달성하기 위해서, 현재 상용화 소재로 높은 용량을 가짐과 동시에 낮은 가격 특성을 가지는 Ni-rich 양극 소재 연구가 활발히 이루어진다. 하지만, 본 소재는 높은 수분 민감성으로 인해 심각한 표면 열화를 초래하고 이는 전기화학적 불안정성 또한 향상시킨다. 따라서, 본 소재가 수분에 노출되었을 때 일어나는 열화 현상으로 인해 장기 수명 및 속도 특성이 저하되는 문제를 가지며, 이는 상용화에 한계를 이끈다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 표면 개질을 통하여 소재 안정성을 향상시켜 높은 용량을 확보하기 위한 연구가 진행되었다. 이와 동시에 리튬이온전지 연구에서는 액체 전해액으로 인한 낮은 안전성의 문제가 대두되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 다양한 차세대 전지가 연구되어 진다. 그 중, 액체 전해질과 비슷한 이온전도도를 가지고 높은 안전성, 그리고 고에너지 밀도를 달성할 수 있는 황화물계 전고체전지가 차세대 전지 중 가장 유망한 후보로 주목받고 있다. 본 연구에서는 리튬-코발트 및 리튬-주석 코팅 전구체를 상업용 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 양극 소재 표면에 코팅하였고, 소성 온도(600 ℃ 및 800 ℃)를 다르게 하여, 전구체 코팅 범위에 따른 리튬이온전지 및 전고체전지에서의 전기화학적 성능 차이 분석을 진행하였다. 소성 온도가 올라갈수록 표면에 얇은 필름 형상으로 코팅되었으며, 낮을수록 작은 알갱이 형상으로 코팅 전구체가 흡착되었다. 넓은 범위의 코팅으로 리튬이온전지 및 전고체전지 모두에서 장기 수명 및 속도 특성을 증가시킬 수 있었으며, 이와 동시에 본 연구에서는 코팅 형상에 따른 리튬이차전지와 전고체전지 내에서의 성능 차이를 확인하고 적용되는 양극 활물질에 따라 두 배터리의 전기화학적 거동을 분석하고자 한다.