High-Ni 양극재의 계면 안정성 향상을 위한 LiFePO4 코팅 연구

Abstract

Ni-rich계 양극재는 Ni 함량이 높아 많은 리튬이온의 삽입과 방출이 가능하므로 고에너지 밀도 구현에 매우 유리하다. 그러나 반복적인 충·방전 시 구조적 불안정성과 표면 열화가 심화되며, 특히 고 전압(4.5 V) 구동 시 열화 현상이 더욱 가속화된다. 이러한 문제 해결을 위해 본 연구에서는 열적, 구조적으로 안정성이 우수한 LiFePO₄(LFP)를 Ni-rich NCM 양극재 표면에 코팅하여 표면 안정성과 계면 특성을 향상시키고자 하였다. 기존의 복잡한 코팅 공정 대신, 상용성이 높은 Thinky 믹서와 간단한 열처리만으로 LFP 코팅을 수행하였으며, 물리적 혼합 기반의 단순한 코팅만으로도 충분한 성능 개선을 유도하였다. Coin-cell 기반 전기화학 평가 결과, LFP-NCM 시료는 100 Cycle 후 176.8 mAh/g의 방전 용량을 유지하며 85.7%의 Retention을 기록하였고, 이는 Bare NCM 대비 8.2% 향상된 성능이었다. 이후, XRD 분석을 통해 I(003)/I(104) 비율이 Bare NCM에 비해 더 완만하게 감소 하여 LFP 코팅이 층상 구조 붕괴(cation mixing)를 억제함을 확인하였고, XPS 분석에서는 LiF 축적 억제를 통해 전해질 분해 반응이 감소한 것을 입증하였다. 또한 EIS 분석에서는 사이클 이후에도 전 하전달 저항이 낮게 유지되어 LFP가 단순 코팅층을 넘어 안정적인 계면 형성에 기여했음을 시사한 다. 본 연구를 통해, 단순 표면 개질이 아닌 구조적으로 안정한 LFP 양극재를 코팅층으로 활용함으 로써 고전압 구동 조건에서도 NCM의 전기화학적 성능 저하를 억제할 수 있음을 입증하였다. 이와 같은 결과는 Ni-rich계 양극재의 수명 향상 및 고신뢰성 LIB 개발에 실질적인 기여를 할 수 있으며, 표면 개질 기술의 응용 범위를 확장하고 상용화 측면에서 경쟁력 있는 공정 개발의 가능성을 제시한다.|Ni-rich cathode materials are highly advantageous for achieving high energy density due to their high Ni content, which enables significant lithium-ion insertion and extraction. However, this also leads to severe structural instability and surface degradation during repeated charge/discharge cycles, especially under high-voltage operation (4.5 V). To address these issues, this study applies a surface coating of structurally and thermally stable LiFePO₄ (LFP) on Ni-rich NCM cathodes to enhance surface stability and interfacial characteristics. Unlike conventional complex coating processes, a facile and scalable method using a Thinky mixer and low-temperature annealing was employed to achieve effective surface modification. Electrochemical performance evaluated via coin cell tests showed that the LFP-coated NCM exhibited a discharge capacity of 176.8 mAh/g after 100 cycles with a capacity retention of 85.7%, representing an 8.2% improvement as compared to bare NCM. XRD analysis revealed that the decrease in the I(003)/I(104) ratio was more higher in the LFP-coated sample, indicating low cation mixing and improved structural stability. XPS results demonstrated a significant reduction in LiF formation, suggesting the mitigation of electrolyte decomposition. EIS analysis further confirmed that charge transfer resistance remained low even after cycling, implying that the LFP layer not only served as a coating but also contributed to enhance the interfacial stability. This study confirms that the application of LFP as a structurally stable coating material effectively suppresses degradation in Ni-rich cathodes under high-voltage conditions. These findings contributing to extend the cycle life of Ni-rich cathodes and suggest the potential for scalable and competitive surface modification processes in next-generation lithium-ion battery development.