리튬이차전지 전기화학적 특성 향상을 위한 양극 활물질 혼합 :Blending Cathode Active Material to Improve Electrochemical Properties of Lithium Secondary Battery

신승일

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자료유형: 학위논문

저자정보: 신승일 (명지대학교, 명지대학교 대학원)

지도교수: 하민우

발행연도: 2021

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이용수70

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

리튬이차전지 전기화학적 특성 향상을 위한 양극 활물질 혼합

신승일 전기공학과 2021.01 학위논문

2020

리튬이차전지의 양극 활물질 혼합에 따른 전기화학적 특성 평가

신승일 , 하민우 , 이병관 대한전기학회 학술대회 논문집 2020.07 학술대회자료

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본 논문에서는 리튬이차전지에 사용되는 양극재중 두 가지 소재를 혼합하여 전기화학적 특성을 향상시키는데 목적을 두었다. 혼합에 사용되는 양극 소재는 LiNi0.5Mn1.5O4와 LiCoO2를 사용하였다. LiNi0.5Mn1.5O4는 148mAh/g 이론용량의 스피넬 구조를 가지고 있으며 평균 전압은 4.6V이다. 재료가 저렴하고 합성이 용이하며 열적 안전성이 우수한 장점이 있다. LiCoO2는 274mAh/g 이론용량을 가지며 층상 구조를 가지고 있다. 평균 전압은 3.6V이고 전도성이 우수하다. LiNi0.5Mn1.5O4와 LiCoO2를 혼합하기 위해 LiNi0.5Mn1.5O4를 직접 합성하여 제작하였다. LiNi0.5Mn1.5O4는 Ni0.25Mn0.75(OH)2 전구체 분말과 LiOH 분말, Li2CO3 함량을 다르게 하여 고상반응법으로 제작하였다. Li source함량(mol%)과 합성온도 및 시간을 제작 변수를 두었으며 제작된 LiNi.1.5Mn1.5O4는 Half coin cell 제작을 통해 Cycle Performance와 Rate Capability평가를 진행하였다. 그 결과 Li source 1.05mol%, 800℃, 10h 조건에서 제작한 소재 특성이 우수하게 나왔으며 제작된 LiNi0.5Mn1.5O4와 LiCoO2를 비율에 따라 혼합하여 Half coin cell 제작하여 전기화학적 특성을 평가하였다. LiNi0.5Mn1.5O4의 고전압 영역과 LiCoO2의 고용량 및 높은 신뢰성 특성이 결합하여 우수한 전기화학적 특성을 구현할 수 있었다. LiCoO2의 Ref. 대비 LiNi0.5Mn1.5O4와 LiCoO2 혼합물은 에너지 밀도가 상승하였으며 Cycle performance 역시 우수하였다. Half coin cell로부터 확인한 특성을 리튬이차전지에 적용하기 위해 LiNi0.5Mn1.5O4 ＆ LiCoO2 양극재와 LTO 음극재를 적용하여 55Ah급 Full cell 제작하여 전기화학적 특성을 평가하였다. Full cell에서도 Half cell 과 동일하게 에너지 밀도가 향상되었다. 음극 재료인 LTO는 NiMn계와 사용할 경우 고출력 및 긴 수명 구현이 가능하고 작동 전압이 높아 표면 피막(SEI)가 형성되지 않는 장점이 있지만 가스가 발생하여 Cell 내부 압력이 높아진다는 문제점이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 전해액에 첨가제를 추가하여 특성이 개선됨을 설명하였다.

In this paper, aimed to improve the electrochemical properties by blending two cathode materials used in lithium secondary battery. The cathode materials used for blending were LiNi0.5Mn1.5O4 and LiCoO2 LiNi0.5Mn1.5O4 has a spinel structure with a theoretical capacity of 148mAh/g and an average voltage of 4.6V. It has the advantage of inexpensive material, easy synthesis, and excellent thermal safety. LiCoO2 has a theoretical capacity of 274mAh/g and has a layered structure. Average voltage is 3.6V and has excellent conductivity. To blend LiNi0.5Mn1.5O4 and LiCoO2, LiNi0.5Mn1.5O4 was directly synthesized and manufactured. LiNi0.5Mn1.5O4 was prepared by a solid phase reaction methode with different contents of Ni0.25Mn0.75(OH)2 precursor, LiOH powder, and Li2CO3. Li source content(mole%) and synthesis temperature and time were set as production variables, and the produced LiNi0.5Mn1.5O4 was evaluated for cycle performance and rate capability through half coin cell production. As a result, the material properties produced under conditions of 1.05mole% Li source, 800℃, and 10h were excellent, and the electrochemical properties were evaluated by blending the produced LiNi0.5Mn1.5O4 and LiCoO2 according to the ratio to produce a half coin cell. The combination of the high voltage range of LiNi0.5Mn1.5O4 and the high capacity and high reliability characteristics of LiCoO2 enables excellent electrochemical properties. Compared to the reference of LiCoO2, the energy density of LiNi0.5Mn1.5O4 and LiCoO2 blending increased, and the cycle performance was also excellent. In order to apply the characteristics identified from the half coin cell to a lithium secondary battery, a 55Ah class full cell was fabricated by applying LiNi0.5Mn1.5O4 and LiCoO2 cathode material and LTO anode material to evaluate the electrochemical properties. In the full cell, the energy density was improved as in the half cell. LTO, which is a cathode material, has the advantage that high power and long life can be realized when used with NiMn-based, and has a high operating voltage so that a surface film(SEI) is not formed, but there is a problem in that gas is generated and the pressure inside the cell is increased. In order to solve this problem, it has been described that properties are improved by adding an additive to the electrolyte.

#리튬이차전지 #양극재 #음극재 #전해액 첨가제 #에너지 밀도 #혼합

목 차
목차 ⅰ
그림목차 ⅱ
표목차 ⅳ
국문초록 ⅴ
제 1 장 서론
제 1 절 연구 목적 1
제 2 절 리튬이차전지 개요 2
1. 원리 및 구성 3
2. 공정 4
3. 특성 6
제 3 절 양극 활물질 8
1. 동향 9
2. 특성 10
제 2 장 본론
제 1 절 양극 활물질 합성 13
1. 합성 방법 13
제 2 절 합성 양극 활물질 특성 분석 15
1. 물리적 특성 분석 15
2. Half coin cell 제조 및 평가 18
제 3 절 양극 물질 혼합비에 따른 특성 분석 25
1. 혼합 및 물리적 특성 분석 25
2. Half coin cell 제조 및 평가 28
3. Full cell 제조 및 평가 30
제 3 장 결론
제 1 절 실험 결과 정리 및 분석 35
참고문헌 36
부록 41
전해액 첨가제에 종류에 따른 전기화학적 특성 41
Abstract 46

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