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표제지

목차

요약 9

Abstract 10

제1장 서론 12

제2장 이론적 배경 15

2.1. 리튬이온전지(Lithium Ion Battery) 15

2.2. High-Ni계 양극 소재 18

2.3. 양이온 혼합(Cation mixing) 22

제3장 실험방법 24

3.1. 양극 소재 합성 24

3.1.1. Mixing 공정 24

3.1.2. Calcination 조건 25

3.2. Annealing 26

3.2.1. Ar flow Annealing 26

3.2.2. O₂ flow Annealing 26

3.3. 전기화학 특성 평가 27

3.4. Analysis 28

제4장 결과 및 고찰 31

4.1. Calcination condition 31

4.2. Annealing 42

제5장 결론 58

제6장 참고문헌 60

표목차

Table. 1. An amount of LiOH/Li₂CO₃ according to post annealing of LiNi0.925Co0.05Mn0.025O2 cathode active materials[이미지참조] 57

그림목차

Fig. 2.1. Schematic representation of the lithium ion battery 17

Fig. 2.2. Layered structure of cathode active material 20

Fig. 2.3. Compositional phase diagrams of high-Ni NCM 21

Fig. 3.1. Schematic representation of pH measurement 30

Fig. 4.1. SEM images of synthesized high-Ni NCM precursors with various ratio (a) NCM(8/1/1) (b) NCM(85.9/6.5/7.7)... 33

Fig. 4.2. SEM images of growth process of high-Ni NCM precursors with (a) 24h (b) 48h (c) 72h (d) 96h (e) 120h (f) 144h 34

Fig. 4.3. Discharge capacities of LiNi0.859Co0.063Mn0.077O2 with various Li/M ratio (a) 1.0 (b) 1.03 (c) 1.06 (d) 1.09[이미지참조] 36

Fig. 4.4. SEM images of synthesized high-Ni NCM cathode active materials with various ratio (a) LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2...[이미지참조] 39

Fig. 4.5. Discharge capacities and calcination temperatures of high-Ni NCM cathode active materials with various Ni ratio 80%~92.5% 41

Fig. 4.6. XRD patterns of LiNi0.925Co0.05Mn0.025O2 cathode active materials with post annealing (a) Reference (b) Ar 300℃...[이미지참조] 43

Fig. 4.7. SEM images of LiNi0.925Co0.05Mn0.025O2 cathode active materials with post annealing (a) Reference (b) Ar 300℃...[이미지참조] 45

Fig. 4.8. Charge-discharge behaviors of LiNi0.925Co0.05Mn0.025O2 cathode active materials with post annealing (a) Reference...[이미지참조] 47

Fig. 4.9. cycle-performances of LiNi0.925Co0.05Mn0.025O2 cathode active materials with post annealing (a) Reference (b) Ar 300℃...[이미지참조] 49

Fig. 4.10. pH measurement of LiNi0.925Co0.05Mn0.025O2 cathode active materials with post annealing (a) Reference (b) Ar 300℃...[이미지참조] 52

Fig. 4.11. ICP analysis of LiNi0.925Co0.05Mn0.025O2 cathode active materials with post annealing (a) Reference (b) Ar 300℃...[이미지참조] 54

Fig. 4.12. Titration of LiNi0.925Co0.05Mn0.025O2 cathode active materials with post annealing (a) Reference (b) Ar 300℃...[이미지참조] 56

초록보기

현재 리튬이온 이차전지는 스마트폰, 전기 자동차와 에너지저장시스템(ESS) 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 그중 High-Ni계 NCM 양극 활물질은 전지의 고용량화, 고에너지밀도를 위한 리튬이온 이차전지의 차세대 양극 활물질로 크게 주목받고 있다. 하지만 양극재의 Ni 비율이 높아짐에 따라 Ni 이온과 Li 이온이 자리를 바꾸는 양이온 혼합(cation mixing)이 발생하게 된다. 따라서 양극 활물질 표면에 리튬이 잔류하고, 잔류 리튬과 전해질과의 부반응을 통해 가스가 발생함으로써 전지의 스웰링이 발생하며, 결국에는 전지의 안전성 문제가 발생한다.

본 연구는 크게 두 가지의 목적을 가지고 진행하였다. 첫째로, high-Ni계 NCM 양극재 소성 공정을 최적화하기 위함이다. Ni 비율에 따른 소성 온도 조건을 최적화하여 차세대 양극재의 전기화학적 특성을 개선했다. 둘째로, LiNi0.925Co0.05Mn0.025O2 (NCM92.5/5/2.5) 양극 활물질의 소성 공정이 high-Ni 계 양극재의 표면 잔류 리튬에 미치는 영향을 검토하였다. 특히, Ar 분위기의 2차 소성이 잔류 리튬 및 전지에서의 활물질의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. Ar 분위기에서의 annealing을 통해 활물질 표면 잔류 리튬의 양이 줄어드는 것을 SEM을 통한 표면 분석, 수분산 시 pH의 측정 및 잔류 리튬에 대한 정량 분석을 통해 확인하였다. 이를 통해 용량 및 율 특성의 손실 없이 전지에서의 싸이클 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

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