Analysis of Electrochemical Characteristics of the Rechargeable $LiMn_2O_4$ Thin Film Battery

재충전이 가능한 박막전자용 $LiMn_2O_4$ 박막 전지의 전기화학 특성 분석

In order to investigate the origin of capacity fading with charge/discharge cycling in $LiMn_2O_4$ thin film battery, impedance studies have been performed with increasing cycling in $LiMn_2O_4/1M\;LiClO_4-PC/Li$ cells. The fitted values obtained from impedance data show good agreements with the experimental results. Especially, the element of charge transfer resistance of $LiMn_2O_4/liquid$ electrolyte interface initially increased, and then saturated with increasing the charge/discharge cycles, which could explain the cause of initial abrupt capacity fading of $LiMn_2O_4$ thin film with cycling due to interfacial reaction. The steady capacity fading is caused by the increasing of Warburg resistance. The chemical diffusion coefficient of Li ions decreased from $5.15\times10^{-11}cm^2/sec$ at 1st cycles to $6.3\times10^{-12}cm^2/sec$ at 800th cycles, which attributed to the Jahn-Teller distortion/Mn dissolution which diminishes tetra hedral sites necessary for Li diffusion in $LiMn_2O_4$.

[ $LiMn_2O_4$ ]박막전지의 충방전 사이클에 따른 용량 감소의 원인을 파악하기 위하여, $LiMn_2O_4/1M\;LiClO_4-PC/Li$전지를 구성하여 충방전 사이클에 따른 AC impedance분석을 수행하였다. 적절한 등가회로를 이용하여 비선형 최소자승 맞춤에서 얻은 값이 Impedance측정 결과와 잘 일치하였다. 충방전에 따른 정전용량은 초기의 급격한 감소를 보인 이후 완만한 감소를 보였다. 충방전 사이클이 초기 70-100사이클까지는 저항 성분 중 양극전해질 계면의 전하 전달저항 성분이 급격히 증가하다가 이후 안정된 값을 보임으로 초기 급격한 용량변화의 원인으로 파악되었다. 전하전달 저항이 안정된 이후에는 Warburg저항이 충방전에 따라 조금씩 증가하였으며, LiMn2O4박막의 화학확산 계수가 사이클에 따라 초기 $5.15\times10^{-11}cm^2/sec$에서 800사이클이 지난 후 $6.3\times10^{-12}cm^2/sec$로 점차 감소하는 것이 관찰되어 100사이클이 후의 용량감소의 지배적 원인으로 파악하였다. Warburg저항의 증가는 Jahn-Teller변형 또는 Mn용해에 의한 것으로 추정하였다.