• 세라미스트
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• 제22권4호
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• pp.402-416
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• 2019

The development of next-generation secondary batteries, including lithium-ion batteries (LIB), requires performance enhancements such as high energy/high power density, low cost, long life, and excellent safety. The discovery of new materials with such requirements is a challenging and time-consuming process with great difficulty. To pursue this challenging endeavor, it is pivotal to understand the structure and interface of electrode materials in a multiscale level at the atomic, molecular, macro-scale during charging / discharging. In this regard, various advanced material characterization tools, including the first-principle calculation, high-resolution electron microscopy, and synchrotron-based X-ray techniques, have been actively employed to understand the charge storage- and degradation-mechanisms of various electrode materials. In this article, we introduce and review recent advances in in-situ synchrotron-based x-ray techniques to study electrode materials for LIBs during thermal degradation and charging/discharging. We show that the fundamental understanding of the structure and interface of the battery materials gained through these advanced in-situ investigations provides valuable insight into designing next-generation electrode materials with significantly improved performance in terms of high energy/high power density, low cost, long life, and excellent safety.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제32권4호
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• pp.341-348
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• 2019

This paper reports the microstructure and electrochemical properties of Si-Al-Fe ternary amorphous alloys prepared by rapid solidification as an anode for lithium secondary batteries. The microstructure was analyzed using XRD and HR-TEM with EDS mapping. In accordance with DSC analysis, annealing was performed to crystallize the active nano-Si in the amorphous alloy. Thus, nano-Si forms (~80 nm) embedded in the matrix alloy, such as $Fe_2Al_3Si_3$, $FeSi_2$, and $Fe_{0.42}Si_{2.67}$, were successfully synthesized. The electrode based on the Si-Al-Fe ternary alloy delivered an initial discharge capacity of approximately $700mAh^{g-1}$, and exhibited a high Coulombic efficiency of 99.0~99.6% from the $2^{nd}$ to $70^{th}$ cycles.

• 한국재료학회지
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• 제28권5호
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• pp.273-278
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• 2018

Lithium-ion batteries have been considered the most important devices to power mobile or small-sized devices due to their high energy density. $LixCoO_2$ has been studied as a cathode material for the Li-ion battery. However, the limitation of its capacity impedes the development of high capacity cathode materials with Ni, Mn, etc. in them. The substitution of Mn and Ni for Co leads to the formation of solid solution phase $LiNi_xMn_yCo_{1-x-y}O_2$ (NMC, both x and y < 1), which shows better battery performance than unsubstituted $LiCoO_2$. However, despite a high discharge capacity in the Ni-rich compound (Ni > 0.8 in the metal site), poor cycle retention capability still remains to be overcome. In this study, aiming to improve the stability of the physical and chemical bonding, we investigate the stabilization effect of Ca in the Ni-rich layered compound $Li(Ni_{0.83}Co_{0.12}Mn_{0.05})O_2$, and then Ca is added to the modified secondary particles to lower the degree of cationic mixing of the final particles. For the optimization of the final grains added with Ca, the Ca content (x = 0, 2.5, 5.0, 10.0 at.%) versus Li is analyzed.

• 전기화학회지
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• 제26권1호
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• pp.11-18
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• 2023

전기자동차 시장의 급속한 성장으로 이차전지의 사용이 급증함에 따라 사용 후 전지의 폐기 및 재활용이 심각한 문제로 제기되고 있다. 사용 후 리튬이온 전지를 처리하기 위해서는 저장된 에너지를 제거하기 위하여 효과적으로 방전하는 과정이 필수적이다. 본 연구에서는 흑연과 LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ (NCM622)을 사용하여 코인셀 형태로 반쪽전지 및 완전지를 제조하였고, 이를 과방전할 때 발생하는 전기화학적 거동에 대하여 분석하였다. 반쪽전지를 사용하여 양극과 음극을 각각 과방전시키면, 양극에서는 먼저 전이금속 산화물이 금속으로 환원되는 전환반응을 겪게 되며, 음극에서는 SEI 피막의 분해에 이어 집전체인 Cu가 용출되는 부반응이 발생하였다. 또한, 이러한 과방전의 발생 시에는 큰 분극을 필요로 하였다. 완전지의 과방전 시에는 각각의 부반응이 진행되는 시점에 존재하는 큰 분극들로 인하여 부반응의 본격적인 발생 전에 0 V에 도달하여 방전이 종료되었다. 그러나, 사이클을 통하여 용량이 퇴화된 완전지의 경우에는 과방전거동이 변화하여 음극에서 Cu 집전체의 부식이 발생됨을 확인하였다. 따라서, 사용 후 전지는 사용 전의 전지와는 과방전 시에 다른 거동을 지니고 있으므로 이러한 점들이 고려되어야 한다.

• 대한전기학회:학술대회논문집
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• 대한전기학회 2005년도 제36회 하계학술대회 논문집 C
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• pp.1989-1991
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• 2005

Lithium titanium oxide as anode material for energy storage prepared by novel synthesis method. $Li_4Ti_5O_{12}$ based spinel-framework structures are of great interest material for lithium-ion batteries. We describe here $Li_4Ti_5O_{12}$ a zero-strain insertion material was prepared by novel sol-gel method and by high energy ball milling (HEBM) of precursor to from nanocrystalline phases. According to the X-ray diffraction and scanning electron microscopy analysis, uniformly distributed $Li_4Ti_5O_{12}$ particles with grain sizes of 100nm were synthesized. Lithium cells, consisting of $Li_4Ti_5O_{12}$ anode and lithium cathode showed the 173 mAh/g in the range of $1.0{\sim}3.0V$. Furthermore, the crystalline structure of $Li_4Ti_5O_{12}$ didn't transfer during the lithium intercalation and deintercalation process.

• Bulletin of the Korean Chemical Society
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• 제30권11호
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• pp.2603-2607
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• 2009

$LiNi_{0.5-x}Co_{2x}Mn_{0.5-x}O_{2}$ (x = 0, 0.1, 1/6, 1.2, 0.3) were synthesized by the solid-state reaction method. The crystal structure was analyzed by X-ray powder diffraction and Rietveld refinement. $LiNi_{0.5-x}Co_{2x}Mn_{0.5-x}O_{2}$ samples give single phases of hexagonal layered structures with a space group of R-3m for x = 0.1, 1/6, 0.2, and 0.3. The lattice constants of a and c-axis were decreased with the increase in Co contents in samples. The thickness of MO2 slab was decreased and inter-slab distance was increased with the increase in Co contents in $LiNi_{0.5-x}Co_{2x}Mn_{0.5-x}O_{2}$. According to XPS analysis, the valence states of Mn, Co, and Ni in the sample are mainly +4, +3, and +3, respectively. The discharge capacity of 202 mAh/g at 0.1C-rate in the potential range of 4.7 - 3.0 V was obtained in $LiNi_{0.3}Co_{0.4}Mn_{0.3}O_2$ sample, and $LiNi_{0.4}Co_{0.2}Mn_{0.4}O_2$ gives excellent cycle performance in the same potential range.

• 자원리싸이클링
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• 제10권6호
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• pp.9-14
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• 2001

폐리튬이온전지의 재활용 일환으로 양극활물질인 $LiCoO_2$로부터 Co와 Li을 회수하기 위하여 황산침출거동을 조사하였다. 황산 2M용액, $75^{\circ}C$ 조건에서 환원제를 첨가하지 않은 경우, $LiCoO_2$로부터 Li가 거의 100% 침출되는 반면에 Co는 같은 조건에서 40% 이하의 침출율을 보였다. Co의 침출율을 향상시키기 위하여 과산화수소를 환원제로 2~20 vol%범위에서 사용하였다 10 vol% 이상의 과산화수소를 첨가하였을 때, Co와 L거 침출율은 모두 95% 이상 이었다. 이는 환원제로서 과산화수소가 Co(III)를 Co(II)로 환원시켜 침출이 용이해졌기 때문으로 생각된다. 황산농도, 온도, 과산화수소 첨가량이 증가함에 따라 Co와 L리 침출율은 증가한 반면에 초기 광액농도가 증가할수록 Co와 L긴 침출율은 감소하였다. 이상의 조업변수 실험을 통하여 코발트계 리튬이온전지의 양극활물질인 $LiCoO_2$의 황산침출에서 황산농도 2 M, 침출온도 $75^{\circ}C$,초기광액농도 100 g/L, 과산화수소 첨가량 20 vol%에서 30분의반응시간이 침출 최적조건으로 생각된다.

• 공업화학
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• 제31권1호
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• pp.97-102
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• 2020

최근 리튬이차전지 양극 소재의 다양한 열화 메커니즘들이 밝혀지면서 이것을 제어하여 새로운 전기화학적 특성을 구현하고 기존 소재의 한계점을 극복하고자 하는 연구결과들이 많이 보고되고 있다. 특히, 리튬과잉산화물은 250 mA h g^-1 이상의 고 용량 차세대 리튬이차전지 양극 물질로 주목받고 있으나, 충방전 과정 중에 소재 특유의 원자 구조 열화로 인해 활용이 제한되고 있다. 본 연구는 0.4Li₂MnO₃_0.6LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ 리튬과잉소재의 충방전 과정 중에서 겪는 원자 구조 변화 과정을 분석하여 소재의 열화 과정을 밝히고 이를 개선하기 위한 연구 방향을 제시하고자 한다. 이를 위해, 원자 단위의 분해능을 갖는 전자투과현미경을 활용하여 충방전 중 원자 구조의 변화 과정을 분석하고 이러한 구조 변화가 소재의 전기화학적 특성에 어떠한 영향을 미치는지 밝히고자 하였다. 충전 과정 중에 발생한 다량의 리튬 빈자리로 인해 구조 불안정성이 일어났고, 이로 인해 전이 금속이 리튬 빈 자리로 이동하면서 구조 열화가 확인되었다. 결과적으로 이러한 구조 변이는 리튬과잉소재의 가장 큰 문제점인 방전 전압 강하 특성을 야기한다는 것을 알아내었다.

• 대한전기학회:학술대회논문집
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• 대한전기학회 2007년도 제38회 하계학술대회
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• pp.1363-1364
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• 2007

The composites such as Sn-CNTs, $SnSb_{0.5}$-CNTs and $CoSb_3$-CNTs have attracted much attention in the past years owing to their good overall properties. In these samples, intermetallic compounds show high specific capacities. Recently, interest in metal oxides such as $Al_{2}O_{3}$, MgO and $TiO_2$ has been largely stimulated by the realization that they can improve the cycling stability of the Li-ion battery electrodes. The reversible capacity of the $TiO_2$/CNTs composite reaches 168 mAh $g^{-1}$ at the first cycle and remains almost constant during long-term cycling. In this study, a nanocomposite of $TiO_2$/CNTs was prepared by sol-gel method and its electrochemical properties as anode materials for Li-ion batteries were studied by galvanostatic cycling, cyclic voltammograms (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS).

• 전기화학회지
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• 제24권2호
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• pp.28-33
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• 2021

이차전지의 에너지 밀도를 높이기 위한 방법으로 전극의 로딩을 높이는 방법에 대하여 많은 시도가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 리튬이온 이차전지용 양극에서 보편적으로 사용되어 온 기존의 polyvinylidene fluoride (PVdF) 바인더가 아닌 polytetrafluoroethylene (PTFE) 바인더를 적용하여 고로딩의 LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ (NCM523) 양극을 제조하였다. 기존의 슬러리 공정이 아닌 PTFE 현탁액을 이용한 반죽공정을 통하여 로딩을 높인 두꺼운 전극이 용이하게 제조되었다. PTFE 및 PVdF 기반의 전극을 5.0 mAh/cm²의 로딩레벨로 각각 제조한 결과로 PTFE를 적용한 전극이 좀 더 우수한 사이클 수명과 속도특성을 지니고 있음을 확인하였다. PTFE 바인더를 사용한 반죽공정으로 제조된 전극은 기공도가 커서 전극밀도가 높지 않기 때문에 압연을 상온이 아닌 120℃ 이상의 고온에서 진행함으로써 기공도를 낮출 수 있었으나, 이에 따른 사이클 성능의 차이는 크지 않았다. 또한, 전극조성에서 도전재의 함량을 높임으로써 고로딩 전극의 사이클 수명을 소폭 향상시킬 수 있었다. PTFE 바인더 적용으로 고로딩 전극의 성능을 향상시킬 수 있었으나, 추가적인 개선이 필요할 것이다.