이차전지 양극활물질 LiNiO2 합성 및 전기화학적 특성 평가

본 내용은 " 신소재프로젝트3 세라믹 A+ 결과레포트 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.10.07

문서 내 토픽

• 1. 이차전지의 기본 원리 및 구성

  이차전지는 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지로, 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성된다. 양극은 방전 시 환원 반응이 일어나 전지의 용량과 평균 전압을 결정하고, 음극은 산화 반응으로 전지의 수명을 결정한다. 충전 시 전기에너지를 화학에너지로 저장하고, 방전 시 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 방출한다. 이 과정에서 리튬이온은 전해질을 통해 이동하고 전자는 외부 도선을 통해 이동한다.

• 2. Pyro 합성법을 이용한 LiNiO2 양극활물질 합성

  폴리올(에틸렌글리콜)을 매개로 사용하여 전구체 물질을 용해하고 24시간 교반한 후, 토치로 점화하여 연소 반응을 유도하는 방법이다. 높은 발열성 에너지와 코팅된 산소가 나노 입자의 핵생성을 촉진하며, 수십 초에서 수 분 내에 반응이 완료된다. 장점은 열처리 공정이 불필요하고 비용이 저렴하며 균일한 나노 구조의 고결정성 입자를 얻을 수 있다는 점이다.

• 3. X선 회절(XRD) 분석 방법

  재료의 결정구조를 분석하기 위한 비파괴 분석 방법으로, 브래그 법칙(2d sinθ=λ)에 따라 X선이 회절된다. 회절 패턴의 Peak 강도와 위치를 통해 물질의 정성분석, 격자상수 측정, 결정성 평가, 미소 결정 크기 측정이 가능하다. Peak이 날카로울수록 결정성이 높고, Broad할수록 입자크기가 작다. JCPDS 데이터와 비교하여 물질을 동정할 수 있다.

• 4. LiNiO2 양극활물질의 특성 및 전기화학적 거동

  LiNiO2는 LiCoO2와 동일한 층상형 결정구조를 가지며, 약 75%의 리튬이온이 탈리되어도 초기 결정구조를 유지하여 높은 작동 전압과 200mAh/g 이상의 높은 가역 용량을 보인다. 코발트 대비 가격이 저렴하고 독성이 낮다. 그러나 Ni2+와 Li1+의 이온 반경이 유사하여 양이온 혼합 현상이 발생하고, 충전 시 화학적으로 불안정한 Ni4+ 이온이 생성되어 표면 손상과 임피던스 형성으로 사이클 안정성이 저하된다.

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• 1. 이차전지의 기본 원리 및 구성

  이차전지는 현대 에너지 저장 기술의 핵심으로, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 원리에 기반합니다. 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성된 이차전지는 충방전 과정에서 이온의 이동과 전자의 흐름을 통해 작동합니다. 특히 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도와 긴 수명으로 인해 전자기기와 전기자동차에 광범위하게 사용되고 있습니다. 이차전지의 성능은 양극활물질, 음극활물질, 전해질의 특성에 크게 의존하며, 각 구성 요소의 최적화가 전지의 용량, 출력, 안정성을 결정합니다. 따라서 이차전지의 기본 원리를 이해하는 것은 더욱 우수한 전지 개발을 위한 필수적인 기초입니다.

• 2. Pyro 합성법을 이용한 LiNiO2 양극활물질 합성

  Pyro 합성법은 고온에서 전구체를 열분해하여 양극활물질을 제조하는 효율적인 방법입니다. LiNiO2는 높은 용량과 우수한 전기화학적 성능으로 주목받는 양극활물질로, Pyro 합성법을 통해 결정성이 우수한 입자를 얻을 수 있습니다. 이 방법은 상대적으로 간단한 공정으로 대량 생산이 가능하며, 합성 조건 조절을 통해 입자 크기와 형태를 제어할 수 있다는 장점이 있습니다. 다만 고온 처리 과정에서 에너지 소비가 크고, 불순물 제거를 위한 추가 공정이 필요할 수 있습니다. 따라서 Pyro 합성법은 LiNiO2 양극활물질의 실용적인 제조 방법으로 산업적 가치가 높습니다.

• 3. X선 회절(XRD) 분석 방법

  X선 회절 분석은 물질의 결정 구조를 규명하는 가장 기본적이고 강력한 분석 기법입니다. 브래그 법칙에 따라 X선이 결정 평면에서 회절될 때의 각도와 강도를 측정하여 격자 상수, 결정 구조, 결정성 등을 정량적으로 파악할 수 있습니다. 양극활물질 연구에서 XRD는 합성된 물질의 순도, 결정 구조의 안정성, 충방전 과정에서의 구조 변화를 추적하는 데 필수적입니다. 비파괴 분석이며 빠른 측정 시간과 높은 신뢰성을 제공하므로, 재료 개발 단계에서 매우 유용합니다. 다만 비정질 성분의 정량화에는 제한이 있으므로 다른 분석 기법과 병행하여 사용하는 것이 효과적입니다.

• 4. LiNiO2 양극활물질의 특성 및 전기화학적 거동

  LiNiO2는 높은 이론 용량(약 275 mAh/g)과 우수한 전기화학적 성능으로 차세대 양극활물질로 주목받고 있습니다. 층상 구조를 가진 LiNiO2는 충방전 과정에서 리튬 이온의 삽입과 탈출이 용이하며, 높은 에너지 밀도를 제공합니다. 그러나 니켈의 산화 상태 변화로 인한 구조 불안정성, 전해질과의 반응성, 사이클 수명 감소 등의 문제가 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 도핑, 표면 코팅, 입자 형태 제어 등의 개선 방법이 연구되고 있습니다. LiNiO2의 전기화학적 거동을 정확히 이해하고 최적화하는 것은 고성능 리튬이온전지 개발의 핵심 과제입니다.