X선 회절을 통한 이차전지 양극재 결정 구조 분석

본 내용은 " X선 회절을 통한 이차전지 양극재 결정 구조 분석_예비보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.02.06

문서 내 토픽

• 1. X선 회절(XRD)

  X-ray diffraction은 결정 구조 분석의 중요한 도구로, 결정성 물질에 X선을 조사하여 회절된 빛의 패턴과 강도를 분석함으로써 물질의 세부 구조를 파악한다. 원자 배열, 위치, 간격, 각도를 특성화할 수 있으며, 전자밀도, 화학결합, 무질서 부분까지 측정 가능하다. XRD 장비는 X선 발생기, 각도 측정 장치, 검출기, 제어 연산 장치로 구성되며, 비파괴적 분석이 가능하다는 장점이 있다.

• 2. Bragg 방정식

  Bragg 방정식(nλ=2dsinθ)은 결정 구조에서 회절 패턴을 설명하는 기본 방정식이다. 파장 λ인 빛이 결정면과 각도 θ를 이루며 충돌할 때, 두 층 사이의 추가 이동 거리가 파장의 정수배일 때만 보강 간섭이 발생한다. 이를 통해 결정 내 원자층 간의 거리 d를 계산할 수 있으며, 회절 기술의 이해에 중요한 역할을 한다.

• 3. NMC 양극재 구조 및 Cation Mixing

  NMC는 리튬 이차전지의 양극 재료로 널리 사용되며 층상 구조를 가진다. 산소, 리튬, 니켈, 망간, 코발트 원자가 교차하는 격자 구조를 형성한다. Cation mixing은 Ni, Mn, Co 원자들이 결정 구조 내에서 위치를 바꾸는 현상으로, 이온 이동, 전지 성능, 안정성, 전기화학적 특성에 영향을 미친다. I(003)/I(104) 비율이 1.2 이상이면 cation mixing이 적은 좋은 구조로 평가된다.

• 4. NMC 양극재의 XRD 피크 분석

  NMC 양극재의 XRD 분석에서 (003), (101), (006), (104), (015), (107), (018), (110) 평면의 피크가 나타난다. 합성 온도가 높을수록 강도가 증가하는 경향을 보인다. 충전 진행 중 (003) 평면 피크의 이동은 c 격자의 부피 변화를 나타내며, c-격자 붕괴에 의한 미세 균열 생성을 의미한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. X선 회절(XRD)

  X선 회절은 결정성 물질의 원자 배열을 규명하는 가장 강력한 분석 기법입니다. 특히 배터리 양극재와 같은 복잡한 결정 구조를 가진 물질의 특성화에 필수적입니다. XRD는 비파괴적이고 빠른 분석이 가능하며, 정량적 정보를 제공하므로 재료 개발 과정에서 매우 유용합니다. 다만 비정질 상이 포함된 샘플의 경우 정확한 분석이 어려울 수 있으며, 표면 정보보다는 벌크 정보를 제공한다는 한계가 있습니다. 현대 배터리 연구에서 XRD는 필수 분석 도구로서 그 중요성이 계속 증가하고 있습니다.

• 2. Bragg 방정식

  Bragg 방정식(nλ = 2d sinθ)은 X선 회절의 기본 원리를 설명하는 핵심 이론입니다. 이 간단하면서도 우아한 식은 X선과 결정 평면 사이의 상호작용을 정량적으로 기술하며, 결정 구조 분석의 토대를 이룹니다. Bragg 방정식을 통해 회절 각도로부터 격자 간격을 계산할 수 있어, 결정 구조의 변화를 추적할 수 있습니다. 특히 배터리 양극재의 구조 변화 모니터링에 매우 유용하며, 충방전 과정에서의 격자 변화를 정량적으로 평가하는 데 필수적입니다.

• 3. NMC 양극재 구조 및 Cation Mixing

  NMC(LiNi₁₋ₓ₋ᵧMnₓCoᵧO₂) 양극재는 현대 리튬이온 배터리의 핵심 소재로서, 높은 에너지 밀도와 우수한 사이클 특성을 제공합니다. 층상 암염 구조를 가지며, Ni, Mn, Co의 함량 비율이 성능을 크게 좌우합니다. Cation mixing은 Li 위치에 전이금속이 치환되는 현상으로, 이온 전도도 감소와 구조 불안정성을 야기합니다. Cation mixing의 정도는 합성 조건, 특히 소성 온도와 시간에 의존하며, 이를 최소화하는 것이 고성능 NMC 개발의 중요한 과제입니다.

• 4. NMC 양극재의 XRD 피크 분석

  NMC 양극재의 XRD 패턴 분석은 구조 특성화와 품질 평가의 핵심입니다. (003), (104), (012) 등의 주요 피크들은 층상 구조의 규칙성을 반영하며, 피크의 위치, 강도, 반폭은 격자 상수, 결정성, cation mixing 정도를 나타냅니다. 특히 (003)/(104) 피크의 강도 비는 cation mixing 정도를 평가하는 중요한 지표입니다. 충방전 과정에서의 XRD 변화 추적은 구조 안정성과 가역성을 평가하는 데 매우 유용하며, Rietveld 정밀화를 통해 정확한 격자 상수와 원자 위치 정보를 얻을 수 있습니다.