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[2018 05 09] 정기세미나 10th

Advanced characterization of cathode materials in LIB

관리자 | 2018.05.08 09:07 | 조회 261


Advanced characterization of cathode materials in LIB

 

 Date: 2018. 05. 09(WED) , 17:00 ~ 18:15

 Place: Science Building, Room.202 Multimedia Room

 Speaker: Dr. Jae-Pyoung Ahn (KIST)

Host of a Seminar: Prof. Si-Young Choi

Abstract:

 

높은 에너지 밀도와 사이클 수명은 Li ion batteries (LIBs) 분야에서 달성하고자 하는 주요 목표이다. 최근, 층상 구조의 Li 전이 금속 산화물인 LiNixCoyMnzO2 (NCMs) 높은 용량 사이클 안정성을 갖고 있어 전기자동차(EV) 배터리의 양극 물질로 크게 각광받고 있다. 그런데, NCM 가장 안정한 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM111) 물질임에도 급속 충전을 위한 고전압 구동 방전 사이클을 반복함에 따라 급속한 용량 감소가 발생한다. 최근 NCM 양극의 구조적 열화는 결정 구조가 Rhombo에서 영구적으로 Spinel 상변태하는 현상에 기인한다고 보고하였다. 주로 입자의 표면에서 발생하는 비가역적 상변태 현상은 Li 이온의 격자 출입을 방해하기 때문에 배터리의 충방전 속도를 제한할 뿐만 아니라 용량의 영구적 감소를 초래한다. 기존의 해석 방법들은 결정 격자의 면간 거리 변화율을 추적함으로써 시료의 결정성을 분석하였지만 방법은 nm 수준의 영역에서 분석이 어려울 뿐만 아니라, 결정적으로 양극재료 내에서 Li 이온의 위치 추적이 어렵기 때문에 Li 이온의 이동과 표면층의 구조변화에 대해 직접적인 상관관계를 유추하는 것은 매우 어려운 일이다.

연구에서는, TEM-TOPSPIN 기술을 이용하여 가장 안정적인 양극 물질 하나인 NCM111 입자의 격자 변형율을 NCM 입자의 위치 특정 배향에 따라 독립적으로 측정함으로써 변형 맵핑을 수행하였고, 이것으로부터 Rhombo에서 Spinel로의 상변태가 발생한 영역을 분석하였다. 우리는 기존의 회절 기법이 거시적이고 평균화된 결정성 분석에 그쳤던 것과는 다르게, 상변태를 유발하는 임계 변형량을 직접 측정 제시함으로써 NCM Li 결손에 따른 상변태와 변형량의 관계를 실험적으로 규명하였다.

또한 최근 전지 개발에 있어서 in-situ 실험은 전극물질과 전해질 개발에 필수적인 요소로 자리 잡아가고 있다. 고성능 전극재료를 개발하는 미국, 유럽, 일본, 중국 등지에서는 전극간 또는 전극과 전해질에서 발생되는 물질 이동 현상을 관찰하여 최적화된 전극 전해질을 개발하고자 직접적인 in-situ 관찰이 진행되고 있다. 발표에서는 리튬계와 비리튬계 전극재료의 후보로 거론되는 Li-Si, Na-Sn 등의 전극반응 또는 화학반응에 대한 in-situ 실험을 통하여 기존 재료의 스케일을 나노영역으로 좁혀서 전극재료의 in-situ nanokinetics nanoelectric 관찰하고 해석하였다. 특히 연구에서는 전극 후보물질들의 in-situ interpretation 통해 고성능 전극 후보물질 선별기술과 전극재료의 최적화 구조설계 기술 개발 등에 대한 insight 제공하고자 한다.


Department of Materials Science and Engineering






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