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기술정보

[동아대학교] ZrO2+P2O5 혼성코팅을 이용한 리튬 잔류물을 제거에 따른 양극 활물질의 전기화학적 성능 향상

Samsung Advanced Institute of Technology(SAIT)는 Nich-rich NCM(80:15:5)에 ZrO₂+P₂O₅혼성 코팅 개념을 적용하여 이들 각각의 잔존리튬과의 반응성을 고려하여 표면개질효과를 확인하고, 두 표면개질물을 비율별로 혼합하여 Ni-rich NCM의 표면의 잔존리튬 저감 효과 및 이들의 전기화학적 특성에 관한 연구 내용을 발표하였다. (Phys. Chem. Chem. Phys. , 2016, DOI:10.1039/c6cp05286j)

Zr 단독으로 표면개질 했을 때 NCM의 잔존리튬 제거율은 높지 않다. 그 이유로 생성된 Li₂ZrO₃는 물 존재 하에서 쉽게 ZrO₂로 돌아가서 LiOH 양이 줄지 않고, Li₂CO₃와 반응하지 않아 탄산리튬을 제거하기도 효과적이지 않은 결과를 보였다. 그러나 P의 경우 LiOH와 반응 하여 LiPO₃, Li₃PO₄, H₃PO₄ 등을 형성하여 잔존리튬을 반응물로 소비를 하므로 Zr을 이용한 균일한 코팅과 P를 이용한 리튬 제거효과를 동시에 얻기 위해 다양한 비율의 혼성개질 물질의 적용결과를 연구하였다. Zr:P(1:1) 혼성개질 물질 적용을 통해 Ni-rich NCM의 잔존리튬 함량을 효과적으로 제거하였으며, pristine Ni-rich NCM 동등 수준 이상의 전기화학적 성능을 확보하였다.

[서울대학교] High-performance battery electrodes via magnetic templating


그림1 Electrode fabrication using magnetic alignment of a sacrificial phase a, b	그림2 Dynamic discharge of LiCoO2 cathodes and showing the lower polarization of the aligned-porosity electrode
- Title: High-performance battery electrodes via magnetic templating 미국의 Massachusetts Institute of Technology 에 Y.-M. Chiang그룹은 magnetic control of sacrificial features를 이용하여 리튬 이온 배터리의 빠른 충전과 방전이 가능하도록 전극에 수직한 방향으로 directional pores를 만들었다고 Nature energy에 발표하였다. - 배터리 전극 물질의 빈 공간, 즉, 전해질로 차있는 부분의 channel은 리튬 이온이 transport하는 길로서 전지의 율속 특성과 상관관계가 있다. 하지만 이는 전극의 rolling coating시 집전체에 평행한 방향으로 tortuosity를 가지며 생성되는데 이번 연구에서 magnetic control을 통해 집전체에 수직한 방향으로 channel을 형성시킴으로써 전지의 율속 특성을 크게 향상시키게 되었다. - 이번 연구를 통해서 magnetic control을 통해 전극 단위에서 directional micro pores channel을 만들어줌으로써 리튬 이온의 mass transport를 빠르게 해 줌으로서 전지의 kinetic적 문제를 해결하고 빠른 충전과 방전에서의 용량 감소를 최소화시켰다. 이는 일반적으로 전극을 집전체 위에 얇게 바를 수 밖에 없었던 기존 방법에서 집전체 위에 전극을 두껍게 후막화 시켜도 율속 및 수명 특성을 안정화 시킬 수 있는 가능성을 보여준다고 볼 수 있다. 이번 연구는 LiCoO2의 양극 소재에 국한된 연구이지만 더 나아가 graphite와 같은 음극 물질에 대해서도 추가적인 연구를 진행한다면 율속 및 수명 특성이 좋은 후막 전극의 full cell을 구현해 낼 수 있을 것으로 예상된다. (Nature energy , 2016)

[성균관대학교] Discovering a Dual-Buffer Effect for Lithium Storage: Durable Nanostructured Ordered Mesopo

Figure: small angle X-ray scattering data collected from ordered mesoporous CoxSny
electrodes during in operando experiment: a) meso-Co0.5 Sn0.5 , b) meso-Co0.3 Sn0.7 , and c) meso-Co0.1 Sn0.9.

Figure: a) Galvanostatic discharge–charge profiles at the 1st (solid line) and 50th (dashed line) cycle under 0.1 C rate and b) specific capacity versus cycle number profiles for meso-CoxSny electrodes.

리튬 이온 배터리 구동에 있어서 구조적으로 안정하고 장기적 수명의 Li 이온 저장을 위해서는 충, 방전 중의 전극의 부피 변화를 최소화 시키는 것이 매우 중요한데, 이 논문에서는 메조 크기의 기공을 갖는 intermetallic 물질을 리튬 이온 배터리 음극 소재로 적용하여 전기화학적 특성 및 구조적인 변화 관찰을 설명한다.

In operando small angle X-ray scattering 분석 기법을 이용하여 Co/Sn alloy 형태의 mesoporous intermetallic compounds 물질이 갖는 기공의 부피 변화가 충전 및 방전 과정에서 가역적으로 변화하는 반응 메커니즘을 관찰 및 규명하였다.

이는 mesoporous intermetallic anode material의 리튬이온배터리에서의 적용이 기존의 음극 물질이 가지고 있는 극심한 부피 팽창의 문제점을 해결하는 하나의 방법이 될 수 있는 가능성을 보여주는 연구이다.

[포항공과대학교] Si-Graphite 음극재의 부피팽창을 고려한 이론 용량 계산

- Title: Theoretical Limits of Energy Density in Silicon-Carbon Compostie Anode Based Lithium Ion Batteries.

- SABIC 사의 Ranjan Dash와 Sree Kanth Pannala는 Si-Graphite이 실질적으로 가질 수 있는 용량을 계산을 통하여 분석하였다.

- Silicon은 Graphite에 비해 큰 용량을 가지지만, 충방전 중 발생되는 큰 부피변화로 인해 이를 수용하기 위해 전극의 porosity가 필요하다.

- Silicon 용량, 3600mAh/g과 Graphite 용량, 330mAh/g를 기준으로 하여 Binder 및 도전재의 조건에 변화를 주어 계산하였다. 이때 조건에 따라 다양한 결과가 나타났으며, 용량의 최댓값은 935mAh/cc & 712mAh/g으로 나타났다.

- 실제로 적용시킬 때에는 Graphite 대비하여 약 10%정도의 에너지 밀도 개선이 이루어 질 수 있을 것으로 나타났다.

- 본 연구는 Nature 자매지인, Scientific Reports에 2016년 6월에 개제되었다.

(Scientific Reports, 2016; 6: 27449)

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