신소재공학실험 | Li-Ni-Co-Al-O Cathode Electrode

 

 

 

 

실험 배경

현재 사회는 핸드폰 및 노트북과 같이 이동성이 큰 전자기기의 사용이 증가됨에 따라 이차전지의 사용이 증가되고 있습니다. 특히 전기 자동차 등 이차전지를 사용하는 분야가 넓어지면서 더 많은 이차전지에 대한 연구가 필요합니다. 많이 상용되고 있는 양극활물질은 LCO, NCM, LMO, LFP, NCA 등이 있습니다.

 

현재 가장 많이 사용되고 있는 LCO는 층상 구조이고 수명 또한 길지만 최근 코발트 가격의 폭등으로 축전지 비용이 높아지고 코발트로 인한 환경오염이 문제가 되고 있습니다. 또한 구조적 불안정으로 중대형 전지에서 사용하기 어렵습니다. NCM의 경우 현재 많은 연구가 진행되고 있는 양극재입니다. LMO는 작동전압이 높지만 전지용량이 낮고 스피넬 구조를 갖고 있어 구조적 불안정성의 단점을 갖고 있습니다. 또한 LFP는 중국의 전기자동차에 많이 사용되고 있는 올리빈 구조의 양극활물질로 화학적 안정성이 높으나 작동전압과 전기전도도가 낮은 단점이 있습니다. 또한 에너지밀도가 낮아 부피가 크고 출력이 낮은 경향이 있어 최근 중국에서도 다른 양극활물질의 개발이 이뤄지고 있습니다. 따라서 지금 이상의 부피 에너지밀도를 가진 전지개발이 필요합니다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 니켈과 코발트의 함량을 다르게 하여 그 특성을 알아보고자 세가지의 NCA를 제조합니다.

 

2) 양극입자를 합성하는 방법으로 Hydrothermal과정을 진행하는데, Hydrothermal은 물을 용매로 사용하여 기화된 물분자가 Teflon bottle 안에 고압을 가하여 입자의 크기가 과잉 성장하지 않도록 해주는 역할을 합니다.

 

3)NiSO₄ ·6H₂O와 CoSO₄ ·7H₂O와 2.5M NaOH용액을 100㎖비이커에서 넣고 70℃로 가열하며 1시간동안 교반 시켜줍니다.

 

4) Al(OH₃) ·6H₂O와 Ammonia solution을 4㎖첨가하여 알루미늄을 NaOH용액에 용해시키고 30분간 교반 하여 줍니다.

 

5) 125㎖ Teflon bottle에 용액을 넣고 170℃에서 18시간동안 Hydrothermal을 진행합니다.

 

6) 반응이 끝나면 원심분리기를 이용하여 SO₄와 H₂O와 불순물을 세척하고 샬레에 담아 120℃에서 건조합니다.

 

7) 건조된 시료는 유발을 이용하여 곱게 빻아준 뒤, 500℃에서 5시간동안 소결과정을 진행합니다.

 

8) 소결과정은 열처리를 통해 좀 더 순도 높은 precursor를 얻을 수 있게 합니다.

 

9) 얻은 precursor에 LiOH ·H₂O를 molar ratio 1:1.05로 넣고 유발에서 hand grinding시켜준 뒤 한번 더 700℃에서 10시간동안 소결을 진행하는데, 이때는 O₂ gas를 50㎖/min의 유량으로 주입하면서 반응을 진행시켜주면 NCA powder를 얻을 수 있습니다.

 

10) 완성된 NCA powder를 광구 샘플병에 넣고 Carbon Black과 Polyvinylidene fluoride를 weight ratio 8:1:1로 넣어준 뒤 N-methyl-2-pyrrolidone을 주사기에 넣고 조금씩 주입하여 농도를 맞춰준 뒤 5시간동안 ball milling합니다. Carbon Black은 양극물질의 전기전도도를 높여주어서 전자의 이동을 원활하게 해주기 위하여 첨가하는 것이고, Polyvinylidene fluoride는 양극물질과 Aluminum foil이 잘 붙을 수 있도록 도와주는 역할을 합니다. 처음에는 24시간동안 ball milling을 진행하였는데 슬러리가 NCA의 성분이 달라짐에 따라 변화가 크게 일어나 너무 묽게 만들어지거나 고형화 되므로 5시간동안 ball milling을 진행하였습니다.

 

11) 완성된 슬러리를 Aluminum foil에 Doctor blade를 이용하여 20µm 두께로 극판을 제조합니다. 그 후 진공상태에서 건조한 뒤 펀치를 이용하여 8mm크기로 잘라준 뒤 제조한 극판과 분리막, 음극인 리튬과 전해액(LiPF6)을 이용하여 Glove Box에서 Coin cell을 제작합니다.

 

12) 분석법으로는 XRD(X-Ray Diffraction)과 SEM(Scanning Electron Microscopy), Charge-Discharge Test를 진행하였습니다. XRD는 NCA Powder의 구조형성을 알아보기 위한 분석법이고, SEM은 광원으로 전자를 사용하여 이미지 분석을 하여 NCA 양극 형태를 알아보는 분석법입니다. 또한 Charge-Discharge Test는 완성된 NCA를 양극으로 사용하여 용량을 확인하기 위해 진행하였습니다. Charge-Discharge Test는 일정전류를 흘려 보내주어 voltage 변화에 따른 특성을 확인할 수 있습니다. 일정전류는 이론용량 및 활물질의 양에 따라 계산된 값을 사용하였습니다.

 

 

 

 

[신소재공학실험]Li-Ni-Co-Al-O Cathode Electrode 레포트