구형 스피넬계 LiMxMn2-xO4 (M = Al, Mg, B) 양극소재의입자치밀도와 전지성능간의 상관관계에 대한 연구
Relationship between Particle Density and Electrochemical Properties of Spherical LiMn2-xMxO4 (M = Al, Mg, B) Spinel Cathode Materials
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초록
본 연구에서는 습식분쇄, 구형화 분무건조 및 열처리 공정을 통해 구형의 LiMn2-xMxO4(M = Al, Mg, B) 스피넬계 양극소재를 합성하고, 이의 전기화학적 성능을 평가하였다. MnO2(Tosoh, 91.94%), Li2CO3 (SQM, 97%), MgCO3 (Aldrich, 99%), Al(OH)3 (Aldrich, 99%)및 B2O3 (Aldrich, 99%)를 원료로 사용하였으며, 분무건조공정에서 전구체의 구형화도 증가를위해 PAAH 바인더를 첨가하였다. 200~500 nm 크기로 분쇄된 혼합 슬러리 용액으로부터 분무건조법을 통해 구형의 전구체를 제조하고, 이를 다양한 조건에서 열처리하여 최종 스피넬계LiMn2-xMxO4 (M = Al, Mg, B) 양극소재를 제조하였다. 제조된 구형의 LiMn2-xMxO4 (M = Al,Mg, B) 양극재료는 이종원소 치환량, 특히 Boron 치환량에 따라 입자 표면 및 내부의 치밀도가 변화하는 것을 확인할 수 있었으며, 치밀도가 증가함에 따라 소재의 출력특성이 향상되었으며,최적 조성의 양극소재는 상온 5 C 용량이 0.2 C 용량 대비 90% 이상이 됨을 확인하였다. 또한표면의 치밀도도 증가함에 따라 60oC 고온 충방전 조건에서 수명특성이 향상되어 500회 사이클이후에도 초기용량의 80% 이상을 유지하였다.
Abstract
Spherical lithium manganese oxide spinel, LiMn2-xMxO4 (M = Al, Mg, B) prepared by wet-milling, spray-drying, and sintering process has been investigated as a cathode material for lithium ion batteries. As-prepared powders exhibit various surface morphologies and internal density in terms of boron (B) doping level. It is found that the dopant B drives the growth of the primary particle and minimizes the surface area of the powder. As a result, the dopant enhances the internal density of the particles. Electrochemical tests demonstrated that the capacity of the synthesized material at 5 C could be maintained up to 90% of that at 0.2 C. The cycle performance of the material showed that the initial capacity was retained up to 80% even after 500 cycles under the high temperature of 60oC.
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