Electrochemical Characteristics of LiNi0.5Mn1.5O4 Spinel as 5 V Class Cathode Material for Lithium Secondary Batteries

Recently, many researches on the high-voltage 5 V class cathode material have focused on $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$, where $Mn^{3+}$ in the existing $LiMn_2O_4 (Li[Mn^{3+}][Mn^{4+}]O_4)$ is replaced by $Ni^{2+}(Li[Ni^{2+}]_{0.5}[Mn^{4+}]_{1.5}O_4)$ in order to utilize $Ni^{2+}/Ni^{4+}$ redox reaction in the 5V region. The partial substitution of Mn in $LiMn_2O_4$ for other transition metal element, $LiM_yMn_{1-y}O_4$(M=Cr, Al, Ni, Fe, Co, Cu, Ga etc) is known as a good solution to overcome the problems associated with $LiMn_2O_4$ like the gradual capacity fading. In this study, we synthesized $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ through a mechanochemical process and investigated its morphological, crystallographic and electrochemical characteristics. The results showed that 4 V peaks had been found in the cyclic volammograms of the synthesized powders due to the existence of $Mn^{3+}$ from the incomplete substitution of $Ni^{2+}$ for $Mn^{3+}$ implying that the mechanochemical activation alone was not good enough to synthesize an exact stoichiometric compound of $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$. The synthetic condition of mechanochemical process, such as type of starting materials, ball-mill and calcination condition was optimized for the best electrochemical performance.

5V급 고전압 양극 LiNi0.5Mn1.5O4 Spinel의 제조와 전기화학적 특성에 관한 연구

차세대 5V급 양극활물질로 각광받고 있는 $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$는 기존의 $LiMn_2O_4$ spinel 물질의 $Mn^{3+}$을 $Ni^{2+}$으로 치환하여 5V 영역에서 $Ni^{2+}/Ni^{4+}$ 산화/환원 반응이 가능하게 한 물질이다. 기존의 $LiMn_2O_4$는 낮은 초기 용량과 충 방전에 따른 빠른 용량감소를 보이는 단점을 가지고 있어 이 문제를 극복하기 위해 Mn의 일부를 다른 금속으로 치환하여 $LiM_yMn_{2-y}O_4$ (M=Cr, Al, Ni, Fe, Co, Cu, Ca)을 만드는 방법이 활발히 연구되고 있다. 본 연구에서는 기계 화학적 합성법을 이용하여 합성한 $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$의 전기화학적 특성에 대해 연구하였다. 이 물질은 기존의 $LiMn_2O_4$보다 에너지 밀도가 높으며 저가 및 친환경성 등으로 앞으로 HEV 등에서 그 활용성이 크게 기대된다. 볼밀을 이용하여 여러가지 조건(출발물질 조건, 볼밀조건, 열처리조건 등)에서 $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$을 합성한 결과 기계화학적 방법으로는 $Ni^{2+}$가 $Mn^{3+}$를 완전히 치환하지 못하여 $4.0{\sim}4.1V$의 전압에서 $Mn^{3+}/Mn^{4+}$의 산화/환원과 관련된 peak가 발생하였다. Ni 원료 물질로써 수산화 물질을 사용하고 열처리 온도를 $800^{\circ}C$로 하였을 때 최상의 성능을 나타내었다.