Phase Evolution in LiMO2(M=Co,Ni) Cathode Materials for Secondary Lithium Ion Batteries : Effect of Temperature and Oxygen Partial Pressure

$LiMO_{2}(M=Co,Ni)$ samples were synthesized with $Li_{2}CO_{3},\;Co_{3}O_{4}$, and NiO by the solid-state reaction method. In the case of $LiCoO_{2}$, at low temperature$(T=400^{\circ}C)$ spinel structure was synthesized and the obtained spinel phase was transformed to layered phase at high temperature$(T\ge600^{\circ}C)$. The phase transition behaviors of $LiCoO_{2}$ were investigated with various heating temperature and time. The rate of transition was directly proportional to the concentrations of reactant, and activation energy of reaction was around 6.76 kcal/mol. When CoO(rock salt structure) was used as a starting material instead of $Co_{3}O_{4}$(spinel structure), layered structure of $LiCoO_{2}$ was obtained at low temperature. In the case of $LiNiO_{2}$ the transition from layered structure to rock salt structure occurred easily by disordering/ordering reaction, but did not occur in $LiCoO_{2}$. The difference in metal ion radii in $LiCoO_{2}$ and $LiNiO_{2}$ results in different behaviors of phase transitions.

리튬 2차 전지용 양극활물질 LiMO2(M=Co,Ni)의 온도와 산소 분압에 따른 상전이 거동

출발원료로 $Li_{2}CO_{3},\;Co_{3}O_{4}$와 NiO를 사용하여 고상반응법으로 $LiMO_{2}(M=Co,Ni)$를 합성하였다. $LiCoO_{2}$는 저온$T=400^{\circ}C$에서 스피넬구조를 형성하고 온도가 증가$(T\ge600^{\circ}C)$되면 층상구조로 상전이 한다. 우리는 열처리 온도와 시간을 변수로 $LiCoO_{2}$의 스피넬구조에서 층상구조로의 상전이 거동을 관찰하였다. 스피넬구조에서 층상구조로의 상전이 속도는 스피넬상의 농도에 1차 비례하고 상전이하는 활성화 에너지는 약 6.76 kcal/mol이다. 출발원료로 스피넬구조인 $Co_{3}O_{4}$ 대신 암염 구조인 CoO를 사용하면 저온$(T=500^{\circ}C)$에서부터 층상구조가 형성되고 스피넬구조는 관찰되지 않는다. $LiNiO_{2}$는 온도가 증가함에 따라 층상구조에서 암염구조로 상전이 한다. $LiNiO_{2}$의 고온상인 암염구조는 저온에서 disordering/ordering에 의해 쉽게 층상구조로 되돌아가는 상전이 거동을 보인다. 반면 $LiCoO_{2}$에서는 층상구조에서 암염구조로의 상전이가 쉽게 일어나지 않는다. 이온반경비 $Li^+/Co^{3+}$ 보다 큰 것이 $LiCoO_{2}$의 층상구조가 고온에서 $LiNiO_{2}$의 층상구조보다 더 안정할 수 있는 이유 중의 하나로 생각된다.