• 한국분말재료학회지
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• 제25권4호
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• pp.296-301
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• 2018

In this study, an experiment is performed to recover the Li in $Li_2CO_3$ phase from the cathode active material NMC ($LiNiCoMnO_2$) in waste lithium ion batteries. Firstly, carbonation is performed to convert the LiNiO, LiCoO, and $Li_2MnO_3$ phases within the powder to $Li_2CO_3$ and NiO, CoO, and MnO. The carbonation for phase separation proceeds at a temperature range of $600^{\circ}C{\sim}800^{\circ}C$ in a $CO_2$ gas (300 cc/min) atmosphere. At $600{\sim}700^{\circ}C$, $Li_2CO_3$ and NiO, CoO, and MnO are not completely separated, while Li and other metallic compounds remain. At $800^{\circ}C$, we can confirm that LiNiO, LiCoO, and $Li_2MnO_3$ phases are separated into $Li_2CO_3$ and NiO, CoO, and MnO phases. After completing the phase separation, by using the solubility difference of $Li_2CO_3$ and NiO, CoO, and MnO, we set the ratio of solution (distilled water) to powder after carbonation as 30:1. Subsequently, water leaching is carried out. Then, the $Li_2CO_3$ within the solution melts and concentrates, while NiO, MnO, and CoO phases remain after filtering. Thus, $Li_2CO_3$ can be recovered.

• 전기화학회지
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• 제20권4호
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• pp.67-74
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• 2017

층상구조의 Ni-rich NCM계 양극활물질 $Li[Ni_xCo_{(1-x)/2}Mn_{(1-x)/2}]O_2$ ($x{\geq}0.6$)은 $LiCoO_2$ 대비 높은 에너지밀도와 가격 경쟁력의 장점을 가진다. Ni 함량에 비례하여 가역 방전용량이 증가하는 장점이 있는 반면, 합성 중에 발생하는 양이온 혼합으로 인해 안정적인 전기화학성능을 구현하기 어려운 문제가 있다. 본 연구에서는 합성 분위기, 리튬 원료물질, 합성 시간, 합성 온도, Li/M (M=transition metal) 비율 등의 다양한 합성조건을 변수로 하여 Ni 함량 증가에 따라 최적의 층상구조 Ni-rich NCM을 각각 합성하고 이에 대한 전기화학성능을 보고하였다. $Li[Ni_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}]O_2$ (NCM6)을 기준으로 Ni 함량이 증가한 $Li[Ni_{0.7}Co_{0.15}Mn_{0.15}]O_2$ (NCM7)와 $Li[Ni_{0.8}Co_{0.1}Mn_{0.1}]O_2$ (NCM8)의 합성시 전이금속 중 Ni의 비율이 증가함에 따라 양이온 혼합이 증가하는 것이 관찰되었고, 이는 전기화학 성능에 부정적인 영향을 끼치는 것으로 확인되었다. Ni 비율별 NCM에 대한 연구결과 비율 내확인한 최적의 조건에서 NCM6은 $180mAh{\cdot}g^{-1}$, 96.2% (50회), NCM7은 $187mAh{\cdot}g^{-1}$, 94.7% (50회), NCM8은 $201mAh{\cdot}g^{-1}$, 92.7% (50회)의 초기 방전용량 및 수명평가 후 용량유지율 값을 각각 구현하였다.

• 한국분말재료학회지
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• 제21권4호
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• pp.286-293
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• 2014

The electrochemical properties of cells assembled with the $LiNiO_2$ (LNO) recycled from cathode materials of waste lithium secondary batteries ($Li[Ni,Co,Mn]O_2$), were evaluated in this study. The leaching, neutralization and solvent extraction process were applied to produce high-purity $NiSO_4$ solution from waste lithium secondary batteries. High-purity NiO powder was then fabricated by the heat-treatment and mixing of the $NiSO_4$ solution and $H_2C_2O_4$. Finally, $LiNiO_2$ as a cathode material for lithium ion secondary batteries was synthesized by heat treatment and mixing of the NiO and $Li_2CO_3$ powders. We assembled the cells using the $LiNiO_2$ powders and evaluated the electrochemical properties. Subsequently, we evaluated the recycling possibility of the cathode materials for waste lithium secondary battery using the processes applied in this work.

• 한국분말재료학회지
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• 제23권2호
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• pp.136-142
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• 2016

As precursors of cathode materials for lithium ion batteries, $Ni_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}(OH)_2$ powders are prepared in a continuously stirred tank reactor via a co-precipitation reaction between aqueous metal sulfates and NaOH in the presence of $NH_4OH$ in air or nitrogen ambient. Calcination of the precursors with $Li_2CO_3$ for 8 h at $1,000^{\circ}C$ in air produces dense spherical cathode materials. The precursors and final powders are characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy, particle size analysis, tap density measurement, and thermal gravimetric analysis. The precursor powders obtained in air or nitrogen ambient show XRD patterns identified as $Ni_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}(OH)_2$. Regardless of the atmosphere, the final powders exhibit the XRD patterns of $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ (NCM). The precursor powders obtained in air have larger particle size and lower tap density than those obtained in nitrogen ambient. NCM powders show similar tendencies in terms of particle size and tap density. Electrochemical characterization is performed after fabricating a coin cell using NCM as the cathode and Li metal as the anode. The NCM powders from the precursors obtained in air and those from the precursors obtained in nitrogen have similar initial charge/discharge capacities and cycle life. In conclusion, the powders co-precipitated in air can be utilized as precursor materials, replacing those synthesized in the presence of nitrogen injection, which is the usual industrial practice.

• 한국결정성장학회지
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• 제34권3호
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• pp.103-107
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• 2024

본 연구에서는 NCM [Li(Ni_xCo_yMn_z)O₂] 양극활물질을 합성하기 위한 내화갑의 재료로 순수 금속 재료인 Nickel을 제안하였다. Nickel은 산화에 강하고 녹는점이 높은 금속으로 알려져 있다. 니켈은 NCM 양극활물질의 주성분 중 하나로 양극물질 합성 동안에 saggar로 부터의 오염에 대한 문제에 자유로울 것으로 기대하였다. 본 연구진은 니켈이 NCM 양극물질 합성용 내화갑으로서의 가능성을 확인하고자 하였다. 900℃에서 Ni 금속 도가니와 Ni_0.8Co_0.1Mn_0.1(OH)₂ (NCM 811) 전구체 물질을 장시간 반응시켰을 때, 시간 변화에 따른 도가니 표면 반응층 변화를 분석하였다. 900℃에서 열처리 동안에 형성된 니켈 도가니 반응층은 니켈 산화물이었으며, 양극 전구체 산화물로 부터의 산소확산과 대기 중의 산소와 반응이 동시에 이루어져서 생성된 것으로 생각된다. 산화층은 480시간 이후로 그 두께의 변화가 느려지는 것으로 보아 전구체로 부터의 산소 확산속도가 감소되는 것으로 생각된다. 480시간까지는 도가니로 부터 탈락되지 않고 결합되어 있었다. 그러나 720시간 후에는 산화층이 탈락되는 것이 확인되어 일정 시간까지만 NCM 합성용 Saggar로서 사용 가능할 것으로 생각된다.

• 전기화학회지
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• 제25권4호
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• pp.184-190
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• 2022

스피넬 구조의 LiMn₂O₄ (LMO) 및 층상구조의 LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ (NCM)는 리튬이온 이차전지의 양극 활물질로 널리 사용되어 왔다. 가격이 저렴하고 안전성이 우수한 LMO와 용량이 크고 고온 수명이 유리한 NCM 양극 물질은 상호 보완적인 특성을 가지고 있어, 두 활물질을 혼합하여 특히 hybrid electric vehicle (HEV)를 포함한 중대형 전지 등에서 양극으로 채택되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 LMO와 NCM으로 구성된 복합전극을 제조할 때, 이를 단순히 혼합하여 제조한 blend 전극과 두 전극을 겹층구조로 제조한 전극의 수명특성을 비교하였다. 두 활물질의 비율을 모두 1:1로 구성하여 제조한 겹층전극은 blend 전극과 유사한 용량 및 동등한 사이클 수명을 지니고 있었다. 그리고, 완전지의 고온 사이클에서는 LMO를 먼저 코팅하고 나서 NCM을 코팅한 LN 전극이 가장 우수하였으며, NCM을 먼저 코팅하고 LMO를 다음에 코팅한 NL 전극은 표면에 LMO가 주로 위치하면서 blend 전극보다 오히려 용량퇴화가 더 빠르게 진행되었다. 또한, LSTA (linear sweep thermmametry) 분석결과에서도 LMO가 주로 전극내부에 위치한 LN 겹층전극의 열적 안정성이 보다 우수하였다.

• Journal of Electrochemical Science and Technology
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• 제15권1호
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• pp.168-177
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• 2024

Ni-rich cathode is one of the promising candidates for high-energy lithium-ion battery applications. Due to its specific capacity, easy industrialization, and good circulation ability, Ni-rich cathode materials have been widely used for lithium-ion batteries. However, due to the limitation of the co-precipitation method, including sewage pollution, and the instability of the long production cycles, developing a new efficient and environmentally friendly synthetic approach is critical. In this study, the Ni_0.91Co_0.06Mn_0.03CO₃ precursor powder was successfully synthesized by an efficient spray-drying method using carbonate compounds as a raw material. This Ni_0.91Co_0.06Mn_0.03CO₃ precursor was calcined by mixing with LiOH·H₂O (5 wt% excess) at 480℃ for 5 hours and then sintered at two different temperatures (780℃/800℃) for 15 hours under an oxygen atmosphere to complete the cathode active material preparation, which is a key component of lithium-ion batteries. As a result, LiNi_0.91Co_0.06Mn_0.03O₂ cathode active material powders were obtained successfully via a simple sintering process on the Ni_0.91Co_0.06Mn_0.03CO₃ precursor powder. Furthermore, the obtained LiNi_0.91Co_0.06Mn_0.03O₂ cathode active material powders were characterized. Overall, the material sintered at 780℃ shows superior electrochemical performance by delivering a discharge capacity of 190.76 mAh/g at 1^st cycle (0.1 C) and excellent capacity retention of 66.80% even after 50 cycles.

• 한국분말재료학회지
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• 제21권2호
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• pp.131-136
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• 2014

Cathode materials and their precursors are prepared with transition metal solutions recycled from the the waste lithium-ion batteries containing NCM (nickel-cobalt-manganese) cathodes by a $H_2$ and C-reduction process. The recycled transition metal sulfate solutions are used in a co-precipitation process in a CSTR reactor to obtain the transition metal hydroxide. The NCM cathode materials (Ni:Mn:Co=5:3:2) are prepared from the transition metal hydroxide by calcining with lithium carbonate. X-ray diffraction and scanning electron microscopy analyses show that the cathode material has a layered structure and particle size of about 10 ${\mu}m$. The cathode materials also exhibited a capacity of about 160 mAh/g with a retention rate of 93~96% after 100 cycles.

• 한국재료학회지
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• 제32권4호
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• pp.210-215
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• 2022

Extensive research is being carried out on Ni-rich Li(Ni_xCo_yMn_1-x-y)O₂ (NCM) due to the growing demand for electric vehicles and reduced cost. In particular, Ni-rich Li(Ni_xCo_yMn_1-x-y-zAl_z)O₂ (NCMA) is attracting great attention as a promising candidate for the rapid development of Co-free but electrochemically more stable cathodes. Al, an inactive element in the structure, helps to improve structural stability and is also used as a doping element to improve cycle capability in Ni-rich NCM. In this study, NCMA was successfully synthesized with the desired composition by direct coprecipitation. Boron and tin were also used as dopants to improve the battery performance. Macro- and microstructures in the cathodes were examined by microscopy and X-ray diffraction. While Sn was not successfully doped into NCMA, boron could be doped into NCMA, leading to changes in its physicochemical properties. NCMA doped with boron revealed substantially improved electrochemical properties in terms of capacity retention and rate capability compared to the undoped NCMA.

• 전기화학회지
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• 제18권2호
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• pp.58-67
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• 2015

음극 표면에 solid electrolyte interphase (SEI)를 형성하는 전해질 첨가제인 lithium bis(oxalate) borate (LiBOB), fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate (VC), 2-(triphenylphosphoranylidene) succinic anhydride (TPSA)를 $Li(Ni_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3})O_2$ (NCM)/graphite 전지에 도입하여 고온 저장 특성을 비교하였다. 각 전지를 50%의 충전상태(stage of charge, SOC)에서, 고온 저장($60^{\circ}C$, 20일) 시킨 이후의 용량 유지율을 확인한 결과, LiBOB 1 wt.%가 가장 우수한 용량 유지 특성(초기 방전용량 대비 86.7%)을 나타내었다. LiBOB 1 wt.%의 경우 고온 저장 전후의 전지 저항 증가 및 SEI 두께 변화가 가장 적었고, 이는 음극 SEI에 포함된 다량의 semi-carbonate 물질과 연관성이 높다고 판단된다. 또한, LiBOB 1 wt.%가 포함된 NCM/graphite 전지의 상온($25^{\circ}C$) 및 고온수명($60^{\circ}C$) 특성도 기준 전해액(1.15 M lithium hexafluorophosphate (LiPF6) in ethylene carbonate/ethyl methyl carbonate (EC/EMC, 3/7 by volume))보다 각각 6%와 9% 향상된 결과를 보여주었다. 따라서, LiBOB이 상온 성능을 동등 이상으로 유지하면서도 고온 특성을 개선할 수 있는 우수한 전해액 첨가제로 판단된다.