리튬이온 전지의 양극은 다양한 종류의 전이금속재료로 구성되며, 전지의 성능은 양극을 구성하는 금속재료에 의해 많은 영향을 받는다. 이는, 양극 내부에서 리튬이온의 확산 및 상전이 양상이 재료마다 서로 다르게 나타나기 때문이다. 따라서, 충방전 시 양극 내부 리튬이온의 확산 및 상전이를 이해하는 것은 고용량, 고전압 리튬 이차전지를 설계하기 위해 필수적이다. 본 연구에서는 phase field model을 바탕으로 양극 내부의 리튬이온 확산 및 상전이 과정을 분석한다.
Nickel-cobalt-manganese (NCM) lithium-ion batteries(LIBs) are increasingly prominent in the energy storage system due to their high energy density and cost-effectiveness. However, they face significant challenges, such as rapid capacity fading and structural instability during high-voltage operation cycles. Addressing these issues, numerous researchers have studied the enhancement of electrochemical performance through the coating of NCM cathode materials with substances like metal oxides, lithium composites, and polymers. Coating these cathode materials serves several critical functions: it acts as a protection barrier against electrolyte decomposition, mitigates the dissolution of transition metals, enhances the structural integrity of the electrode, and can even improve the ionic conductivity of the cathode. Ultimately, these improvements lead to better cycle stability, increased efficiency, and enhanced overall battery life, which are crucial for the advancement of NCM-based lithium-ion batteries in high-demand applications. So, this paper will review various cathode coating materials and examine the roles each plays in improving battery performance.
이 리뷰를 통하여, 휴대폰용 리튬이차전지의 최근 기술동향을 설명하였다. 휴대폰용 이차전지로는 니카드, 니켈-금속수소, 리튬이온 혹은 리튬이온폴리머의 세 가지 형태의 전지가 있으며, 리튬 이차전지가 에너지밀도 측면에서 가장 성능이 우수하다. 즉, 동일한 용량을 갖는 이차전지 가운데 가장 작고 가벼운 것은 리튬이차전지이다. 이러한 리튬이차전지의 시장은 매년 약 15%의 높은 성장을 기록하고 있다. 연구개발은 $LiFePO_4$를 포함하는 새로운 양극, $Li_4Ti_5O_{10}$, Si, 주석 등의 새로운 음극소재, 새로운 전해질과 안정성 확보에 관한 것을 중심으로 진행되고 있다.
Hye-Jin Park;Seong-Ju Sim;Bong-Soo Jin;Hyun-Soo Kim
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 Ni0.91Co0.06Mn0.03CO3 precursor powder was successfully synthesized by an efficient spray-drying method using carbonate compounds as a raw material. This Ni0.91Co0.06Mn0.03CO3 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, LiNi0.91Co0.06Mn0.03O2 cathode active material powders were obtained successfully via a simple sintering process on the Ni0.91Co0.06Mn0.03CO3 precursor powder. Furthermore, the obtained LiNi0.91Co0.06Mn0.03O2 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 1st cycle (0.1 C) and excellent capacity retention of 66.80% even after 50 cycles.
As the demand for lithium-ion batteries for electric vehicles is increasing, it is important to recover valuable metals from waste lithium-ion batteries. In this study, the effects of gas flow rate and hydrogen partial pressure on hydrogen reduction of NCM-based lithium-ion battery cathode materials were investigated. As the gas flow rate and hydrogen partial pressure increased, the weight loss rate increased significantly from the beginning of the reaction due to the reduction of NiO and CoO by hydrogen. At 700 ℃ and hydrogen partial pressure above 0.5 atm, Ni and Li2O were produced by hydrogen reduction. From the reduction product and Li recovery rate, the hydrogen reduction of NCM-based cathode materials was significantly affected by hydrogen partial pressure. The Li compounds recovered from the solution after water leaching of the reduction products were LiOH, LiOH·H2O, and Li2CO3, with about 0.02 wt% Al as an impurity.
A novel process to recover lithium and manganese oxides from a cathode material (LiMn2O4) of spent lithium-ion battery was attempted using thermal reaction with hydrogen gas at elevated temperatures. A hydrogen gas as a reducing agent was used with LiMn2O4 powder and it was found that separation of Li2O and MnO was taken place at 1050℃. The powder after thermal process was washed away with distilled water and only lithium was dissolved in the water and manganese oxide powder left behind. It was noted that manganese oxide powder was found to be 98.20 wt.% and the lithium content in the solution was 1,928 ppm, respectively.
$LiFePO_4$ is a potential candidate for the cathode material of the lithium polymer batteries. $LiFePO_4$ cathode active materials were synthesized by coating on the $LiFePO_4$ was tried using $TiO_2$ and corbon in oreder to increase cyclic performance and electronic conductivity. Highly dispersed on the particles enhances the electronic conductivity and increases the capacity. For lithium polymer battery applications, $LiFePO_4$/SPE/Li and $LiFePO_4$-$TiO_2$/SPE/Li 'cells were characterized electrochemically by cyclic volatammetry and charge/discharge cycling. The $LiFePO_4$-carbon-$TiO_2$ cathode in PVDF-PC-EC-$LiCIO_4$ electrolyte showed high capacity at high current density.
리튬이차전지용 양극재는 전지 성능발전과 더불어 다양하게 발전되어 왔다. 처음으로 채용된 $LiCoO_2$는 초기의 부족한 성능을 도핑이나 표면개질이라는 기술을 채용하여 지속적인 발전을 거듭하면서 최근 4.3V에 가까운 충전전압에서도 적용 가능하게 되었다. 한편으로 응용기기가 복잡해지면서 요구되는 특성도 한층 강화되었다. 높은 작동전압 뿐만 아니라 고용량이 요구되면서 새로운 재료에 대한 연구개발이 시작되었고, 그 중에서도 ${LiNi}_{1-x}{M_xO_2}$, $Li[Ni_{x}Mn_{y}Co_{z}]O_{2}$, $Li[{Ni}_{1/2}{Mn}_{1/2}]O_{2}$등 다양한 재료들이 개발되기에 이르렀다. 최근에는 고유가에 따라 전기자동차용 개발이활발해지면서 고안전성의 새로운 재료가 필요하게 되었고, 이러한 요구에 수렴하여 ${LiMn_2}{O_4}$, $LiFePO_4$와 같은 안전성이 매우 우수한 재료가 개발되었다. 향 후 양극재 부분은 이외에도 다양한 상들이 고용량과 동시에 안전성이 뛰어난 고용체를 이루고 있는 복합체 양극재를 비롯하여 다양한 재료들이 개발될 것으로 여겨진다.
Kim, Jeong-Min;Jeong, Ji-Hwa;Jin, Bong-Soo;Kim, Hyun-Soo
Journal of Electrochemical Science and Technology
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제2권2호
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pp.97-102
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2011
Different amounts of excess lithium in the range of x = 0~0.3 were added to $Li_{1+x}[Mn_{0.720}Ni_{0.175}Co_{0.105}]O_2$ cathode materials synthesized using the co-precipitation method to investigate its microstructure and electrochemical properties. Pure layered structure without impurities was confirmed in the XRD pattern analysis and increasing peak intensity of $Li_2MnO_3$ was observed along with the addition of over 0.2 mol Li. The initial discharge capacity of the stoichiometric composition was determined to be 246 mAh/g, while the discharge capacity of the addition of 0.1 mol Li was obtained to be 241 mAh/g, which was not significantly different from that of the stoichiometric composition. However, the discharge capacities decreased dramatically after the addition of 0.2 and 0.3 mol Li to 162 mAh/g and 146 mAh/g, respectively. In the rate capability test, the active $Li_{1+x}[Mn_{0.720}Ni_{0.175}Co_{0.105}]O_2$ cathode material of the stoichiometric composition showed a dramatic decrease in its discharge capacity with increasing C-rate, as evidenced by the result that the discharge capacity at 5C was 13% compared with 0.1C. On the other hand, the discharge capacity of compositions containing excess lithium was improved at higher current rates. The cycling test showed that the composition containing an excess of 0.1 mol Li had the most outstanding capacity retention.
The purpose of this study is to research and develop graphene composite for lithium polymer battery. VO(graphene) composite is one of the promising material as a electrode active material for lithium polymer battery(LPB). We investigated AC impedance response and charge/discharge cycling of VO(graphene)/SPE/Li cells. The first discharge capacity of VO(graphene) cathode with 50wt.% V$_2$O$\sub$5/ was 150mAh/g, while that of VO(graphene) cathode with 85wt.% V$_2$O$\sub$5/ was 248mAh/g. The Ah efficiency was above 98% after the 2nd cycle. The discharge capacity of VO(graphene) anode with 3wt.% V$_2$O$\sub$5/ was 718 and 266mAh/g at cycle 1 and 10 at room temperature, respectively. The VO(graphene) anode with 3wt.% V$_2$O$\sub$5/ in PVDF-PAN-PC-EC-LiC1O$_4$ electrolyte showed good capacity with cycling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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