리튬이차전지의 양극소재로써 고체전해질 LATP 및 탄소를 하이브리드 코팅한 LiFe0.4Mn0.6PO4 의 구조 및 전기화학적 특성 연구

Abstract

리튬이온 배터리의 양극 소재는 배터리 에너지를 결정하는 핵심 소재다. 전기자동차용(EV)용 리튬인산철 (LiFePO4, LFP)의 성공적인 상용화에 힘입어, 리튬인산철의 상대적으로 높은 전도 특성과 리튬인산망간 (LiMnPO4, LMP)의 높은 에너지 밀도 특성을 결합한 리튬인산철망간 (LiFexMn1-xPO4, LMF)이 전세계적으로 많은 주목을 받고 있다. 그러나 LFMP 는 본질적으로 낮은 전자전도도와 리튬이온확산계수를 가지고 있다. 따라서, LFMP 표면에 리튬이온 및 전자전도층을 하이브리드 코팅함으로써 전자와 리튬이온의 전달경로를 동시에 제공하며 단점을 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 탄소 (C)와 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) 고체 전해질을 하이브리드 코팅한 LFMP (LFMP@C_LATP)를 고상법으로 합성했다. LFMP@C_LATP 의 구조 및 형태를 분석하기 위해 X-선 회절 장치(XRD), 에너지 분산형 X-선 분광기(EDS)가 장착된 주사 전자 현미경(SEM)을 이용한다. MAS 기법을 이용한 solid state NMR 을 통해 LFMP 표면의 리튬이온전도층인 LATP 를 확인했으며, 열중량분석(TGA) 및 라만 분광기(Raman)를 측정함으로써 탄소층을 조사했다. 전기화학적 성능은 galvanostatic automatic battery cycler 를 이용한 충·방전 테스트 및 전기화학 임피던스 분광법 (EIS), 정전류식 간헐적적정 테크닉 (GITT) 측정 통해 평가되었다. 그 결과, LFMP@C_LATP 는 pristine LFMP 와 LFMP@C 에 비해 우수한 용량 및 사이클링 성능을 나타냈다. 하이브리드 코팅층은 리튬이온 확산도를 개선하고 전압 고원을 연장 및 안정화하며 LFMP 에 추가적인 용량을 기여하는 것을 확인할 수 있었다.