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The Research and Development Trend of Cathode Materials in Lithium Ion Battery

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리튬이차전지용 양극재 개발 동향

박홍규*

LG화학기술연구원 배터리 연구소 (2008년 8월 12일 접수 : 2008년 8월 19일 채택)

The Research and Development Trend of Cathode Materials in Lithium Ion Battery

Hong-Kyu Park*

Battery Research & Development , LG Chem, Ltd. / Research Park

(Received August 12, 2008 : Accepted August 19, 2008)

리튬이차전지용양극재는전지성능발전과더불어다양하게발전되어왔다. 처음으로채용된

LiCoO2초기의부족한성능을도핑이나표면개질이라는기술을채용하여지속적인발전을

듭하면서최근 4.3 V가까운충전전압에서도적용가능하게되었다. 한편으로응용기기가복잡

해지면서요구되는특성도한층강화되었다. 높은작동전압뿐만아니라고용량이요구되면서

로운재료에대한연구개발이시작되었고, 중에서도 LiNi1−xMxO2, Li[NixMnyCoz]O2, Li[Ni1/

2Mn1/2]O2다양한재료들이개발되기에이르렀다. 최근에는고유가에따라전기자동차용개발이 활발해지면서고안전성의새로운재료가필요하게되었고, 이러한요구에수렴하여 LiMn2O4,

LiFePO4같은 안전성이매우우수한재료가개발되었다. 양극재부분은이외에도다양

상들이고용량과동시에 안전성이뛰어난고용체를이루고있는복합체양극재를비롯하여 다양한 재료들이 개발될 것으로 여겨진다.

Abstract : The cathode materials for lithium ion battery have been developed in accordance with the battery performance. LiCoO2 initially adapted at lithium ion battery is going to be useful even at the charging voltage of 4.3 V by surface treatment or doping which drastically improved the performance of LiCoO2. On the other hand, the complicate and multiple functions of recent electronic equipments required higher operational voltage and higher capacity than ever, which is going to be driving force for developing new cathode materials. Some of them are LiNi1−xMxO2, Li[NixMnyCoz]O2, Li[Ni1/2Mn1/2]O2. Other new type of cathode materials having high safety is also developed to apply for HEV (hybrid electrical vehicle) and power tool applications. LiMn2O4 and LiFePO4 are famous for highly stable material, which are expected to give contribution to make safer battery. In near future, the various materials having both capacity and safety will be developed by new technology, such as solid solution composite.

Keywords :Cathode, Materials, Performance, Lithium, Battery.

1. 서

리튬이차전지는 충전시 리튬을 제공하는 양극물질

리튬을받아들이는 음극물질, 리튬이온전달 매개

체인 전해질, 양극과음극을분리시켜주는분리막

기타 부품으로 이루어진 에너지 저장기기이다. 높은 에너지 밀도와구동전압으로 최근 휴대폰 등을 비롯 정보전자 기기에 있어서소리뿐만 아니라 화면전

*E-mail: [email protected]

(2)

달을 해주는 주요에너지 원이며 자동차를 롯한 산업전반에걸쳐서 다양하게응용될것으로 상된다.1-5)최근정보통신기기의급속한발달과더불어 리튬이차전지 시장도빠른속도로증가하고 있다. 튬이차전지는 1991 소니(Sony) 처음으로 상용화 이래 전지의구조를 비롯하여부품 소재개발을 바탕으로 지속적인 발전을 거듭하여 성능이매년

10% 이상의 빠른속도로향상되어왔고, 현대인의

활에서는 없어는안될 중요한부품이되었다.

리튬이차전지는 제조공정이 길고 복잡하기 때문에 다양한 학문과 기술의종합적 산물이라고 해도 지나 치지 않다. 특히 원료에서부터전지 제조의전체공정 살펴보면기계적인조립과정으로얻어진제품에 도체적인특성을부여하는격이기때문에전지제조공 정이 더욱 어렵다고 있다. 최근 발달된 동화 공정을이용하여 전지의 특성이크게 향상되었 으며, 리튬이차전지의구동전압, 성능다양한 특성

들은 구성요소 양극재에 의해 가장 많은 영향을 받는다. 따라서리튬이차전지분야에서새로운양극재 개발하려는 다양한시도들이진행되어 왔으며,1-20)

고에서는이들양극재와관련기술에대해서 략히 소개하고자한다.

2. 리튬이차전지용 양극재 2-1. 양극재의 발전 동향

리튬이차전지의구성요소중에서 양극재는전지 에서 전지의용량성능을 좌우하는데중요한 역할

한다. 소니(Sony) 초기에 사용한 양극재는

LiCoO2리튬금속복합산화물로써, 리튬이차전지의

발초기부터 주요양극재로 사용되어왔다.6-9) LiCoO2

높은전위와 리튬이온확산계수용량을 가지고 있어리튬이차전지의지속적인발전가능성을열어 았으며현재까지도좋은 성능을보여주고있다.

한편응용기기의성능도급속도로발전하여기기의 경량화, 복합화고성능화가 추구되고 있고 에너지

원인 리튬이차전지도 요구되는 에너지가 증가하면서 고용량화 고성능화를 위한 재료개발에 많은 관심 집중되고 있다.10) 중에서도 LiNiO2 70%

상의 리튬이가역적으로 충·방전할 있어 대표적 고용량 재료로서 알려져많은 연구가 진행되었으 충전시 불안정한 결정구조로 인해 전지의 안전성

취약하다. LiMn2O4스피넬은용량은조금 낮지만

구조적으로안정하여전지의안전성을향상시킬뿐만

아니라 LiCoO2 높은 가격 문제를 해결할 있어

대체재료로 각광받아 왔다.11,12) 스피넬은 산소

a-NaFeO2 층상 구조와비슷한입방조밀충진구조

가지지만충전상태에서도안정한구조를유지하고 있어서 전지의 안전성이 향상되는 특성으로 보였다.

그러나 재료는 용량의한계를극복하지못할뿐만 아니라 Mn 전해액으로 용출되어 나오면서 고온성

능이열악하다는 연구가발표되면서 상용화의개발이 지연되거나 중단되었다.11,12) 최근에는 HEV등과 같은 대형전지에서전지의안전성이중요시 되는응용 분야에서 다시 주목을 끌고 있으며 또한 고온성능을

개선하기위한다양한연구도진행되고있다.13-15)

이러한 노력에도 불구하고 LiCoO2 대체할 만한

양극재가개발되지못하였지만일본의 Ozuku교수팀은 최근에는 LiCoO2, LiNiO2 LiMn2O4 장점을혼합 3성분계 Li[NiMnCo]O2양극재에대해서광범위한

Fig. 1. 양극음극활물질의전극전위와용량과의관계5.

(3)

연구를통하여새로운특징들을발표하였다.13-15) 료는 Co부분대체함으로써가격을낮출있으며, Mn사용함으로써안전성을향상시키고, Ni사용함 으로써용량을증가시킴으로써기존에노출되었던문제 일부해결하고있다. 이외에도지구상에가장풍부하 환경친화적인원소인 Fe()포함하고있는비산

화물양극재인올리빈 LiFePO4대한연구도활발하

진행되고있다.16-20)특히재료는평균구동전압은

기존에비해 0.2 V정도낮지만안전성이매우우수

하여특히자동차용이나전동공구용에너지가

지에서의응용이기대되고있다. Fig. 1은 지금까지

구된 3~4 V 영역의 주요 양극활물질의 전극 전위를

용량과함께 나타내었다. 다음에서 이들주요 양극재

대해서보다 구체적으로살펴보고자한다.

2-2. 양극의 구성

서론에서언급한양극재가실제전지에사용되기 해서는전극으로구성되어야한다. 이를양극전극이라

하며전극의구성요소로는활물질인양극재, 전기가 모이는집전체, 전자전도 통로인도전재전극내에 구성요소들에대해결합력을제공하는바인더로 성된다. 전극을만드는공정은양극재도전재바인

더를 일정한 비로 혼합한 유기용매인NMP(N- methyl pyrollidone) 사용하여 슬러리를 제조한 집전체에 코팅 건조하여얻어진다. 우수한전극을

만들기 위해서는슬러리공정과코팅공정에대한충분 이해가 바탕이되어야하며, 레올로지(rheology)

유체역학에대한지식도필요하다. 특히전극용슬러 리에서는여러가지고형분들이섞여있고또한고형분이

50% 이상으로 높기때문에유체특성에대한이론적인 접근이쉽지않다. 따라서 다양한경험을바탕으로

know-how많을밖에없으며전극의특성은양극

재의종류, 전극 formula, 기기의종류등에따라달라

뿐만아니라심지어전지를만드는기업의능력 문화에따라서도 방법이조금씩차이가 있다.

전극에서의최대목적은주어진공간내에 최대한의 용량을 구현하는 것이기때문에 성능을저해하지 범위내에서 양극재의적재량을최대로 하여전극 밀도를 높이는 것이다. 이러한 전극밀도는 양극재의

특성에 의해서도많이 좌우된다. 특히입자크기, 크기

분포, 입자의밀도( 밀도, 진밀도)등은 중요한요소 이기때문에연구단계에서부터이러한요소들에주의

기울여야한다. Fig. 2 리튬이차전지의전극

전지제조공정에대한 모식도이다.

양극전극은슬러리를알루미늄호일과 같은집전체

코팅한압연하여원하는크기로재단(slitting)

으로써얻어진다. 좋은 성능을얻기위해서는 전극의

코팅상태가균일하여야 하며불균일한전극은전지를 구성할 경우 음극과의 부분적전하균형이 맞지 않아 전지의성능을나쁘게있다.

2-3. 층상구조 금속산화물 양극재

층상구조를갖는 LiMO2 (M: 전이금속) 형태의리튬

Fig. 2. 리튬이차전지제조공정모식도.

(4)

금속산화물은산소원자의배열방법에따라구조가달라

지며산소층을가장치밀하게쌓는방법에따라 Fig. 3

처럼 ABABAB 육방최밀충진 배열과 ABCABC

입방최밀충진 배열이있다. 구조들은최고로밀집 충진 구조를형성하며산소들사이에 사면체 틈새 자리와팔면체틈새자리를형성한다.

구조에서결정의기본단위인단위세포(unit cell) 존재하는산소가 n개이면 2n개의사면체틈새자리와

n개의 팔면체 틈새자리가 존재하므로 층상형 LiMO2

에는 4개의사면체자리와 2개의팔면체자리가있다.

일반적으로 3d 전이금속(Co, Ni, Mn) 산소이온에

대한 이온 반경비는 0.5397~0.7024이며 리튬이온은

0.7143이기때문에 기하학적으로LiMO2에서 2개의 면체자리들은 전이금속과리튬이온으로채워진다.

경우팔면체자리와사면체자리는서로가깝기때문에 사면체자리에추가로리튬이온을 삽입시키기어렵게

된다. ABCABC입방최밀충진구조의팔면체

리를 리튬이온과 전이금속이 50% 차지하게 된다.

구조는 단위세포 내에서 MO2층이 반복될 때마다리튬이팔면체자리를차지하면서반복되기 문에 O3-구조라고한다.21)

산소로배열된최밀충진구조의에너지는같지만 전이금속이팔면체자리의 50%차지하게되면, 전이 금속과산소에의해형성된 팔면체 MO6간의정전 기적 상호작용에 의해 최밀충전 구조에있어서 에너 지의차이가발생하게되어실제로구조에서 MO6

팔면체들은 2차원적인 모서리공유로 연결된 MO2 형성한다. 2차원모서리공유는층상구조를형성할

뿐만아니라직접적인 M-M 상호작용으로전자전도도

향상시키고충·방전에따른부피변화를감소시키는

효과도있다. 따라서일반식 LiMO2화합물들은리튬,

전이금속, 산소가 암염(rock salt) 구조의 [111] 면을

따라 규칙적인 O-Li-O-M-O-Li-O-M-O 배열을 갖는

층상구조를 형성한다. Fig. 4전형적인층상구조인

R-3m 구조를 보여주며 금속산화물로 Slab 층과 이들사이를리튬층이차지하는교대구조를이루고 있다.

MO2 (M = Co)내부는강한이온결합을형성하며,

MO2MO2사이에는쿨롱반발력이작용하기때문

리튬이온은삽입·탈리가가능하며 2차원평면을 라서확산하므로 이온전도도가크게된다.

2-3-1. LiCoO2 양극재

R-3m 능면정계(rhombohedral) 구조를가진 LiCoO2

제조가쉬워대량생산이용이하고, 신뢰성이높기 때문에비싼원료임에도불구하고현재상용화된리튬 이차전지의 주요 양극재로 사용되고 있다. 800oC 상에서 합성할 경우 층상구조의 LiCoO2 형성되며

Fig. 3. 가장치밀한산소쌓기방법.

Fig. 4. 층상형 LiMO2(M = Co) 양극재의구조.

(5)

상업적으로 응용되는것은1,000oC이상의고온에서

시간 소성하여 입자의크기를 10 um이상으로 성장시

것이다. 한편 400oC 정도에서합성할경우스피넬

[Li2]16c[Co2]16dO4 구조가형성되지만 결정 내부의 낮은결정성으로 인해전기화학적특성이 열악 하기 때문에적용되지 못하고 고온에서 합성한층상 구조의 LiCoO2 양극재로 사용한다.4,6) Fig. 5

용화되고 있는 LiCoO2양극재의입자형상이다.

LiCoO2양극재는밀도가 5.1 g/cm3으로리튬이차전 양극재중에서가장높은값을보이므로높은부피 에너지밀도를가진전극을얻는데유리한점을

니고 있다. 하지만높은 밀도로인해강도가높고 합성과정에서얻어진 LiCoO2덩어리를분쇄하는과정 에서 기기의 마모에 의한 이물질혼입가능성이 크기 때문에불순물관리에세심한주의를기울여야한다. Fig. 6 LiCoO2포함한양극재들의충방전곡선

LiCoO2충전 전압에따른 수명특성이다.

평균전압이 Li+/Li대비 3.9 V 정도를보이며 량은 4.25 V충전시 150 mAh/g정도를보이고 . 재료는우수한수명특성고온성능을가지고

때문에가장많이사용되고있는양극재이지만최근 원재료 가격의급등한 상승으로인해 매력을조금 상실하고있는실정이다.

LiCoO2충전과정에서리튬이빠져나가면 MO2

산소원자들간의반발력에의해 c방향으로결정

구조가팽창하며, 충전과정에서리튬의 조성에따라서 구조적으로안정한결정구조를갖는 상으로의전이가 일어난다. 양극재로사용할있는 영역은

전이가 없는단일상 영역이며 Fig. 7충·방전에

여러 가지 리튬코발트 복합산화물의상전이를 식적으로나타내었다.

충전이진행되면서리튬의양이 0.5 이하가되면 O3 Fig. 5.상용 LiCoO2입자모양 (A: 낮은비표면적, B: 높은

비표면적).

Fig. 6. 양극재의충방전곡선과 LiCoO2전압에따른수명특성.

Fig. 7. LiCoO2사용가능용량과충방전에따른상변화.

(6)

에서 P3구조변화가일어나면서다른상이존재 하기되고구조내에응력(stress)축적되기시작한다. O3 P3층상구조가 섞인상태에서일부는단사정 구조로상전이되기때문에비가역용량이나타나게 되며 결과적으로LiCoO2 50% 리튬 이온만이 가역적으로 삽입·탈리된다고보면된다. 추가적인

전에의해리튬이온이완전히탈리된CoO2에서는육방 조밀구조의 O1 층상구조로전이하면서비가역적상전 이가일어난다. 따라서 LiCoO2이론용량은 274mAh/g

이지만, 실제용량은축적된응력을견딜있는정도

4.25 V까지 충전하여 150 mAh/g 정도이다.

최근에는용량을 증가시키기위한방법으로충전전 압을 증가시키는 방법이사용되고있다. 따라서양극

입장에서 보면구조적으로응력이축적되며

만큼성능의퇴화가가속화된다. 4.5 V정도로충전

되면 Co산화수가증가하여 O-Co-O 결합길이가

소하고 xy 평면의격자상수 a 0.3% 정도감소하지

, CoO2 CoO2사이의 정전기적반발력에 의해 격자상수 c 2% 이상증가하기때문에전체적으로는 부피가팽창한다.

리튬이 구조로부터 빠져나갈수록 부피가 증가하지

탈리된리튬의조성이 0.72이상에서는 Co산화

보다 격자산소의탈리에 의하여전하가 보상되기 때문에 가역용량이 감소하게 된다. 특히 4.4 V이상의 높은 충전전압과 50oC 이상의 고온에서 충방전시킬

경우 Co용출을수반하면서산소의탈리가더욱 화되어구조붕괴가가속화되어성능이급속도로나빠 진다.22) 최근이러한단점을극복하기위해 LiCoO2 표면에 다른 원소를 도핑하거나부분적으로피복하는 기술이개발되어많이사용되고있다. Fig. 8 LiCoO2

다양한산화물을코팅했을경우의 2.75~4.4 V 영역

에서의충·방전특성이다.

순수한 LiCoO2비해표면개질을 경우가월등

향상된충·방전특성을나타낸다. 일반적으로

속산화물이코팅된양극재입자에서코팅물질은양극 재의 표면 전체를 완전히 감싸고 있는 것이 아니라 국부적으로 일정한 부분만 피복하고 있기 때문에 순한 피복효과로 보기 어렵고코팅물질이 주변의 결정구조의 안정성을변화시켜 Co 용출을막아

때문으로 보여진다. LiCoO2용량을증가

시키기 위한 표면개질 기술은지속적으로 발전할

으로여겨진다.23,24)

2-3-2. LiNiO2 양극재

LiNiO2 구조적으로 LiCoO2 매우 유사하나 한가 차이점은 Ni 3가의원자가보다는 2가를선호하

경향이 있어서합성과정에서 정확한상을 구현하 기가쉽지않다는것이다. LiCoO2경우에는 Co3+ 안정하여 합성과정에서 Li/Co 비에 따라 약간씩은 차이가 있지만일반적으로 공기 중에서합성시 화학 양론조성의 LiCoO2안정적으로형성되지만 LiNiO2

경우에는 Li1−xNi1+xO2형성되어항상일부의 Ni

2가로변하면서층상구조에서리튬층을 차지하게 되어전기화학적특성이저하된다. 특히리튬층에

재하는 Ni2+리튬의이동을방해할뿐만 아니라 가역을크게증가시켜가역용량을 감소시킨다.

또한 LiNiO2 충전과정에서 다양한 종류의상변

화를겪게되기때문에구조적인안정성이크게저하되 수명특성도좋지않다. 이러한문제점은 Ni일부를

Co치환함으로써부분적으로 해결될있었다. 량의 Co도핑만으로도상당수의 Ni3+구조내에서

정화시킬 있다.25,26) 그러나 여전히 리튬 층에서

Ni2+형성하기 때문에양산규모의 합성이용이하지 않으며과량의리튬을첨가하거나산소분위기에서 랫동안 열처리하여야 화학양론 조성의 상을 생성시 키게된다. Fig. 9 LiNiO2 LiNiO2 Co도핑한 LiNi0.85Co0.15O2 충방전곡선을나타낸것이다.

Co도핑된경우충전과정에서의상변화도줄어들 또한충방전 과정에서의분극에의한 저항도줄어 듦을있다. 일반적으로 Ni함량이증가할수록

Ni2+형성이쉬워져서 입방정의스피넬구조로바뀌

기가쉽기때문에온도에따른층상구조의안정성이 하된다. 따라서소성온도가낮아지게되고이온의확산 속도가감소하여층상구조의상을형성하는데많은 간이걸릴뿐만아니라합성후에도미반응물이잔류할 가능성이 높다. 일반적으로 Ni계를 양극재로 사용할 경우고온에서가스발생에의한전지의 swelling 일어나게되는데이러한 반응물도가스발생에 크게기여한다. 또한충전된 Li1−xNiO2경우온도에 따른안정성이열악하여낮은온도에서도쉽게발열 반응을일으키며상변화에의한전지의안전성문제를

Fig. 8. 여러가지산화물로표면개질된 LiCoO2.

(7)

초래한다. 그러나 이러한 단점에도 불구하고 Ni계는 높은 에너지밀도를 가지고있기 때문에고용량화에 유리한 장점을 지니고있어 지속적으로 연구되고 . 최근 표면개질기술이개발되면서 이러한단점을 극복하고 높은 용량의 Li[Ni1−xMx]O2 (M = Co) 발되고있다.26)

LiCoO2적용된것과유사하게산화물등으로표면

개질하면전기화학적특성을향상시킬있다. Fig. 10

ZrO2산화물을코팅한 LiNiO2전기화학적특성을 나타낸다. 코팅한경우 초기충·방전곡선이안정적 이고사이클특성이크게향상된것을있다.

이러한 표면개질은 표면구조를 안정화시키기 때문 열적인구조안정성도기대된다. 표면개질을

하여 표면구조를 안정화시킴으로써 표면에서부터 생하는 구조붕괴와 상전이 반응에대한 활성화 에너 지를증가시켜반응자체를지연시키는효과가있는 으로보여진다.

Fig. 11 CeO2 코팅된 LiNi0.8Co0.2O2 DSC (differential scanning calorimetry) 열분석결과를나타 것이다. 코팅한재료에서발열반응에의한피크의 이가크게감소하며또한발열시작온도도증가하는 있다.27)

2-3-3. Li[NiMnCo]O2 3성분계양극재

Ni, Mn Co바탕으로 3성분계는단일성분

LiNiO2, LiMnO2 LiCoO2 각각의장점을지닌

Fig. 9. LiNiO2 LiNi0.85Co0.15O2 충방전곡선.

Fig. 10. ZrO2표면개질한 LiNiO2전기화학특성.

Fig. 11. CeO2코팅된 LiNi0.8Co0.2O2 4.5 V 충전후의 DSC.

(8)

재료로서 안전성과 수명 가격측면에서 많은 이점

있기때문에활발하게연구되고있는재료이다.13-15)

3성분계양극재료는구성성분들의함량에따라다른

특성과구조를지니고있다. Fig. 12조성에따른

특성의변화를도식적으로보여준다. 특히이중에 서도성분이동일하게첨가된 Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2

3성분계는 최근 성공적으로 상업화되어 사용되고 있는 재료이다. 재료는 a축이 2.8626A, c축이

14.2411A구조적으로는 LiCoO2동일한 층상구조 이루고있지만superlattice라는거대구조로이루어져

있어서구조적으로안정하여높은전압에서구동하여 성능이좋다.

재료는용량이 152mAh/g(4.25 V vs Li+/Li)

도이고밀도가 4.75 g/cc LiCoO2비해 다소작기 때문에전극밀도에서약간 어중간한상태이지만최근 고출력을요구하는응용분야가증가함에따라 새로운

분야로의 응용이기대되고있다. Fig. 13전압에

충방전곡선과수명특성을보여준다.

4.5 V높은전압에서구동하더라도안정한수명특

성을보이며 4.6 V에서의수명저하는 분해 3

분계의 구조를분석해보면 변화가없는 것으로 보아 전해액의분해에기인되는것으로생각된다. Fig. 12. 3성분계의조성과조성에따른특징.

Fig. 13. Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2전압에따른충방전수명특성.

Fig. 14. Li1−x[Ni1/2Mn1/2]O2구조변화충전에따른X-선회절분석.

수치

Fig. 1. 양극 및 음극활물질의 전극전위와 용량과의 관계 5 .
Fig. 4. 층상형  LiMO 2 (M = Co)  양극재의 구조 .
Fig. 7. LiCoO 2 의 사용가능 용량과 충방전에 따른 상변화 .
Fig. 10. ZrO 2 로 표면개질한  LiNiO 2 의 전기화학 특성 .
+2

참조

관련 문서