Electrochemical properties of LiCrxNiyMn2-x-yO4 spinel for 5V cathode material.

Abstract

전자·통신 산업이 급속히 발전함에 따른 전자 기기들의 경량화, 소형화에 따라, 그 휴대용 기기들의 이동용 전원으로 사용하기 위한 고용량, 고에너지 밀도의 리튬 이차 전지의 개발이 요구되어 지고 있다. 이러한 리튬 이차전지용 양극활물질 중 스피넬 구조를 가지는 LiMn2O4의 경우, 낮은 가격과 친환경적 특성 때문에 많은 연구가 진행되고 있으나, 리튬의 삽입-탈리에 의한 충·방전이 지속됨에 따라 급격한 용량감소를 보인다. 특히 전기 자동차와 같이 고 전력을 요구하는 전지에 스피넬 양극활물질을 사용할 경우, 4.7 V 이상 고전위 영역에서의 가역적인 리튬의 삽입-탈리에 대한 연구가 J.R. Dahn등에 의해 제안되었다. 또한 5.3 V 이상의 전위영역 으로 충전이 될 경우, 1mol의 리튬이 Li1+xMn2-xO4 구조에서 가역적으로 탈리가 이루어진다. 그러나 순수한 스피넬의 경우 이러한 반응은 Mn4+이온이 Mn5+ 이온으로의 산화와 관련되기 때문에 비가역적인 반응을 초래하게 된다. 따라서 많은 연구자들은 망간의 일부분을 다른 전이금속으로 부분 치환시키는 연구를 활발히 진행중에 있다. 본 연구에서는 졸-겔법을 이용하여 니켈과 크롬이 멀티 도핑된 스피넬 Li1.06MⅠxMⅡyMn2-x-yO4 (MⅠ=Ni, MⅡ=Cr) 양극활물질을 합성하였다. 부분 치환된 nickel과 chromium 양이온은 4.5V 이상의 전위영역에서 Ni2+ ↔ Ni4+, Cr3+ ↔ Cr4+의 산화·환원 반응에 의해 Mn4+ ↔ Mn5+에 의한 비가역 반응을 억제하는데 매우 효과적이다. 본 실험에서 합성한 스피넬 LiCr0.1Ni0.4Mn1.5O4 양극활물질의 경우 초기용량 150 mAh/g 이상의 높은 방전 용량과 우수한 수명 특성을 나타낸다.