대용량 리튬 이온 전지용 $\beta-LiVOPO_{4}/C$ 양극재의 전기화학적 특성

Abstract

$LiVOPO_4$ 는 $PO_4$ 구조를 갖기 때문에 구조적 안정성이 높고, redox 전위가 3.9 V로 $LiFePO_4$ (3.45 V)의 전위보다 높고 따라서 에너지 밀도가 높아 대용량 리튬 이온 전지의 새로운 양극 활물질 중 하나의 후보가 될 수 있다. 하지만 phosphate 구조의 문제점인 낮은 전기전도도와 낮은 이온전도도 등의 속도론적 문제를 해결하는 것이 대용량 리튬전지 양극 재료로 사용에 필수적이다. 본 연구에서는 이러한 $LiVOPO_4$ 의 낮은 전기전도도를 해결하기 위해 값이 싸고 전기전도도가 높은 탄소를 $LiVOPO_4$ 합성 전 단계에 첨가하였다. 또한 낮은 이온전도도를 보완하기 위하여 ball-milling을 통해 전구체 크기를 수 마이크로미터까지 분쇄하였다. 그리고 마이크로파 가열을 통해 β 상의 $LiVOPO_4$ 를 합성하였다. 탄소를 함유한 $LiVOPO_4/C$ 가 순수한 $LiVOPO_4$ 과 비교하여 어떤 특징을 보이는지 물리적 분석뿐만 아니라 전기화학적 분석을 통해 확인하였다.

XRD 분석을 통해서 짧은 시간의 마이크로파 가열 시에는 결정성이 높은 상을 만들 수 없었고, 긴 시간의 마이크로파 가열 시에는 $Li_3V_2(PO_4)_3$ 상이 생성되는 것을 확인하였다. 따라서 결정질의 LiVOPO4 상을 합성하는 최적의 마이크로파 가열 시간은 30 분이었다. DSC/TG 분석을 통해서 LiVOPO4가 생성되는 온도는 470.6 ℃ 임을 확인하였다.

전구체의 입자가 조대하기 때문에 이를 분쇄하고, 각 전구체와 탄소를 고르게 섞기 위해ball-milling을 수행하였다. 전구체 혼합물이 수 μm까지 크기가 감소한 것을 SEM을 통해 확인하였고, 또한 합성 후 SEM 분석을 통해서 $LiVOPO_4$ 와 $LiVOPO_4/C$ 의 입자는 탄소의 함량과 관계 없이 1 ~ 2 μm으로 비교적 작은 크기를 보이는 것을 확인하였다. 탄소는 $LiVOPO_4$ 입자 표면에 코팅되었다.

합성된 $LiVOPO_4$ 와 $LiVOPO_4/C$ 복합체를 양극으로 하는 전지를 조립한 뒤, 충.방전 실험을 한 결과 탄소를 함유하지 않은 $LiVOPO_4$ 의 초기 방전 용량이 0.1 C에서 48.80 mAh/g으로 이론 용량의 1/5 수준만을 보였지만, $LiVOPO_4/C$ 의 초기 방전 용량이 111.40 mAh/g으로 이론용량의 70 % 가량으로 상승하였다. 그리고 30 사이클 후 용량 보존량이 $LiVOPO_4$ 에서는 83.70 %으로 낮았으나, $LiVOPO_4/C$ 의 경우 97.75 %으로 높은 용량 보존을 보였다. 또한 5 C에서의 각각의 용량이 0.1 C의 용량에 비해$LiVOPO_4$ 는 31.7 %의 용량만을 보여 낮은 동역학적 특성을 보였으나 $LiVOPO_4/C$ 는 83.6 %의 용량을 보여 탄소 첨가로 인해 동역학적 특성 또한 향상되었다.

충.방전 실험과 수명 특성 평가 및 고율 특성에서 모두 탄소를 함유한 $LiVOPO_4/C$ 가 탄소를 함유하지 않은 $LiVOPO_4$ 보다 나은 결과를 보였다. 그 이유는 TEM 분석에서 확인한 결과 탄소의 첨가한 $LiVOPO_4$ 에서 탄소 입자가 여러 개의 $LiVOPO_4$ 입자들을 전기적으로 연결하고 있을 뿐 아니라 5 ~10 nm의 두께로 LiVOPO4 입자를 코팅하며 연결하고 있었다. 이로 인해 전기전도도가 $9.14 X 10^{-13} S \cdot cm^{-1}$ 에서 $5.27 X 10^{-10} S \cdot cm^{-1}$ 으로 1000 배 가량 상승하였고 따라서 충.방전 시 전자가 낮은 저항으로 빠르게 이동하여 나은 전기화학적 특성을 보였다.

탄소를 함유하지 않은 $LiVOPO_4$ 의 경우 EIS 분석 결과 교환전류밀도가 $0.057 mA/cm^2$ 으로 낮으나, $LiVOPO_4/C$ 는 교환전류밀도가 $0.105 mA/cm^2$ 으로 계면반응이 두 배 가량 빠르게 일어났다. 뿐만 아니라 이로 인해 리튬 이온의 확산 계수가 $4.09 X 10^