Surface modification of Ni-rich layered oxide as a cathode material for lithium-ion batteries based on polydopamine surface treatment

Abstract

전기자동차의 수요가 급격히 증가함에 따라 높은 에너지밀도와 낮은 가격을 갖는 리튬이온전지가 요구되어 왔다. 이에 따라 리튬이온전지의 양극 소재로서 기존 전지에 적용되어온 LiCoO2 보다 높은 에너지 밀도를 갖는 Ni-rich 층상 계 양극 소재가 주목받고 있다. 연구자들은 Ni의 함량을 높여 높은 가역 용량을 얻는 데에는 성공하였으나, 산화물 내 Ni의 함량이 높을수록 구조적으로 불안정하며 이는 전지의 안정성 및 전기화학적 성능을 심각하게 저하시킨다. 그 이유는 충전 시 반응성이 큰 Ni4+ 이온의 발생으로 전해질과의 산화 반응이 일어나 부 반응 물질을 발생시키고, inactive한 NiO의 형성으로 리튬 이온 확산을 방해하여 전기화학적 성능이 저하되기 때문이다. 본 연구에서는 polydopamine을 코팅하여 양극 표면에 형성된 ？OH 작용기를 통하여 Ti4+ 이온을 표면에 잡아두는 방식으로 Ni-rich NCMs에 Ti 계 산화물 코팅 층을 형성하였다. 이는 표면에 집중적으로 산화물 코팅 층이 잘 형성되도록 돕게 되며 따라서 양극 활물질 입자 표면에 전반적으로 균일한 코팅 층을 얻을 수 있었다. 이를 통해 충전 과정에서 발생하는 전해질과의 부 반응을 억제하여 표면 안정성을 향상시키고, 수명 안정성 및 고출력 특성 또한 향상시켰다. 본 연구에서는 코팅 층의 존재 및 소재의 결정성을 확인하기 위해 SEM과 XRD 분석을 실시하였고, TEM분석을 통해 양극 소재의 표면에 Ti 계 산화물 코팅 층이 균일하게 형성되었음을 확인하였다.