용융염 합성법을 이용한 단입자 양극 활물질 제조법

Abstract

◎ 리튬 이온 배터리(Li-ion Batteries, LIB)는 가벼운 무게와 높은 작동 전압으로 인해 높은 에너지 밀도를 가지고 있어, 휴대용 전자기기부터 중대형규모의 전기자동차(EV) 및 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS) 등의 다양한 분야에서 활용되고 있다.

◎ 리튬 이온 배터리의 대표적인 양극 소재이자 가장 먼저 상용화된 LiCoO2는 이론용량의 50%만을 가역적으로 사용할 수 있으며 코발트 원료의 단가가 높기 때문에 전기자동차 같은 중·대형 배터리에 쓰기에는 적합하지 않다. 따라서 배터리의 단가를 낮추고 용량을 높이기 위해 코발트의 일정 분율을 같은 주기의 전이금속‘니켈’로 치환한 Li[NixCoy]O2 (x+y=1)의 양극소재가 개발되었다.

◎ 이런 이성분계 이상의 전이금속을 포함한 양극소재는 균일한 조성 및 입자 크기를 갖는 공침 전구체를 리튬 탄산염 혹은 리튬 수산화물과 혼합하여 열처리하는 과정을 통해 주로 합성된다. 그러나 공침법의 경우 공정 단계가 많고 제어해야 할 조건이 많아 공정 난이도가 높으며, 폐수처리로 인한 비용 및 환경 문제가 있고, CSTR (continuous stirred-tank reactor) 같은 고액의 장비가 필요하다. 또한 공침법으로 얻은 전구체는 일차입자들이 뭉쳐진 형태이기 때문에 최종적인 양극소재의 경우 전극 제조 공정 중 하나인 압연 과정에서 입자가 부서지기 쉬우며, 배터리 사용 시 각종 부반응을 일으켜 배터리 효율이 감소한다.

◎ 단입자 양극소재는 높은 기계적 강도로 압연 과정에서 부서지지 않으며, 다결정 양극소재에 비해 가스 발생과 부반응이 억제될 수 있다. 따라서 잘 분산된 단입자 양극소재의 경우 에너지밀도 증가, 수명 향상 효과가 있다.

◎ 그러나 적절한 크기에 잘 분산된 단입자 양극소재를 얻는 것은 복잡한 공정과 많은 비용이 요구된다. 대표적으로 공침 전구체를 리튬염과 섞어‘고온 소성’하는 방법은 앞서 얘기한 공정 난이도 및 비용 문제가 있다. 또한 입자의 소결로 인해 잔여 응집체나 잔류 리튬으로 인해 기계적 분쇄, 세척 등의 공정 역시 추가된다.

◎ 용융염 합성법(molten salt synthesis)의 경우 반응물과 염을 섞은 후 염의 녹는점 이상으로 가열하여 용융염 매체에서 반응이 이뤄지도록 하여 세라믹재료를 합성하는 방법이다. 그러나 공침 전구체를 사용한 연구가 대부분이며, 다량의 염을 제거하기 위한 수세 과정을 제어하지 못하면 리튬이 씻겨 내려가 수명특성이 현저히 감소하여 단결정 양극소재의 특성을 살리지 못한다는 문제점이 있다.