| 활물질 입자 내부(Bulk): 결정 및 전자구조 제어 |
| 이종(heterogeneous)
원소 도핑 기술은 양극 활물질 입자 내부의 결정 및 전자구조를 정밀 제어하여 리튬 이온전도도와 전기전도도를
높이고, 충∙방전
시 점진적인 전이금속 이온 이동을 억제함으로써 구조적 안정성을 향상시킬 수 있습니다. Fe-doped LCP/C, V-doped LMR,
Li/Cl-doped LMO,
Na/Mg-doped LMFP 관련 연구가 대표적입니다. 특히, 단상(single phase)을 유지하는 모상(primary phase) 내
알칼리금속 및 전이금속 자리를 미량의 이종 원소가 국부적으로 치환할 때 발생하는 미세한 내부 구조 변화와 전기화학적 성능 간의 상관관계를 규명하는
데 본 연구실의 강점이 있습니다. |
입자 내부: 상 및 결정구조 복합화
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이종 원소 치환 과정에서 도입된 이온들은 모상
내에 완전히 고용되지 않고, 열역학적 거동에 따라 일부 이온이 모상 내 새로운 제2상(secondary phase)을 생성하거나 기존 제2상의 조성 및 구조를 변화시키는 ‘복합화’ 효과를 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 층상구조의 NMO에 Al이 치환된 NMAO에서는
터널구조의 결정이 신규 생성되는 반면, 층상구조의 LMO에 Ti를 치환한 경우 기존 제2상이 LTO로 대체되는 상 전이(phase
transition)가 일어납니다. 본 연구실은 활물질 입자 내부에 이러한 ‘In situ 다상(multi-phase) 복합화 기술’을 독자적으로 구현하고 있으며, 이를 통해 각 상이 가진 장점을 결합해 전기화학적 성능 향상을 유도하고 있습니다. 또한, LMFP/NCM 복합 양극소재의 비이상적 거동에 대해서도 심도있게 연구하고 있습니다.
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| 활물질 입자 표면(Surface): 표면 코팅 및 계면구조 제어 |
양극 활물질 입자 표면은 내부와 달리 결함(defect) 구조가 집적된 영역으로, 전해질과 직접적인 접촉 계면을
형성합니다. 따라서 이러한 양극-전해질 계면에서의 리튬 및
소듐 이온 확산 속도, 전하 전달 반응의 가역성 및 전해질 안정성은 충∙방전
성능을 결정하는 핵심 요소입니다. 본 연구실은 고안정성∙고전도성
기능성 소재를 활용한 코팅 기술을 통해 계면구조를 정밀 제어하고 있으며, 탄산염(carbonate) 표면 처리된 LNMO, 카복실기(carboxyl) 기능화된 프러시안 블루(Prussian blue), 알루미나/MWCNT
복합 코팅된 터널구조 NMO 관련 연구가 대표적입니다.
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| 입자 표면: 결정 재구조화 |
이종 원소 치환, 표면 코팅 후 열처리 및 수용액 기반 표면 기능화
공정을 통해 활물질 입자 표면부(subsurface)의 재구조화(reconstruction)를 유도할 수 있습니다. 예를 들어, 나시콘구조의 LVP에 Zr을 치환할 경우, 고온 열처리 시 Zr의 상대적으로 느린 확산 속도로 인해 표면부와 내부 간 농도 구배가 형성됩니다. 결과적으로 Zr이 풍부한 입자 표면부에서는 모상의 나시콘 구조와
유사하여 정합성을 유지하면서도 고이온 전도체(superionic conductor)인 LZR 제2상이 국부적으로 생성되어, 양극-전해질
계면을 통한 리튬 이온 전달을 촉진합니다. 또한, Co가
도핑된 금속-유기 구조체(MOF)를 Ni-rich NCM 입자
표면에 균일하게 코팅하고 후속 열처리를 진행하였습니다. 이 과정에서 Co-MOF가
열분해 되어 분자 단위의 얇은 코발트 산화물 층이 형성됨과 동시에, Co와 Ni 간 양이온 혼합(cation
mixing)에 의해 입자 표면부의 층상구조가 고안정성 스피넬구조로 상
전이되는 표면 재구조화 기술을 구현하였습니다. 고전압 스피넬 양극소재인 LNMO에 대해서도 독자적인 표면
처리 기술을 적용하여 입자 내부의 정렬된(ordered) 구조를 유지하면서도 표면부만 선택적으로 무질서한(disordered) 구조로 상 전이를 유도할 수 있으며, 비화학양론 조성의 나시콘구조 LTP 음극소재에 대해서도 표면 재구조화 기술을 적용하여 급속 충전 성능을 획기적으로 개선하였습니다.
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