$iFePO_4$ as a new promising cathode material for lithium-ion batteries has been developed because of economical and environmental advantages compared with currently used cathode materials such as $iCoO_2$. However, it was known that the low electrical conductivity is drawback of this material.
In this thesis, $iFePO_4$ were prepared by the conventional spray pyrolysis varying the experimental conditions to find out the optimum condition for obtaining single phase of $LiFePO_4$. $H_2$ 5%/Ar mixed gas was used as a carrier gas for both spray pyrolysis and post-treatment to reduce $Fe^{3+}$ to $Fe^{2+}$ completely. Preparation temperature was fixed at 800℃ and prepared particles were post treated under different post-treatment conditions. To improve low electronic conductivity of $LiFePO_4$, sucrose as a carbon source was added directly into the precursor solutions and the effect of sucrose on the physical morphology and electrochemical properties of $LiFePO_4$ was studied.
As maintaining reductive atmosphere throughout the process, $LiFePO_4$ was produced by the spray pyrolysis than by the solid state reaction method after post-treated at 750℃ for 4 hours. $LiFePO_4$ prepared by the spray pyrolysis showed similar discharge capacity to that prepare by the solid state reaction as 60~70mAh/g. Still low discharge capacity was increased by improving the intrinsically low electrical conductivity by adding sucrose as a carbon source, sucrose in this study. When sucrose was added to $LiFePO_4$, the recorded maximum capacity was 140mAh/g which is 2 times higher than pure one. Morphologies were also improved due to carbon incorporated in the particles.
리튬이온전지는 휴대폰, 캠코더, 노트북 등과 같은 휴대용 전자기기의 보편화와 함께, 전동공구나 전기자동차가 개발됨에 따라 21세기의 중요한 에너지 저장기기로 각광받고 있다. 리튬계 2차전지에 요구되는 주요 특성은 고용량, 장수명, 고안전성, 온도특성, 가격 등이 있으며, 이와 같은 성능에 가장 중요한 영향을 미치는 것이 전지 재료이다. 최근 양극재, 음극재, 전해액 등의 재료의 특성을 개선함으로써 전지의 고용량화, 고안정성, 저가요구에 대응하려는 시도가 다양하게 이루어지고 있으며, 본 연구에서는 이 중, 양극물질에 초점을 맞추어 연구를 진행해보았다.
상업적으로 가장 널리 이용되고 있는 $LiCoO_2$를 비롯한 $LiNiO_2$, $LiMn_2O_4$ 등의 기존 양극물질의 한계를 인식하면서 새롭게 차세대 양극물질로 각광받고 있는 것이 바로 $LiFePO_4$이다. $LiFePO_4$는 다른 양극재료에 비해 저가이고 친환경적이며 열적 안정성이 뛰어나다는 장점이 있는 반면, 재료 자체가 가지고 있는 낮은 전도도가 상용화에 장애가 되고 있기 때문에, 까다로운 합성조건의 정립과 함께 이 물질의 전도도를 향상시키는 방안이 구체적으로 제시되고 있다.
$LiFePO_4$는 일반적으로 고상법으로 제조되며, 점차 액상법, 수열합성법, 열탄화환원법 등으로 확대되고 있다. 하지만, 물질 내에서 +2가로 존재해야 하는 철의 산화수를 제어하기가 까다로운 관계로, 앞서 제시된 방법으로는 상대적으로 고가의 전구체 물질을 사용하여 장시간, 다단계의 반응을 거쳐야 한다는 사실이 $LiFePO_4$의 여러 장점들을 상쇄시키고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 제법으로, 조성제어가 쉽고, 저렴한 전구체 물질로 간단한 공정체계를 지니는 분무열분해법이 있다. 분무열분해법을 통해 분말이 연속공정으로 제조되므로, 한번 환원분위기를 조성해주면, 별도의 분위기 제어가 필요 없고, 분말의 체류시간이 짧기 때문에 높은 수율을 보인다는 점에서 $LiFePO_4$를 제조하기에 적합한 특성을 지닌다.
본 연구에서는 분무열분해법을 이용해 다양한 조건하에서 $LiFePO_4$를 제조함으로써 제조조건을 최적화하고, 물리적, 전기화학적 특성을 향상시키기 위해 sucrose를 첨가하여 그것이 분말에 끼치는 영향을 살펴보았다. 전구체 종류, 반응기 온도, 운반기체의 종류와 함께 후열처리시의 온도, 분위기, 가스유량 등을 변화시키며 입자를 제조한 결과, 800℃의 반응기에서 제조된 전구체분말을 750℃의 환원분위기 하에서 4시간 동안 후열처리한 경우 순수한 $LiFePO_4$가 얻어졌다. 또한 이렇게 제조된 $LiFePO_4$ 분말은 고상법으로 제조된 것과 비슷한 방전용량을 보였다. 그렇지만, 구형의 형태를 보이던 입자들이 고온에서 후열처리 온도가 증가함에 따라 심하게 응집되는 양상을 보였다.
액적 분무단계에서 sucrose를 $LiFePO_4$에 직접 첨가함으로써 탄소가 코팅된 형태의 입자를 얻었으며, 입자 내에 존재하는 무정형의 탄소가 입자의 성장을 방해하고, 후열처리시 입자간 응집을 방지하여 후열처리 후에도 구형의 입자형태를 유지할 수 있었다. 또한, sucrose의 첨가량을 변화시키며 분말의 전도도를 측정한 결과 20wt. %의 sucrose 첨가시에 전도도의 최대값이 존재한 후 이후에는 포화되는 경향을 보였다. 이는 $LiFePO_4$ 에 코팅되지 않고 남은 탄소가 고온의 후열처리 과정에서 제거된 사실에 기인한다. 같은 샘플로 half cell을 만들어 전극특성을 측정해본 결과, 최고 전도도를 보인 샘플에서 최고 방전용량이 나타났으며, sucrose가 첨가되지 않은 $LiFePO_4$ 보다 두 배 이상 증가된 용량을 보였다. 이를 통해 $LiFePO_4$의 전도도 향상이 용량증가에 직접적으로 영향을 끼친다는 사실을 증명해 보였다.
이 연구를 통해 분무열분해법의 적합성을 판단할 수 있었고, 탄소원 첨가를 비롯해 다양한 방법으로 전도도의 향상을 꾀한다면, 현재의 양극물질을 대체할 수 있을만한 차세대 이튬이온전지의 양극물질로써의 $LlFePO_4$의 가능성을 확인할 수 있었다.
