The layered $LiCoO_2$ is one of the earliest developed cathode materials as well as the main cathode materials in the rechargeable lithium batteries up to now. But since the commercialization of the $LiCoO_2$ by SONY in 1991, many researchers have made an effort to alternative $LiCoO_2$ because of its toxicity and high cost. Among the several cathode materials, $LiNiO_2$ and $LiMn_2O_4$ have attracted attention. Considering the demand for high capacity in the market, $LiNiO_2$ appears particularly interesting due to its high capacity property. Although $LiNiO_2$ has high capacity, its utilization for cathode materials in the lithium secondary batteries is limited by its loss reversibility in the first discharge.
So in the study, we tried to synthesize $LiNi_{\frac{1}{3}}Co_{\frac{1}{3}}Mn_{\frac{1}{3}}O_2$ to overcome the biggest drawback of $LiCoO_2$ and to be heir to its high capacity. Because $LiNi_{\frac{1}{3}}Co_{\frac{1}{3}}Mn_{\frac{1}{3}}O_2$ is multiphase system, it is the important issue to mix starting materials uniformly for synthesizing the final material. Therefore, it is needed to introduce new process which is cheaper and simpler than conventional process for synthesizing multiphase systems. We called the process Sucrose Combustion Process ( denoted as SCP ) and tried to synthesize the target material by SCP - cheaper and simpler process.
SCP we attempted firstly in the study is the process acquiring precursor whose form is ash. Minutely, the starting materials is dissolved in D.I.water with sucrose and mixing in liquid state. And then we induce evaporation of water and combustion in proper temperature. Finally we can acquire the final material through heating. This process make the materials to be mixed uniformly in liquid like conventional liquid state reaction and has the merits that the process is simpler than conventional liquid state reactions like co-precipitaion method.
$LiNi_{\frac{1}{3}}Co_{\frac{1}{3}}Mn_{\frac{1}{3}}O_2$ was synthesized by SCP. Synthesized powder is measured by SEM, XRD for microstructure and charge/discharge test for electrochemical properties. And U.V. spectroscopy is used to reveal expectation reaction during mixing and heating.
The optimized heating conditions for synthesizing $LiNi_{\frac{1}{3}}Co_{\frac{1}{3}}Mn_{\frac{1}{3}}O_2$ are to heat precursor auquired by SCP in 850℃ for 18hours. Also, we known the final powder using precursor with $\frac{1}{4}$ molar ratio sucrose is the optimized condition with respect to electrochemical properties. After finding optimized heating conditions and cut-off voltage, we finally can prove SCP is an effective method to synthesize $LiNi_{\frac{1}{3}}Co_{\frac{1}{3}}Mn_{\frac{1}{3}}O_2$ for cathode material for rechargeable lithium battery.
층간 구조의 $LiCoO_2$ 는 처음으로 상용화된 리튬이차전지용 양극물질인 동시에 아직까지도 메인 물질로 쓰이고 있다. 그러나 이 물질이 소개된 이후로 물질이 비싸고 환경적으로도 독성이 많이 대체하고자하는 노력이 계속되어왔다. $LiCoO_2$ 과 $LiMn_2O_4$ 이 주된 대체 물질로 연구되어왔으나 시장의 고용량 요구가 점차 커지는것을 감안할때 $LiCoO_2$ 물질이 더욱 주목받을만하다.
다만 이는 첫 방전시 가역성이 현격하게 줄어드는 단점을 가지고 있기에 이물질의 고용량 특성을 이어받고 또한 단점을 극복하고자 하는 노력으로 $LiNi_{\frac{1}{3}}Co_{\frac{1}{3}}Mn_{\frac{1}{3}}O_2$ 의 합성을 시도 하게 되었다. 다만 이물질은 다성분계 물질로서 합성시 출발 물질의 균일한 혼합이 무엇보다 중요한 이슈가 된다. 이를 위에서 액상법처럼 균일한 혼합을 가능하게 하면서도 기존 액상법에서의 복잡한 공정과 고비용 공정 그리고 많은 공정 변수에 대한 단점을 극복한 새로운 합성법이 필요하게 되었다.
이를 Scucrose combustion process ( 이하 SCP ) 라 명명하였다.
본 연구에서 처음으로 시도하는 SCP는 각각의 출발 물질을 물에 sucrose와 함께 녹인후에 적정한 열을 가하여 물을 증발시키고 그것이 더욱 진행됨에 따라 연소가 일어나는 과정이다 이렇게 ash상태로 전구체를 얻은 후에 간단한 열처리를 통해 최종 분말을 얻는 합성법이다. 이 공정은 기존 액상법처럼 액상에서 혼합이 이뤄지므로 균일한 혼합이 가능케 한다는 점과 공침법등에서 보여주는 기존 액상법보다 매우 간단하고 저렴한 공정을 갖는다는 장점을 지닌다.
$LiNi_{\frac{1}{3}}Co_{\frac{1}{3}}Mn_{\frac{1}{3}}O_2$ 는 SCP방법으로 합성되었고 이 분말은 SEM 과 XRD 를 주로하여 세부 구조를 관찰하였고 충방전 테스트를 통하여 전기화학적인 물성을 측정하였다. 또한 공정중의 예상반응을 분석하기 위하여 U.V. Spectroscopy 분석을 시도하였다. 또한 1/4 몰비로 sucrose를 넣은 전구체를 850 도씨의 온도로 18시간 열처리 한것이 최적의 물성을 나타냄을 알수 있었다.
