Lithium secondary battery is one of the most widely used energy storage devices. The use of notebook PCs, cellular phones, digital cameras and many other portable electronics require batteries with higher energy density with safety. That resulted in the demand on lithium secondary batteries with higher energy density which be achieved by increasing either the capacity or operation voltage. Both of these approaches can be realized by using new electrode materials with higher capacity or higher operation voltage than before. New battery system with new electrode materials requires electrolyte system with high electrochemical stability suitable for the electrode material, and the control of electrode/electrolyte interface is one of the important researches for new battery system.
The effect of electrolyte/electrode interface control for new negative composite electrode materials with high capacity was investigated. The poor cycling characteristics of the electrode materials with high volume change during cycling were to be enhanced by modifying the solid-electrolyte interphase layer on the negative electrode. To modify the SEI layer, an additive was introduced to the liquid electrolyte, and the effect of additive on the cycling performance was studied. Finally, new electrolyte system for composite electrode material was proposed.
Also, the effect of surface film modification on positive electrode material for high voltage operation was investigated. Lithium cobalt oxide, commonly used positive electrode material in lithium secondary battery, is not stable over 4.2V and thus it is not suitable for high voltage operation due to the impedance growth caused by the reaction of liquid electrolyte and surface residual moistures. An additive was proposed to prevent the side reactions of electrolyte and residual moistures, and the effect was studied.
이차전지는 시나브로 우리 생활에서 없어서는 안 될 필수적인 에너지 저장매체가 되어 있다. 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라 등 일상생활에 흔히 사용되고 있는 휴대용 전자제품들은 대부분 이차전지를 기초로 한다. 이 중 리튬 이차전지는 Ni-Cd, Ni-MH 전지들에 비하여 높은 에너지 밀도와 낮은 자가 방전율 등의 장점을 가지고 있다. 하지만 이러한 리튬 이차전지도 그 에너지 밀도의 한계를 겪고 있으며 이를 극복하기 위한 방안으로는 전지의 용량을 증가시키거나 작동 전압을 상승시키는 접근 방법이 있다. 또한 이러한 방법들을 통해 에너지 밀도를 향상시키기 위해서는 현재까지 사용되어온 전극 활물질들이 아닌 새로운 활물질을 도입해야 한다.
리튬 이차전지의 성능은 전극 활물질과 전해질 사이에 형성되는 계면의 성질 크게 영향을 받는다. 에너지 밀도를 향상시키기 위해 새로운 활물질이 도입될 경우 이 새로운 활물질과 전해질 사이의 계면 제어를 통해 전기화학적 안정성 향상과 성능 향상을 이룰 수 있다. 본 연구에서는 실리콘 복합 고용량 음극을 사용한 전지와 리튬 코발트 옥사이드를 이용한 고전압 구동 전지에 대하여 전극/전해질 계면 제어를 통해 성능 및 안정성을 향상시키는 연구를 진행하였다.
우선 고용량의 음극 활물질을 도입한 전지에 대하여 전해질 첨가제를 사용하여 전극/전해질 계면을 제어하고 이를 통하여 전지 성능을 향상시키는 연구를 진행하였다. 현재 리튬 이차전지의 음극 활물질로 널리 사용되는 흑연은 372mAh/g의 용량을 나타낸다. 이에 대하여 새로운 음극 활물질로 연구가 진행되고 있는 실리콘은 4200mAh/g의 높은 이론 용량을 나타내어 상용화가 될 경우 에너지 밀도 향상에 큰 도움이 될 수 있다. 하지만 실리콘은 충방전시 큰 부피 변화를 수반하여 전극의 성능 열화를 야기하는 문제를 안고 있다. 이에 대하여 첨가제를 이용한 전극/전해질 계면 제어의 효과를 확인해 보았다.
또한 양극 활물질로 사용되고 있는 리튬 코발트 옥사이드에 대하여 고전압 구동시 나타나는 사이클 특성 열화를 개선에 대한 연구를 진행하였다. 현재 리튬 이온전지에 사용되고 있는 리튬 코발트 옥사이드는 3.0V ~ 4.2V 사이에서 구동되고 있으며 4.2V 이상의 전압으로 구동시에는 사이클 특성 열화의 문제를 안고 있다. 전해질 첨가제를 사용하여 전극/전해질 계면 제어를 통한 리튬 코발트 옥사이드 전극의 고전압 구동 향상에 대한 연구를 진행하였다.
