Structural characterization of Li2-xMP2O7 (M = Fe, Co) was carried out using neutron diffraction (ND) and X-ray diffraction (XRD) analyses to elucidate structural information and structural changes during an electrochemical reaction. The crystal system and space group were determined to be monoclinic P21/c for both materials with a = 11.0192 (4) ??, b = 9.7488 (3) ??, c = 9.8057 (4) ??, β = 101.569 (3) ° for Li2-xFeP2O7 and a = 10.9574 (3), b = 9.6921 (3), c = 9.7611 (3), and β = 101.776 (2) ° for Li2-xCoP2O7. XRD analysis revealed partial occupancy of iron and cobalt in the structures of Li2-xFeP2O7 and Li2-xCoP2O7, respectively. Also, ND identified lithium positions and partial occupancies in five different Li sites of Li2-xMP2O7 (M = Fe, Co). Further ex-situ XRD showed that the charging/discharging of Li2-xFeP2O7 occurred primarily via a two-phase reaction with a slight solid solution behavior. We also demonstrated for the first time that Li2-xCoP2O7 electrodes are electrochemically active, with a redox potential of ~5 V (versus Li).
Additionally, structural characterization of binary and ternary transition metal systems of Li2MeP2O7 were performed, and the NASICON structured cathode material were investigated using neutron diffraction.
본 연구에서는 중성자와 X-선 회절을 동시에 이용하여 Li2-xMP2O7 (M=Fe, Co) 물질에 대한 자세한 구조분석을 실시하였다. 구조 시뮬레이션을 통해 전위금속(TM2, 3) 사이트에 위치한 리튬 충진율을 확인하였으며, 이를 리트벨트 분석을 통해 확인하였다. Li2-xFeP2O7 물질의 충방전 동안의 구조 변화 관측을 통해, 약간의 solid-solution 구간이 존재하고 대부분의 구간에서 two-phase 반응을 통해 작동함을 확인하였다. 리튬이 탈리된 상인 충전상이 500°C 까지 안정함을 확인하였으며, Li2-xCoP2O7 물질이 ~4.9V 에서 전기화학적으로 active함을 최초로 보고하였다. 이 물질의 경우 C/20 rate 에서 ~85mAhg-1 정도의 비용량을 가짐을 확인하였다.
또한, 중성자 분석을 통하여 NASICON 계열의 전극 물질에 대한 분석과 이성분계 혹은 다성분계 pyrophosphate 기반의 물질에 대해서 분석을 진행하였다. 중성자 분석의 장점을 이용하여 각각 다른 전위금속의 사이트 및 충진율을 확인하였으며, 가벼운 원소인 산소, 리튬의 정확한 사이트 및 충진율의 분석을 실시하였다. 이 연구에 대한 자세한 내용은 차후에 발표될 예정이다.
