Improving the electrochemical properties and cyclability has been the focal challenge for the field of Li-ion battery cathode material. Efforts included replacing the expensive cobalt transition metal with other more eco-nomical alternatives to fabricate a multi-element cathode system, of which the Li[NiCoMn]O2 ternary cathode material is the prime candidate for replacing the conventional LiCoO2. Extended investigations have been per-formed to optimize the electrochemical properties of Li[NiCoMn]O2 by composition tuning. However, with re-peated charge/discharge cycling leading the stress development and ultimately the deterioration of cathode cy-cle life, a need for an evaluation of the mechanical properties of with respect to composition. In this study, an efficient and high throughput combinatorial methodology is developed and applied to the analysis of the me-chanical properties degradation of Li[NiCoMn]O2 cathode material as a result of repeated charge/discharge cy-cling. RF magnetron sputter deposition method was implemented with LiCoO2, LiNiO2, and LiMn2O4 three target co-sputter deposition thereby achieving the necessary concentration gradient to form a composition library. EDS and XRD analyses were used for composition and structure mapping. Nanoindentation was carried out pre and post lithiation with lithiation being performed via five cyclic voltammetry sweep cycles between 2.5V~4.5V at a scan rate of 1mV/s. Nickel rich compositions exhibited highest hardness and modulus values of 12GPa and 160GPa for pre-lithiation nanoindentation results. Post-lithation nanoindentation results, however, indicated that Li[NiCoMn]O2 compositions with manganese content of 0.15~0.55 retained their respective mechanical properties. At most 50% of the mechanical properties were retained for manganese rich compositions while nickel or cobalt rich compositions retained on average 20% of their mechanical properties. SEM images showed the deterioration of thin film quality being prevalent in nickel and cobalt rich compositions with agglomeration and micro crack formation. Our results indicate that the manganese rich compositions demonstrate the best mechanical property retention capability even after multiple charge/discharge cycles.
화석연료 에너지가 고갈됨에 따라 대체가능한 친환경 에너지 발전이 각광받고 있으며 발전된 에너지를 저장할 수 있는 대용량 에너지 저장 시스템 또한 조명을 받고 있다. 이러한 시스템은 높은 에너지 밀도를 가지면서 안전과 수명 또한 확보되어야 한다. 고에너지 밀도를 가지는 Li 이차전지가 주로 연구 되고 있다. 하지만 충방전시 유입되는 Li에 의해 발생하는 급격한 부피팽창에 의한 활물질의 기계적 파단이 문제가 되고 있다. 이는 cyclic reliability와 전지의 안정성을 급격히 감소시킨다. 따라서 Li 이차전지 전극의 기계적 특성 연구가 시급하다.
다양한 양극재료 후보군 중 LiCoO2는 높은 에너지 축전용량과 구조적 안정성을 지니고 있어서 현재 상용화된 물질이다. 하지만 LiCoO2의 비용이 비교적 높아 동일한 layered structure (R-3m)를 가지면서 비싼 Co를 대체한 전기 화학적 및 기계적 특성이 향상된 LiNiCoMnO2 (NCM) 재료가 연구되고 있다. 다 원소로 구성된 NCM 양극재료는 그 조성에 따라 전기화학적 및 구조적 안정성이 다르다고 알려져 있고 따라서 조성에 따른 NCM의 성능 평가의 필요성이 대두되고 있다. 양극 재료는 높은 전기화학적 에너지 저장 능력과 오래 충방전을 유지할 수 있는 기계적 안정성이 중요하다. 전기화학적 에너지 저장 능력 향상에 대한 연구에 반해서 기계적 안정성 평가 연구는 아직 부족한 실정이다. 양극 재료에 Nickel, Manganese, Aluminum 등과 같은 전이금속을 첨가할 시 기계적 안정성이 떨어지는 현상이 있다고 알려져 있으나 다 원소 복합 재료의 특성평가 연구 보고 결과가 없을 정도로 미흡한 실정이다.
다 원소 물질의 조성 별 특성 평가 연구를 효과적으로 진행하기 위해서 한 샘플에 폭 넓은 조성을 담는 combinatorial 방법론이 조명 받고 있다. Jeff Dahn 연구팀에서는 효율적 박막 composition library 구축 방법을 SiSnxAly (0
