It is in the objective of current research to obtain a high energy density next-generation lithium-ion battery (LIB). Extensive studies have therefore been carried out on cathode materials with high capacity and high voltage as well as anode materials with high capacity. Also, the safety of the next-generation high energy density LIBs is of utmost importance. In particular, the application of conventional flammable liquid electrolytes in traditional LIBs involves the risk of thermal runaways and other safety hazards. Solid electrolytes have a higher flash point compared to flammable liquid organic electrolytes. Hence, the application of solid electrolytes can improve the thermal stability of LIBs and are therefore expected to play a key role in next-generation high energy density LIBs.
Polymer electrolytes, such as poly(ethylene oxide) are reported as possible solid electrolyte candidate due to their thermal and electrochemical stability. However, the poor interfacial stability of poly(ethylene oxide) with high voltage cathode materials, such as $LiNi_{0.6}Mn_{0.2}Co_{0.2}O_2$, limits the application of poly(ethylene oxide) as solid electrolyte for higher energy density LIB fabrication. In particular, the surface catalytic effect of high voltage cathode materials leads to a decomposition of poly(ethylene oxide).
This thesis is focused on coating the $LiNi_{0.6}Mn_{0.2}Co_{0.2}O_2$ cathode material with chemically stable Li3PO4 by sol-gel method to increase the interfacial stability between the cathode and the poly(ethylene oxide) solid electrolyte. The successful coating of the $LiNi_{0.6}Mn_{0.2}Co_{0.2}O_2$ surface is demonstrated by scanning electron microscope analysis. An improved electrochemical performance was achieved, showing a discharge capacity decay of 6 % after 66 cycles for the coated material compared to 31.8 % after 66 cycles for pristine $LiNi_{0.6}Mn_{0.2}Co_{0.2}O_2$ at 0.2 C. In addition, potential experimental conditions are identified to operate cells with an increased active material loading to demonstrate more practical battery cycling results.
현재 높은 에너지 밀도를 가지는 차세대 리튬이온전지를 개발하는 것을 목표로, 많은 연구가 진행중이다. 구체적으로 양극재에서는 높은 용량과 전압을, 음극재에서는 높은 용량을 목표로 많은 연구들이 진행되고 있다. 이와 더불어 차세대 고에너지 밀도 리튬이온전지의 안정성 역시 매우 중요한 부분이다. 기존 리튬이온전지에서 사용되는 가연성 액체 전해질은 열폭주 위험성을 비롯한 여러 안전상의 위험요소를 가지고 있다. 이에 비해 고체 전해질은 상대적으로 높은 발화점을 가지고 있다. 따라서 고체 전해질을 도입한다면 리튬이온전지의 열안정성을 높일 수 있으므로, 차세대 고에너지 밀도 리튬이온전지에서 중요한 역할을 할 것이라 전망하고 있다.
폴리(에틸렌 옥사이드)과 같은 고분자전해질은 높은 열적, 전기화학적 안정성으로, 고체 전해질의 후보로 보고되고 있다. 그러나 폴리(에틸렌 옥사이드)는 $LiNi_{0.6}Mn_{0.2}Co_{0.2}O_2$ 와 같은 고전압 양극재와의 낮은 계면안정성을 보여, 고에너지 밀도 리튬이온전지의 고체 전해질로 도입하는데 한계가 있다. 특히, 고전압 양극재의 표면촉매효과는폴리(에틸렌 옥사이드)를 분해할 수도 있다.
본 연구는 Sol-Gel법을 이용해 $LiNi_{0.6}Mn_{0.2}Co_{0.2}O_2$ 양극재를 화학적으로 안전한 Li3PO4으로 코팅해서 양극재와 폴리(에틸렌 옥사이드) 고체전해질과의 계면 안정성을 향상시켰다. $LiNi_{0.6}Mn_{0.2}Co_{0.2}O_2$ 표면의 성공적인 코팅은 주사전자현미경 분석으로 확인되었다. 전기화학적 성능 역시 향상되었는데, 0.2 C에서 66 번의 충방전 이후에 방전 용량이, 코팅되지 않은 소재는 31.8 % 감소되었으나, 코팅된 소재는 6 % 만 감소하였다. 추가적으로 실제 환경과 유사한 배터리 충방전 시험을 위해, 더 많은 활성물질을 함유한 배터리의 작동 가능 조건을 확인하였다.
