With the demand for lithium-ion batteries with high energy density on the rise, Li-excess layered oxide cathode (LLC) materials that can express higher capacity than conventional ternary cathode materials are garnering attention. Although LLC can theoretically have high capacity of 250 mAh/g or more, high discharge capacity cannot be sufficiently delivered due to the Li ion concentration gradient formed by intrinsically low Li-ion diffusivity. In this study, the Li ion concentration gradient was alleviated by reducing the primary particle size and simultaneously forming a lithium sulfate coating layer to mitigate the occurrence of unwanted surface reactions through a solution-based precursor coating process. Results showed that the average primary particle size reduced to about 167 nm. Through GITT measurement, it was confirmed that the degree of overvoltage at the end of discharge was reduced as the Li ion concentration gradient was alleviated. In fact, high discharge capacity of 264 mAh/g was delivered at the first cycle. It was also confirmed through XPS and STEM analysis results that the lithium sulfate coating layer effectively inhibited unwanted surface reactions such as transition metal dissolution and phase transformation of the layered structure. All in all, a Li-excess layered oxide cathode material with high capacity and excellent cycle stability was synthesized.
전기자동차 및 에너지 저장장치용 고용량 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라 새로운 양극재 물질로서 리튬 과잉 양극재가 주목 받고 있다. 리튬 과잉 양극재는 이론적으로 높은 용량을 발현할 수 있지만 낮은 리튬 전도도로 인해 방전 끝단에서 리튬 이온 농도구배가 형성되어 용량이 충분히 발현되지 않는 문제점을 안고 있다. 본 연구에서는 전구체 기반 코팅공정을 통해 일차 입자 크기를 조절함으로써 리튬 확산 경로를 짧게 만들어 리튬 이온 농도구배를 완화시켰으며, 동시에 리튬 설페이트 코팅층을 형성하여 일차 입자 크기 감소에 따른 표면 부반응의 문제를 해결하였다. 실험 결과 평균 일차 입자 크기는 약 ~167nm로 감소하였으며, GITT 측정을 통해 리튬 이온 농도 구배가 완화됨으로써 방전 끝단에서 과전압이 감소하였음을 확인하였다. 그 결과 첫 사이클에서 264.6mAh/g의 높은 방전 용량을 발현하였다. 또한, 100 사이클 이후 XPS 결과 및 STEM 분석 결과를 통해 리튬 설페이트 코팅층이 전이금속 용출 및 층상구조의 상변화를 효과적으로 억제하고 있음을 확인하였다. 최종적으로 높은 용량을 발현하면서 동시에 사이클 안정성이 우수한 양극재를 합성하였다.
