양극재 소재의 ‘구원자’ 알루미나

리튬 이온 배터리의 기본 구조는 양극, 음극, 전해질, 분리막, 그리고 배터리 쉘로 구성됩니다. 양극 재료는 리튬 이온 배터리의 핵심 소재로, 배터리의 에너지 밀도, 전압 플랫폼, 사이클 수명 및 안전성을 결정합니다.

현재 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 망간 산화물(LiMn₂O₄), 리튬 인산철(LiFePO₄), 그리고 3원계 재료(Li-Ni-Co-Mn-O)가 상용화된 리튬 이온 배터리용 양극 재료 네 가지이지만, 안전성, 사이클 성능, 용량 유지 등 여러 측면에서 결함이 있습니다. 양극 재료의 안정성을 향상시키기 위해 연구자들은 도핑, 표면 코팅 등 다양한 개질 방법을 사용하며, 두 가지 방법은 공통적입니다.

알루미나는 어떻게 양극 성능을 향상시킬까요?

양극 재료에 알루미나를 코팅하면 양극 재료의 사이클 안정성, 사이클 수명 및 열 안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 양극 재료에 대한 Al2O3의 주요 효과는 다음과 같습니다.

(1) 불화수소(HF) 제거제

LiPF6는 전해질에 일반적으로 사용되는 전해질입니다. 고전압에서 육불화인산리튬(LiPF6)은 미량의 물과 반응하여 HF를 생성합니다.

(2) 물리적 보호 장벽

양극 재료 표면에 Al2O3 층을 코팅하면 양극 재료를 전해질로부터 분리하고 양극 재료와 전해질 간의 유해한 부반응 발생을 억제할 수 있습니다.

(3) 양극 재료의 열 안정성 향상

열 안정성은 리튬 이온 배터리의 성능을 평가하는 핵심 요소 중 하나입니다. 리튬 배터리의 충방전 과정에서 양극 재료의 격자 산소가 방출되면 전해질이 산화되어 열 안정성이 저하됩니다.

(4) 리튬 이온 확산 속도 향상

산화알루미늄은 전자와 이온의 좋은 전도체는 아니지만, 충방전 과정에서 양극재 표면에 잔류하는 리튬과 반응하여 LiAlO2를 생성할 수 있습니다. LiAlO2는 이온의 좋은 전도체이며 리튬 이온의 확산 속도를 증가시킬 수 있습니다. 이는 주로 LiAlO2가 리튬 이온의 확산 에너지 장벽을 낮추기 때문입니다.

(5) LiPF6와 반응하여 전해질 첨가제 LiPO2F2 생성

양극재 표면에 코팅된 산화알루미늄은 전해질 내의 리튬염(LiPF6)과 반응하여 리튬 디플루오로인산염(LiPO2F2)을 생성할 수 있습니다. 이는 양극재의 사이클 안정성, 안전성 및 율속 성능을 크게 향상시킬 수 있는 안정적인 전해질 첨가제입니다.

(6) 얀-텔러 효과 억제

얀-텔러 효과는 양극재 내 Mn 이온의 용해를 유발하는 주요 원인으로, 양극재 구조의 붕괴를 유발하고 리튬 이온의 확산을 방해하여 양극재의 전기화학적 성능을 저하시킬 수 있습니다.

5대 코팅 기술

함침법: 양극재를 알루미늄 전구체가 포함된 용액 또는 졸에 첨가하여 균일한 슬러리를 형성한 후, 건조 및 소성하여 알루미나 코팅 양극재를 형성합니다.

침전법: 양극재와 질산알루미늄 또는 염화알루미늄과 같은 용액을 균일하게 혼합하고, 혼합 용액의 pH를 조절하여 양극재 표면에 코팅층을 형성한 후, 여과, 세척, 건조 및 열처리를 통해 알루미나 코팅 양극재를 생성합니다.

건식 코팅 공정: 알루미나와 양극재를 직접 혼합하여 양극재 표면에 거친 코팅층을 형성할 수 있습니다. 양극재 표면에 균일한 코팅을 달성할 수는 없지만, 양극재의 전기화학적 성능 향상에는 긍정적인 영향을 미칩니다.

스퍼터링 방식: 스퍼터링 방식은 Ar+ 이온을 사용하여 타겟 물질(Al)에 충격을 가하여 Al 원자를 스퍼터링하여 양극재 표면에 증착시킵니다.

원자층 증착 기술(ALD): 트리메틸알루미늄 및 기타 재료를 알루미늄 소스로 사용하여 양극재 표면에 산화알루미늄을 코팅합니다. 코팅 두께는 정밀하게 제어할 수 있으며, ALD 사이클 횟수를 증가시킴으로써 코팅 두께를 증가시킬 수 있습니다.