황산철 및 이종 금속 전구체를 활용한 LiFePO₄ 양극소재 합성 및 전기화학적 특성 연구

초록

리튬인산철(LiFePO4, LFP) 양극재는 전이금속으로 저렴한 광물인 철을 주 원료로 하며 구조적으로 안정한 올리빈 구조를 갖고 있어 NCM 양극재 대비 높은 가격경쟁력과 우수한 사이클 안정성을 갖는다. 전기자동차, 에너지저장장치의 수요 증가로 LFP의 장점이 주목받게 되면서 LFP 개발연구가 중국을 선두로 전세계적으로 크게 확산되고 있다. 하지만 고성능 LFP 배터리 제조에 일반적으로 사용되는 인산철은 정제 및 합성 과정이 복잡하여 LFP 생산 과정에서 많은 비용을 차지하고 있다. 또한 LFP 소재 자체가 갖는 특징으로 리튬과의 산화환원 반응 전압과 리튬 확산도가 낮아 제조비용과 에너지밀도 및 출력 특성에서 개선의 여지가 남아있다. 본 연구에서는 인산철 대신 생산 공정이 단순하고 가격이 저렴한 황산철을 원료로 채택하여 용매 열 합성법을 통해 LFP를 합성하였다. 그 결과 리튬 확산 kinetic에 유리한 나노 구조의 LFP 입자가 균일하게 형성됨을 SEM을 통해 확인하였고, 전기전도도 향상을 위해 표면에 형성한 카본 코팅층을 TEM을 통해 관찰하였다. 또한 반응 전압을 높이기 위해 철과 다른 이종 원소인 망간과 니켈을 혼합하였을 때 나타나는 물성 및 전기화학 성능 변화를 확인해보고자 하였다.