[논문 리뷰] Cathode Materials for Lithium Ion Batteries (LIBs): A Review on Materials related aspects towards High Energy Density LIBs

Ambesh Dixit|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 25.

Advancements in Battery Materials참고 문헌 77인용 수 9

한 줄 요약

이 리뷰는 1980년대부터 현재까지 리튬이온 배터리 음극재의 진화를 체계적으로 분석하며, 높은 에너지 밀도를 달성하기 위한 구조적, 전자적, 이온 전도도 도전 과제에 초점을 맞춘다. 음극재 재료를 세 대로 분류한다 — 리튬 코발트 산화물과 삼원산화물(LiTMx), 수정된 삼원/사원산화물, 높은 리튬 함량을 가진 복합산화물인 Li2TMSiO4 — 그리고 차세대 배터리를 위한 재료 설계 전략과 남아 있는 과제를 강조한다.

ABSTRACT

This article reviews the development of cathode materials for secondary lithium ion batteries since its inception with the introduction of lithium cobalt oxide in early 1980s. The time has passed and numerous cathode materials are designed and developed to realize not only the enhanced capacity but also the power density simultaneously. However, there are numerous challenges such as the cyclic stability of cathode materials, their structural and thermal stability, higher operating voltage together with high ionic and electronic conductivity for efficient ion and charge transport during charging and discharging. This article will cover the development of materials in chronological order classifying as the lithium ion cathode materials in different generations. The ternary oxides such as LiTMOx (TM=Transition Metal) are considered as the first generation materials, whereas modified ternary and quaternary oxide systems are considered as the second generation materials. The current i.e. third generation includes complex oxide systems with higher lithium content such as Li2TMSiO4 aiming for higher energy density. Further, developments are heading towards lithium metal based batteries with a possibility for very high energy densities.

연구 동기 및 목표

• 1980년대 이후 리튬이온 배터리 음극재의 연대적 발전을 추적하기 위해.
• 사이클 안정성, 구조적 완전성, 열 안정성과 같은 재료 특화 과제를 분석하기 위해.
• 고출력 및 고에너지 밀도를 실현하는 데 있어 이온 및 전자 전도도의 역할을 평가하기 위해.
• 제1세대에서 제3세대 음극재 시스템으로의 전환을 이끄는 핵심 재료 혁신을 규명하기 위해.
• 미래의 고에너지 밀도 배터리에 대해 높은 리튬 함량을 가진 산화물 및 리튬 금속 기반 시스템의 잠재력과 과제를 평가하기 위해.

제안 방법

• 조직도 기반의 구성 및 성능에 따라 음극재 재료를 세 세대로 연대순 분류하기 위해.
• LiCoO2, LiNixMnyCo1−x−yO2(NMC), 및 Li2TMSiO4 기반 시스템을 포함한 재료 화학의 체계적 리뷰를 위해.
• 재료 성능에 영향을 주는 구조적, 전기화학적, 열적 안정성 요인을 분석하기 위해.
• 층상, 스파인델, 올리빈 유형 음극재 구조에서의 이온 및 전자 전도도 메커니즘을 평가하기 위해.
• 안정성을 향상시키기 위한 도핑, 코팅, 고체 용액 형성과 같은 재료 수정 전략을 논의하기 위해.
• 이론적 및 실용적 에너지 밀도를 다양한 재료 계열 간 비교하기 위해, 빛나는 리튬 빈도 및 리튬 금속 기반 시스템을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 개발을 저해하는 주요 재료 제약은 무엇인가?
• RQ2 LiCoO2와 같은 제1세대 시스템에서 Li2TMSiO4와 같은 제3세대 시스템으로 음극재 재료가 어떻게 진화해 왔는가?
• RQ3 이온 및 전자 전도도는 음극재 재료의 출력 및 에너지 밀도를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 구조적 및 열적 안정성은 고전압 음극재 재료의 사이클 수명과 안전성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 차세대 배터리에 대해 리튬 빈도 및 리튬 금속 기반 음극재의 전망과 과제는 무엇인가?

주요 결과

• LiCoO2와 같은 제1세대 음극재는 상용화를 가능하게 했지만 에너지 밀도 및 열 안정성 측면에서 제약을 겪는다.
• NMC 및 NMO와 같은 제2세대 재료는 전이 금속 치환 및 고체 용액 형성 덕분에 더 높은 용량과 안정성을 제공한다.
• Li2TMSiO4와 같은 제3세대 재료는 더 높은 리튬 농도와 다핵산화물 프레임워크 덕분에 더 높은 이론적 에너지 밀도를 달성한다.
• 진전에도 불구하고 고리튬 함량 산화물에서 구조적 열화, 전압 퇴화, 계면 불안정성 문제 등 여전히 남아 있다.
• 고속 성능을 위해 향상된 이온 및 전자 전도도 확보가 복합 산화물 시스템에서 특히 중요하다.
• 리튬 금속 기반 배터리는 초고에너지 밀도를 향한 잠재적 길을 제공하지만, 계면 안정성 향상 및 나선형 성장 억제 기술의 돌파구 필요하다.